基于nRF2401软件跳频协议的设计与实现

孙保群 ，王 琼

（1.合肥工业大学 汽车工程技术研究院，安徽 合肥 230009；2.合肥工业大学 计算机与信息学院，安徽 合肥 230009）

目前使用的短距离无线通信技术及标准主要有Bluetooth、WIFI、ZigBee、UWB、NRF24XX 系列产品等。 Nordic公司生产的单片集成射频无线收发器NRF24XX系列芯片具有低功耗、支持多点通信、传输速率高、通信协议简单、通信质量稳定可靠、软件配置工作参数、需要的外围元件少、易于开发等优点，应用该系列芯片实现短距离无线通信是一种具备较高性价比的解决方案。但是，由于这些产品都是工作在ISM频段内，难免造成频段的拥挤。为此，大多产品的通信协议都设计了扩频技术以抗同频段干扰。例如，蓝牙采用了FHSS(快速跳频扩频技术)，W-LAN采用了DSSS(直接序列扩频技术)等。NRF24XX系列收发芯片的射频协议采用简单、透明的窄带信号直接发送，没有进行扩频处理，在实际应用中会遇到同频干扰降低通信系统的通信质量。但NRF24XX系列芯片的工作频段对用户开放125个频道，可以通过软件算法实现跳频，这也是一种简单经济的扩频方法。本文提出了一种软件自适应跳频扩频协议的设计方案，该方案充分利用nRF2401射频芯片多频点特性，使用软件设计将125个间隔为1 MHz的频道分成低、中、高三个频段，在无线信道受阻或同频干扰时，依据“低频-中频-高频”的循环顺序实现自适应跳频。该软件扩频协议在工程机械仪表无线显示系统样机上进行了抗干扰实验。结果表明，在通信双方遇到同频干扰时，射频收发机可以自适应跳变到未受干扰的频道，使得系统能够继续保持良好通信和可靠的数据传输。

1 nRF2401软件扩频协议的基本原理

射频收发芯片nRF2401工作于2.4 GHz的ISM频段，内置频率合成器等功能模块，工作频率等参数均通过软件进行配置，不需要复杂的通信协议支持，能够实现透明数据包无线传输。

由于该芯片采用窄带信号直接调制发送技术，未作任何频谱上的扩展，使得该芯片在定频通信时易受到同频信号干扰。本文提出的软件自适应跳频扩频协议是基于射频收发芯片nRF2401，其自身具有多频点特性和全软件配置参数的优点，利用全软件的设计方法达到了频谱扩展目的。软件跳频协议的设计原理是，将nRF2401自身间隔为1 MHz的125个顺序频道划分为低频段(2 400 MHz～2 441 MHz)、中频段(2 442 MHz～2 482 MHz)、高频段(2 483 MHz～2 524 MHz)三个相同带宽的子频段，并从三个子频段内各自选取某一频道作为当前工作频率，及上一跳频率和下一跳频率，且严格按照同一周期内不重复选频和相邻被选频率不在同一子频段内的原则，有效避免了频率跳变时的误跳，最终实现了无线通信系统抗同频干扰的设计目标。

系统进行无线通信时，该软件协议先使得射频收发机双方用较少的时间寻找到一个有效的通信频道，建立起握手信道，并保持在定频通信模式中，在遇到同频干扰的情况下，自适应地快速跳变到没有干扰的频道工作。

2 软件扩频协议的算法实现

2.1 跳频频点的选择方法

射频收发芯片nRF2401的工作频率范围为2 400 MHz～2 524 MHz，具有125个频道，间隔为 1 MHz。将频道划分为低、中、高三个子频段，频道与子频段频率对应关系如表1所示。

表1 2401频道与子频段频率对应表

频点选取是本协议能够实现频率自适应跳变的前提，由于2.4 GHz的ISM频段内主要的干扰带宽范围为22 MHz，因此，按照相邻频道间隔不小于 22 MHz的原则选频。由表1可知，低频段的频率范围是2 400 MHz～2 441 MHz，共有 42个频道，频道编号 0～41。低频段频点选取如公式（1）所示。

其中，取始频点fL(0)=2 400 MHz，n为含0的正整数。

中频段的频率范围是 2 442 MHz～2 428 MHz，共有42个频道，频道编号为42～82。中频段频点选取如式(2)所示。

其中，取始频点fM(0)=2 442 MHz，n为含0的正整数。

高频段的频率范围是2 483 MHz～2 524 MHz，共有 42个频道，频道编号为82～124。则高频段频点选取如式(3)所示。

其中，取始频点fH(0)=2 483 MHz，n为含0的正整数。

依据上述计算公式（1）、（2）、（3）及选频原则，得到三个子频段选取频道分别是 12、12、11，依据“低频道-中频道-高频道”形式重新组合，组成一个具有35个频点的跳频表，如表2所示。

