新版歐盟頻譜規範向北美看齊　短距無線通訊發展添利多

在選擇無線通訊頻率時，SRD無線系統的設計者必須非常小心。在大多數情況下，可選擇的範圍局限於在滿足特定的規範和使用條件的前提下可免授權使用的頻段(表1)。

表1　全球SRD可用頻率分配
全球頻率分配	說明
13.56MHz	用於近場通訊
40MHz	不常用，可用於長距離通訊
433MHz	美國使用，須降低功率
2.4GHz	全球通用的頻段
5.8GHz	些系統從2.4GHz轉向使用5.8GHz
多個地區中的頻率分配	說明
868MHz/915MHz	可用於歐洲/美國/加拿大/澳大利亞/紐西蘭

1GHz以下頻段別有應用天地  

在設計全球通用系統時，設計者通常選用2.4GHz 頻段。事實上，它已經成為藍牙(Bluetooth)、無線區域網路(WLAN)和ZigBee等標準首選的工作頻段。而在無線電話或802.11a版本的WLAN應用中，有些系統也採用5.8GHz頻段。  

對必須具備較長傳輸距離和功耗更低的系統來說，1GHz以下的頻段由於其共存問題較輕和傳輸距離長而受人關注，因為這兩個因素都會影響功耗，而功耗是電池供電的應用系統中一個重要的考慮因素。  

低頻發射器傳播範圍的提升，可以由簡化版的佛林斯傳輸公式(Friis Transmission Formula)來表示。根據該公式，接收天線上的功率P_r與傳送給發射天線的功率P_t之間的關係如下：

該公式假設兩條天線都為單位增益。它表示，對於固定的發射功率P_t來說，接收到的功率將隨著距離d的平方以及頻率f的平方而降低(或隨著波長λ的平方而增加)。如果接收到的功率低於對正確解調所需的最小功率(稱為靈敏度點)，該鏈路就會被中斷。  

表2對1GHz以下的可用頻段做更為詳細的描述。從表中即可得知433MHz頻段也是全球通用的選項之一，只有在日本必須對頻率作少許調整，但這對目前市面上大多數的收發器而言都不成問題，如ADF7020(圖1)。值得注意的是，由於該頻段的可用頻寬不到2MHz，且通常無法實現語音、視訊、音訊和連續資料傳輸等應用，因此常被用於如無鑰匙門鎖系統和基本遠端控制等應用。

表2　一些常用區域性SRD頻段
地區	相關標準	頻段(MHz)
歐洲	ERC REC 70-03 EN 300 220 (2000年9月) EN 300 220(2006年2月)	433.0～434.79 868.0～870 863.0～870
美國	FCC Title 47 　Part 15.231 　Part 15.247	260 ～ 470 902 ～ 928
加拿大	RSS-210	260 ～ 470 902 ～928
日本	ARIB STD-T67	426.0375～426.1125 429.175～429.7375
中國	中華人民共和國無線電管理條例	315.0～316.0 430.0～432.0
澳洲	AS/NZS 4268:2003	433.05～434.79 915～928

圖1　ADF7020 SRD收發器方塊圖

相較之下，868MHz(歐洲)及902M～928MHz(美國)頻段的用處則較為廣泛，因為這些頻段沒有應用限制，且系統設計可採用更緊湊的天線方案。目前澳洲和加拿大等地也已開放這些頻段作為免授權頻段，因此雖然還未達成全球通用的理想，但這些頻段已可在多個地區使用。  

不過，在最新的EN300 220規範出現以前，由於美國和歐洲的法規限制極為不同，因此對系統製造商來說，必須針對兩個地區的不同規定要求，對系統通訊協定中的媒體存取層(MAC)進行徹底改寫。  

根據法令規定，美國採用跳頻技術，而歐洲則對每個子頻段的工作週期進行限制，如ERC REC－70文件所述。幸運的是，自從2006年2月歐洲發布EN300_220規範後，由於可用頻帶擴展，設計者可採用跳頻展頻(FHSS)或直接序列展頻(DSSS)技術，使得MAC實現更接近於美國的設計方案，廠商只須對系統進行微調即可出貨給兩個不同的主要市場。  

歐洲採用寬頻調變露曙光  

FHSS發射技術透過將頻譜畫分成多個通道，並根據接收機和發射器都了解的偽隨機序列(PRN)或稱為「跳頻碼」在這些通道之間進行切換，在時域中擴展能量。為了更易於加入新的網路節點，控制器節點周期性地發送指標(Beacon)訊號，使新加入的節點能夠與其同步。至於同步時間的長短則取決於指標訊號的發射間隔以及跳頻通道的數量。美國和歐洲的標準中規定的跳頻通道數量較為接近，而最大駐留時間(即任意單次跳頻期間在特定頻率上所花費的時間)為400毫秒。  

