1GHz以下頻帶短距離無線系統(tǒng)設(shè)計要點(diǎn)

　　Bluetooth、WLAN、ZigBee等短距離無線技術(shù)之裝置（SRD）日益增加，本文將鎖定使用全球不需執(zhí)照授權(quán)的1GHz以下頻帶進(jìn)行詳細(xì)介紹，并分析跳頻展頻（FHSS）、直接展頻（DSSS）等不同寬帶調(diào)變技術(shù)，以及各國相關(guān)現(xiàn)行做法，提供1GHz以下頻帶無線系統(tǒng)設(shè)計者最佳開發(fā)導(dǎo)覽。

　　SRD無線系統(tǒng)設(shè)計需考慮頻率選擇

　　短距離裝置（SRD）此一名稱所涵蓋的，是能夠提供單向或雙向通訊，且?guī)缀醪粫ζ渌麩o線電設(shè)備造成干擾的各類無線電發(fā)射器。我們很難將所有SRD的應(yīng)用完整列出，因?yàn)樗鼈兲峁┝颂嗖煌姆?wù)，其中較為受歡迎的應(yīng)用包括有：
　　家庭遙距控制（Telecontrolforhome），或是其它建筑物自動化系統(tǒng)
　　無線感測系統(tǒng)
　　警報器
　　汽車，包括遙控免鑰匙門禁與遙控汽車啟動
　　無線語音及視訊
　
　　SRD無線系統(tǒng)的設(shè)計者在選擇無線通信頻率上需要格外小心。在大多數(shù)的情況下，此選擇被侷限于頻譜中容許免執(zhí)照使用的那些部份，而前提是必須符合使用上的特定規(guī)格與條件。表一所列為全球可使用的頻帶。
　
　　全球頻率分配

表一．全球SRD頻率分配

　　2.4GHz頻帶被設(shè)計者普遍使用來建構(gòu)能夠全球使用的各種系統(tǒng)，事實(shí)上，該頻道已經(jīng)成為Bluetooth、WLAN及ZigBee等標(biāo)準(zhǔn)的不二選擇。5.8GHz的頻帶也已吸引不少的注意，舉例來說，像是無線電話或是WLAN的802.11a版本等。

　　然而，對于同時需要較大范圍及較低功耗的系統(tǒng)而言，低于1GHz的頻帶由于其較低的共存性（co-existence）問題與較大的傳送范圍，仍是有其必要性的，因?yàn)榇藘烧叨紩绊懙焦模膶τ谝噪姵毓╇姷膽?yīng)用而言是一個非常重要的考量。

　　低頻發(fā)射器傳送范圍的改善，可以用簡化版的Friis傳輸方程式來表示，此方程式提供了接收天線上存在的功率Pr與供給發(fā)射天線的功率Pt兩者之間的關(guān)系：

　　此方程式中假設(shè)兩支天線有一致的增益，它可顯示出，對于一固定的發(fā)射功率Pt而言，接收到的功率會隨著距離d的平方，以及頻率f的平方而降低（或是隨著波長λ的平方而增加）。當(dāng)接收的功率低于能正確解調(diào)變信號所須的最小功率（即所謂的靈敏度點(diǎn)：sensitivitypoint）時，連結(jié)便會崩潰。

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　　全球低于1GHz的頻率分配

　　表II中提供了各種低于1GHz標(biāo)準(zhǔn)的更多細(xì)節(jié)說明，這并不是一個最完整的列表，如需要更多的細(xì)節(jié)，可從表中所提供的網(wǎng)路連結(jié)去取得。

表二．有些共通區(qū)域的SRD頻帶

　　433MHz是全球皆可使用的選項之一，唯一的例外是在日本需要些微的頻率更改（大部份新款且具頻率彈性的發(fā)射接收器：Transceiver，都可以輕易處理此問題）。但由于頻寬只有2MHz，通常來說是無法在此頻帶上實(shí)現(xiàn)語音、視訊、音訊、及連續(xù)性資料傳送等應(yīng)用，因此也限制了它的用途。大致上來說，此頻帶最常被使用于免鑰匙門禁系統(tǒng)及基本遙距控制上。

　　868MHz（歐洲）及902MH～928MHz（美國）附近的頻帶就好用許多，它們不會被侷限在特定的應(yīng)用中，也容許採用較小的天線。其它的地區(qū)如澳洲及加拿大等，則採用了這些規(guī)格的不同版本，因此讓此頻帶雖具有多區(qū)化特性，但未達(dá)到完全全球化的程度。