表2 2401信道频点跳频表

表2中，序号表示信道频点跳频表中的上一跳与下一跳频道的编号，频道表示该编号的频点在射频芯片自身125个频道中的位置，频率就是该位置频道的工作频率值。

2.2 信道建立的握手流程

无线系统通信时，最重要的准备工作就是建立握手信道。系统信道建立的握手流程如图1所示。其中，Fm表示以表2中跳频序号为下标的频点，即m∈01→35。为了排除信道握手时可能遇到的同频干扰，射频收发机在建立握手信道时按照表2的跳频序列基进行循环跳变，以寻找到合适的通信频道。握手协议设定，m的初值为01，在时钟信号CLK有效的情况下，m达到35后自动复位为01。

图1 射频发射机与接收机握手流程图

射频发射机初始化后，以初始频率 Fm（m=01）进行广播，发送一个Hello请求信号。在等待延时t1内，如果收到了接收机应答信号ACK，则标志寄存器DR1置高，认为收发机之间的握手成功；如果没有收到ACK信号，则跳至下一频点Fm+1继续广播。其中，设计发射机频率跳变的等待延时t1满足式（4）的约束条件：

式中，T为发射机相邻两频点间自适应跳频的时间间隔。系统在每一次频率跳变之后都要判断建立握手信号的累加时延是否超时，如果系统设定的跳频计时器时钟有效（CLK=1），则发射机继续跳频广播，直至收发机双方握手成功；如果跳频计时器时钟无效（CLK=0），则发射机停止广播，即收发机双方的握手失败。

射频接收机初始化后，以初始频率Fm(m=01)进行监听，在等待延时t2内，如果收到发射机的请求信号Hello，则向其发送一个ACK应答信号；如果没有收到Hello请求信号，则跳至下一频点Fm++继续监听。其中，设计接收机频率跳变的等待延时t2满足公式（5）的约束条件：

式中，n为系统跳频序列基的频点总数，由表2可知接收机与发射机的频点总数相同n=35，但频点跳变延时不同，即接收机跳频延时远大于发射机（t2＞＞t1）；a表示比例系数，其含义是接收机在完成一次跳变的时间间隔t2内，发射机已经遍历跳频序列基a个周期。这样设计是为了克服发射机和接收机因人为操作造成的不同步误差。

发射机遍历一次跳频序列基产生的累加时延算法由式（6）得到。接收机遍历一次跳频序列基产生的累加时延算法由式（7）得到。

2.3 同频干扰下的自适应跳变

为了提高通信系统有效数据的传输效率，当系统握手成功后，收发双方即默认此时的信道良好，此后，就保持定频通信方式。然而，同频干扰具有随机性，因此，软件设计既要保证系统有足够的时间传输有效数据，又要及时识别出同频干扰信道并实现自适应跳频。

自适应跳频算法的设计思想是：系统将相关跳频信息写入握手信号帧Hello和ACK的协议中，如表3和表4所示。

软件协议在握手信号帧的结构中设置身份识别码，身份识别码的长度为5 B（40 bit），每个合法用户均有一个唯一的身份识别码。通过身份识别码来区分有用信号和干扰信号，以决定收发双方是继续保持定频通信，还是自适应跳变到净频点。在同频干扰环境中，接收机通过身份识别功能区分出干扰信号的存在，然后发送一个请求重新握手信号给发射机，并屏蔽该干扰频点，在净频点上重新建立一个新的握手信道。通信系统在同频干扰情况下自适应跳变流程如图2所示。

表3 请求信号Hello帧协议

表4 应答信号ACK帧协议

图2 同频干扰时的自适应跳变流程图

3 实验结果分析与总结

本文研究设计的基于nRF2401软件的自适应跳频协议在工程机械仪表无线显示系统样机平台上进行了跳频通信与跳频抗干扰实验，其中，射频机收发双方均按照表2中的跳频序列基建立握手信道，m取值随机。得到系统进行无线数据通信前射频收发机采用跳频方式成功建立握手信道的时间如表5所示。

表5 跳频方式下建立握手信道用时记录

通过表5中数据可知，接收机接收到Hello数据帧的时间平均为3.88 s，而发射机接收到ACK应答信号帧的时间平均为30 s左右。

射频收发机握手成功后，进入正常定频通信流程，在遇到同频干扰后，迅速退出定频模式，进入跳频模式并屏蔽该干扰点，在净频点上重新建立一个握手信道，并再次进入正常定频通信流程。无线数据通信中遇到同频干扰时射频收发机重新握手成功的时间如表6所示。

表6 同频干扰下重新握手信道用时记录

表6中记录数据表明，系统两次定频模式间隔时间大约在16 s以内，最短用时为2 s左右。

本文设计的基于射频收发芯片nRF2401的自适应跳频软件扩频协议，在无线通信系统遇到同频干扰时，能够自适应快速跳变到没有干扰的频道，提高了系统的抗干扰能力和可靠性，也弥补了ISM频段频率资源紧张的缺陷，达到频谱扩展的目的。该协议严格按照合理算法选频，有效避免了频率跳变时的误跳，最终实现了无线通信系统抗同频干扰的设计目标。随着nRF2401芯片在短距离无线通信应用的普及频谱资源日益紧张，采用软件扩频技术实现抗干扰通信将具有重要的实际意义。

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