1GHz以下频带短距离无线系统设计要点

　　Bluetooth、WLAN、ZigBee等短距离无线技术之装置（SRD）日益增加，本文将锁定使用全球不需执照授权的1GHz以下频带进行详细介绍，并分析跳频展频（FHSS）、直接展频（DSSS）等不同宽带调变技术，以及各国相关现行做法，提供1GHz以下频带无线系统设计者最佳开发导览。

　　SRD无线系统设计需考虑频率选择

　　短距离装置（SRD）此一名称所涵盖的，是能够提供单向或双向通讯，且几乎不会对其他无线电设备造成干扰的各类无线电发射器。我们很难将所有SRD的应用完整列出，因为它们提供了太多不同的服务，其中较为受欢迎的应用包括有：
　　家庭遥距控制（Telecontrolforhome），或是其它建筑物自动化系统
　　无线感测系统
　　警报器
　　汽车，包括遥控免钥匙门禁与遥控汽车启动
　　无线语音及视讯
　
　　SRD无线系统的设计者在选择无线通信频率上需要格外小心。在大多数的情况下，此选择被侷限于频谱中容许免执照使用的那些部份，而前提是必须符合使用上的特定规格与条件。表一所列为全球可使用的频带。
　
　　全球频率分配

表一．全球SRD频率分配

　　2.4GHz频带被设计者普遍使用来建构能够全球使用的各种系统，事实上，该频道已经成为Bluetooth、WLAN及ZigBee等标准的不二选择。5.8GHz的频带也已吸引不少的注意，举例来说，像是无线电话或是WLAN的802.11a版本等。

　　然而，对于同时需要较大范围及较低功耗的系统而言，低于1GHz的频带由于其较低的共存性（co-existence）问题与较大的传送范围，仍是有其必要性的，因为此两者都会影响到功耗，而功耗对于以电池供电的应用而言是一个非常重要的考量。

　　低频发射器传送范围的改善，可以用简化版的Friis传输方程式来表示，此方程式提供了接收天线上存在的功率Pr与供给发射天线的功率Pt两者之间的关系：

　　此方程式中假设两支天线有一致的增益，它可显示出，对于一固定的发射功率Pt而言，接收到的功率会随着距离d的平方，以及频率f的平方而降低（或是随着波长λ的平方而增加）。当接收的功率低于能正确解调变信号所须的最小功率（即所谓的灵敏度点：sensitivitypoint）时，连结便会崩溃。

{$page$}

　　全球低于1GHz的频率分配

　　表II中提供了各种低于1GHz标准的更多细节说明，这并不是一个最完整的列表，如需要更多的细节，可从表中所提供的网路连结去取得。

表二．有些共通区域的SRD频带

　　433MHz是全球皆可使用的选项之一，唯一的例外是在日本需要些微的频率更改（大部份新款且具频率弹性的发射接收器：Transceiver，都可以轻易处理此问题）。但由于频宽只有2MHz，通常来说是无法在此频带上实现语音、视讯、音讯、及连续性资料传送等应用，因此也限制了它的用途。大致上来说，此频带最常被使用于免钥匙门禁系统及基本遥距控制上。

　　868MHz（欧洲）及902MH～928MHz（美国）附近的频带就好用许多，它们不会被侷限在特定的应用中，也容许採用较小的天线。其它的地区如澳洲及加拿大等，则採用了这些规格的不同版本，因此让此频带虽具有多区化特性，但未达到完全全球化的程度。

　　不过，在最近的EN300220规格出现之前，美国与欧洲的组织採用了相当不同的作法。美国採用的是跳频（frequency-hopping）的方式，而欧洲则是如同其ERCREC-70文件中所载明的一般，在每一个次频带（sub-band）中加上工作週期（duty-cycle）的限制。这两种作法在降低干扰上都能有其效用，但对于必须为此两大地区设计出共通系统的制造商来说，就得完全重写系统通信协定中的媒体存取层（MAC）。

　　幸好最新的欧洲EN300229规章（于2006年年中发佈）已将频带加以延展，以便能容许跳频展频（frequency-hoppingspread-spectrum，FHSS）或直接序列展频（direct-sequencespread-spectrum，DSSS）。这让MAC的作法与针对美国的设计较为相似，虽然某些微调仍是必要的。以下将说明此新规格的某些部份，这些部份是SRD系统设计者所必须考虑到的。

　　跳频系统

　　跳频展频（FHSS）发射技术是藉由将频谱切割为一定数量的频道，以便把时域中的能量加以分散，并在这些频道之间依虚拟随机（pseudorandom）顺序进行跳跃，或是称之为跳码（hoppingcode），这是接收机与发射机中所为人熟悉的。为了迎接新加入网路中的节点（node），控制节点会週期性的送出一标识（beacon）信号，让新加入的节点能与其进行同步，同步所须时间会依标识期间长度及跳跃的频道的数量而定。美国与欧洲标准都制订了相似数量的跳跃频道，以及400ms的最大停留（dwell）时间（在任何单一跳跃期间内，于某一特定频率上所花费的时间）。 

