Austin Harney 和 Conor O'Mahony

短程設備（SRD）一詞旨在涵蓋提供單向或雙向通信且對其他無線電設備造成干擾的能力很小的無線電發射機。人們無法列出SRD的所有應用，因為它們提供了許多不同的服務。他們更受歡迎的應用包括：

家庭或其他樓宇自動化系統的遠程控制

無線傳感器系統

警報

汽車，包括遠程無鑰匙進入和遠程汽車啟動

無線語音和視頻

SRD無線系統的設計人員在選擇無線電的通信頻率時需要格外小心。在大多數情況下，選擇僅限于頻譜中允許免許可操作的部分，因為滿足某些使用規范和條件。表I列出了全球可用的頻段。

表 I. 全球 SRD 頻率分配

2.4 GHz頻段被希望構建可在全球范圍內運行的系統的設計人員廣泛使用。事實上，它已成為藍牙、WLAN 和 ZigBee 等標準的首選頻段。5.8 GHz頻段也引起了一些關注，例如無繩電話或802.11a版本的WLAN。

然而，對于需要更寬范圍和更低功率的系統，由于共存問題減少和傳輸范圍擴大，低于1 GHz頻段仍然引人注目，因為這兩者都會影響功耗 - 這是電池供電應用中的一個重要考慮因素。

低頻輻射器傳播范圍的改善可以通過弗里斯傳輸方程的簡化版本來顯示，該方程涉及接收天線中的可用功率，Pr，傳送到發射天線的功率，Pt:

該公式假設兩個天線都有單位增益。它表明，對于固定的發射功率，Pt，接收功率將隨距離的平方d和頻率的平方f而減小（或隨波長平方λ的增加而增加）。如果接收功率低于正確解調信號所需的最小功率（稱為靈敏度點），鏈路將發生故障。

低于 1 GHz 的全球頻率分配

表 II 給出了各種 sub-1 GHz 標準的更詳細描述。這不是一個詳盡的列表，但可以通過表中提供的鏈接找到更多詳細信息。

表二.一些常見的區域 SRD 頻段

433 MHz頻段是全球使用的一種選擇，日本需要稍作頻率修改（大多數現代頻率靈活的收發器都可以輕松處理，例如ADF7020（如下圖1所示）或ADF7021）。然而，可用的帶寬小于2 MHz，并且該頻段通常不允許語音，視頻，音頻和連續數據傳輸等應用，從而限制了其使用。因此，它更常用于無鑰匙進入系統和基本遙控。

圖1.ADF7020 SRD收發器的框圖

868 MHz（歐洲）和 902 MHz 至 928 MHz（美國）周圍的頻段更有用;它們不限制應用，并且允許更緊湊的天線實現。其他地區，如澳大利亞和加拿大，已經采用了這些規范的版本，從而使頻段成為多區域頻段，盡管不是完全全球化的。

然而，在最新的EN 300 220規范之前，美國和歐洲機構采取了截然不同的監管方法。美國采用跳頻方法，而歐洲則在ERC REC-70文件中描述的每個子頻段中應用占空比限制。這兩種實現都有助于最大限度地減少干擾，但為這兩個區域設計系統的制造商需要完全重寫系統通信協議中的媒體訪問層（MAC）。

幸運的是，最新的歐洲EN 300 220法規（將于2006年<>月發布）擴展了頻段，以允許跳頻擴頻（FHSS）或直接序列擴頻（DSSS）。這使得MAC實現更類似于為美國設計的MAC實現，但仍需要進行一些微調。以下各節介紹新規范的某些方面，涵蓋 SRD 系統設計人員需要考慮的領域。

跳頻系統

跳頻擴頻（FHSS）傳輸技術通過將頻譜劃分為多個通道，以偽隨機序列或“跳頻碼”在它們之間切換，從而在時域中傳播能量，接收器和發射器都知道。為了歡迎新節點加入網絡，控制器節點會定期發出信標信號，新節點可以同步到該信號。同步時間取決于信標間隔和跳頻通道數。美國和歐洲標準都規定了相似數量的跳頻通道，最大停留時間（在任何單跳期間在特定頻率上花費的時間）為 400 毫秒。

表III顯示了使用FHSS時歐洲擴展頻段（低于870 MHz）的信道數量、有效輻射功率（ERP）和占空比要求。與之前可用的 7 MHz 范圍相比，一旦滿足先聽后說 （LBT） 或占空比限制，可提供高達 2 MHz 的帶寬。

