無(wú)線設(shè)備的連接穩(wěn)定度已成為備受關(guān)注的議題，尤其在無(wú)線傳輸系統(tǒng)的重要性日益增加的情況下，移動(dòng)與靜態(tài)接收的穩(wěn)定性更是性能判斷的重要指標(biāo)。為改善無(wú)線信道的多重路徑衰弱影響，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)中采用靈活的回避技巧，將可有效克服此缺陷。

本文主要介紹如何在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境或稱為無(wú)線頻道中，擴(kuò)大低功率射頻(RF)系統(tǒng)的涵蓋范圍，其中使用室內(nèi)及室外無(wú)線頻道的實(shí)際測(cè)量，并探討能夠與低功率無(wú)線設(shè)備持續(xù)保持穩(wěn)定通信的技術(shù)。

分集使用須考慮移動(dòng)傳輸與靜態(tài)位置

了解現(xiàn)有的全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM)、歐規(guī)數(shù)字無(wú)線電話機(jī)技術(shù)(DECT)、無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)(Wi-Fi)及藍(lán)牙(Bluetooth)等無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)后，便可得知現(xiàn)今的無(wú)線傳輸系統(tǒng)，或多或少均于產(chǎn)品中使用分集技術(shù)(Diversity Techniques)(圖1)。任何技術(shù)都會(huì)因?yàn)闄C(jī)型和使用做法的不同而出現(xiàn)缺點(diǎn)。選擇分集做法時(shí)，有兩點(diǎn)必須考慮。首先是傳輸?shù)臄?shù)據(jù)屬于何種類型，其一是嚴(yán)格實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)，例如傳輸音頻與視頻傳輸，另外是非嚴(yán)格實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)，例如溫度測(cè)量；再者須考慮使用的無(wú)線通道屬于何種類型，其一為移動(dòng)的傳輸或接收位置，另一為靜態(tài)或固定位置。

圖1 多重接收器組成的分集系統(tǒng)

分集做法很多種類，以下將羅列最常見(jiàn)的做法，以顯示其中優(yōu)缺點(diǎn)。每一做法均會(huì)造成系統(tǒng)成本增加，此是因?yàn)樾枰~外硬件或因軟件復(fù)雜度增加，另外，信息的重復(fù)性也會(huì)降低系統(tǒng)容量。

在空間與極化分集中，優(yōu)點(diǎn)為可維持完整的系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率，因?yàn)榘l(fā)送器不會(huì)有任何變化。而缺點(diǎn)為需要天線、開(kāi)關(guān)與整體接收鏈而造成硬件成本增加；在頻率分集中，優(yōu)點(diǎn)為不須要增加硬件成本，但軟件復(fù)雜度會(huì)隨之增加。缺點(diǎn)為由于重復(fù)的數(shù)據(jù)數(shù)量而降低整體系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率；在時(shí)間分集中，優(yōu)點(diǎn)為不須要增加硬件成本，沒(méi)有顯著的軟件復(fù)雜度。缺點(diǎn)為由于重復(fù)的數(shù)據(jù)數(shù)量而降低整體系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率(圖1)。

本文中的結(jié)果是以兩個(gè)分集板的分集套件取得，此兩個(gè)分集板分別有兩個(gè)插槽可供插入收發(fā)板。收發(fā)板安裝于微控制器(MCU)，以MSP430F2616為例，此微控制器具92KB閃存，及4KB隨機(jī)存取內(nèi)存(RAM)，并且以8MHz運(yùn)作。

長(zhǎng)距離低功耗無(wú)線連接衰落大

由于通過(guò)收發(fā)器(TX)路徑的外部功率放大器，及接收器(RX)路徑的外部低噪聲放大器，可增加無(wú)線系統(tǒng)的理論范圍，因此系統(tǒng)呈現(xiàn)視線范圍(Line-of-sight)的可能性便降低。因此，系統(tǒng)性能提升時(shí)，多重路徑衰落的效應(yīng)更顯重要，因此應(yīng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中詳加考慮。

