增進低功耗無線系統效能　跳頻分集技術游刃有餘

2011-05-05

Thomas Almholt

本文解說如何在簡易型低功率無線收發器的環境中，提升無線連結的品質，其中著重於無線連結的穩定性，並且將整體硬體成本降至最低。對於許多簡易型收發器而言，使用跳頻分集(Frequency Hopping Diversity)似乎不符合成本效益，本文將透過技術觀點解說何以跳頻分集同樣適合簡易型應用。

無線通道是與空間及頻率有關的時間變異性射頻系統(Time-variant RF System)，這表示RF通道的瞬間效能會隨著頻率、時間及實體變化而變化。若要獲得可靠的無線通訊連結，無線系統應該整合可有效運用這三個部分的技術。例如，變更運作的頻率稱為頻率分集(Frequency Diversity)，變更空間的配置稱為空間分集(Spatial Diversity)，變更時間則稱為時間分集(Time Diversity)。

多種分集技術各擅勝場

各個分集機制(Diversity Scheme)都會有增加的系統成本，這是起因於需要額外的硬體或軟體複雜度增加。有時候，訊息重複也會降低系統容量。檢閱現今最普遍的不同無線標準時，其中一、兩種標準較常使用，其一為全球行動通訊系統(GSM)、泛歐式數位無線電話系統(DECT)及無線區域網路(Wi-Fi)使用空間及/或極化分集，包括額外收發機及天線的額外硬體成本，且達到全速的系統資料速率。其二為Wi-Fi及藍牙(Bluetooth)使用頻率分集，雖沒有硬體成本，不過有額外的軟體複雜度；且由於變更頻率所耗用的時間而降低整體系統資料速率。另有時間分集，其沒有硬體成本，沒有顯著的軟體複雜度；但因重複的資料數量而降低整體系統資料速率。

對於需要最高資料量的系統，啟用空間分集通常是正確的設計途徑。本文將著重在頻率分集，因為這能夠將分集加入系統中，但不須要增加額外的硬體，在某些情況下，仍然能夠達到極低的延遲。

實際測量一般低功耗無線連結

以下的資料數據是使用CC2500開發套件取得，總共傳輸一千個封包，各個封包都包含64位元組的承載資料，而且結尾有循環冗餘檢查(CRC)總和位元組。所有的測量都是以250kbit/s資料速率進行，固定輸出功率為0dBm。

圖1　一般室內非直視性RSSI效能，速率為每秒1呎(上方曲線)。底線(下方曲線)表示傳回的CRC狀態。高=CRC有效，低=CRC錯誤。

首先使用2.45GHz的單一RF通道進行無線射頻通道測量，圖1顯示每5秒擷取一次的資料，速率為每秒1呎。這些資料是在住家內擷取，過程中有一具無線電以2,450MHz@0dBm的功率傳輸，另一具無線電負責接收資料。圖中針對資料的各次突波(Burst)記錄和呈現接收訊號強度指示器(RSSI)及CRC狀態。

此時，沒有任何跳頻，而且在很短的時間內測量到的RSSI中發現25dB以上的變化。在某些情況下，只有很短的二至三次突波，約20～30毫秒(ms)，這使得指定的接收器錯過傳入的資料，因此造成無線連結的整體品質不佳。對於這項試驗，5.3%的傳入封包遺失或含有無效的CRC檢查總和。

另一方面，有關各種頻率下保持穩態的RF通道所呈現的特性，在發送器中實作簡易版本的跳頻，可在各次突波後增加1MHz的運作頻率。基於軟體簡化的考量，其中選擇六十四個通道。以一千次突波運作會在64MHz頻帶上進行十五次完整掃描。

對於跳頻機制，必須計算時序預算，以便收發機有充足的時間能夠變更頻率，然後重新鎖定其鎖相迴路(PLL)。估計最終突波持續時間的方法為：傳輸順序中以250kbits/s計算的突波長度，結果8位元組前置放大需0.256毫秒、2位元組同步文字需0.064毫秒、64位元組承載資料需2.048毫秒、1位元組CRC總和需0.032毫秒；而在最不理想的情況下，變更頻率及重新鎖定PLL需要0.9毫秒。

因此，應該考量3.5毫秒的總突波時間。在此選擇10毫秒的突波時間，以便維持此試驗的時序需求。以下的結果表示64MHz運作範圍的十五次掃描。發送器及接收器保持穩態長達10秒。

圖2　靜態室內非直視性無線通道的頻率掃描效能。繪製十五次掃描(細線條)。紅色線條表示各頻率點的平均資料值。

檢查這次掃描的頻率回應，查看回報的RSSI下降的速度有多快。在這種情況之下，回報的RSSI值從-76dBm@2450MHz下降至-93dBm@2435MHz。對於RSSI，良好的無線連結與效能不彰的連結，兩者會出現17dB的差異，因此，設計任何RF通訊系統時，必須考量如此的現象，以及對於資料完整性的影響。

檢查圖2中顯示的RF通道效能時，看似能夠讓無線射頻運用RF通道，然後選擇有最佳的RSSI可供運作的通道。然而，若要簡化過程，可考慮兩具以上的無線電同時運作的情況。無線電1和無線電2之間的連結在某個頻率可能良好，不過無線電1和無線電3之間的連結可能不佳。因此，對於某些靜態RF通道使用情況，某種類型的頻率平均可能較為有利。

圖3　回報的RSSI值以及穩態通道的頻率(水平軸)與時間(垂直軸)的關係。Y軸表示頻率掃描，每次需要640毫秒完成。X軸為運作頻率MHz，右側的色條表示圖中各種顏色所代表的RSSI值。

