短程無線設(shè)備（SRD）在較小的物理區(qū)域內(nèi)通信，數(shù)據(jù)率和工作電流均低于大型產(chǎn)品,，并且功能也相對(duì)簡單,，它被廣泛應(yīng)用于車門遙控開關(guān)系統(tǒng)、簡單家用自動(dòng)化設(shè)備和無線游戲控制器,。

　　與SRD系統(tǒng)相比,，高端系統(tǒng)可采用先進(jìn)和復(fù)雜的協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)。這些軟件協(xié)議?？蓮牡谌焦?yīng)商購買或嵌入硬件。而設(shè)計(jì)SRD時(shí),，嵌入式開發(fā)人員通?？稍O(shè)計(jì)小型定制協(xié)議并直接對(duì)硬件進(jìn)行訪問，SRD的協(xié)議棧通常比較簡單,，本文介紹適用于短程無線設(shè)備的協(xié)議設(shè)計(jì)策略,。

　　一般來說，射頻鏈路與有線連接在諸多重要環(huán)節(jié)上完全不同：1. 射頻鏈路是通過相同的傳輸媒介空氣來傳播無線電信號(hào)；2.
誤碼率比常規(guī)有線系統(tǒng)高幾個(gè)數(shù)量級(jí),。由于存在上述差異,，RF鏈路的可靠性比有線鏈路低。為了建立可靠的無線通信鏈路,，可以采用TDMA和FDMA技術(shù),。

　　時(shí)分多址（TDMA）技術(shù)可使不同的設(shè)備在不同的時(shí)刻“同時(shí)”占用同一段頻譜，這通?？梢酝ㄟ^為不同的發(fā)送器分配特定的時(shí)隙和編碼加以實(shí)現(xiàn),。圖1顯示了可被兩個(gè)設(shè)備在一段時(shí)間內(nèi)共享的帶寬。

　　基本時(shí)間分片的機(jī)制之一是載波偵聽多址（CSMA）技術(shù),。CSMA不分配固定的時(shí)隙,，而其基本原理同人與人之間的禮貌交談并無二致：在試圖插嘴之前，必須等待同伴停止說話,。正常的CSMA設(shè)備可實(shí)現(xiàn)某種形式的發(fā)送前偵聽（listen-before-transmit）功能,，這樣當(dāng)另一設(shè)備正使用信道時(shí)，CSMA設(shè)備必須等待,。當(dāng)然,，如果兩個(gè)或更多發(fā)送器同時(shí)捕獲了公共信道，將有可能產(chǎn)生沖突,。

　　頻分多址（FDMA）技術(shù)將可用的頻率帶寬拆分為具有較窄帶寬的子信道,，如圖2所示。這樣每個(gè)子信道均獨(dú)立于其它子信道,，從而可被分配給單個(gè)發(fā)送器,。其缺陷是子信道之間必須間隔一定距離以防止干擾，頻帶利用率不高,。

　　FDMA的最大問題在于較窄的信道限制了數(shù)據(jù)傳送的速率,。窄信道還需要更好的無線濾波，這進(jìn)一步增加了系統(tǒng)成本,。同樣,，信道間還可能存在潛在的噪聲，因?yàn)檩^強(qiáng)的帶外（out-of-band）噪聲可能干擾我們希望接收的微弱信號(hào),。

　　
一,、擴(kuò)頻技術(shù)

　　在跳頻技術(shù)中，發(fā)送器從一個(gè)子信道“快步”跳躍至另一子信道,。該技術(shù)最早被美國軍方采用,，后來的事實(shí)表明擴(kuò)頻技術(shù)也同樣適用于民用系統(tǒng)。擴(kuò)頻技術(shù)具有兩大優(yōu)勢(shì)：

　　1.擴(kuò)頻系統(tǒng)比其它傳統(tǒng)系統(tǒng)更抗干擾,；
　　2.擴(kuò)頻技術(shù)可用來提供多種接入功能,。

　　目前主要的兩種擴(kuò)頻技術(shù)是跳頻（FHSS）和直接序列擴(kuò)頻（DSSS）技術(shù),。這兩種技術(shù)均以自己的方式支持多種接入方式。對(duì)于FHSS,，每個(gè)發(fā)送器均可使用不同的跳頻序列,，這樣即可同其它的發(fā)送器共享相同的帶寬（如圖3所示）。FHSS的優(yōu)點(diǎn)是頻率順序可以自適應(yīng),，從而防止較強(qiáng)的干擾,。