此范例使用兩個(gè)相距6英寸的接收器同時(shí)接收信號(hào)。發(fā)送器每10毫秒傳輸64字節(jié)數(shù)據(jù)的已知準(zhǔn)隨機(jī)序列，每次突波大約持續(xù)2.5毫秒。對(duì)于各個(gè)接收器會(huì)記錄接收的接收信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI)，以及接收數(shù)據(jù)封包的機(jī)載環(huán)重復(fù)檢查碼(Cyclic Redundancy Check, CRC)位狀態(tài)，并指示有效CRC值。

如此的配置是CRC空間分集接收器的基礎(chǔ)，因此此處呈現(xiàn)的結(jié)果均以空間分集為準(zhǔn)。對(duì)于頻率分集也可進(jìn)行類似的分析，不過(guò)不在本文討論范圍。

在以2.45GHz運(yùn)作的CC2500無(wú)線射頻下進(jìn)行的空間分集測(cè)量中，以下三組數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)是使用CC2500EM開(kāi)發(fā)工具包取得，總共傳輸五百個(gè)封包，各個(gè)封包都包含64字節(jié)的承載數(shù)據(jù)，而且有結(jié)尾檢查CRC總和字節(jié)。所有的測(cè)量都是以 2450MHz取得，數(shù)據(jù)速率為250kbit/s，固定輸出功率為0dBm。

室內(nèi)RSSI及封包錯(cuò)誤測(cè)量中，圖2顯示每5秒采集一次的資料，同時(shí)維持TX及RX穩(wěn)態(tài)(Stationary)。此測(cè)試用例對(duì)于無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)相當(dāng)常見(jiàn)，其中一個(gè)或多個(gè)無(wú)線遙控會(huì)將測(cè)量的數(shù)據(jù)以無(wú)線回傳給中央位置。這些數(shù)據(jù)是在住家中采集，各個(gè)接收器的RSSI及CRC狀態(tài)也會(huì)予以記錄和呈現(xiàn)。

圖2 靜態(tài)室內(nèi)非直視線范圍RSSI性能的最不理想條件狀況性能。三條底線(1、2、3)分別表示傳回的CRC狀態(tài)。高=CRC有效，低= CRC錯(cuò)誤。

圖2顯示最不理想條件的狀況。Radio-1接收信號(hào)毫無(wú)問(wèn)題，但是位于6英寸外的Radio-2則出現(xiàn)大幅衰落的情況，收到的封包數(shù)不到總封包數(shù)的3%。此范例顯示使用分集的重要性，即使是穩(wěn)態(tài)安裝的情況也必須使用。

而每秒1英尺速率移動(dòng)的室內(nèi)RSSI及封包錯(cuò)誤測(cè)量中，圖3顯示每5秒采集一次的數(shù)據(jù)，速率為每秒1英尺。上述數(shù)據(jù)是在住家中采集，過(guò)程中有一具CC2500無(wú)線電以2450MHz/0dBm的功率傳輸，另兩具CC2500無(wú)線電負(fù)責(zé)接收。各個(gè)接收器在各次突波的RSSI及CRC狀態(tài)也會(huì)予以記錄和呈現(xiàn)。

圖3 一般室內(nèi)非直視線范圍RSSI性能，速率為每秒1英尺。三條底線(1、2、3)分別表示傳回的CRC狀態(tài)。高=CRC有效，低=CRC錯(cuò)誤。

圖3顯示超過(guò)25dB的大幅衰落相當(dāng)常見(jiàn)，且Radio-1與Radio-2之間記錄的RSSI值并無(wú)關(guān)聯(lián)。例如在2.5秒時(shí)，兩具無(wú)線電回傳RSSI中超過(guò)20dB的差異。同時(shí)，記錄的CRC錯(cuò)誤旗標(biāo)指示一具無(wú)線電的數(shù)據(jù)封包錯(cuò)誤，而非另一具無(wú)線電的數(shù)據(jù)封包錯(cuò)誤。

此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的整體結(jié)果顯示Radio-1有十五個(gè)CRC錯(cuò)誤，Radio-2有七個(gè)CRC錯(cuò)誤。不過(guò)，由于MCU有兩個(gè)無(wú)線射頻能夠選擇，因此合并后的無(wú)線射頻并無(wú)任何CRC錯(cuò)誤。