　　不過，在最近的EN300220規(guī)格出現(xiàn)之前，美國與歐洲的組織採用了相當(dāng)不同的作法。美國採用的是跳頻（frequency-hopping）的方式，而歐洲則是如同其ERCREC-70文件中所載明的一般，在每一個次頻帶（sub-band）中加上工作週期（duty-cycle）的限制。這兩種作法在降低干擾上都能有其效用，但對于必須為此兩大地區(qū)設(shè)計出共通系統(tǒng)的制造商來說，就得完全重寫系統(tǒng)通信協(xié)定中的媒體存取層（MAC）。

　　幸好最新的歐洲EN300229規(guī)章（于2006年年中發(fā)佈）已將頻帶加以延展，以便能容許跳頻展頻（frequency-hoppingspread-spectrum，F(xiàn)HSS）或直接序列展頻（direct-sequencespread-spectrum，DSSS）。這讓MAC的作法與針對美國的設(shè)計較為相似，雖然某些微調(diào)仍是必要的。以下將說明此新規(guī)格的某些部份，這些部份是SRD系統(tǒng)設(shè)計者所必須考慮到的。

　　跳頻系統(tǒng)

　　跳頻展頻（FHSS）發(fā)射技術(shù)是藉由將頻譜切割為一定數(shù)量的頻道，以便把時域中的能量加以分散，并在這些頻道之間依虛擬隨機(jī)（pseudorandom）順序進(jìn)行跳躍，或是稱之為跳碼（hoppingcode），這是接收機(jī)與發(fā)射機(jī)中所為人熟悉的。為了迎接新加入網(wǎng)路中的節(jié)點(diǎn)（node），控制節(jié)點(diǎn)會週期性的送出一標(biāo)識（beacon）信號，讓新加入的節(jié)點(diǎn)能與其進(jìn)行同步，同步所須時間會依標(biāo)識期間長度及跳躍的頻道的數(shù)量而定。美國與歐洲標(biāo)準(zhǔn)都制訂了相似數(shù)量的跳躍頻道，以及400ms的最大停留（dwell）時間（在任何單一跳躍期間內(nèi)，于某一特定頻率上所花費(fèi)的時間）。 

　　如表三所示，為使用FHSS時，歐洲的擴(kuò)展頻帶上（低于870MHz）所需要的頻道數(shù)量、有效發(fā)射功率（ERP）、及工作週期。當(dāng)符合＂說前先聽（listen-before-talk，LBT）＂或是工作週期有效率限制值時，便可有高達(dá)7MHz的頻寬可供使用，以往則只有2MHz的范圍。

表三．歐洲頻道需求

圖一．ADF7020SRD傳送接收器的方塊圖

　?。⒄f前先聽＂此一＂禮貌＂通信協(xié)定在啟始一傳送之前，會先＂掃描＂頻道上的活動。這種也被稱為＂干凈頻道評價＂（cleanchannelassessment，CCA）的協(xié)定，與頻率跳躍的共用可以讓系統(tǒng)沒有工作週期上的限制。

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　　寬頻調(diào)變：DSSS

　　除了FHSS，直接展頻（DSSS）也被新的歐洲法令所納入，在DSSS系統(tǒng)中，窄帶的信號被乘上一高速虛擬亂數(shù)（PRN）序列，以產(chǎn)生出展頻信號。每一個PRN脈沖稱為一個＂chip＂，而序列的速率則是叫作＂chiprate＂。至于原始窄帶信號所能展開的程度，則是稱之為處理增益（processinggain），此為chiprate（RC）對窄帶資料符號率（narrowbanddatasymbolrate）的比值。圖二所示為FHSS與DSSS的比較。

圖二．FHSS與DSSS的頻譜

　　在接收器端，送入的展頻信號被乘上同樣的PRN碼，以進(jìn)行信號的反展頻（de-spread）處理，將原始的窄帶信號擷取出來。于此同時，接收器中任何的窄帶干擾源會被展開，而以寬帶雜訊的型態(tài)呈現(xiàn)在解調(diào)變器上。由于系統(tǒng)中的每一個使用者所分配到的PRN碼不同，因此能夠?qū)⒐灿猛活l帶的使用者之間加以隔離，這就是所謂的CDMA（code-divisionmultipleaccess）。

　　使用DSSS調(diào)變的一些系統(tǒng)例子，包括了IEEE802.15.4（WPAN）、IEEE802.11（WLAN）、及GPS等。DSSS的主要優(yōu)點(diǎn)為：

　　1)干擾彈回（interferenceresilience）－DSSS的干擾抗拒能力，實(shí)質(zhì)上是來自于將有用的信號乘上兩次（展開與反展開）PRN碼，而任何的干擾源則只乘上一次（展開）。
　　2)低功率頻譜密度（spectraldensity）－利用窄帶系統(tǒng)將導(dǎo)入的干擾最小化。
　　3)安全性–由于採用展開/反展開處理，對于擁塞（jamming）有非常好的抵抗能力。
　　4)能減輕多通道效應(yīng)。