　　DSSS系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)信號(hào)與擴(kuò)頻碼的異或（XOR）運(yùn)算獲得信號(hào)能量擴(kuò)展。系統(tǒng)可采用幾種不同的擴(kuò)頻碼支持多路接入,，這就是碼分多址（CDMA）技術(shù),。為使直接序列多路接入機(jī)制正常工作，所有發(fā)送器的功率電平均應(yīng)保持一致,，否則弱信號(hào)將被強(qiáng)信號(hào)阻塞,。圖4顯示了這一機(jī)制。兩路DSSS信號(hào)在相同的頻帶上發(fā)送,，接收器通過信號(hào)處理即可利用已知的擴(kuò)頻碼析取發(fā)送器傳來的數(shù)據(jù),。

　　應(yīng)用中采用何種無線技術(shù)取決于多種因素。當(dāng)然,，TDMA和FDMA比擴(kuò)頻更容易實(shí)現(xiàn),，因此如果可能，您將會(huì)很樂意采用其中一種方法,。

　　如果設(shè)備不需要頻繁傳送信號(hào),，那么TDMA自然就是最佳選擇，因?yàn)閭魉驮缴僖馕吨鴽_突越少,。此外,，無線電管理當(dāng)局可以通過限制允許傳送的占空比來要求TDMA工作于特定波段。

　　另一方面,，如果希望每個(gè)發(fā)送器都具有連續(xù)的通信信道,，那么FDMA就是最佳選擇。

　　當(dāng)許多設(shè)備必須以特殊方式進(jìn)行通信或當(dāng)接口電平較高時(shí),，擴(kuò)頻技術(shù)就顯得尤為有效,。DSSS必須以硬件方式實(shí)現(xiàn)才最為有效，而FHSS則可用軟件實(shí)現(xiàn),，具體取決于采用的跳頻率,。如果采用直接序列，那么對(duì)于軟件開發(fā)人員則完全透明,。需要注意的是,，擴(kuò)頻技術(shù)依賴于可供充分利用的帶寬，因此并不適用于所有無線頻帶,。

　　添加發(fā)送前偵聽功能并非難事或需要大量工作,，而且可以避免干擾工作于相同頻率范圍內(nèi)的其它RF系統(tǒng)。此外,，當(dāng)產(chǎn)品與其它RF設(shè)備協(xié)同工作時(shí),，用戶還能避免大量干擾問題。

　
二,、無線電頻率管理

　　無線電管理機(jī)構(gòu)可管理RF帶寬的使用,，最基本的規(guī)則是無線發(fā)送器的使用需要獲得許可。然而,，管理部門也規(guī)定某些頻帶不需許可,，以滿足不同的需要。這些頻帶通常包括工業(yè),、科研和醫(yī)用（ISM）頻帶,。

　　各個(gè)國家的無線電管理不盡相同。在美國,，F(xiàn)CC （www.fcc.gov）管理無線電頻譜的分配,。可用的公共頻帶包括：27MHz,、260MHz至470MHz,、902MHz至928MHz和最常用的2.4GHz頻帶。260MHz至470MHz頻帶對(duì)數(shù)據(jù)傳送的類型有所限制,，而其它頻帶則沒有這樣的限制,。

　　在歐洲，大多數(shù)國家簽署了協(xié)調(diào)無線電頻譜管理的協(xié)議,。歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（www.etsi.org）提供無線標(biāo)準(zhǔn)信息,，而歐州郵電和遠(yuǎn)程通信會(huì)議（CEPT）則為頻率使用提供推薦（www.ero.dk）。然而,，各個(gè)國家之間還是存在一些差異,。可用的公共頻帶包括：27MHz,,、433MHz,、868MHz和2.4GHz。433MHz和868MHz頻帶則拆分為具有不同RF功率和占空比限制的子頻帶,。

　　韓國和日本的法規(guī)比較相似,，都對(duì)無線協(xié)議提出了更多的需求。在大多數(shù)可用帶寬中,，都必須使用發(fā)送前偵聽功能,。兩個(gè)國家還規(guī)定了最大傳送次數(shù)和最小靜默時(shí)間?？捎玫念l帶位于400MHz,、1.1GHz和2.4GHz附近,。

