- SRD無(wú)線(xiàn)系統設計時(shí)頻率的選擇
- 跳頻系統對頻帶的擴展
- 寬頻調變對頻帶的擴展
- 各系統通信協(xié)議的選擇
Bluetooth、WLAN、ZigBee等短距離無(wú)線(xiàn)技術(shù)之裝置（SRD）日益增加，本文將鎖定使用全球不需執照授權的1GHz以下頻帶進(jìn)行詳細介紹，并分析跳頻展頻（FHSS）、直接展頻（DSSS）等不同寬帶調變技術(shù)，以及各國相關(guān)現行做法，提供1GHz以下頻帶無(wú)線(xiàn)系統設計者最佳開(kāi)發(fā)導覽。
SRD無(wú)線(xiàn)系統設計需考慮頻率選擇
短距離裝置（SRD）此一名稱(chēng)所涵蓋的，是能夠提供單向或雙向通訊，且幾乎不會(huì )對其他無(wú)線(xiàn)電設備造成干擾的各類(lèi)無(wú)線(xiàn)電發(fā)射器。我們很難將所有SRD的應用完整列出，因為它們提供了太多不同的服務(wù)，其中較為受歡迎的應用包括有：
家庭遙距控制（Telecontrolforhome），或是其它建筑物自動(dòng)化系統
無(wú)線(xiàn)感測系統
警報器
汽車(chē)，包括遙控免鑰匙門(mén)禁與遙控汽車(chē)啟動(dòng)
無(wú)線(xiàn)語(yǔ)音及視訊
SRD無(wú)線(xiàn)系統的設計者在選擇無(wú)線(xiàn)通信頻率上需要格外小心。在大多數的情況下，此選擇被侷限于頻譜中容許免執照使用的那些部份，而前提是必須符合使用上的特定規格與條件。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頻帶被設計者普遍使用來(lái)建構能夠全球使用的各種系統，事實(shí)上，該頻道已經(jīng)成為Bluetooth、WLAN及ZigBee等標準的不二選擇。5.8GHz的頻帶也已吸引不少的注意，舉例來(lái)說(shuō)，像是無(wú)線(xiàn)電話(huà)或是WLAN的802.11a版本等。
然而，對于同時(shí)需要較大范圍及較低功耗的系統而言，低于1GHz的頻帶由于其較低的共存性（co-existence）問(wèn)題與較大的傳送范圍，仍是有其必要性的，因為此兩者都會(huì )影響到功耗，而功耗對于以電池供電的應用而言是一個(gè)非常重要的考量。
低頻發(fā)射器傳送范圍的改善，可以用簡(jiǎn)化版的Friis傳輸方程式來(lái)表示，此方程式提供了接收天線(xiàn)上存在的功率Pr與供給發(fā)射天線(xiàn)的功率Pt兩者之間的關(guān)系：
此方程式中假設兩支天線(xiàn)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(huì )隨著(zhù)距離d的平方，以及頻率f的平方而降低（或是隨著(zhù)波長(cháng)λ的平方而增加）。當接收的功率低于能正確解調變信號所須的最小功率（即所謂的靈敏度點(diǎn)：sensitivitypoint）時(shí)，連結便會(huì )崩潰。
全球低于1GHz的頻率分配
表II中提供了各種低于1GHz標準的更多細節說(shuō)明，這并不是一個(gè)最完整的列表，如需要更多的細節，可從表中所提供的網(wǎng)路連結去取得。
表二．有些共通區域的SRD頻帶
[page]
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(wèn)題）。但由于頻寬只有2MHz，通常來(lái)說(shuō)是無(wú)法在此頻帶上實(shí)現語(yǔ)音、視訊、音訊、及連續性資料傳送等應用，因此也限制了它的用途。大致上來(lái)說(shuō)，此頻帶最常被使用于免鑰匙門(mén)禁系統及基本遙距控制上。
868MHz（歐洲）及902MH～928MHz（美國）附近的頻帶就好用許多，它們不會(huì )被侷限在特定的應用中，也容許採用較小的天線(xiàn)。其它的地區如澳洲及加拿大等，則採用了這些規格的不同版本，因此讓此頻帶雖具有多區化特性，但未達到完全全球化的程度。
不過(guò)，在最近的EN300220規格出現之前，美國與歐洲的組織採用了相當不同的作法。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(gè)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設計出共通系統的制造商來(lái)說(shuō)，就得完全重寫(xiě)系統通信協(xié)定中的媒體存取層（MAC）。
幸好最新的歐洲EN300229規章（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，FHSS）或直接序列展頻（direct-sequencespread-spectrum，DSSS）。這讓MAC的作法與針對美國的設計較為相似，雖然某些微調仍是必要的。以下將說(shuō)明此新規格的某些部份，這些部份是SRD系統設計者所必須考慮到的。
跳頻系統
跳頻展頻（FHSS）發(fā)射技術(shù)是藉由將頻譜切割為一定數量的頻道，以便把時(shí)域中的能量加以分散，并在這些頻道之間依虛擬隨機（pseudorandom）順序進(jìn)行跳躍，或是稱(chēng)之為跳碼（hoppingcode），這是接收機與發(fā)射機中所為人熟悉的。為了迎接新加入網(wǎng)路中的節點(diǎn)（node），控制節點(diǎn)會(huì )週期性的送出一標識（beacon）信號，讓新加入的節點(diǎn)能與其進(jìn)行同步，同步所須時(shí)間會(huì )依標識期間長(cháng)度及跳躍的頻道的數量而定。美國與歐洲標準都制訂了相似數量的跳躍頻道，以及400ms的最大停留（dwell）時(shí)間（在任何單一跳躍期間內，于某一特定頻率上所花費的時(shí)間）。
