1GHz以下全球免許可頻段短距離無(wú)線(xiàn)系統的設計考慮

低頻發(fā)射機傳輸距離的增加可以通過(guò)簡(jiǎn)化的Friis 傳輸方程來(lái)表示，該方程給出了接收天線(xiàn)上的功率Pr與輸送給發(fā)射天線(xiàn)的功率Pt之間的關(guān)系。

這里假設兩條天線(xiàn)都具有單位增益。這個(gè)方程顯示，對于固定的發(fā)射功率Pt來(lái)說(shuō)，接收到的功率將隨距離d的平方以及頻率f的平方而降低(或隨著(zhù)波長(cháng)λ的平方而增加)。如果接收到的功率低于對信號正確解調所需的最小功率(稱(chēng)為靈敏度)，該鏈路就會(huì )被中斷。
全球范圍內1GHz以下頻率的分配
表2對1GHz以下的短距離無(wú)線(xiàn)設備的通訊頻率標準進(jìn)行更詳細的描述。這里沒(méi)有羅列出全部的標準，更多細節請查看相關(guān)鏈接。

433MHz頻段是能在全球范圍內使用的頻率之一。在日本，需要對頻率作少許調整，大多數頻率調諧靈活的收發(fā)器能夠輕松處理這一問(wèn)題，如圖1所示的ADF7020，或ADF7021)。不過(guò)，433MHz頻段的可用帶寬不到2MHz，且通常不能用作語(yǔ)音、視頻、音頻和連續數據的傳輸，因此常被用于如無(wú)鑰匙門(mén)鎖系統和基本的遠程控制等應用。

圖1：短距離無(wú)線(xiàn)設備收發(fā)器ADF7020的結構框圖

868MHz(歐洲)及902~928MHz(美國)頻段非常有用，它們沒(méi)有限制應用，且允許采用更緊湊的天線(xiàn)方案。其它地區(如澳大利亞和加拿大)已經(jīng)采用了符合這些規范的版本。雖然還未實(shí)現全球化通用，但這些頻段可以在多個(gè)地區使用。
不過(guò)，在最新的EN300 220規范出現以前，美國和歐洲采取了迥然不同的方案。美國采用跳頻的方法，而歐洲則對每個(gè)子頻段的占空比進(jìn)行了限制，正如ERC REC-70文件中所描述的那樣。這兩種方案在減少干擾方面都很有成效，但對于系統制造商來(lái)說(shuō)，如果設計要同時(shí)針對兩個(gè)地區的產(chǎn)品，那么他們就必須完全重寫(xiě)系統通信協(xié)議中的媒體訪(fǎng)問(wèn)層(MAC)。

幸運的是，歐洲EN 300 220規范擴展了頻帶并允許跳頻擴頻(FHSS)或直接序列擴頻(DSSS))，這使得MAC實(shí)現更接近美國的設計方案，雖然還需要一定的微調。下面將描述這一新規范的相關(guān)方面，涵蓋了短距離無(wú)線(xiàn)設備系統設計者需要考慮的問(wèn)題。
跳頻系統
跳頻擴頻(FHSS)發(fā)射技術(shù)通過(guò)將頻譜劃分為多個(gè)信道，并以接收機和發(fā)射機都認可的偽隨機序列(或稱(chēng)為“跳頻碼”)在這些信道之間進(jìn)行切換，在時(shí)域中將能量擴展開(kāi)來(lái)。為便于新的節點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò )，控制器節點(diǎn)周期性地發(fā)送信標信號，使新加入的節點(diǎn)能與其同步。所需的同步時(shí)間取決于信標的發(fā)射間隔以及跳頻信道的數量。美國和歐洲標準規定的跳頻信道數量較為接近，最大駐留時(shí)間(即在單次跳頻期間停留在特定頻率上的時(shí)間)為400ms。
表3給出了采用FHSS技術(shù)時(shí)歐洲標準的擴展頻段(低于870MHz)所需的信道數量、有效輻射功率(ERP)和占空比。當滿(mǎn)足先聽(tīng)后說(shuō)(LBT)或占空比限制時(shí)，帶寬均可高達7MHz，而在以往只能獲得2MHz的帶寬范圍。
先聽(tīng)后說(shuō)是一種“有禮貌”的通信協(xié)議，在啟動(dòng)發(fā)送之前會(huì )先掃描信道上的活動(dòng)，也被稱(chēng)為空閑信道評估(CCA)，采用該協(xié)議的跳頻系統不受占空比的限制。
除了FHSS，直接序列擴頻(DSSS)也在新的歐洲規范中得到采用。在DSSS系統中，窄帶信號與高速偽隨機數(PRN)序列相乘，得到擴頻信號。每個(gè)PRN脈沖被稱(chēng)為一個(gè)“碼片”，序列的速率被稱(chēng)為“碼片速率(chip rate)”。初始的窄帶信號被擴展的程度被稱(chēng)為處理增益，等于碼片速率(Rc)與窄帶數據符號速率之間的比。圖2對FHSS和DSSS的頻譜進(jìn)行了比較。