表三.歐洲渠道要求

先聽后說是一種“禮貌”通信協議，在開始傳輸之前掃描信道的活動。也稱為清晰信道評估（CCA），將其與跳頻一起使用的系統沒有占空比限制。

寬帶調制：DSSS

除FHSS外，歐洲新法規還涉及直接序列擴頻（DSSS）。在DSSS系統中，窄帶信號乘以高速偽隨機數（PRN）序列以產生擴頻信號。每個PRN脈沖稱為“芯片”，序列的速率稱為“芯片速率”。原始窄帶信號的傳播程度稱為處理增益;它是芯片速率（Rc）到窄帶數據符號速率。FHSS和DSSS的頻譜在圖2中進行了比較。

圖2.FHSS和DSSS的頻譜。

在接收器處，輸入的擴頻信號與相同的PRN碼相乘以去擴頻信號，從而提取原始窄帶信號。同時，接收器上的任何窄帶干擾源都會擴散，在解調器看來是寬帶噪聲。為系統中的每個用戶分配不同的PRN碼允許在同一頻段的用戶之間進行隔離。這稱為碼分多址 （CDMA）。

使用DSSS調制的系統的一些示例包括IEEE 802.15.4（WPAN），IEEE 802.11（WLAN）和GPS。DSSS的主要優點是：

抗干擾能力 – DSSS 抗干擾能力的本質是有用信號乘以 PRN 代碼兩次（擴增和去擴增），而任何干擾源僅乘以一次（擴增）。

低功率頻譜密度 – 對現有窄帶系統的干擾最小。

安全性 – 由于擴散/分散，非常抗干擾。

緩解多路徑效應

除DSSS或FHSS以外的寬帶調制。

歐洲新法規的一個有趣方面是，除了FHSS和DSSS之外，它們還提供了其他寬帶擴頻調制方案。FSK/GFSK（高斯頻移鍵控）調制，占用帶寬大于200 kHz，根據歐洲法規被視為寬帶調制。表IV突出顯示了適用于歐洲寬帶調制方案（包括DSSS）的主要規格：

表四.擴頻調制（FHSS）和寬帶調制的最大輻射功率密度、帶寬和占空比限制

利用FSK調制的寬帶標準的一個示例是ISM頻段收發器ADF7025。要在 865 MHz 至 870MHz 子頻段內工作，設計必須符合最大占用帶寬 （99%） 和最大功率密度限制。還規定了–36 dBm的通道邊沿（或頻段）最大功率限制。

如表V所示設置ADF7025時，滿足所有三個限值。圖3顯示占用帶寬為1.7569 MHz，峰值頻譜密度為–1.41 dBm/100 kHz。

圖3.ADF7025寬帶調制實驗結果：（a）FSK調制信號，99%占用帶寬測量，（b）放大視圖（a）測量最大功率譜密度。

表 V. ADF7025 寬帶參數

ADF7025采用寬帶調制，可實現高數據速率（本例中為384 kbps），允許在低于1 GHz的歐洲ISM頻段內傳輸音頻和中等質量視頻（每秒幾幀）。

美國法規（FCC 第 15.247 部分）的分配與歐洲類似，它規定了在 902 MHz 至 928 MHz、2400 MHz 至 2483.5 MHz 和 5725 MHz 至 5850 MHz 頻段運行的跳頻系統，同時還提供“數字調制”信號。這是一個松散的術語，涵蓋了擴頻（DSSS）和其他更簡單的調制形式（如FSK，GFSK），因此類似于歐洲法規中的“寬帶調制”規范。兩個主要要求是：

最小 6 dB 帶寬應至少為 500 kHz。

對于數字調制系統，在任何連續傳輸的時間間隔內，從有意輻射器傳導到天線的功率譜密度在任何 8 kHz 頻段中不得大于 3 dBm。

任何希望使用FHSS以外系統的人通常都必須將場強限制在50 mV/m（–1.5 dBm ERP）。但在“數字調制”的情況下，一旦達到最大功率譜密度限制，最大輸出功率為1 W。因此，使用FSK頻率偏差足夠寬的ADF7025，以確保6 dB帶寬大于500 kHz，允許使用1 W ERP。此外，由于信號帶寬較寬，可以實現更高的數據速率（ADF384的最大數據速率為7025 kbps）。