如表三所示，為使用FHSS時(shí)，歐洲的擴展頻帶上（低于870MHz）所需要的頻道數量、有效發(fā)射功率（ERP）、及工作週期。當符合＂說(shuō)前先聽(tīng)（listen-before-talk，LBT）＂或是工作週期有效率限制值時(shí)，便可有高達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
＂說(shuō)前先聽(tīng)＂此一＂禮貌＂通信協(xié)定在啟始一傳送之前，會(huì )先＂掃描＂頻道上的活動(dòng)。這種也被稱(chēng)為＂干凈頻道評價(jià)＂（cleanchannelassessment，CCA）的協(xié)定，與頻率跳躍的共用可以讓系統沒(méi)有工作週期上的限制。
[page]
寬頻調變：DSSS
除了FHSS，直接展頻（DSSS）也被新的歐洲法令所納入，在DSSS系統中，窄帶的信號被乘上一高速虛擬亂數（PRN）序列，以產(chǎn)生出展頻信號。每一個(gè)PRN脈沖稱(chēng)為一個(gè)＂chip＂，而序列的速率則是叫作＂chiprate＂。至于原始窄帶信號所能展開(kāi)的程度，則是稱(chēng)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(lái)。于此同時(shí)，接收器中任何的窄帶干擾源會(huì )被展開(kāi)，而以寬帶雜訊的型態(tài)呈現在解調變器上。由于系統中的每一個(gè)使用者所分配到的PRN碼不同，因此能夠將共用同一頻帶的使用者之間加以隔離，這就是所謂的CDMA（code-divisionmultipleaccess）。
使用DSSS調變的一些系統例子，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(lái)自于將有用的信號乘上兩次（展開(kāi)與反展開(kāi)）PRN碼，
而任何的干擾源則只乘上一次（展開(kāi)）。
2)低功率頻譜密度（spectraldensity）－利用窄帶系統將導入的干擾最小化。
3)安全性–由于採用展開(kāi)/反展開(kāi)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。
DSSS或FHSS以外的寬帶調變
新的歐洲法令中一個(gè)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變技術(shù)。像是具有超過(guò)200kHz頻寬的FSK/GFSK（Gaussianfrequencyshiftkeying）調變，便是歐洲法令下的寬頻調變。表IV為適用于歐洲寬帶調變架構的主要規格（包括DSSS）：
表四．展頻調變（除了FHSS以外）與寬帶調變的最大發(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(gè)能夠充份利用到此寬帶標準中使用FSK調變所帶來(lái)的好處之產(chǎn)品。為了要能動(dòng)作于865MHz到870MHz的次頻帶，設計上就必須符合最大佔用帶寬（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定在-36dBm。
如果將ADF7025依表五來(lái)予以設定，則可全部符合這三個(gè)限制。如圖五所示，佔用帶寬為1.7569MHz，而峰值頻譜密度則是-1.41dBm/100kHz。
表五．ADF7025于寬帶調變實(shí)驗時(shí)的參數
[page]
ADF7025由于使用了寬帶調變，有能力實(shí)現高資料率（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（每秒數個(gè)圖框）。
美國法令（FCCpart15.247）與歐洲有類(lèi)似的分配方式，提供了運作于902MHz到928MHz、2400MHz到2483.5MHz、以及5725MHz到5850MHz頻帶的跳頻系統，但也同時(shí)提供＂數位調變＂信號。這是同時(shí)涵蓋了展頻（DSSS）與其它較簡(jiǎn)單型態(tài)調變方式（如FSK、GFSK等）的一個(gè)很松散的說(shuō)法，因此和歐洲法令中的＂寬帶調變＂規格頗為相似。其最主要的要求為：
1.最小6-dB帶寬應至少為500kHz。
2.對于數位調變系統而言，在任何連續傳送時(shí)間間隔中的任意3k-Hz頻帶上，從發(fā)射端到天線(xiàn)所傳導的功率頻譜密度不可超過(guò)8dBm。
任何希望使用FHSS以外系統的人，通常都需要將場(chǎng)強度（fieldstrength）限制在50mV/m（-1.5dBmERP）。但在數位調變的場(chǎng)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(shí)，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)現較高的資料率（ADF7025的最大值為384kbps）。
