如圖4所示為10位PN碼的示意圖。（圖中的10位PN碼僅僅是為了示例作用，WirelessUSB LS系統(tǒng)使用32位或64位PN碼）這類碼序列最重要的特性是具有近似于隨機(jī)信號(hào)的性能。因?yàn)樵肼暰哂型耆碾S機(jī)性，也可以說(shuō)具有近似于噪聲的性能。但是，真正的隨機(jī)信號(hào)和噪聲是不能重復(fù)再現(xiàn)和產(chǎn)生的。我們只能產(chǎn)生一種周期性的脈沖信號(hào)來(lái)近似隨機(jī)噪聲的性能，故稱為偽隨機(jī)碼或PN碼。
PN碼相對(duì)要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有更高的頻率，擴(kuò)展了信號(hào)的頻帶。如圖5所示，具有較寬頻帶的DSSS信號(hào)波形與窄頻帶的傳統(tǒng)射頻信號(hào)比較，寬的頻帶允許信號(hào)功率低于噪聲門限，而不會(huì)失去任何信息。從而DSSS信號(hào)可以有效工作在噪聲環(huán)境且不受來(lái)自傳統(tǒng)窄帶信號(hào)干擾的影響，能夠在現(xiàn)有的802.11和藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)中穩(wěn)定地工作。
在接收機(jī)端，使用本地產(chǎn)生與發(fā)射機(jī)端完全同步的PN碼對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò)后經(jīng)解調(diào)器還原輸出原始數(shù)據(jù)信息。只需變換本地的PN碼就可以區(qū)分出不同的PN碼。這個(gè)過(guò)程可以濾除空間、人為的噪聲，即使1位或幾位數(shù)據(jù)在傳輸中丟失，利用器件內(nèi)建的統(tǒng)計(jì)技術(shù)，也可以還原出原始信號(hào)而不必重發(fā)。
圖5 信號(hào)帶寬（略）
自相關(guān)性
所謂自相關(guān)性是信號(hào)與它自身相移以后的相似性。PN碼需要有較好的自相關(guān)性，從而在接收端準(zhǔn)確的比較接收到的PN碼和自身的PN碼。例如用“1010”作為PN碼，相移過(guò)程（1010-0101-1010-0101）中接收端可以在兩個(gè)時(shí)間位置準(zhǔn)確解擴(kuò)。而使用"1001"作為PN碼，將只有一個(gè)時(shí)間位置可以準(zhǔn)確比較。WirelessUSB LS系統(tǒng)使用有很好自相關(guān)性的PN碼。
互相關(guān)性
擴(kuò)頻碼序列除自相關(guān)性外，與其他同類碼序列的相似性和相關(guān)性也很重要。換言之互相關(guān)性就是獨(dú)立的PN碼之間的差異大小。如果PN碼有很低的互相關(guān)性，信號(hào)就不容易發(fā)生串?dāng)_。例如使用"1001"和"1100"作為PN碼，如果"1100"相移變?yōu)?1001"，接收端將錯(cuò)誤的檢測(cè)其與"1001"相同。而使用"1001"和"1011"作為PN碼，無(wú)論如何相移也不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。WirelessUSB LS系統(tǒng)使用有很低互相關(guān)性的PN碼。
GOLD碼
由于擴(kuò)頻占用更寬的頻帶，浪費(fèi)了有限的頻率資源。然而，所占用的頻帶可以通過(guò)多用戶共享同一擴(kuò)大了的頻帶得到補(bǔ)償。WirelessUSB LS系統(tǒng)使用GOLD碼集作為PN碼，從而使多個(gè)設(shè)備同時(shí)在一個(gè)頻率下通訊，而不發(fā)生干擾。GOLD碼具有很高的自相關(guān)性和很小的互相關(guān)性。在CDMA（碼分多址）系統(tǒng)中，GOLD碼集可作為理想的PN碼。
WirelessUSB LS系統(tǒng)使用32位和64位GOLD碼。使用32位GOLD碼時(shí)，傳輸速率可達(dá)32Kbps。使用64位GOLD碼時(shí)，傳輸速率為16Kbps，但數(shù)據(jù)容錯(cuò)能力更高。
FDMA
WirelessUSB LS系統(tǒng)不僅使用CDMA技術(shù)還使用FDMA技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)多址。WirelessUSB LS系統(tǒng)將2.4GHz ISM頻帶分為79個(gè)子頻道。WirelessUSB LS系統(tǒng)設(shè)備可以載波到獨(dú)立的子頻率上或使用獨(dú)立的PN碼擴(kuò)頻傳輸數(shù)據(jù)。除非兩個(gè)信號(hào)使用同一頻率和同一PN碼，否則不會(huì)發(fā)生干擾。信號(hào)A和信號(hào)B使用相同的GOLD碼，但是載波到不同的頻率。信號(hào)C和信號(hào)D使用相同載波頻率，但是使用不同的GOLD碼，它們之間都不會(huì)發(fā)生干擾。理論上，WirelessUSB LS系統(tǒng)在同一時(shí)間、空間下支持上百個(gè)設(shè)備工作。