而以每秒1英尺的速率移動(dòng)的室外RSSI及封包錯(cuò)誤測(cè)量中，此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的資料是在住家附近地區(qū)采集，發(fā)送器位于房屋后院，接收器在房屋前的道路上以每秒1英尺的速率移動(dòng)。由于發(fā)送器與接收器之間并非直視線范圍，因此通信連接須要借助鄰近房屋加以反射。

室外實(shí)驗(yàn)也顯示多重路徑衰落的現(xiàn)象。超過(guò)25dB時(shí)也出現(xiàn)空值(Null)錯(cuò)誤，但次數(shù)較少，此是由于室外距離大于室內(nèi)所致，因此，長(zhǎng)距離會(huì)導(dǎo)致大幅衰落的情況，從Radio-2的數(shù)據(jù)也可看出此點(diǎn)。介于1～1.25秒的大幅衰落造成Radio-2遺失十個(gè)封包(圖4)。

圖4 一般室外非直視線范圍RSSI性能，速率為每秒2英尺。三條底線(1、2、3)分別表示傳回的CRC狀態(tài)。高=CRC有效，低=CRC錯(cuò)誤。

此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的整體結(jié)果顯示Radio-1有十七個(gè)CRC錯(cuò)誤，Radio-2有二十七個(gè)CRC錯(cuò)誤。由于MCU有兩個(gè)無(wú)線射頻能夠選擇，因此合并后的無(wú)線射頻沒(méi)有任何CRC錯(cuò)誤。

而在以915MHz運(yùn)作的CC1101無(wú)線射頻進(jìn)行的以下的空間分集測(cè)量中，兩組數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)均是使用CC1101EVM開(kāi)發(fā)工具包取得，總共傳輸五百個(gè)封包，各個(gè)封包都包含64字節(jié)的承載數(shù)據(jù)，而且結(jié)尾有檢查CRC總和字節(jié)。所有的測(cè)量都是以915MHz取得，數(shù)據(jù)速率為250kbit/s，固定輸出功率為0dBm。

以每秒1英尺速率移動(dòng)的室內(nèi)RSSI及封包錯(cuò)誤測(cè)量中，圖5顯示類似于上一段的移動(dòng)速率下取得的數(shù)據(jù)。這些資料是以915MHz的CC1101無(wú)線電采集，而非2.45GHz。同樣地，各個(gè)接收器在各次突波的RSSI及CRC狀態(tài)也會(huì)予以記錄和呈現(xiàn)。

圖5 一般室外非直視線范圍RSSI性能，速率為每秒2英尺。三條底線(1、2、3)分別表示傳回的CRC狀態(tài)。高=CRC有效，低=CRC錯(cuò)誤。

以915MHz進(jìn)行的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)顯示大幅衰落，不過(guò)，Radio-1與Radio-2由于低頻率運(yùn)作的緣故而相距更遠(yuǎn)。Radio-2在2.25～2.75秒出現(xiàn)大幅衰落，然而，由于整體信號(hào)強(qiáng)度相當(dāng)強(qiáng)，無(wú)線射頻得以運(yùn)作，因此未出現(xiàn)因如此大幅衰落所導(dǎo)致的任何CRC錯(cuò)誤，此一特殊情況是由于連接容限足以運(yùn)作，而未由于大幅衰落導(dǎo)致錯(cuò)誤發(fā)生。平均RSSI值為-55dBm，回傳的衰落底端為-85dBm。

這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的整體結(jié)果顯示Radio-1沒(méi)有任何CRC錯(cuò)誤，Radio-2有一個(gè)CRC錯(cuò)誤。由于MCU有兩個(gè)無(wú)線射頻能夠選擇，因此合并后的無(wú)線射頻沒(méi)有任何CRC錯(cuò)誤。

靜/動(dòng)態(tài)多重路徑回避巧妙不同

本節(jié)說(shuō)明兩種無(wú)線通道常見(jiàn)的多重路徑回避技巧。首先說(shuō)明靜態(tài)環(huán)境的多重路徑回避技巧，對(duì)于靜態(tài)多重路徑環(huán)境，沒(méi)有基本方法可以作為根據(jù)確認(rèn)及重新傳輸，來(lái)確保毫無(wú)錯(cuò)誤的無(wú)線通信，因?yàn)橥ǖ啦粫?huì)隨著時(shí)間變化。因此，無(wú)線連接可能在特定位置及運(yùn)作頻率永久中斷。

