嵌入式系统中无线通信的抗干扰技术研究

嵌入式系统中无线通信的抗干扰技术研究

张鑫宇,张超

北方自动控制技术研究所 山西省太原市 030000

  摘要：随着嵌入式系统的广泛应用和无线通信技术的快速发展，无线通信在嵌入式系统中的应用日益普遍。然而，开放空间的电磁环境日趋复杂，无线通信信号在传输过程中容易受到各种干扰，导致通信质量下降甚至通信中断。因此，研究嵌入式系统中无线通信的抗干扰技术具有重要意义。本文将对嵌入式系统中无线通信的抗干扰技术进行研究，探讨其原理、方法及应用，旨在为提高嵌入式系统无线通信的可靠性和稳定性提供技术支持。

  关键词：嵌入式系统；无线通信；抗干扰技术；信号处理

  引言

  嵌入式系统是指内嵌于其他系统或设备中的计算机系统，它常用于监控、控制、通信、嵌入式智能等各种应用领域。无线通信作为嵌入式系统的重要通信方式，具有灵活、便捷、无需布线等优点。然而，无线通信信号在传输过程中容易受到电磁干扰、机器噪声、码间干扰等自然和人为因素的干扰，导致通信质量下降。因此，研究嵌入式系统中无线通信的抗干扰技术，对于提高通信质量和系统稳定性具有重要意义。

  1.无线通信抗干扰技术概述

  无线通信抗干扰技术是指通过一系列技术手段，降低或消除无线通信信号在传输过程中受到的干扰，从而提高通信质量和系统稳定性。常见的无线通信抗干扰技术包括时域抗干扰、频域抗干扰和空域抗干扰等。时域抗干扰技术主要通过跳时通信、猝发通信等方式，改变信号在时间上的传输方式，降低被截获和干扰的概率。频域抗干扰技术则利用扩频、跳频等技术，扩展信号频谱，降低干扰信号的影响。空域抗干扰技术则通过多天线技术、波束成形等方式，实现信号的定向传输和接收，提高信号质量。

  2.无线通信干扰分析

  2.1 干扰类型

  在嵌入式无线通信体系中遭遇的主要干扰类型涵盖了同频串扰、邻频串扰以及多径效应引起的干扰问题。同频串扰是指当多个无线通信装置在同一频率范围内同时发射信号时，相互之间造成的信号冲突现象；邻频串扰则是相邻频带内的信号因频率重叠而渗入目标频带，从而对目标通信链路形成干扰的情况；而多径干扰则是由于无线电信号在从发射端传播至接收端的过程中，经过不同路径抵达并叠加，导致信号失真和延迟，进而影响通信质量的一种常见现象。

  2.2 干扰对通信性能的影响

  干扰对无线通信系统可靠性及效率有重大影响，尤其在嵌入式系统中，包括工业自动化、物联网和移动通信设备，其无线通信功能常用于指令、数据传输，一旦受干扰，将导致信号被破坏叠加，增加误码率（BER），引发数据完整性受损、系统实时性和稳定性降低等问题。同频、邻频干扰源自同一或临近频段其他设备信号，易使接收端解析困难；多径干扰则因信号经多重路径传播，产生严重失真衰减，进一步恶化通信质量。严重的干扰可能造成通信链路中断，对依赖持续通信的嵌入式系统而言极为不利，例如远程监控、应急响应等领域，可能引发信息丢失、安全风险及系统运行故障。因此，需采取如动态频率选择、智能天线、分集接收、编码纠错等先进抗干扰技术，确保嵌入式无线通信在复杂环境下仍能高效稳定运行。

  3.嵌入式系统中无线通信的抗干扰技术研究

  在嵌入式系统中，无线通信的抗干扰技术需要结合系统特点和实际应用需求进行研究。以下是一些关键技术的研究：

  3.1跳频技术

  跳频技术作为一种重要的抗干扰策略，在无线通信领域有着显著的效果，特别是在对抗不期望的电磁干扰方面扮演着关键角色。这项技术的核心机制在于系统不断地、快速地改变信号所使用的载波频率，遵循一定的预先设定规则，这一规则通常是基于复杂的伪随机序列来实现的。这种快速的频率切换使得潜在的干扰源难以持续锁定并对接收到的信号施加有效干扰，因为它需要跟随载波频率的瞬时变化，而这对于大部分非协同干扰源几乎是不可能完成的任务。