　　DSSS或FHSS以外的寬帶調(diào)變

　　新的歐洲法令中一個有趣的點(diǎn)，在于它們也提供FHSS及DSSS以外的其它寬帶展頻調(diào)變技術(shù)。像是具有超過200kHz頻寬的FSK/GFSK（Gaussianfrequencyshiftkeying）調(diào)變，便是歐洲法令下的寬頻調(diào)變。表IV為適用于歐洲寬帶調(diào)變架構(gòu)的主要規(guī)格（包括DSSS）：

 

表四．展頻調(diào)變（除了FHSS以外）與寬帶調(diào)變的最大發(fā)射功率密度、帶寬及工作週期限制

　　ISM帶發(fā)射接收器IC如ADF7025，便是一個能夠充份利用到此寬帶標(biāo)準(zhǔn)中使用FSK調(diào)變所帶來的好處之產(chǎn)品。為了要能動作于865MHz到870MHz的次頻帶，設(shè)計上就必須符合最大佔(zhàn)用帶寬（99%）及最大功率密度限制。此外，頻道邊緣（edge-of-channel）或頻帶邊緣的最大功率限制也被設(shè)定在-36dBm。

　　如果將ADF7025依表五來予以設(shè)定，則可全部符合這三個限制。如圖五所示，佔(zhàn)用帶寬為1.7569MHz，而峰值頻譜密度則是-1.41dBm/100kHz。
ADF7025由于使用了寬帶調(diào)變，有能力實(shí)現(xiàn)高資料率（在此情形下為384kbps），因此可以在次1-GHz的歐洲ISM頻帶中傳送音訊及媒體品質(zhì)視訊（每秒數(shù)個圖框）。

　　美國法令（FCCpart15.247）與歐洲有類似的分配方式，提供了運(yùn)作于902MHz到928MHz、2400MHz到2483.5MHz、以及5725MHz到5850MHz頻帶的跳頻系統(tǒng)，但也同時提供＂數(shù)位調(diào)變＂信號。這是同時涵蓋了展頻（DSSS）與其它較簡單型態(tài)調(diào)變方式（如FSK、GFSK等）的一個很松散的說法，因此和歐洲法令中的＂寬帶調(diào)變＂規(guī)格頗為相似。其最主要的要求為：

　　1.最小6-dB帶寬應(yīng)至少為500kHz。
　　2.對于數(shù)位調(diào)變系統(tǒng)而言，在任何連續(xù)傳送時間間隔中的任意3k-Hz頻帶上，從發(fā)射端到天線所傳導(dǎo)的功率頻譜密度不可超過8dBm。

　　任何希望使用FHSS以外系統(tǒng)的人，通常都需要將場強(qiáng)度（fieldstrength）限制在50mV/m（-1.5dBmERP）。但在數(shù)位調(diào)變的場合中，只要能符合最大功率頻譜密度限制，則最大輸出功率為1W。因此，在使用ADF7025時，由于其FSK頻率偏差寬度足以確保6dB帶寬能夠大于500kHz，因此可容許1W的ERP。此外，由于有寬信號帶寬，還可實(shí)現(xiàn)較高的資料率（ADF7025的最大值為384kbps）。

　　ADF7025的共同頻道排斥（co-channelrejection）會根據(jù)干擾源的帶寬，在共同頻道上從-2dB（最差狀況）變化到+24dB。這可以拿來與具有-4dB共同頻道排斥值的商用802.15.4DSSS發(fā)射接收器相比，使用的是擁塞信號（jammingsignal）為IEEE802.15.4的調(diào)變信號。

　　使用上述方法，就可以在美國與歐洲使用相似的寬帶調(diào)變系統(tǒng)，并簡化出貨到全球市場產(chǎn)品的開發(fā)工作。ADF7025傳輸接收器架構(gòu)可支援美國所定義的＂數(shù)位調(diào)變＂模式，與在歐洲所定義的＂寬帶調(diào)變＂模式。

　　圖三．ADF7025的寬帶調(diào)變實(shí)驗(yàn)結(jié)果：（a）FSK調(diào)變信號，99％佔(zhàn)用帶寬量測；（b）前項的局部放大，以量測最大功率頻譜密度。

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　　暫態(tài)（transient）功率需求
　　工程人員也需要了解到歐洲法令中，一項加諸在暫態(tài)功率上的限制新規(guī)格，也就是當(dāng)發(fā)射器在正常運(yùn)作中開關(guān)時，落入臨近頻譜的功率。將此限制加入最新法令中的目的，是要避免頻譜飛散（spectralsplatter）。