表3所示的是採用FHSS時，歐洲的擴展頻段(低於870MHz)所需的通道數量、有效輻射功率(ERP)和工作週期。當滿足先聽後說(LBT)或工作週期限制時，通訊頻寬可提升到7MHz(以往頻寬範圍僅2MHz)。

表3　歐洲的通道要求
子頻段	跳頻通道的數量	功率/磁場	其他要求
865Hz～868MHz	≧60	≦25 mV ERP	LBT或 <1% Tx工作週期
863Hz～870MHz	≧40	≦25 mV ERP	LBT者 <0.1% Tx工作週期

先聽後說是一種「有禮貌」的通訊協定，在啟動發送之前會先掃描通道上的活動，也被稱為閒置通道評估(CCA)。根據歐洲法令規定，若跳頻系統採用此協定，就可不受工作週期限制。  

除了FHSS之外，DSSS也在新的歐洲規範中得到了實現。在DSSS系統中，由窄頻訊號乘以高速偽隨機碼序列產生展頻訊號。每個PRN脈衝被稱為一個「碼片」，序列的速率被稱為「碼片率(Chip Rate)」。初始窄頻訊號被擴展的程度被稱為處理增益，它是碼片率(Rc)與窄頻資料符號率之間的比值。圖2是FHSS和DSSS頻譜使用狀況的比較。

圖2　FHSS和DSSS頻譜

在接收機端，輸入的展頻訊號與相同的PRN碼相乘，以實現訊號的解展頻，從而提取出初始的窄頻訊號。同時，接收機端的任何窄頻干擾訊號會被擴展，並以寬頻雜訊的形式出現在解調器上。系統中的每個用戶分配到不同的PRN碼，這在相同的頻帶中實現了用戶之間的隔離。該方法被稱為分碼多重存取(CDMA)。  

一些使用DSSS調變的系統實例包括IEEE 802.15.4無線個人區域網路(WPAN)，IEEE 802.11(WLAN)，以及全球衛星定位系統(GPS)系統。DSSS具備抗干擾、低功率譜密度、安全、多重路徑效應影響較低等優勢，因為在DSSS系統中，有用的訊號會在展頻和解展頻時與PRN相乘兩次，但其他干擾訊號只在展頻時與PRN碼相乘一次。因此DSSS系統具備較佳的抗干擾性；也因為其抗干擾性佳，當系統遇到人為干擾(Jamming)時，可以有更高的安全性。  

新的歐洲規範中，除FHSS和DSSS之外，還可採用頻寬大於200kHz的頻移鍵控(FSK)/高斯頻移鍵控(GFSK)調變法。  

表4所示的是適用於歐洲寬頻調變方案(包括DSSS)的主要規範。目前有許多工業/科學/醫療(ISM)頻段收發器元件，已經開始支援利用FSK調變來進行寬頻調變的功能，如亞德諾(ADI)的ADF7025。為了能在865M～870MHz子頻段內工作，元件設計必須符合最大占用頻寬(99%)和最大功率密度的限制，且在通道(或頻段)邊緣的最大功率不得大於-36dBm。

表4　各種展頻調變(除FHSS外)和寬頻調變方法的最大輻射功率密度、頻寬和工作週期限制
子頻段	占用的頻寬(99%)	最大輻射功率密度ERP	要求
865Hz～868 MHz	0.6MHz	6.2dBm/100kHz	1% Tx 工作週期
865 Hz～870 MHz	3.0MHz	-0.8dBm/100kHz	0.1% Tx 工作週期
863 Hz～870 MHz	7.0MHz	-4.5dBm/100kHz	0.1% Tx 工作週期

如果按照表5中的參數對ADF7025進行設置，元件就可以滿足所有的三個限制條件。圖3占用頻寬為1.7569MHz，峰值頻譜密度為-1.41dBm/ 100kHz。

表5　ADF7025的寬頻參數
頻率	867.5 MHz
調變方式	FSK
頻率偏差	±250kHz
資料速率	384kbps

圖3　對ADF7025進行寬頻調變試驗的結果：左為FSK調變訊號，99%占用頻寬測量所得的波形，右圖則將左圖進行放大，以測量最大功率譜密度。

ADF7025採用寬頻調變方式，可以實現很高的資料速率(如以表5配置，資料速率可達384Kbit/s)，從而容許在1GHz以下的歐洲ISM頻段中傳輸音訊和中等品質的視訊(每秒約可傳輸數個影格)。  

