嵌入式無線應用的可靠性和功率效率優化設計

由于 2.4GHz 技術在全球范圍內均可免授權使用、數據傳輸速率更快，且相對于不足 1GHz 的技術而言還有許多其他內在的優勢，目前得到了上述諸多無線系統的普遍青睞。但這種技術的缺點在于，這些系統不僅要相互之間、而且也要和 Wi-Fi、無繩電話和藍牙等各種正在流行的2.4GHz系統爭搶頻道，各種 2.4GHz 無線系統之間不可避免地會發生相互干擾，增加通信故障的幾率。因此，射頻工程師只構建可以無線收發數據的無線電設備和協議棧而不考慮抗干擾機制顯然已遠遠不夠。設計人員必須采用智能技術，確保嵌入式無線系統在日益擁擠的 2.4GHz 射頻頻譜中能夠切實可靠地工作。

　　功耗是射頻工程師面臨的另一大關鍵問題。許多嵌入式無線應用都要求電池供電的產品能夠持續工作達數年之久，而不是僅持續幾個星期或幾個月。工程師不能僅采用超低電流消耗的射頻組件來優化系統效率。大多數低功耗收發器在睡眠模式中的耗電量都比其在收發模式中的低 1000 倍，因此工程師必須設法減少過多的重復發送循環并盡可能延長系統的睡眠時間。工程師可通過動態數據速率和動態輸出功率技術解決可靠性和功率效率問題。

　　可靠性

　　您只需觀察設備間成功傳輸的數據包占所有數據包的比例就能判斷出無線鏈接的可靠性。在許多情況下，提高成功傳輸率可能只會增強用戶的使用體驗。但是，在安全和醫療設備等特定應用中，成功傳輸率是一個不容忽視的關鍵要求。

　　在典型的低功耗射頻系統中，信道以一定的數據速率發送和接收數據包。工程師常常采用頻率捷變技術來增強可靠性，讓系統在面臨當前信道噪聲過大、導致數據包丟失的情況下主動選擇噪聲較低的信道。具有頻率捷變的系統要求收發器能夠快速切換信道，而且需要協議棧能夠告訴收發器選擇哪個信道。大多數低功耗 2.4GHz 收發器都能迅速切換信道，但并非所有的協議棧都具有內置的頻率捷變。最新型ZigBee 2007 Pro 規范和賽普拉斯專有的CyFi Star網絡協議都具有可防御干擾的頻率捷變。

　　不過，頻率捷變自身還遠不足以確保 2.4GHz 頻帶內的無憂安全連接。在一些采用頻率捷變的實施方案中，系統僅在數據包大量丟失而引發網絡連接故障時才切換信道。因為只能在網絡連接發生故障后才會啟用新的低噪聲信道，這種性能并不理想。鑒于此，頻率捷變尚不足以預防系統故障，而僅能從故障中恢復而已。恢復功能對可以容許隨機數據包丟失的體育休閑類應用可能已經足夠了，但有些應用（如醫療設備和工業過程控制）則不能容許數據包有過多的丟失。

　　頻率捷變的另一不足之處在于其假定相關射頻頻譜中總是存在一條無噪聲的信道。在 2.4GHz 頻帶中，802.11g 路由器等設備要占用 22 MHz 的帶寬，而 802.11n 路由器則會占用多達 40 MHz 的帶寬。僅兩臺 Wi-Fi 路由器就足以占用整個 2.4GHz 頻帶了，而其他系統很難再找到未占用的低噪聲信道，因而降低了頻率捷變的有效性。

　　優化可靠性

　　盡管頻率捷變自身還不足以提供全面的可靠性，不過我們可通過實施動態數據速率來增強穩健性，從而確保 2.4GHz 頻帶內的無憂安全連接。“動態數據速率”是指系統實時自動變換數據傳輸速率的能力。顯而易見，人們似乎總是傾向使用最大傳輸速率。例如，就手機而言，Apple iPhone可以在移動環境增強型數據速率全局系統 (EDGE)、第三代 (3G) 和 Wi-Fi 協議之間無縫切換，從而為用戶提供盡可能高的數據速率。

圖1，32片順序。