目前使用的短距離無線通信技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)主要有Bluetooth、WIFI、ZigBee、UWB、NRF24XX系列產(chǎn)品等。Nordic公司生產(chǎn)的單片集成射頻無線收發(fā)器NRF24XX系列芯片具有低功耗、支持多點(diǎn)通信、傳輸速率高、通信協(xié)議簡(jiǎn)單、通信質(zhì)量穩(wěn)定可靠、軟件配置工作參數(shù)、需要的外圍元件少、易于開發(fā)等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用該系列芯片實(shí)現(xiàn)短距離無線通信是一種具備較高性價(jià)比的解決方案。但是，由于這些產(chǎn)品都是工作在ISM頻段內(nèi)，難免造成頻段的擁擠。為此，大多產(chǎn)品的通信協(xié)議都設(shè)計(jì)了擴(kuò)頻技術(shù)以抗同頻段干擾。例如，藍(lán)牙采用了FHSS(快速跳頻擴(kuò)頻技術(shù))，W-LAN采用了DSSS(直接序列擴(kuò)頻技術(shù))等。NRF24XX系列收發(fā)芯片的射頻協(xié)議采用簡(jiǎn)單、透明的窄帶信號(hào)直接發(fā)送，沒有進(jìn)行擴(kuò)頻處理，在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)遇到同頻干擾降低通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量。但NRF24XX系列芯片的工作頻段對(duì)用戶開放125個(gè)頻道，可以通過軟件算法實(shí)現(xiàn)跳頻，這也是一種簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的擴(kuò)頻方法。本文提出了一種軟件自適應(yīng)跳頻擴(kuò)頻協(xié)議的設(shè)計(jì)方案，該方案充分利用nRF2401射頻芯片多頻點(diǎn)特性，使用軟件設(shè)計(jì)將125個(gè)間隔為1 MHz的頻道分成低、中、高三個(gè)頻段，在無線信道受阻或同頻干擾時(shí)，依據(jù)“低頻-中頻-高頻”的循環(huán)順序?qū)崿F(xiàn)自適應(yīng)跳頻。該軟件擴(kuò)頻協(xié)議在工程機(jī)械儀表無線顯示系統(tǒng)樣機(jī)上進(jìn)行了抗干擾實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，在通信雙方遇到同頻干擾時(shí)，射頻收發(fā)機(jī)可以自適應(yīng)跳變到未受干擾的頻道，使得系統(tǒng)能夠繼續(xù)保持良好通信和可靠的數(shù)據(jù)傳輸。

1 nRF2401軟件擴(kuò)頻協(xié)議的基本原理
    射頻收發(fā)芯片nRF2401工作于2.4 GHz的ISM頻段，內(nèi)置頻率合成器等功能模塊，工作頻率等參數(shù)均通過軟件進(jìn)行配置，不需要復(fù)雜的通信協(xié)議支持，能夠?qū)崿F(xiàn)透明數(shù)據(jù)包無線傳輸。
    由于該芯片采用窄帶信號(hào)直接調(diào)制發(fā)送技術(shù)，未作任何頻譜上的擴(kuò)展，使得該芯片在定頻通信時(shí)易受到同頻信號(hào)干擾。本文提出的軟件自適應(yīng)跳頻擴(kuò)頻協(xié)議是基于射頻收發(fā)芯片nRF2401，其自身具有多頻點(diǎn)特性和全軟件配置參數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，利用全軟件的設(shè)計(jì)方法達(dá)到了頻譜擴(kuò)展目的。軟件跳頻協(xié)議的設(shè)計(jì)原理是，將nRF2401自身間隔為1 MHz的125個(gè)順序頻道劃分為低頻段(2 400 MHz～2 441 MHz)、中頻段(2 442 MHz～2 482 MHz)、高頻段(2 483 MHz～2 524 MHz)三個(gè)相同帶寬的子頻段，并從三個(gè)子頻段內(nèi)各自選取某一頻道作為當(dāng)前工作頻率，及上一跳頻率和下一跳頻率，且嚴(yán)格按照同一周期內(nèi)不重復(fù)選頻和相鄰被選頻率不在同一子頻段內(nèi)的原則，有效避免了頻率跳變時(shí)的誤跳，最終實(shí)現(xiàn)了無線通信系統(tǒng)抗同頻干擾的設(shè)計(jì)目標(biāo)。
    系統(tǒng)進(jìn)行無線通信時(shí)，該軟件協(xié)議先使得射頻收發(fā)機(jī)雙方用較少的時(shí)間尋找到一個(gè)有效的通信頻道，建立起握手信道，并保持在定頻通信模式中，在遇到同頻干擾的情況下，自適應(yīng)地快速跳變到?jīng)]有干擾的頻道工作。
2 軟件擴(kuò)頻協(xié)議的算法實(shí)現(xiàn)
2.1 跳頻頻點(diǎn)的選擇方法
    射頻收發(fā)芯片nRF2401的工作頻率范圍為2 400 MHz～2 524 MHz，具有125個(gè)頻道，間隔為1 MHz。將頻道劃分為低、中、高三個(gè)子頻段，頻道與子頻段頻率對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