頻道選擇過(guò)程
兩個(gè)WirelessUSB LS設(shè)備要想通信，必須擁有相同的頻率和PN碼對(duì)。分配適當(dāng)?shù)念l率/PN碼對(duì)的過(guò)程稱之為綁定。WirelessUSB LS1-Way系統(tǒng)支持兩種方式的綁定：基礎(chǔ)綁定和半自動(dòng)綁定。
基礎(chǔ)綁定：用戶為設(shè)備手動(dòng)選擇頻率和PN碼。推薦在Bridge設(shè)備上安裝一個(gè)LED，來(lái)顯示Bridge和HID設(shè)備之間通訊情況。當(dāng)通訊受到干擾而中斷時(shí)，可以重新設(shè)置一個(gè)新的頻道。
半自動(dòng)綁定：這種綁定特點(diǎn)是綁定過(guò)程的開始是由用戶手動(dòng)控制的，而綁定過(guò)程中選擇頻率和PN碼的過(guò)程是自動(dòng)完成的。這個(gè)過(guò)程是HID設(shè)備和Bridge設(shè)備進(jìn)入綁定工作模式，此時(shí)他們的頻率和PN碼都變?yōu)榻y(tǒng)一預(yù)設(shè)初始值，由HID設(shè)備向Bridge設(shè)備發(fā)送一定數(shù)量的綁定包，綁定包含有新的頻率和PN碼值；之后HID設(shè)備切換到新的頻率和PN碼值，發(fā)送一定數(shù)量PING包；這樣HID設(shè)備不斷的在發(fā)送綁定包和PING包狀態(tài)下切換，直到退出綁定模式。BrIdge受到綁定包，就把頻率和PN碼設(shè)置為綁定包中相應(yīng)的內(nèi)容，接收PING包，如果收不到，重新接收綁定包，預(yù)估在一段時(shí)間內(nèi)收不到PING包，綁定失敗。
數(shù)據(jù)交換過(guò)程
在WirelessUSB LS 1-Way系統(tǒng)中，由于沒有應(yīng)答機(jī)制，HID無(wú)法通知Bridge是否正確收到數(shù)據(jù)。因此通過(guò)發(fā)送冗余信息來(lái)提高數(shù)據(jù)的可靠性。這在存在多個(gè)HID的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，顯得尤為重要。因此每個(gè)數(shù)據(jù)包都要包含一個(gè)定序字段。Bridge根據(jù)此字段確定接收還是拋棄冗余的數(shù)據(jù)包。
包結(jié)構(gòu)
綁定包 綁定包用在半自動(dòng)綁定過(guò)程中，綁定包包含以下三個(gè)字節(jié)：
Channel PN Code Checksum
其中Checksum為效驗(yàn)字。
PING包 PING包用在半自動(dòng)綁定過(guò)程中，包含下面的一個(gè)字節(jié)：
0x5A
數(shù)據(jù)包 數(shù)據(jù)包被用在數(shù)據(jù)交換過(guò)程中，包含至少以下三個(gè)字節(jié)：
Data Byte 1 Sequence ID Checksum
或者包含多個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)字節(jié)。
應(yīng)用設(shè)計(jì)
Bridge部分
WirelessUSB LS Bridge包括一個(gè)USB控制器，提供與主機(jī)PC、筆記本及其它USB主設(shè)備的接口。此外還包括一個(gè)CYWUSB6934作為收發(fā)器與HID進(jìn)行無(wú)線通訊。WirelessUSB LS Bridge成為一個(gè)無(wú)線接口設(shè)備與USB接口設(shè)備之間的橋梁。
硬件設(shè)計(jì)
如圖6為WirelessUSB LS Bridge典型應(yīng)用電路圖。
圖6 Wireless USB LS Bridge電路圖（略）
這里使用了CYPRESS公司低成本低傳輸速率enCoRe系列的USB控制器和CYWUSB6934。CYWUSB6934的電源從USB接口經(jīng)過(guò)低壓差線性穩(wěn)壓器LDO穩(wěn)壓后獲得。enCoRe系列的USB控制器突破性的實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部晶振的集成，不再需要外部晶振和分立元件；其內(nèi)部有兩個(gè)數(shù)據(jù)緩沖器，因此可以同時(shí)支持多達(dá)四個(gè)有效連接到同一個(gè)Bridge。作為低速USB控制器，每次傳輸最多8個(gè)字節(jié)，每次傳輸間隔不小于10ms。當(dāng)PC主機(jī)命令Bridge進(jìn)入低功耗模式，enCoRe通過(guò)將PD管腳拉低，可控制CYWUSB6934進(jìn)入睡眠模式，同時(shí)命令CYWUSB6934周期掃描喚醒事件，有事件發(fā)生，enCoRe將向PC主機(jī)發(fā)送USB喚醒申請(qǐng)；當(dāng)PC主機(jī)命令Bridge退出低功耗模式，enCoRe將PD管腳拉高，CYWUSB6934恢復(fù)正常工作模式。
軟件設(shè)計(jì)