　　其余國家則無硬性規(guī)定和規(guī)則。在開展業(yè)務(wù)之前,，必須首先聯(lián)系當(dāng)?shù)毓芾聿块T,，以便清晰地了解當(dāng)?shù)氐臒o線電頻譜管理規(guī)則。FCC在以下網(wǎng)址中給出了管理部門的詳細(xì)列表：www.fcc.gov/mb/audio/bickel/world-govt-telecom.html,。

　　許多不同的生產(chǎn)商可為每種不同的頻帶提供收發(fā)器IC,。大多數(shù)芯片均只支持一種頻帶，但也有一些產(chǎn)品支持所有的頻帶,，如在一塊芯片中支持300MHz和1GHz,。

　　無線電管理主要影響硬件開發(fā)人員，但軟件開發(fā)人員也必須牢記占空比和使用限制,。

　　頻帶選擇取決于以下幾個(gè)因素,。使用限制規(guī)定了哪些頻帶可用于特定應(yīng)用；最大通信范圍也取決于頻率,，一般而言,，通信范圍將隨頻率的增高而減小。更高的頻率也需要比較低頻率更高的數(shù)據(jù)率（因?yàn)榭捎脦捯哺螅?。?dāng)然,，還必須考慮功能滿足應(yīng)用需要的收發(fā)器的可用性。

　　
三,、協(xié)議層的設(shè)計(jì)

　　討論通信協(xié)議時(shí),，不可避免地要討論協(xié)議層問題，協(xié)議層構(gòu)成了協(xié)議棧,。像采用多少層協(xié)議棧以及協(xié)議層如何命名這樣的問題取決于被討論的對(duì)象,。本文采用開放式系統(tǒng)互連（OSI）模型，其最上層或多或少獨(dú)立于傳輸媒介,，本文只關(guān)注最底層及其在無線系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)方法,。

　　（一）物理層

　　協(xié)議棧的最底層稱為物理層,，該層負(fù)責(zé)對(duì)傳輸媒介進(jìn)行物理存取,。在SRD中，物理層負(fù)責(zé)同RF收發(fā)器進(jìn)行通信,。芯片與芯片之間的數(shù)字接口差異很大,，但我們?nèi)匀豢梢詺w納出一些共性?？捎玫男酒灿腥悾喊l(fā)送器,、接收器和收發(fā)器（既作為發(fā)送器也作為接收器）。為了便于下述討論，這里將這三類芯片統(tǒng)稱為收發(fā)器,。
　　所有的收發(fā)器通常都帶有串行數(shù)據(jù)接口,。簡單的設(shè)備不提供時(shí)鐘，因此微控制器必須處理時(shí)序問題,。更復(fù)雜的設(shè)備則可提供時(shí)鐘再生功能,，因此數(shù)據(jù)接口類似于微控制器的任何其它同步串行接口。數(shù)據(jù)形式也各有不同,；某些收發(fā)器需要支持曼徹斯特（Manchester）編碼（具有恒定直流電平且總保持每位至少一次轉(zhuǎn)換的自同步代碼）的數(shù)據(jù)，而其余一些收發(fā)器則接收標(biāo)準(zhǔn)不歸零（NRZ）格式的數(shù)據(jù),。

　　接收數(shù)據(jù)時(shí),，RF數(shù)據(jù)解調(diào)后傳送給微控制器。某些收發(fā)器只提供來自解調(diào)器的原始數(shù)據(jù),，為了進(jìn)行可靠的操作,，該數(shù)據(jù)必須經(jīng)過多次采樣，因?yàn)槲涣髦锌赡艽嬖诿毯驮肼?。由于過采樣將檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換,，因此可提供位級(jí)同步。對(duì)其它采用硬件實(shí)現(xiàn)的收發(fā)器過采樣,，則不需要在信號(hào)的位中間進(jìn)行采樣,。

　　如果采用較高的位速率，軟件編程的最大挑戰(zhàn)在于確保微控制器與輸入數(shù)據(jù)之間的同步,。大多數(shù)支持較高位速率的收發(fā)器可連接到標(biāo)準(zhǔn)的同步串行接口,。

　　多信道收發(fā)器通常具有可編程功能，可通過串行接口選擇頻率和其它參數(shù),。簡易設(shè)備則可提供能在接收端和發(fā)送端之間選擇引腳的并行接口并使設(shè)備進(jìn)入省電模式,。

　　芯片與芯片之間的輔助特性相差很大。接收器的一項(xiàng)實(shí)用功能就是接收信號(hào)強(qiáng)度指示器（RSSI）,，可用來實(shí)現(xiàn)發(fā)送前偵聽功能并確定RF鏈路質(zhì)量,。