對(duì)于靜態(tài)無(wú)線通道，回避多重路徑衰落的最好方法是整合頻率分集或靈活度與空間分集。結(jié)果顯示，只將接收天線移動(dòng)6英寸，便可能使連接容限提升30dB。采用此種做法，將無(wú)線資料回傳給中央基站的靜態(tài)感測(cè)器便能夠以更好的性能運(yùn)作。

再者說(shuō)明動(dòng)態(tài)無(wú)線通道的多重路徑回避技巧，如前文所述，多重路徑衰落會(huì)使得無(wú)線傳輸通道隨著時(shí)間和空間而產(chǎn)生大幅變化。如果將無(wú)線系統(tǒng)分成嚴(yán)格即時(shí)及非嚴(yán)格即時(shí)此兩類，便能夠解釋大多數(shù)常見(jiàn)的多重通路回避方法在運(yùn)作上如何進(jìn)行。

首要注意的為重新傳輸型系統(tǒng)的確認(rèn)，發(fā)送器須要接收各個(gè)傳輸封包的確認(rèn)。如果由于多重路徑衰落導(dǎo)致產(chǎn)生封包遺失，則不會(huì)收到任何確認(rèn)，并且將重新進(jìn)行傳輸封包。由于時(shí)間推演，無(wú)線通道已經(jīng)有所變化，因此第二次或許能夠正常地運(yùn)作。這種方法以空間分集為基礎(chǔ)，相當(dāng)易于實(shí)作，不過(guò)，對(duì)于需要音頻或視頻傳輸之類嚴(yán)格即時(shí)的資料的情況下，則顯示效果不明顯。

另外于多重接收器分集系統(tǒng)中，傳輸信號(hào)由兩具以上的接收器所接收，而且將選擇最佳連接的接收器。這種方法由于空間分集而得以運(yùn)作，并且適用于嚴(yán)格即時(shí)的系統(tǒng)。

再者于頻率分集系統(tǒng)中，傳輸信號(hào)以兩種不同的頻率傳輸，并且以兩種不同的頻率接收。整體的系統(tǒng)容量減少二分之一，且如果使用兩個(gè)以上的頻率，則減少的程度則會(huì)更多。

最后于額外連接容限中，如上一個(gè)范例所示，當(dāng)獲得充足的額外連接容限之后，其無(wú)線連接即能夠保持正確無(wú)誤的狀態(tài)，即使出現(xiàn)大幅度的衰落也是如此。不過(guò)，此需要另外的25～30dB連接容限及較低的范圍。

另外，視整體系統(tǒng)需求而定，可各自選用偏好的多重路徑回避方法。例如，對(duì)于無(wú)線音頻連接類的許多即時(shí)系統(tǒng)而言，由于音頻信號(hào)的整體延遲需求，而無(wú)法進(jìn)行重新傳輸，使得這些類型的系統(tǒng)必須使用多重接收器架構(gòu)。不過(guò)，對(duì)于非即時(shí)感測(cè)器網(wǎng)絡(luò)而言，則可進(jìn)行重新傳輸，并無(wú)障礙。

表1顯示本文所列全部結(jié)果的摘要，從中可看出，對(duì)于靜態(tài)室內(nèi)連接，空間分集能夠使原本可能完全中斷的無(wú)線連接達(dá)到絕佳的運(yùn)作效果，另一方面，對(duì)于移動(dòng)環(huán)境，空間分集可顯著降低錯(cuò)誤率。

本文顯示出多重路徑衰落是無(wú)線連接的一大缺陷，不過(guò)，只要于每次專案的設(shè)計(jì)初期即予以考慮，并且采取適當(dāng)?shù)幕乇芗记桑纯捎行Э朔巳毕荩M(jìn)而達(dá)成無(wú)線通信結(jié)果，并提升無(wú)線連接的穩(wěn)定度。

作者：Thomas Almholt，德州儀器