    表2中，序號(hào)表示信道頻點(diǎn)跳頻表中的上一跳與下一跳頻道的編號(hào)，頻道表示該編號(hào)的頻點(diǎn)在射頻芯片自身125個(gè)頻道中的位置，頻率就是該位置頻道的工作頻率值。
2.2 信道建立的握手流程
    無線系統(tǒng)通信時(shí)，最重要的準(zhǔn)備工作就是建立握手信道。系統(tǒng)信道建立的握手流程如圖1所示。其中，F(xiàn)m表示以表2中跳頻序號(hào)為下標(biāo)的頻點(diǎn)，即m∈01→35。為了排除信道握手時(shí)可能遇到的同頻干擾，射頻收發(fā)機(jī)在建立握手信道時(shí)按照表2的跳頻序列基進(jìn)行循環(huán)跳變，以尋找到合適的通信頻道。握手協(xié)議設(shè)定，m的初值為01，在時(shí)鐘信號(hào)CLK有效的情況下，m達(dá)到35后自動(dòng)復(fù)位為01。
    射頻發(fā)射機(jī)初始化后，以初始頻率Fm（m=01）進(jìn)行廣播，發(fā)送一個(gè)Hello請(qǐng)求信號(hào)。在等待延時(shí)t1內(nèi)，如果收到了接收機(jī)應(yīng)答信號(hào)ACK，則標(biāo)志寄存器DR1置高，認(rèn)為收發(fā)機(jī)之間的握手成功；如果沒有收到ACK信號(hào)，則跳至下一頻點(diǎn)Fm+1繼續(xù)廣播。其中，設(shè)計(jì)發(fā)射機(jī)頻率跳變的等待延時(shí)t1滿足式（4）的約束條件：
    t1=T(T>3 ms且T<10 ms)          (4)
式中，T為發(fā)射機(jī)相鄰兩頻點(diǎn)間自適應(yīng)跳頻的時(shí)間間隔。系統(tǒng)在每一次頻率跳變之后都要判斷建立握手信號(hào)的累加時(shí)延是否超時(shí)，如果系統(tǒng)設(shè)定的跳頻計(jì)時(shí)器時(shí)鐘有效（CLK=1），則發(fā)射機(jī)繼續(xù)跳頻廣播，直至收發(fā)機(jī)雙方握手成功；如果跳頻計(jì)時(shí)器時(shí)鐘無效（CLK=0），則發(fā)射機(jī)停止廣播，即收發(fā)機(jī)雙方的握手失敗。
    射頻接收機(jī)初始化后，以初始頻率Fm(m=01)進(jìn)行監(jiān)聽，在等待延時(shí)t2內(nèi)，如果收到發(fā)射機(jī)的請(qǐng)求信號(hào)Hello，則向其發(fā)送一個(gè)ACK應(yīng)答信號(hào)；如果沒有收到Hello請(qǐng)求信號(hào)，則跳至下一頻點(diǎn)Fm++繼續(xù)監(jiān)聽。其中，設(shè)計(jì)接收機(jī)頻率跳變的等待延時(shí)t2滿足公式（5）的約束條件：
  