ADF7025的共同頻道排斥（co-channelrejection）會(huì )根據干擾源的帶寬，在共同頻道上從-2dB（最差狀況）變化到+24dB。這可以拿來(lái)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變系統，并簡(jiǎn)化出貨到全球市場(chǎng)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)工作。ADF7025傳輸接收器架構可支援美國所定義的＂數位調變＂模式，與在歐洲所定義的＂寬帶調變＂模式。
圖三．ADF7025的寬帶調變實(shí)驗結果：（a）FSK調變信號，99％佔用帶寬量測；（b）前項的局部放大，以量測最大功率頻譜密度。
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)功率上的限制新規格，也就是當發(fā)射器在正常運作中開(kāi)關(guān)時(shí)，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）。
當送入功率放大（PA）的電流增大（開(kāi)啟）或減?。P(guān)閉）時(shí)，從電壓控制震盪器（OSC）所看到的負載會(huì )隨之改變。這會(huì )在迴路試圖重新取得鎖住時(shí)，造成PLL短暫的開(kāi)鎖（unlock），并產(chǎn)生混附發(fā)射（spuriousemissions）或頻譜飛散。對于只在間隔時(shí)間內傳送一個(gè)單位的系統中，頻譜飛散會(huì )明顯增加落入臨近頻道的功率。
圖四加強說(shuō)明了頻譜飛散的問(wèn)題，其中黃色的軌跡線(xiàn)表示當PA以每次100ms的速度開(kāi)關(guān)，而頻譜分析儀維持在最大保持（maximumhold）設定時(shí)，ADF7020發(fā)射器的PA輸出頻譜?？梢院芮宄目闯鰜?lái)，有明顯的功率會(huì )落入載波（carrier）兩邊的頻道中。藍色的軌跡線(xiàn)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程度的下降。最新的EN300220法令中的規格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
[page]
量測程序要求發(fā)射器需要在最大輸出功率的情況下開(kāi)關(guān)5次，并分別量測落入載波兩側的第二階、第四階、及第十階頻道。
要確保能符合此規格的最簡(jiǎn)單方式，是將PA逐漸的從關(guān)拉到開(kāi)、或是從開(kāi)拉到關(guān)。這通常是利用微控制器以分階方式開(kāi)關(guān)PA來(lái)完成的。透過(guò)ADF7020發(fā)射接收器，可以將PA從關(guān)的狀態(tài)經(jīng)過(guò)最多63階的控制調整到+14dBm。另一個(gè)較快及較簡(jiǎn)單的方法，是使用具有自動(dòng)PA上下控制的傳送接收器。ADF7021便具有可編程的上下控制，讓使用者可以設定步階的數量及每一個(gè)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255個(gè)端點(diǎn)）為其基礎。
圖五．星狀網(wǎng)路拓樸
在協(xié)定的中心，為一無(wú)槽式（nonslotted）、非持續（nonpersistent）的＂載波感測多重存取-沖突防止＂（CSMA-CA），端點(diǎn)（EP）會(huì )在傳送前先聆聽(tīng)該頻道（LBT）以防止沖突。
此協(xié)定的＂無(wú)槽式＂觀(guān)念，讓EP們先執行lBT動(dòng)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(dòng)作。如果EP感測到該頻道正處于忙碌狀態(tài)，就會(huì )在執行下一個(gè)LBT之前等候（back-off）一不定時(shí)間。此等候動(dòng)作的發(fā)生次數是有限制的，因此此協(xié)定具有非持續的特性。在FHSS模式下，此協(xié)定會(huì )在每一個(gè)跳躍頻道上使用這個(gè)CSMA-CA系統，所以能滿(mǎn)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）參數具有相當高的設定彈性，因此能容許完整的裝置與系統評估。此外，ADI也提供相關(guān)原始碼，以簡(jiǎn)化系統開(kāi)發(fā)的步驟。此協(xié)定是隨ADF702x開(kāi)發(fā)套件（ADF70xxMB2）共同出貨，圖六所示為ADIismLINK的系統總覽。
圖六．ADIismLINK系統總覽
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)定加入了非常明細的要求。不論系統是使用單頻道協(xié)定、FHSS或DSSS，都有需要遵守的特定規定。此改變必然會(huì )讓協(xié)定設計復雜化，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(jiǎn)化針對多區域使用的協(xié)定設計。而善用如ADI所提供之開(kāi)發(fā)套件（內含協(xié)定范例），將能減輕短距無(wú)線(xiàn)網(wǎng)路設計之負擔。