　　如表三所示，为使用FHSS时，欧洲的扩展频带上（低于870MHz）所需要的频道数量、有效发射功率（ERP）、及工作週期。当符合＂说前先听（listen-before-talk，LBT）＂或是工作週期有效率限制值时，便可有高达7MHz的频宽可供使用，以往则只有2MHz的范围。

表三．欧洲频道需求

图一．ADF7020SRD传送接收器的方块图

　　＂说前先听＂此一＂礼貌＂通信协定在启始一传送之前，会先＂扫描＂频道上的活动。这种也被称为＂干净频道评价＂（cleanchannelassessment，CCA）的协定，与频率跳跃的共用可以让系统没有工作週期上的限制。

{$page$}

　　宽频调变：DSSS

　　除了FHSS，直接展频（DSSS）也被新的欧洲法令所纳入，在DSSS系统中，窄带的信号被乘上一高速虚拟乱数（PRN）序列，以产生出展频信号。每一个PRN脉冲称为一个＂chip＂，而序列的速率则是叫作＂chiprate＂。至于原始窄带信号所能展开的程度，则是称之为处理增益（processinggain），此为chiprate（RC）对窄带资料符号率（narrowbanddatasymbolrate）的比值。图二所示为FHSS与DSSS的比较。

图二．FHSS与DSSS的频谱

　　在接收器端，送入的展频信号被乘上同样的PRN码，以进行信号的反展频（de-spread）处理，将原始的窄带信号撷取出来。于此同时，接收器中任何的窄带干扰源会被展开，而以宽带杂讯的型态呈现在解调变器上。由于系统中的每一个使用者所分配到的PRN码不同，因此能够将共用同一频带的使用者之间加以隔离，这就是所谓的CDMA（code-divisionmultipleaccess）。

　　使用DSSS调变的一些系统例子，包括了IEEE802.15.4（WPAN）、IEEE802.11（WLAN）、及GPS等。DSSS的主要优点为：

　　1)干扰弹回（interferenceresilience）－DSSS的干扰抗拒能力，实质上是来自于将有用的信号乘上两次（展开与反展开）PRN码，而任何的干扰源则只乘上一次（展开）。
　　2)低功率频谱密度（spectraldensity）－利用窄带系统将导入的干扰最小化。
　　3)安全性–由于採用展开/反展开处理，对于拥塞（jamming）有非常好的抵抗能力。
　　4)能减轻多通道效应。

　　DSSS或FHSS以外的宽带调变

　　新的欧洲法令中一个有趣的点，在于它们也提供FHSS及DSSS以外的其它宽带展频调变技术。像是具有超过200kHz频宽的FSK/GFSK（Gaussianfrequencyshiftkeying）调变，便是欧洲法令下的宽频调变。表IV为适用于欧洲宽带调变架构的主要规格（包括DSSS）：

 

表四．展频调变（除了FHSS以外）与宽带调变的最大发射功率密度、带宽及工作週期限制

　　ISM带发射接收器IC如ADF7025，便是一个能够充份利用到此宽带标准中使用FSK调变所带来的好处之产品。为了要能动作于865MHz到870MHz的次频带，设计上就必须符合最大佔用带宽（99%）及最大功率密度限制。此外，频道边缘（edge-of-channel）或频带边缘的最大功率限制也被设定在-36dBm。

　　如果将ADF7025依表五来予以设定，则可全部符合这三个限制。如图五所示，佔用带宽为1.7569MHz，而峰值频谱密度则是-1.41dBm/100kHz。
ADF7025由于使用了宽带调变，有能力实现高资料率（在此情形下为384kbps），因此可以在次1-GHz的欧洲ISM频带中传送音讯及媒体品质视讯（每秒数个图框）。

　　美国法令（FCCpart15.247）与欧洲有类似的分配方式，提供了运作于902MHz到928MHz、2400MHz到2483.5MHz、以及5725MHz到5850MHz频带的跳频系统，但也同时提供＂数位调变＂信号。这是同时涵盖了展频（DSSS）与其它较简单型态调变方式（如FSK、GFSK等）的一个很松散的说法，因此和欧洲法令中的＂宽带调变＂规格颇为相似。其最主要的要求为：

　　1.最小6-dB带宽应至少为500kHz。
　　2.对于数位调变系统而言，在任何连续传送时间间隔中的任意3k-Hz频带上，从发射端到天线所传导的功率频谱密度不可超过8dBm。

　　任何希望使用FHSS以外系统的人，通常都需要将场强度（fieldstrength）限制在50mV/m（-1.5dBmERP）。但在数位调变的场合中，只要能符合最大功率频谱密度限制，则最大输出功率为1W。因此，在使用ADF7025时，由于其FSK频率偏差宽度足以确保6dB带宽能够大于500kHz，因此可容许1W的ERP。此外，由于有宽信号带宽，还可实现较高的资料率（ADF7025的最大值为384kbps）。

