利用免費的工業、科學、醫療(ISM)頻段，將有線介面無線化的這一波技術革命，使得現今經濟中無線產業的廣大市場備受矚目。無線醫療產業、自動讀表(AMR)及警衛保全(Alarm & Security)的市場總產值高達180億美元。
但在系統所使用的傳輸介面從有線轉變為無線後，工程人員在進行系統設計時的考量也須隨之轉變，因為以往有線系統的可靠性參數並不適用於無線系統上。無線系統的可靠性主要涉及三項參數：功耗、連線品質(Link Quality)及連線安全性(Link Security)。本文將探討這三項參數，以及可協助工程人員提升設計可靠性的多種技術。
降低負載/內建FIFO/輪詢設計三管齊下降低系統功耗
目前，終端客戶的滿意度絕大部分與功耗有關。低功耗能夠延長電池使用壽命，因此最終能夠降低系統成本。在無線電子式電表(E-meter)產業中，電池的平均使用壽命為20年，因此對工程人員而言，功耗確實是必須注意的一項關鍵參數，這與有線系統之中功耗無足輕重的情形完全不同，因為有線系統都是由固定電源供電。為了達成低功耗目標，設計人員可以採用以下三種技術，分別是降低負載週期、在收發兩端使用先入先出(FIFO)暫存器以及導入接收器輪詢(Polling)機制。
為了降低系統傳輸的負載週期，工程人員進行系統開發時，應盡可能壓縮系統的資料傳輸量需求，這樣方可將收發器的導通時間(On Time)減至最低。除了壓縮資料量外，還有一種可行的方法是使用高速資料傳輸。惟必須注意的是，提升無線傳輸介面資料傳輸率的代價，往往是其訊號的可涵蓋範圍變小。其主要成因在於每一個位元分配到的能量減少，使解調變任務變得較為困難；且接收濾波器的頻寬必須較大，因此會產生較多雜訊。
在收發兩端均使用FIFO暫存器方面，目前市場上已有將此一功能整合到收發器晶片中的解決方案。這類內建FIFO的收發器可以支援突波模式(Burst Mode)傳輸，有助於降低整體功耗。如果以100kbit/s的無線資料速率傳輸10kbit大小的資料，收發器的功耗在整體功耗中所占的比例會比以10kbit/s的速度傳輸時減少大約十分之一左右。但必須注意的是，這種作法和提升無線資料速率的方法一樣，必須付出靈敏度降低的代價。
接收器輪詢是實現超長電池壽命的系統設計不可或缺的機制。在此一機制下，接收器在絕大多數的時間中都將處於休眠模式，只會在特定時間被喚醒，以查看是否有任何待處理的資料封包。縮短喚醒時間可使平均電流消耗量降至最低，因此輪詢機制所能帶來的功耗降低效益，與系統的設計有密切關聯。圖1是以德州儀器(TI)的高整合度多通道射頻收發器所建立的接收器輪詢範例，讀者可特別注意電流消耗的時間分布狀況。這項透過程式設計來定義喚醒、接收及休眠時間的技術，能大幅延長系統電池的使用壽命。
 |
| 圖1 接收器輪詢的電流消耗時間分布 |
展頻技術有助提升連線品質
無線系統的連線品質主要由三項關鍵因素決定，分別是發送器的輸出功率、接收器的靈敏度及傳播環境。最後一項也包括干擾的程度，這項因素對採用2.4GHz頻段進行通訊的系統尤其重要。輸出功率及靈敏度是設計工程人員可控制的兩項參數，若工程人員在系統設計中納入外部放大器及低雜訊放大器，除有助於改善這些參數，且最終能縮減連線預算。
但對連線品質而言，影響最大的傳播環境卻是較以難掌握的變項，尤其當許多干擾源的干擾性越來越強時。對許多使用2.4GHz頻帶的應用，如藍牙(Bluetooth)、無線區域網路(Wi-Fi)、ZigBee、802.15.4及微波爐等而言，頻帶的設計是相當嚴峻的難題，因為設計必須相當穩定，足以阻擋外部訊號的干擾。為協助阻擋這類干擾，業界廣泛採用展頻時脈調變(Spread Spectrum Modulation)技術，而且成效相當良好。
展頻技術的實作方式相當多樣，但整體來說都是將能量分配在多個頻率頻帶(Frequency Band)通道，藉此降低輸出及功率譜密度(Power Spectral Density)，而且有助於限制頻帶中對其他使用者的干擾。美國聯邦通訊委員會(FCC)允許無線系統採用展頻技術來增加輸出功率，因此業界目前已發展出跳頻展頻(FHSS)與直接序列展頻(DSSS)兩大類主流展頻技術。
在跳頻展頻系統中，無線電收發器在傳輸訊號時，可以在一組預定的頻率上進行重複跳躍，或以虛擬隨機的方式(Pseudorandom)跳躍。如圖2所示，此一技術可降低平均功率譜密度。FHSS也可用於防制竊聽的軍事用途。
 |
| 圖2 跳頻展頻技術 |
直接序列展頻的作法則如圖3所示。DSSS是透過訊號的快速相位截斷(Phase-chopping)來傳送能量，因此各位元是以使用展頻碼的多個位元表示。
 |
| 圖3 直接序列展頻技術 |
事實上，跳頻系統還衍生出一種稱為快速頻率切換(Frequency Agility)的技術。如圖4所示，快速頻率切換可被視為一種遲緩且被動反應式的跳頻系統。當連線效能降低，而且測得的封包錯誤率(PER)超過預定的臨界值時，收發器才會採用其他無線電波頻率進行通訊。
 |
| 圖4 快速頻率切換技術 |
設計人員必須注意的是，對於FHSS及快速頻率切換技術而言，鎖相迴路(PLL)的鎖定時間(Lock Time)相當重要，因為系統必須在即短的時間內跳至下一個頻率。
除了展頻調變技術外，導入前向糾錯(FEC)也是有助於維持無線連結品質的技術。此一方法有助於降低封包內位元錯誤(Bit Error)的影響。也由於這項技術的出現，使得位元錯誤不一定會導致封包錯誤的結果。
反竊聽/反攻擊為連線安全設計重點
一般而言，無線連結安全性最重要的兩個層面是防制竊聽及防範攻擊者將自己的封包插入連結中。為滿足系統安全性的需求，設計人員可運用進階加密標準(AES)及非對稱式加密(Asymmetric Cryptography)兩項技術。
AES演算法可使用128、192或256位元三種不同加密金鑰中的其中一種。每一種加密金鑰大小都會使得演算法的運作方式略微不同。因此，增加金鑰大小不僅可提供資料編碼的大量位元，亦會提高加密演算法的複雜度。非對稱式加密則能夠進一步將金鑰加密，但須占用更多處理器資源，因此，非對稱式加密通常只用於金鑰本身也有加密需求的設計案例中。
功耗/連線品質/安全性考量應面面俱到
本文探討穩定射頻產品的主要設計考量，而功耗、連線品質及連線安全性則是決定無線產品穩定性的主要參數，因此，若工程人員想設計出穩定的系統，這三項參數的重要性遠高於其他任何考量。若不考量這三項參數，不僅會影響通訊穩定性，更會連帶影響產品的聲譽。設計人員在進行相關設計時宜謹慎評估。
(本文作者為德州儀器低功耗射頻業務開發經理)