歐美法規異中求同　產業難題有解  

美國規範(FCC Part 15.247)具有與歐洲規範類似的分配方式，規定可工作在902M～928MHz、2,400M～2,483.5MHz以及5,725M~5,850MHz頻段的跳頻系統，同時還對數位化調變訊號進行規範。這是一個寬鬆的條款，DSSS和其他更簡單的調變形式如FSK、GFSK，因此這個規範類似於歐洲規範中的寬頻調變。該規範的主要要求有二，一是最小6dB頻寬至少須達到500kHz；二是數位調變系統在任意連續發射間隔期間的任意3kHz頻寬內，從發射端到天線傳導的功率譜密度(Power Spectral Density, PSD)不能大於8dBm。  

任何希望採用非FHSS系統的設計通常都必須將場強度限制在50mV/m(-1.5dBm ERP)。但在數位調變的場合中，若要滿足最高功率譜密度極限，則最大輸出功率為1瓦。因此，採用ADF7025時，由於其FSK頻率偏差的寬度足以確保6dB頻寬大於500kHz，因此可允許1瓦的ERP。此外，由於訊號頻寬較寬，也有可能實現更高的資料速率。  

ADF7025的同頻道拒斥在共通道中的變化範圍是-2(最差)～24dB，具體數字則取決於干擾源的頻寬。這可與同頻道拒斥為-4dB的商用802.15.4 DSSS收發器相媲美，後者採用的干擾訊號為IEEE 802.15.4調變訊號。  

採用這些方法後，美國和歐洲就可以使用相似的寬頻調變系統，簡化針對全球市場開發產品的工程。ADF7025收發器架構既能夠以美國標準中所定義的數位調變模式工作，又能夠以新的歐洲規範中所定義的寬頻調變模式工作。  

歐洲重視頻譜擴散議題　勿讓暫態功率成設計盲點  

雖然新版歐洲規範大幅縮小了歐美法規間的差異，但新規範也對一項新的技術指標，亦即暫態功率(Transient Power)提出限制，工程師必須密切注意。暫態功率被定義為當發射器在正常工作期間開啟和關斷時落入鄰近頻譜的功率。最新的規範中之所以加入這一限制條件，是為防止頻譜擴散(Spectral Splatter)。  

隨著輸送到功率放大器(PA)的電流的增大(開啟)或減小(關斷)，從壓控振盪器(VCO)端所看到的負載也在發生變化，這使得鎖相迴路(PLL)在瞬間失鎖，並在迴路試圖重新恢復鎖定狀態時產生雜散輻射，或稱為頻譜擴散。在那些僅斷斷續續地發射訊號的系統中，頻譜擴散會導致落入鄰近通道中的功率顯著增加。  

圖4顯示頻譜擴散問題。上方線條顯示當ADF7020發射器的PA每隔100毫秒開關一次時，PA的輸出頻譜。測試時頻譜分析儀維持在最大保持狀態。從圖中可知，有許多能量落入載波兩側的通道中。下方線條則表示PA輸出每隔100毫秒以六十四步進升降時的PA輸出，可以看出，落入鄰近通道的功率顯著下降。

圖4　ADF7020輸出頻譜

最新的EN300_220規範中的8.5版規格書針對落入這些鄰近通道的功率進行了限制。測試流程要求，發射器須在最大輸出功率條件下開關五次，並測量落入載波任意一側的第二、第四和第十通道的功率。  

要確保滿足這一規格，最簡單的方法是讓PA從關斷狀態漸變到開啟狀態，或從開啟狀態漸變到關斷狀態。這通常利用微控制器分階段地開/關PA而實現。經由採用ADF7020收發器，可以讓PA最大以六十三步進從關斷調整到14dBm。  

一個更快速簡單的方法是使用具有自動PA斜率控制的收發器。ADF7021具有可編程的斜率控制功能，用戶可以設置步進數量和每次步進的持續時間。  

政策變化帶來新機會與挑戰  

新的歐洲規範對863M～870MHz頻段的無線傳輸協定提出非常具體的要求。無論系統使用單通道協定、FHSS或者DSSS，都必須遵守具體的規則。這使得協定設計變得更複雜。但由於這些新的ETSI規範在很多方面反映美國FCC Part15_247規範，因此從更宏觀的角度來看，以往必須針對不同地區進行客製化的協定設計的現象已獲得紓解。  

(本文作者任職於亞德諾)