　　ADF7025的共同频道排斥（co-channelrejection）会根据干扰源的带宽，在共同频道上从-2dB（最差状况）变化到+24dB。这可以拿来与具有-4dB共同频道排斥值的商用802.15.4DSSS发射接收器相比，使用的是拥塞信号（jammingsignal）为IEEE802.15.4的调变信号。

　　使用上述方法，就可以在美国与欧洲使用相似的宽带调变系统，并简化出货到全球市场产品的开发工作。ADF7025传输接收器架构可支援美国所定义的＂数位调变＂模式，与在欧洲所定义的＂宽带调变＂模式。

　　图三．ADF7025的宽带调变实验结果：（a）FSK调变信号，99％佔用带宽量测；（b）前项的局部放大，以量测最大功率频谱密度。

{$page$}

　　暂态（transient）功率需求
　　工程人员也需要了解到欧洲法令中，一项加诸在暂态功率上的限制新规格，也就是当发射器在正常运作中开关时，落入临近频谱的功率。将此限制加入最新法令中的目的，是要避免频谱飞散（spectralsplatter）。

　　当送入功率放大（PA）的电流增大（开启）或减小（关闭）时，从电压控制震盪器（OSC）所看到的负载会随之改变。这会在迴路试图重新取得锁住时，造成PLL短暂的开锁（unlock），并产生混附发射（spuriousemissions）或频谱飞散。对于只在间隔时间内传送一个单位的系统中，频谱飞散会明显增加落入临近频道的功率。

　　图四加强说明了频谱飞散的问题，其中黄色的轨迹线表示当PA以每次100ms的速度开关，而频谱分析仪维持在最大保持（maximumhold）设定时，ADF7020发射器的PA输出频谱。可以很清楚的看出来，有明显的功率会落入载波（carrier）两边的频道中。蓝色的轨迹线则是以每100ms64阶的速率被提升与拉下的PA输出，表示出落入临近频道的功率有相当程度的下降。最新的EN300220法令中的规格8.5，便针对落入临近频道功率制定限制值。

图四．本文中所叙述的测试所得到的ADF7020输出频谱

　　量测程序要求发射器需要在最大输出功率的情况下开关5次，并分别量测落入载波两侧的第二阶、第四阶、及第十阶频道。

　　要确保能符合此规格的最简单方式，是将PA逐渐的从关拉到开、或是从开拉到关。这通常是利用微控制器以分阶方式开关PA来完成的。透过ADF7020发射接收器，可以将PA从关的状态经过最多63阶的控制调整到+14dBm。另一个较快及较简单的方法，是使用具有自动PA上下控制的传送接收器。ADF7021便具有可编程的上下控制，让使用者可以设定步阶的数量及每一个步阶的期间。

　　通讯协定考量

　　ADI目前正在更新其ADIismLINK（2.0版）协定软体，这套软体可适用于任何的ADF702x传送接收器。此一针对全球次1-GHz频带使用而设计的协定，採用了新版的欧洲法令，并以图5中所示的星状网路（高达255个端点）为其基础。

图五．星状网路拓朴

　　在协定的中心，为一无槽式（nonslotted）、非持续（nonpersistent）的＂载波感测多重存取-冲突防止＂（CSMA-CA），端点（EP）会在传送前先聆听该频道（LBT）以防止冲突。

　　此协定的＂无槽式＂观念，让EP们先执行lBT动作，其后只要有资料就可以立刻传送，此作法也确保不需要同步动作。如果EP感测到该频道正处于忙碌状态，就会在执行下一个LBT之前等候（back-off）一不定时间。此等候动作的发生次数是有限制的，因此此协定具有非持续的特性。在FHSS模式下，此协定会在每一个跳跃频道上使用这个CSMA-CA系统，所以能满足新欧洲法令的LBT要求。

　　ADIismLINK协定的实体层（PHY）与媒体存取层（MAC）参数具有相当高的设定弹性，因此能容许完整的装置与系统评估。此外，ADI也提供相关原始码，以简化系统开发的步骤。此协定是随ADF702x开发套件（ADF70xxMB2）共同出货，图六所示为ADIismLINK的系统总览。

图六．ADIismLINK系统总览

　　新的欧洲法令对于863MHz到870MHz之间频带的空中传递（over-the-air）协定加入了非常明细的要求。不论系统是使用单频道协定、FHSS或DSSS，都有需要遵守的特定规定。此改变必然会让协定设计复杂化，但这些新ETSI法令的好处是在许多方面与FCCPart15.247相似，因而得以简化针对多区域使用的协定设计。而善用如ADI所提供之开发套件（内含协定范例），将能减轻短距无线网路设计之负担。