  在嵌入式系统的设计与实施中，跳频技术因其灵活性和适应性而备受青睐。嵌入式系统往往存在于多样化的应用场合，如工业控制、智能家居、汽车电子、医疗设备和军事通信等领域，其中无线通信的稳定性与安全性至关重要。根据具体应用场景的特性，工程师可以针对性地调整跳频的速度（即单位时间内跳变的频率数）和跳频宽度（即所选用的频率范围大小），这样不仅可以避开特定频段的固定干扰源，还能有效地减少来自多个方向和类型的干扰影响。

  举例来说，在存在大量无线设备共存且电磁环境复杂的场景中，通过优化跳频参数，可以在有限的频谱资源内最大程度地分散信号的能量，降低同频干扰和邻频干扰的影响，同时提高信号的鲁棒性，防止多径传播带来的信号衰落问题。通过这种方式，跳频技术极大地提升了嵌入式无线通信系统的稳健性与服务质量，确保了在恶劣通信环境下也能保持稳定高效的通信性能。

  3.2扩频技术

  扩频技术在无线通信领域中是一种创新且实用的方法，旨在通过扩展原始信号占用的频谱带宽，从而实现降低信号在某一时刻的功率密度，这在本质上增强了通信系统的抗干扰性能。在面对复杂电磁环境下的各种干扰源，诸如同频干扰、邻频干扰以及多径干扰时，扩频技术能够显著减少这些干扰因素对通信质量的负面影响。

  在嵌入式系统中，尤其是在那些要求高可靠性和强抗干扰能力的应用场合，扩频技术尤为重要。其中两种主要的扩频技术方案分别是直接序列扩频（Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS）和跳时扩频（Time-Hopping Spread Spectrum, THSS）。

  直接序列扩频（DSSS）是通过对信息数据序列与一个高速率的伪随机码序列进行逻辑乘积（通常称为扩频码序列），把窄带的信息数据转换成宽带的信号进行传输。这样做的好处在于，即使干扰信号也落入了相同的频带，但由于其随机性的扩频码的存在，干扰信号很难在解扩后与信息信号重合，从而提高了系统的抗干扰性。

  跳时扩频（THSS）则是在时间轴上分散信号的能量，通过在一个较大的时间段内按照某种规律快速跳跃地在多个频道间切换发送信号，每个频道只在预定的时间片上传输，这样在任何给定时刻，信号的功率都极其微弱，降低了被探测和干扰的可能性。而且，由于信号在多个时间点上重复发送，接收端可以通过集成多个副本来恢复出原始信号，进一步增强了抵抗多径干扰的能力。

  3.3滤波技术

  滤波技术在信号处理中起关键作用，用于改进信号质量和提取有效信息。在嵌入式系统中，通过定制化滤波器可针对性抑制或消除诸如电源纹波、传感器噪声、无线通信干扰等，提高SNR。设计滤波器涵盖模拟、数字和复合层面：硬件层面利用无源/有源元件构建各类滤波器，如电源部分采用LC/RC滤波；软件层面借助IIR/FIR、滑动平均、中值和卡尔曼等算法处理ADC数字化后的信号；必要时结合模拟与数字滤波优势，进行多层综合净化。适当滤波器的选择和设计有助于嵌入式系统在复杂环境中提升信噪比，保障数据传输的精确性和实时性，优化整体性能，提高用户体验和设备可靠性。

  3.4多天线技术

  多天线技术在无线通信中至关重要，利用空间分集增益降低信号波动风险，并通过MRC技术提高接收信号质量和抗干扰能力。波束成形技术可动态调节信号相位和幅度，实现定向传输、抑制非期望干扰，提升覆盖范围、传输速率和通信性能。在嵌入式系统设计中，根据需求和硬件条件选取MIMO、SIMO、MISO等多天线配置方案。合理应用该技术能使嵌入式系统在复杂场景下实现更强抗干扰性、更高数据速率和通信效能，满足高性能无线通信需求。

  结论

  嵌入式系统中无线通信抗干扰技术现况与挑战：无线通信技术对嵌入式系统性能至关重要，但其易受复杂多变的电磁环境干扰。现有研究已取得一定成效，通过信号处理技术（如扩频、分集接收、自适应滤波等）和通信协议优化提升抗干扰能力。然而，仍面临多类型随机干扰、资源有限下功耗与效率平衡、以及物联网与工业4.0背景下大规模、异构、动态无线通信环境下的抗干扰挑战。因此，深入研究无线通信抗干扰技术势在必行，总之，无线通信抗干扰技术研究任重道远，其进展将有力支撑构建高效、稳定、安全的无线通信系统。

  参考文献 

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