寬帶調制：DSSS
在接收機，接收到的擴頻信號與相同的PRN碼相乘，以對信號進(jìn)行解擴頻，從而提取出初始的窄帶信號。同時(shí)，接收機端的任何窄帶干擾信號會(huì )被擴展，并以寬帶噪聲的形式出現在解調器上。系統中的每個(gè)用戶(hù)分配有不同的PRN碼，從而在相同的頻帶中實(shí)現用戶(hù)隔離。這種方法被稱(chēng)為碼分多址(CDMA)。

圖2：FHSS和DSSS的頻譜對比圖

一些使用DSSS調制技術(shù)的系統實(shí)例包括IEEE 802.15.4(WPAN)、IEEE 802.11(WLAN)以及GPS系統。DSSS的主要優(yōu)勢包括：
1. 抗干―DSSS抗干擾能力的基本原理是將有用信號與PRN碼相乘兩次(擴頻和解擴頻)，而任何干擾信號只相乘一次(擴頻)；
2. 低功率譜密度―在現有的窄帶系統引入的干擾最??；
3. 安全性―由于實(shí)現了擴頻/解擴頻，所以對干擾有很強的抵御能力；
4. 緩解多徑效應。
DSSS或FHSS之外的寬帶調制方法
除FHSS和DSSS寬帶擴頻調制方法外，歐洲規范還支持帶寬大于200kHz的FSK/GFSK(高斯頻移鍵控)調制技術(shù)。表4給出了適用于歐洲寬帶調制方案(包括DSSS)的主要規范。

ADF7025 ISM頻段收發(fā)器是支持采用FSK調制寬帶標準的器件。為了能在865~870MHz子頻段內工作，器件設計必須滿(mǎn)足最大占用帶寬(99％)和最大功率密度的限制以及信道(或頻段)邊沿的最大功率為-36dBm的限制。如果按照表4中的參數對ADF7025進(jìn)行設置，器件可以滿(mǎn)足這三個(gè)限制條件。圖3是ADF7025的寬帶調制試驗結果，其占用帶寬為1.7569MHz，峰值頻譜密度為-1.41dBm/100kHz。

圖3：ADF7025的寬帶調制試驗結果：(a)FSK調制信號，99％占用帶寬，(b)將(a)圖進(jìn)行放大，以測量最大功率譜密度。

ADF7025采用寬帶調制方式，可以實(shí)現很高的數據速率(在這種情況下為384kbps)，從而能夠在1GHz以下的歐洲ISM頻段中傳輸音頻和中等品質(zhì)的視頻(每秒數幀)。

美國規范(FCC Part 15.247)具有與歐洲規范類(lèi)似的頻率分配方式，它規定了工作在902~928MHz、2,400~2,483.5MHz以及5,725~5,850MHz頻段的跳頻系統，同時(shí)還規定了“數字化調制”信號。這個(gè)寬松的規范涵蓋了擴頻(DSSS)和其它更簡(jiǎn)單的調制形式(如FSK和GFSK)，因此它類(lèi)似于歐洲規范中的“寬帶調制”。該規范的兩個(gè)主要要求為：
1. 最小6dB帶寬至少為500kHz；
2. 對于數字調制系統，在任意連續發(fā)射間隔期間的任意3kHz帶寬內，從發(fā)射端到天線(xiàn)傳導的功率譜密度不大于8dBm。
任何希望采用非FHSS系統的人通常都必須將輻射場(chǎng)強限制在50mV/m(-1.5dBm
ERP)內，但在“數字調制”的場(chǎng)合中，只要能滿(mǎn)足最大功率譜密度限制，則最大輸出功率為1W。因此，當使用ADF7025時(shí)，由于其FSK頻率偏差的寬度足以確保6dB帶寬大于500kHz，所以允許1W的 ERP。此外，由于信號帶寬較寬，系統也能實(shí)現更高的數據速率(對ADF7025而言，最高可達384kbps)。
ADF7025的同信道抑制在同信道中的變化范圍是-2dB(最差)到＋24dB之間，具體取決于干擾源的帶寬。這可以與同信道抑制為-4dB的商用802.15.4 DSSS收發(fā)器相媲美，后者采用的人為干擾信號為IEEE 802.15.4調制信號。
采用這些方法后，美國和歐洲就可以使用相似的寬帶調制系統，從而簡(jiǎn)化面向全球市場(chǎng)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。ADF7025收發(fā)器架構既能工作在美國標準定義的“數字調制”模式，又工作在歐洲規范定義的“寬帶調制”模式。