　　當(dāng)送入功率放大（PA）的電流增大（開啟）或減?。P(guān)閉）時，從電壓控制震盪器（OSC）所看到的負(fù)載會隨之改變。這會在迴路試圖重新取得鎖住時，造成PLL短暫的開鎖（unlock），并產(chǎn)生混附發(fā)射（spuriousemissions）或頻譜飛散。對于只在間隔時間內(nèi)傳送一個單位的系統(tǒng)中，頻譜飛散會明顯增加落入臨近頻道的功率。

　　圖四加強(qiáng)說明了頻譜飛散的問題，其中黃色的軌跡線表示當(dāng)PA以每次100ms的速度開關(guān)，而頻譜分析儀維持在最大保持（maximumhold）設(shè)定時，ADF7020發(fā)射器的PA輸出頻譜?？梢院芮宄目闯鰜恚忻黠@的功率會落入載波（carrier）兩邊的頻道中。藍(lán)色的軌跡線則是以每100ms64階的速率被提升與拉下的PA輸出，表示出落入臨近頻道的功率有相當(dāng)程度的下降。最新的EN300220法令中的規(guī)格8.5，便針對落入臨近頻道功率制定限制值。

圖四．本文中所敘述的測試所得到的ADF7020輸出頻譜

　　量測程序要求發(fā)射器需要在最大輸出功率的情況下開關(guān)5次，并分別量測落入載波兩側(cè)的第二階、第四階、及第十階頻道。

　　要確保能符合此規(guī)格的最簡單方式，是將PA逐漸的從關(guān)拉到開、或是從開拉到關(guān)。這通常是利用微控制器以分階方式開關(guān)PA來完成的。透過ADF7020發(fā)射接收器，可以將PA從關(guān)的狀態(tài)經(jīng)過最多63階的控制調(diào)整到+14dBm。另一個較快及較簡單的方法，是使用具有自動PA上下控制的傳送接收器。ADF7021便具有可編程的上下控制，讓使用者可以設(shè)定步階的數(shù)量及每一個步階的期間。

　　通訊協(xié)定考量

　　ADI目前正在更新其ADIismLINK（2.0版）協(xié)定軟體，這套軟體可適用于任何的ADF702x傳送接收器。此一針對全球次1-GHz頻帶使用而設(shè)計的協(xié)定，採用了新版的歐洲法令，并以圖5中所示的星狀網(wǎng)路（高達(dá)255個端點(diǎn)）為其基礎(chǔ)。

圖五．星狀網(wǎng)路拓樸

　　在協(xié)定的中心，為一無槽式（nonslotted）、非持續(xù)（nonpersistent）的＂載波感測多重存取-沖突防止＂（CSMA-CA），端點(diǎn)（EP）會在傳送前先聆聽該頻道（LBT）以防止沖突。

　　此協(xié)定的＂無槽式＂觀念，讓EP們先執(zhí)行l(wèi)BT動作，其后只要有資料就可以立刻傳送，此作法也確保不需要同步動作。如果EP感測到該頻道正處于忙碌狀態(tài)，就會在執(zhí)行下一個LBT之前等候（back-off）一不定時間。此等候動作的發(fā)生次數(shù)是有限制的，因此此協(xié)定具有非持續(xù)的特性。在FHSS模式下，此協(xié)定會在每一個跳躍頻道上使用這個CSMA-CA系統(tǒng)，所以能滿足新歐洲法令的LBT要求。

　　ADIismLINK協(xié)定的實(shí)體層（PHY）與媒體存取層（MAC）參數(shù)具有相當(dāng)高的設(shè)定彈性，因此能容許完整的裝置與系統(tǒng)評估。此外，ADI也提供相關(guān)原始碼，以簡化系統(tǒng)開發(fā)的步驟。此協(xié)定是隨ADF702x開發(fā)套件（ADF70xxMB2）共同出貨，圖六所示為ADIismLINK的系統(tǒng)總覽。

圖六．ADIismLINK系統(tǒng)總覽

　　新的歐洲法令對于863MHz到870MHz之間頻帶的空中傳遞（over-the-air）協(xié)定加入了非常明細(xì)的要求。不論系統(tǒng)是使用單頻道協(xié)定、FHSS或DSSS，都有需要遵守的特定規(guī)定。此改變必然會讓協(xié)定設(shè)計復(fù)雜化，但這些新ETSI法令的好處是在許多方面與FCCPart15.247相似，因而得以簡化針對多區(qū)域使用的協(xié)定設(shè)計。而善用如ADI所提供之開發(fā)套件（內(nèi)含協(xié)定范例），將能減輕短距無線網(wǎng)路設(shè)計之負(fù)擔(dān)。