　　（二）數(shù)據(jù)鏈路層

　　數(shù)據(jù)鏈路層在協(xié)議棧中位于物理層之上,，負(fù)責(zé)差錯(cuò)處理和鏈路控制,。RF鏈路通常工作于半雙工模式，但通過在接收和發(fā)送之間迅速切換,，即可模擬全雙工鏈路,。本文隨后還將詳細(xì)討論差錯(cuò)處理。

　?。ㄈ┚W(wǎng)絡(luò)層

　　協(xié)議設(shè)計(jì)最重要的因素是系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),。點(diǎn)到點(diǎn)鏈路的協(xié)議實(shí)現(xiàn)完全不同于那些相互之間需要通信的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

　　元器件數(shù)目對(duì)采用的協(xié)議至關(guān)重要,。采用具有中央主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)還是對(duì)等網(wǎng),？這些問題可利用協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)層加以解決,，多址策略也在這一層起作用。

　　幸而,，大多數(shù)問題與有線鏈路并無二致,。例如，以太網(wǎng)也采用了共享媒介,，而一般的網(wǎng)絡(luò)文獻(xiàn)中也詳細(xì)描述了有效的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和技術(shù),。

　　有線網(wǎng)絡(luò)（遠(yuǎn)程光纖連接除外）中通常無須考慮采用中繼器。轉(zhuǎn)發(fā)器可確保RF設(shè)備在無線網(wǎng)絡(luò)中的正常通信,，而且設(shè)備本身通常也可作為中繼器,。添加中繼器能在復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境中確保可靠傳輸,，以消除受多徑干擾嚴(yán)重影響的區(qū)域,。

　　
四、差錯(cuò)處理

　　如前所述,，RF鏈路環(huán)境下的誤碼率通常遠(yuǎn)高于有線鏈路,，因此無線協(xié)議必須能進(jìn)行差錯(cuò)處理。此外,，還必須采用差錯(cuò)檢測(cè)和糾錯(cuò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)容許的誤碼率,。

　　更為重要的是，軟件必須具有防止誤碼的能力或糾錯(cuò)的功能,。沒有收到數(shù)據(jù)時(shí),，無線接收器將輸出噪聲。通?？衫密浖⒂行?shù)據(jù)從噪聲中分離,。在RF領(lǐng)域，這稱為靜噪功能,。

　　數(shù)據(jù)包起始部分是一串被稱為前同步碼的1,、0交替序列，前同步碼是無線接收器與輸入數(shù)據(jù)同步所必需的,，收到前同步碼就表明有人希望同設(shè)備進(jìn)行通信,。

　　為了檢測(cè)前同步碼的結(jié)束和數(shù)據(jù)的起始，可采用同步字,。同步字由與前同步碼形成對(duì)比的固定位圖組成,，而且還可以過濾掉誤碼的數(shù)據(jù)包。如果沒有正確地接收同步字,，軟件將重新搜索有效的前同步碼,。

　　收到同步字后，典型的數(shù)據(jù)包將包含報(bào)頭信息，如源地址,、目的地址,、數(shù)據(jù)長度等，之后才是有效的數(shù)據(jù)載荷,。

　　許多應(yīng)用系統(tǒng)不允許RF鏈路中存在原始誤碼率,，降低差錯(cuò)數(shù)目的第一步是采用誤碼檢測(cè)技術(shù)。誤碼檢測(cè)的方法很多,，但最常用的方法是以循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）的形式添加數(shù)據(jù)校驗(yàn)和,。CRC可提供遠(yuǎn)比原始方法（如奇偶校驗(yàn)）卓越的誤碼檢測(cè)功能。根據(jù)應(yīng)用的不同,，檢測(cè)到的差錯(cuò)可通過忽略誤碼數(shù)據(jù)或請(qǐng)求重傳進(jìn)行處理,。

　　當(dāng)采用RF鏈路時(shí)，必須意識(shí)到數(shù)據(jù)包可能丟失,。干擾可混淆有效數(shù)據(jù)包，而處理該問題的簡單方法則是采用數(shù)據(jù)包計(jì)數(shù)器,。數(shù)據(jù)包可包含隨發(fā)送消息數(shù)目增加而不斷增加的計(jì)數(shù)器域,，這樣當(dāng)數(shù)據(jù)包丟失時(shí)，接收器就能檢測(cè)到并采取適當(dāng)?shù)拇胧?/div>