2.3 同頻干擾下的自適應(yīng)跳變
    為了提高通信系統(tǒng)有效數(shù)據(jù)的傳輸效率，當(dāng)系統(tǒng)握手成功后，收發(fā)雙方即默認(rèn)此時(shí)的信道良好，此后，就保持定頻通信方式。然而，同頻干擾具有隨機(jī)性，因此，軟件設(shè)計(jì)既要保證系統(tǒng)有足夠的時(shí)間傳輸有效數(shù)據(jù)，又要及時(shí)識(shí)別出同頻干擾信道并實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)跳頻。
    自適應(yīng)跳頻算法的設(shè)計(jì)思想是：系統(tǒng)將相關(guān)跳頻信息寫入握手信號(hào)幀Hello和ACK的協(xié)議中，如表3和表4所示。

    軟件協(xié)議在握手信號(hào)幀的結(jié)構(gòu)中設(shè)置身份識(shí)別碼，身份識(shí)別碼的長(zhǎng)度為5 B（40 bit），每個(gè)合法用戶均有一個(gè)唯一的身份識(shí)別碼。通過身份識(shí)別碼來區(qū)分有用信號(hào)和干擾信號(hào)，以決定收發(fā)雙方是繼續(xù)保持定頻通信，還是自適應(yīng)跳變到凈頻點(diǎn)。在同頻干擾環(huán)境中，接收機(jī)通過身份識(shí)別功能區(qū)分出干擾信號(hào)的存在，然后發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求重新握手信號(hào)給發(fā)射機(jī)，并屏蔽該干擾頻點(diǎn)，在凈頻點(diǎn)上重新建立一個(gè)新的握手信道。通信系統(tǒng)在同頻干擾情況下自適應(yīng)跳變流程如圖2所示。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與總結(jié)
    本文研究設(shè)計(jì)的基于nRF2401軟件的自適應(yīng)跳頻協(xié)議在工程機(jī)械儀表無線顯示系統(tǒng)樣機(jī)平臺(tái)上進(jìn)行了跳頻通信與跳頻抗干擾實(shí)驗(yàn)，其中，射頻機(jī)收發(fā)雙方均按照表2中的跳頻序列基建立握手信道，m取值隨機(jī)。得到系統(tǒng)進(jìn)行無線數(shù)據(jù)通信前射頻收發(fā)機(jī)采用跳頻方式成功建立握手信道的時(shí)間如表5所示。

    通過表5中數(shù)據(jù)可知，接收機(jī)接收到Hello數(shù)據(jù)幀的時(shí)間平均為3.88 s，而發(fā)射機(jī)接收到ACK應(yīng)答信號(hào)幀的時(shí)間平均為30 s左右。
    射頻收發(fā)機(jī)握手成功后，進(jìn)入正常定頻通信流程，在遇到同頻干擾后，迅速退出定頻模式，進(jìn)入跳頻模式并屏蔽該干擾點(diǎn)，在凈頻點(diǎn)上重新建立一個(gè)握手信道，并再次進(jìn)入正常定頻通信流程。無線數(shù)據(jù)通信中遇到同頻干擾時(shí)射頻收發(fā)機(jī)重新握手成功的時(shí)間如表6所示。

    表6中記錄數(shù)據(jù)表明，系統(tǒng)兩次定頻模式間隔時(shí)間大約在16 s以內(nèi)，最短用時(shí)為2 s左右。
    本文設(shè)計(jì)的基于射頻收發(fā)芯片nRF2401的自適應(yīng)跳頻軟件擴(kuò)頻協(xié)議，在無線通信系統(tǒng)遇到同頻干擾時(shí)，能夠自適應(yīng)快速跳變到?jīng)]有干擾的頻道，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性，也彌補(bǔ)了ISM頻段頻率資源緊張的缺陷，達(dá)到頻譜擴(kuò)展的目的。該協(xié)議嚴(yán)格按照合理算法選頻，有效避免了頻率跳變時(shí)的誤跳，最終實(shí)現(xiàn)了無線通信系統(tǒng)抗同頻干擾的設(shè)計(jì)目標(biāo)。隨著nRF2401芯片在短距離無線通信應(yīng)用的普及頻譜資源日益緊張，采用軟件擴(kuò)頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)抗干擾通信將具有重要的實(shí)際意義。
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