在許多情況下，最好查看無線射頻通道在圖3輪廓示意圖的時間中所呈現的效能，因為輪廓示意圖可顯示通道隨著時間所出現的變化。對於靜態通道，效能並未隨著時間呈現多大的變化，而且呈現的結果垂直看來(表示時間推演)就像是「河床」。

動態通道的效能會持續變化，因此無法使用技巧來避免。若要判斷其效能，必須了解RF通道在發送器(TX)及接收器(RX)移動時變化的速度有多快。

至於各種頻率下保持動態的RF通道所呈現的特性，圖3以相同的跳頻RF系統呈現緩慢移動的動態通道，其中發送器在每次突波後增加1MHz的運作頻率，同樣也總共使用一千次突波。

圖4　回報的RSSI值以及動態通道的頻率(水平軸)與時間(垂直軸)的關係。Y軸表示頻率掃描，每次需要640毫秒完成。X軸為運作頻率MHz，右側的色條表示圖中各種顏色所代表的RSSI值。

為了讓RF通道呈現動態，接收器在住家中大約以每秒1呎的速度移動。這使得通道隨著時間而變化，圖4顯示最終的結果。在圖4中，數值在10毫秒中從2,445MHz大幅下降至2,420MHz，如此的下降足以造成無線連結無法在這兩個頻率運作。如果系統僅以一個頻率運作，而且已選擇該頻率，則無線連結會中斷。

再進一步了解這種情況，可看出對於任何一次紀錄的掃描，無線連結大多正常運作。在這種特殊的情況下，系統回報總共一千次傳輸的突波有三次遺失。因此，如果將某種編碼機制加入傳入的資料串流，能夠擷取所需的資料，即使有突波時間錯誤的影響，也能夠製作穩定的無線系統。有許多數學程序可用來執行這類的資料編碼及解碼，這些程序均遵循相同的基本原則，也就是將冗餘資料加入傳入的資料串流，不過這會產生額外負擔，使得整體輸出量減少，然而接收器能夠偵測錯誤並予以修正。

解讀正向錯誤修正/資料交錯

編碼器一般分為區塊碼(Block Codes)和迴旋碼(Convolutional Codes)兩大類，這兩種編碼的主要差別在於運作方式的不同。

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區塊碼會處理資料的區塊，產生區塊的冗餘編碼文字。最常見的區塊碼是Reed-Solomon(RS)碼，這種編碼屬於線性區塊碼的一種，普遍用於CD/DVD媒體及其他多種資料儲存媒體。

區塊碼依據區塊長度而定：n=2^m-1，其中m是整數，而訊息大小為k，產生的同位元檢查大小即為2t=(n-k)。m的一般值為8，因此產生的區塊長度為255位元組。同位元檢查大小與搜尋的資料完整性層級有關。設計RS碼時務必審慎考慮，因為修正1位元組的訊息錯誤需要2位元組的同位元檢查。

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迴旋碼會逐一位元(Bit-by-bit)依序處理傳入的資料，而非間斷處理。迴旋編碼器廣泛用於無線標準，尤其是GSM/整體封包無線服務(GPRS)。

迴旋碼依據制約長度K及編碼率n而定。制約長度K定義產生指定編碼文字所用的位元數，也就是機制能夠處理的位元錯誤序列上限。編碼率n表示傳入的位元串流大小與傳出的位元串流大小兩者之間的關係，編碼率n是所傳輸位元數的兩倍。

迴旋編碼器是運算方面成本相當低的做法。這種編碼器的實作相當簡單，因為其中只有移位暫存器的K數目，以及透過預定方式與簡單模組二法器進行的互連數。這種編碼器本身較為複雜，不過可以立即用於各種硬體實作，包括許多現今的數位訊號處理器(DSP)。

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資料交錯是重要的資料操控功能，可在輸入前述的正向錯誤修正單元前執行。特別是對於沒有足夠的能力可控制多個連續錯誤的迴旋碼，務必散布編碼的承載資料。

許多低功率的無線收發器，都有資料交錯在硬體中的正向錯誤修正，這對於低雜訊時產生的單一位元錯誤相當有效，不過對於足以消除整個突波的衰落事件則作用不大。對於這些事件，應該針對多次突波，使用輔助資料交錯器及正向錯誤修正(FEC)，然後查看輔助交錯器平行處理八次突波時的GSM/GPRS。

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最簡易的跳頻機制是線性機制，其中無線射頻只會在每次傳輸突波時造成運作頻率增加一定的量如1MHz。然而，若使用線性跳頻技術，按照先前探討一般低功耗無線連結實際測量的RF通道特性，可看出大幅衰落會影響多個連續突波。關於正向錯誤修正及資料交錯的資訊顯示，正向錯誤修正技術就如同迴旋編碼器一般，對於連續錯誤而言無法發揮效能。因此，實作整合隨機跳頻機制的系統相當有利，有助於降低連續錯誤的整體可能性。

使用虛擬跳頻機制的另一項優點是，只要多個無線連結使用不同的隨機金鑰序列，並且整合某些正向錯誤修正，以處理因衝突而遺失的封包，即可讓多個無線連結自動執行(圖5)。這是現今藍牙標準中使用的跳頻機制所具有的一項功能。不論兩個藍牙裝置何時配對，都能夠協議要使用的虛擬隨機跳頻金鑰，然後使用這個金鑰進行後續的所有通訊。每次連線使用的金鑰各不相同，有助於減少連續衝突的機會。