ADF7025的同通道抑制在同信道范圍內變化，范圍為–2 dB（最壞情況）至+24 dB，具體取決于干擾源的帶寬。這可以與市售的802.15.4 DSSS收發器進行比較，后者的同信道抑制為–4 dB，其中干擾信號是IEEE 802.15.4調制信號。

使用這些方法，類似的寬帶調制系統現在可以在美國和歐洲使用，從而簡化了面向全球市場的產品工程。ADF7025收發器架構適合在美國標準中定義的“數字調制”模式和新歐洲法規中定義的“寬帶調制”模式下工作。

瞬態功率要求

工程師還應該了解歐洲法規中的一項新規范，該規范對瞬態功率施加了限制，瞬態功率定義為在正常工作期間打開和關閉發射器時落入相鄰頻譜的功率。此限制已添加到最新法規中，以防止光譜飛濺。

當流向功率放大器 （PA） 的電流增加（打開）或減少（關閉）時，壓控振蕩器 （VCO） 看到的負載會發生變化，導致鎖相環 （PLL） 瞬間解鎖并產生雜散發射或頻譜飛濺，而環路則試圖重新獲取鎖。在單元僅間隔傳輸的系統中，飛濺可以顯著增加落入相鄰通道的功率。

圖4突出顯示了光譜飛濺的問題。黃色跡線表示當PA每7020 ms打開和關閉一次，而頻譜分析儀保持最大保持狀態時，ADF100發射器的PA輸出頻譜。很明顯，巨大的功率正在落入載波兩側的通道中。藍色跡線顯示PA輸出每64 ms以100步斜坡打開和關閉，并表示落入相鄰通道的功率大幅降低。最新的EN 8 5法規的規范300.220規定了落入這些相鄰通道的功率量的限制。

圖4.ADF7020輸出頻譜用于文中描述的測試。

測量過程要求變送器在最大輸出功率下打開和關閉五次;并測量落入載波兩側的第二、第四和第十通道的功率。

確保符合此規范的最簡單方法是使PA逐漸關閉或打開到關閉。這通常是通過使用微控制器分階段打開/關閉PA來實現的。使用ADF7020收發器，最多可以14步將PA從關斷步進至+63 dBm。一種更快、更簡單的方法是使用具有自動PA斜坡的收發器。ADF7021具有可編程斜坡，用戶可以設置每個步驟的步數和持續時間。

通信協議注意事項

ADI公司目前正在更新ADIismLINK（2.0版）協議軟件，該軟件可與任何ADF702x收發器配合使用。該協議旨在用于全球sub-1 GHz頻段，并納入了新的歐洲法規。它基于圖 255 所示的星型網絡（最多 5 個端點）。

圖5.星形網絡拓撲。

該協議的核心是一種具有避免沖突功能（CSMA-CA）的非時隙、非持久性載波檢測多址方案。端點 （EP） 在傳輸 （LBT） 之前偵聽信道，從而避免沖突。

該協議的非時隙方面意味著EP可以在獲得數據后立即傳輸，但首先執行先聽后說操作。此方法還可確保不需要同步。如果 EP 檢測到頻道繁忙，它會在執行另一個 LBT 之前隨機后退一段時間。這種退避發生的次數是有限的，因此協議的非持久性性質。在FHSS模式下，協議在每個跳頻通道上使用此CSMA-CA系統，從而滿足新歐洲法規的LBT要求。

ADIismLINK協議的物理層（PHY）和介質訪問層（MAC）參數是高度可配置的，因此可以對器件和系統進行全面的評估。還提供了源代碼，簡化了系統開發過程。該協議是ADF702x開發套件（ADF70xxMB2）的一部分。ADIismLINK的系統概述如圖6所示。有關這方面的更多信息，請訪問ADI網站。

圖6.ADIismLINK系統概述。

結論

新的歐洲法規對 863 MHz 至 870 MHz 頻段的無線協議提出了非常具體的要求。無論系統使用單通道協議、FHSS 還是 DSSS，都必須遵守特定的規則。這當然使協議設計復雜化。然而，這些新的ETSI法規的好處是它們在許多方面反映了FCC Part 15.247法規，從而簡化了用于多區域使用的協議的設計。此外，ADI公司的開發套件還包括協議示例，以簡化設計短程無線網絡所涉及的挑戰。

審核編輯：郭婷