發布日期：2022-04-17 點擊率：104
無線應用顯然為相關產業帶來了巨大優勢，如支持全新監視與控制功能，在現有功能基礎上增加了靈活性，降低了運營和進程管理成本等。作為響應，多種不同的無線解決方案和應用在不同領域應運而生，以滿足不斷增長的業界需求。也就是說，工業領域為許多傳統無線解決方案帶來了并非其設計之初所考慮要解決的一系列獨特挑戰，比如高可靠性、低系統功耗，以及要能在 RF 干擾較高的物理環境下工作，同時還要不斷降低成本等。無線技術的使用范圍不斷擴大也成了一個新的挑戰，由于許多不同的應用都要搶占相同的 RF 頻率，因此會導致頻譜過于擁擠，使現有的工業挑戰變得更為復雜。面對工業領域及無線應用所帶來的諸多挑戰，我們怎樣才能在現有的解決方案中做出明智的選擇，確保滿足環境需求呢？下面，讓我們看一下解決上述問題所需的五大要素。 可靠性 就本文來說，可靠性就是指無線解決方案穿越工業領域所帶來的諸多障礙實現通信的能力。無線系統有具體的特征，這些特征有助于決定在給定系統中如何可靠地工作。這些特征其中之一就是頻譜應用，就是無線通信用什么 RF 頻譜進行通信。另一個特征就是技術的接收靈敏度，即收發器識別出通信內容的最低程度。第三個特征是輸出功率，即技術通信需要多大的功率。第四個特征是 RF 捷變性，也就是技術能否支持在 RF 頻譜中移動以避免干擾。第五個特征是抗干擾性，即 RF 技術能否在面臨干擾的情況下確保給定通道的通信。 RF頻譜應用在很大程度上取決于 RF 波物理特性決定的環境。頻率越低，波長越大，也就越難被液體和混凝土等常見制造材料吸收。不過，RF 頻譜及其應用是一個受政府高度管理的無線通信領域，只有少部分頻譜預留給這些通信在本地和國際上非限制地使用，也就是所謂的工業、科學和醫療 (ISM) 波段。在此波段內，被接受和常用的最主要的頻率是 ISM 波段的 2.4-GHz 部分。在此頻率下，工業領域中惡劣的 RF 環境會很快吸收掉較小的波長，因此需要更需要關注剩余變量來測量可靠性。 我們可將接收靈敏性、輸出功率和抗干擾性全部量化，以形成定義可靠性的更大更重要的變量，即鏈路預算。鏈路預算可定義為接收靈敏性加上輸出功率和抗干擾性的絕對值。接收靈敏性越高，輸出功率越大，抗干擾性就越強，解決方案的鏈路預算就越高。而鏈路預算越高，無線解決方案受 RF 吸收和干擾影響的幾率就越低，從而有助于提高可靠性。收發器的接收靈敏度和輸出功率往往是決定鏈路預算的組件級鑒別器，我們可以方便地對其加以評估和比較。但是，抗干擾性很大程度上取決于無線收發器采用何種類型的技術來提高信號存活性。當前使用的、可以直接改善這一功能的最佳技術之一就是直接系列擴頻 (DSSS) 調制技術。 DSSS 調制技術基本上是一種對發送信號進行前向糾錯的方法，用于減小信號干擾造成數據丟失的影響。具體而言，DSSS 根據發射器和接收器共享的偽隨機噪聲碼將一組數據編碼為較大的比特流。例如，在圖 1 中，8 位數據編碼為 32 個碼片，在此情況下，4 個碼片相當于 1 位。隨后，碼片在 RF 信號上調制發送。接收器將接收信號的碼片解調，并反向執行 DSSS 編碼方案。即便由于信號噪聲或干擾會出現解調錯誤，原始數據仍然可以恢復。 圖1 直接系列擴頻技術 最后，RF 捷變性可通過避免干擾技術提高可靠性，也就是通過 RF 頻譜跳頻或者移動來避免干擾。解決方案的自由度越高，就越有利于找到 RF 干擾較小的環境，降低干擾。目前使用的不同 RF 捷變性技術主要分為兩大類，一類是偽隨機或算法型跳頻方案，可在頻譜內持續跳頻，以盡量減少干擾，還有一類則是僅在需要時才移動的智能方案（見圖 2）。從可靠性的角度來看，第一類捷變性方案的問題在于，如果 RF 頻譜內比較繁忙，那么可能會無意中跳頻到干擾較高的頻譜部分中去，而智能型技術則會找到干擾較低的位置并隨即停止移動。不管采用何種捷變性方案，RF 捷變性都取決于 RF 頻譜的使用和通道的大小。依靠 RF 頻譜應用，捷變性可以有或多或少的空間。例如，由于頻率分配的緣故，低頻解決方案相對于高頻解決方案而言空間較小。2.4-GHz 解決方案支持約 100-MHz 的可用頻譜，而 900-MHz 解決方案僅支持約 26-MHz 的空間。通道大小也是影響 RF 捷變性的一個重要因素。通道尺寸越小，頻譜中捷變性的空間就越大，從而能以更高的 RF 捷變性來避免干擾，在干擾信號間找到干擾最小的工作頻率。例如，就 2.4-GHz 無線解決方案而言，基于 802.15.4 的解決方案一般寬度為 5-MHz，只有 16 個可用的通道，而寬度為 1-MHz 的解決方案通常支持 80 個可用通道，因此就能在更多通道間移動以避免干擾。
圖2 通道跳頻
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