Bridge設(shè)備的軟件設(shè)計(jì)主要針對(duì)管理HID設(shè)備發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)的接收。根據(jù)具體應(yīng)用有所不同。主要分為以下三方面。
接收任務(wù)（Receive Task）
接收任務(wù)指導(dǎo)協(xié)議任務(wù)去接收接收數(shù)據(jù)包。當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)包到來(lái)，接收任務(wù)增加一個(gè)接收事件到事件序列中，并在數(shù)據(jù)包緩沖池中開辟適當(dāng)大小的包緩沖區(qū)，以供存儲(chǔ)數(shù)據(jù)包。如果數(shù)據(jù)包是壞的，就舍棄掉。
協(xié)議任務(wù)（Protocol Task）
協(xié)議任務(wù)是負(fù)責(zé)處理事件序列中的事件，分解數(shù)據(jù)包，執(zhí)行數(shù)據(jù)交換過(guò)程。
USB服務(wù)任務(wù)（USB Service Task）
USB服務(wù)任務(wù)負(fù)責(zé)管理enCoRe控制器和主機(jī)PC之間的USB接口。USB服務(wù)任務(wù)收到來(lái)自于主USB接口的命令，執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)，反饋給主USB接口。
HID部分
WirelessUSB LS HID包括一個(gè)微控制器（例如的德州儀器的MSP430系列單片機(jī)），完成不同HID的特殊功能的需要（如鼠標(biāo)、鍵盤），同時(shí)完成全部的WirelessUSB LS的協(xié)議功能。此外還包括一個(gè)CYWUSB6932純發(fā)送器與Bridge進(jìn)行無(wú)線通訊。
硬件設(shè)計(jì)
圖7為WirelessUSB LS HID典型應(yīng)用電路圖
圖7 Wireless USB LS HID電路圖（略）
這里指一個(gè)通過(guò)電池供電的系統(tǒng)，MCU接收鼠標(biāo)、鍵盤的數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳送給CYWUSB6932，并控制其將數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)送出去。MCU還可以通過(guò)控制CYWUSB6932進(jìn)出睡眠模式來(lái)實(shí)現(xiàn)低功耗。當(dāng)MCU檢測(cè)到鼠標(biāo)、鍵盤的動(dòng)作就喚醒CYWUSB6932發(fā)送數(shù)據(jù)給Bridge。沒有事件發(fā)生時(shí)，MCU就控制CYWUSB6932進(jìn)入睡眠模式，從而實(shí)現(xiàn)電池壽命的最大化。
軟件設(shè)計(jì)
HID設(shè)備的軟件設(shè)計(jì)主要針對(duì)不同外圍設(shè)備的應(yīng)用。主要有以下兩方面。
應(yīng)用處理任務(wù)（Application Proceess Task）
應(yīng)用處理任務(wù)定義HID的特殊功能。例如對(duì)于鍵盤，應(yīng)用處理任務(wù)就是實(shí)現(xiàn)對(duì)鍵盤按鍵的掃描；對(duì)于鼠標(biāo)，應(yīng)用處理任務(wù)是實(shí)現(xiàn)與鼠標(biāo)上光電傳感器的數(shù)據(jù)通信以及檢測(cè)鼠標(biāo)按鍵的活動(dòng)；對(duì)于游戲手柄，應(yīng)用處理任務(wù)則是處理模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，以及檢測(cè)按鍵的活動(dòng)。所有的無(wú)線通訊數(shù)據(jù)都是來(lái)源于應(yīng)用處理任務(wù)。
協(xié)議任務(wù)（Protocol Task）
協(xié)議任務(wù)是負(fù)責(zé)處理應(yīng)用處理任務(wù)中獲得的事件，分解來(lái)自緩沖區(qū)數(shù)據(jù)包，執(zhí)行數(shù)據(jù)交換過(guò)程。
結(jié)束語(yǔ)
基于WirelessUSB LS技術(shù)的低成本無(wú)線人機(jī)接口設(shè)備設(shè)計(jì)方案具有性價(jià)比高，應(yīng)用簡(jiǎn)單，具有低功耗睡眠模式功能有效延長(zhǎng)電池壽命，抗干擾能力強(qiáng)，比其他基于射頻的無(wú)線信號(hào)更穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。與藍(lán)牙、Zigbee等其他同類無(wú)線技術(shù)相比，WirelessUSB技術(shù)提供了以更低成本普及USB無(wú)線通信的可能性。不久的將來(lái)，主板廠商能將這種無(wú)線USB芯片直接嵌入主板中，這樣甚至就不再需要收發(fā)器了。