瞬態(tài)功率要求
設計工程師應該了解歐洲規范中的一項新的技術(shù)指標要求，即對瞬態(tài)功率的限制。瞬態(tài)功率被定義為當發(fā)射機在正常工作期間開(kāi)啟和關(guān)斷時(shí)落到鄰近頻譜中的功率。最新的規范加入了這一限制條件，以防止頻譜散射。
隨著(zhù)輸送到功率放大器的電流的增大或減小，從壓控振蕩器(VCO)端所看到的負載也在發(fā)生變化，這使得鎖相環(huán)(PLL)在瞬間發(fā)生失鎖，并在環(huán)路試圖重新恢復鎖定狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生雜散輻射或頻譜散射。在那些僅斷續發(fā)射的系統中，頻譜散散會(huì )導致落入鄰近信道中的功率顯著(zhù)增加。
圖4顯示了頻譜散射問(wèn)題。綠線(xiàn)代表ADF7020發(fā)射機的PA每隔100ms開(kāi)啟、關(guān)斷一次時(shí)的PA輸出頻譜，很顯然有較大的功率落入了載波兩側的信道中，測試時(shí)頻譜分析儀維持在最大保持狀態(tài)。紅線(xiàn)代表PA輸出在每個(gè)100ms以63步進(jìn)逐步上升和下降時(shí)的輸出，由此可見(jiàn)落入鄰近信道的功率顯著(zhù)下降。EN 300 220規范中的Specification 8.5對落入這些鄰近信道的功率進(jìn)行了限制。

圖4：ADF7020輸出頻譜的測試曲線(xiàn)

測試流程要求發(fā)射機在最大輸出功率條件下開(kāi)啟和關(guān)斷5次，并測量落入載波任意一側的第二、第四和第十信道的功率。
為確保滿(mǎn)足這個(gè)規范，最簡(jiǎn)單的方法是讓PA從關(guān)斷狀態(tài)逐漸轉換到開(kāi)啟狀態(tài)，或從開(kāi)啟狀態(tài)逐漸轉換到關(guān)斷狀態(tài)，這通?？梢岳梦⒖刂破鞣蛛A段地開(kāi)/關(guān)PA來(lái)實(shí)現。通過(guò)采用ADF7020收發(fā)器，可以讓PA以最多63步階從關(guān)斷調節到輸出＋14dBm。一個(gè)更快和更簡(jiǎn)單的方法是使用具有自動(dòng)PA功率斜坡控制的收發(fā)器，比如ADF7021具有可編程功率斜坡控制功能，用戶(hù)可以設置步進(jìn)數量和每次步進(jìn)的持續時(shí)間。

圖5：星形網(wǎng)絡(luò )拓撲

通信協(xié)議考慮
ADI公司的ADIsimLINK協(xié)議軟件可用于任意的ADF702x收發(fā)器。這個(gè)計劃用于全球1GHz以下頻段的協(xié)議融入了新的歐洲規范，基于如圖5所示的星形網(wǎng)絡(luò )(多達255個(gè)端點(diǎn))。
該協(xié)議的核心是一個(gè)無(wú)間隙(nonslotted)、非持續、防碰撞的載波偵聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)/沖突避免(CSMA/CA)方案，其端點(diǎn)(EP)可在發(fā)射前對信道進(jìn)行監聽(tīng)(LBT)，以避免碰撞。
協(xié)議中的無(wú)間隙特性意味著(zhù)端點(diǎn)可以在擁有數據后立即發(fā)送，因此要先執行“先聽(tīng)后說(shuō)”的操作。這一方法也可以確保無(wú)需同步。如果端點(diǎn)檢測到信道正處于忙碌狀態(tài)，它就會(huì )在執行下一次LBT之前等待一段長(cháng)度隨機的時(shí)間。等待的次數是有限的，因此協(xié)議還具有非持續特性。在FHSS模式下，協(xié)議在每個(gè)跳頻信道上都使用了這種CSMA/CA系統，因此能滿(mǎn)足新歐洲規范的LBT需求。
ADIismLINK協(xié)議的物理層(PHY)和媒體訪(fǎng)問(wèn)層(MAC)參數具有很高的可配置性，這允許對器件和系統進(jìn)行充分的評估。ADI同時(shí)還提供源代碼以簡(jiǎn)化系統開(kāi)發(fā)流程。該協(xié)議作為ADF702x開(kāi)發(fā)套件(ADF70xxMB2)的一部分進(jìn)行提供，圖6是ADIismLINK的系統總體結構。

圖6：ADIismLINK系統的總體結構框圖

本文小結
新的歐洲規范對863~870MHz頻段的無(wú)線(xiàn)傳輸協(xié)議提出了非常具體的要求。無(wú)論系統是使用單信道協(xié)議，還是使用FHSS或者DSSS，都必須遵守特定規則，這使得協(xié)議設計變得更復雜。但是，這些新規范的優(yōu)點(diǎn)在于它們在很多方面類(lèi)似FCC Part 15 247規范，能簡(jiǎn)化針對多地區應用的協(xié)議設計。ADI公司的開(kāi)發(fā)套件包括了各種協(xié)議范例，能夠緩解短距離無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的設計挑戰。