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DSSS和FHSS的对比
NRF500 | 2011-11-03 11:12:17    阅读:11023   发布文章
由于其免许可特性,915MHz美国工业、科研及医疗(ISM)用频段常被短距离无线设备用于建立无线数据链路。随着其普及性的日益增强,工作于该频段的设备数量不断增加。这种情况可能造成频谱拥挤,而拥挤本身又对工作于该频段的其它设备产生干扰,从而导致目标数据链路性能下降。
 
1:一种随机跳频模式的示例
ISM频段是一个旨在用于低数据率通信的免许可频段,从902MHz扩展到928MHz。根据规定,终端用户使用任何工作于免许可频段的收发器都不需要获得政府的批准。但是,这些设备本身必须得到所使用国政府权威部门的验证。在美国,工作于915MHz频段的低数率收发器受联邦通信委员会(FCC)监管,其法规主要关注设备的辐射。
扩频系统以其在多接入系统中的抗干扰与防??能力而著名。用来传送数据信息的扩频信号具有一个不凡的特点,那就是它们的带宽W远大于信息速率R(单位为bps)。扩频信号的带宽扩展系数Be = W/R,该值远大于1。扩频信号固有的高冗余被用来克服在无线信道上发送数据信息时可能遭遇的严重干扰。工作于915MHz ISM频段的无线电会受到相同频段上其他免许可设备的干扰,从而大幅降低无线电的灵敏度。
扩频系统设计的另一个重要因素是伪随机性,它使得被传输的信号看上去类似于随机噪声,因此除了目标接收器,很难被其它接收器解调。概括而言,扩频系统的优点在于:

a.可抵御或抑制由人为干扰造成的有害影响、同一信道的其他设备引起的干扰、以及由多径传播造成的自干扰;

b.即使存在其它接收设备也能确保信息的保密性;

c.能够通过低功率发射来隐藏信号,从而使未授权用户难以从背景噪声中发现信号。因此,这些信号具有低截获概率(LPI)。
目前存在直接序列扩频(DSSS)与跳频扩频(FHSS)两种扩频系统。在DSSS中,伪随机噪声(PN)发生器以远高于数据速率的码片速率产生PN码。在数据率下的数据输出和在码片率下的PN发生器输出进行模二相加,然后结果送入相移键控(PSK)调制器中。在接收器端,则利用PN码复杂的相关性属性对消息序列进行解码。DSSS是一种成本较高的解决方案,而且由于有严格的同步要求所以更加难以实现。DSSS还需要像二进制PSK这样的相干调制技术。所有这些因素都使得DSSS不适合简单、低成本及低速率的ISM频段接收器使用。而另一个选择对象FHSS则更适合此类应用。
FHSS系统
在FHSS系统中,可用的信道带宽被分成多个邻近的频率槽。美国ISM频段倾向于低数据率FHSS系统。在任意的信令间隔,被发送的数据都占据一个可用的频率槽。在每一个信令间隔选择频率槽就形成了伪随机。用户可根据自定义的协议来决定跳频序列(图1)。
收发器发送或接收的时间称为驻留时间(dwell time),收发器配置其寄存器以便在另一个频率上进行发送或接收的时间则称为空时间(blank time)。在驻留时间内进行的操作是在跳频序列中的某个特定频率发送(或接收)前同步码、起始位、数据序列及后同步码。在空时间内的操作包括产生伪随机频率,配置收发器的寄存器以便在随机产生的频率上进行工作,以及等待PLL锁定。为了节省电池功耗,空时间应尽可能短。
2: 传输类型
有一个很好的理由支持在ISM频段内工作的收发器使用跳频方案。FCC对在该频段内进行工作的免授权设备进行管理。根据FCC法规的第15.247部分,允许跳频系统以高达+30 dBm各向同性辐射有效功率(EIRP)进行发射。增强的功率(因而具有更高的链路预算或更广的工作范围)加上扩频系统固有的优势,使得跳频方案成为ISM频段内免许可无线设备的理想选择(图2)。
单信道通用数据设备与跳频设备共享902-928MHz频段,但工作在更低的功率水平。单信道设备没有跳频要求,其最大输出功率约为1.25 dBm,最大谐波功率约为41.25 dBm。
跳频UART芯片组
一款跳频无线通用异步接收/发送器(UART)芯片组利用了跳频系统提供的抗干扰特性及增强的发射功率等优势。该芯片组工作于902-928MHz的ISM频段,是一款真正的无线UART解决方案(数据输入射频输出或射频输入数据输出),其中无线链路的所有软硬件部分均已实现。该芯片组可用来实现这样一种无线链路,即:终端应用可将无线链路视为外设进行接口,从而将应用与跳频系统复杂的实现过程相分离。
该芯片组的收发器通过由16位的唯一收发器ID、16位的网络ID以及16位的系统ID所组成的48位地址进行识别。每个收发器可以通过配置使用16个不同频率跳跃顺序组(hop-set)中的任一个,而每一个hop-set都由50个伪随机排列的信道组成。带有不同hop-set配置的两个收发器间不能相互通信。
数据包结构由一个包头、数据有效载荷及带校验和的包尾组成。数据通信协议支持应答与重试(多达20次),可实现超可靠的数据传输。芯片组可进行配置以支持点对点和点对多点(广播)的网络拓扑。
跳频协议
每个收发器均被设计成可以在902-928MHz频段内、由hop-set ID设置的50个信道间进行伪随机跳频。由于发射器载波频率伪随机跳变,所以接收器必须以同样的伪随机顺序产生频率,才能确保正确的频率锁定、解调以及信号检测。因此,发射器与接收器必须保持时间同步。这种同步出现在捕获与跟踪两个阶段。捕获是指接收器识别发射器的起始阶段。跟踪则是指捕获成功后的阶段。在跟踪阶段,发射器与接收器必须一直同步,直到数据发送和/或接收结束。这两个阶段均可用固件来实现。
发射与接收设备必须按同样的跳频表(hop table)来设置。设备一旦被激活,则按配置好的跳频顺序表在随机信道上发送数据。接收设备扫描每一个信道,以寻找由0101序列组成的TX前同步码。一旦接收设备确定了一个有效的前同步码,就会驻留在有效信道上。当发射设备传送70ms前同步码时,它同时发送同步序列(00110011),而接收设备则与发射设备同步并准备接收有效数据。接收完有效数据后,接收器再跳到下一个由固件预设的信道上,并向发射设备发送一个确认信号。发送确认信号后,接收设备再次进入接收模式以等待由固件设定的下一个信道上的确认信号。通信成功后,发射设备再将接收设备发出的发射成功确认信号传给主机。
3: 发送和接收设备协议
由于芯片组可执行伪随机跳频协议,因此与在单一信道上发送数据相比可提供极强的抗干扰能力。在915MHz ISM频段内采用跳频方案具有以下几个优势:

1、良好的窄带与宽带抗干扰性;

2、与DSSS方案相比成本更低、更易实现;

3、室内多径传输环境中依然具有出色的性能;

4、非常适合低数据速率系统,因为较高的数据包开销不是主要问题;

5、截获概率低,因为跳频信号具有较低的平均功率密度因而难以被截获。尽管发射时某频率的瞬时功率较高,但该频率上的平均功率等于瞬时功率除以频率槽数;

6、与DSSS相比具有更短的捕获与同步时间;

7、跳频系统可提供高水平的信息保密。低截获概率及伪随机跳频使信号很难被未授权的接收器解调;

8、简单的无线UART解决方案,所有跳频及相关通信协议均在ROM中实现。
 
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