善用濾波器、冗餘資訊傳輸　汽車RF設計克服訊號干擾

SAW濾波器帶通效應相助　近帶和寬頻干擾訊號衰減增加

近帶(Near-band)和寬頻干擾抑制主要是改進射頻裝置的選擇性和阻隔特性。選擇性是描述射頻裝置在其他射頻頻譜中選擇所需訊號的能力；阻隔特性則描述IC元件忽略干擾或干涉訊號，同時仍然接收所需射頻訊號的能力。在初期選擇過程，謹慎的工程師將密切關注射頻裝置的選擇性和阻隔特性。

圖1　SAW濾波器的典型頻率反應

通常，這些參數會被忽略，而影響射頻系統性能。除選擇具有強大阻隔特性的射頻裝置外，還有其他用於抑制近帶和寬頻干擾的方法。一個常用的方法是在接收器天線和射頻前端間添加一個表面聲波(SAW)濾波器，這就具有帶通效應，可讓所需的訊號以極小的衰減進入射頻裝置，同時使干擾因素的衰減增加。一個433.92MHz SAW濾波器的典型帶通特性如圖1所示。

圖2　ATA5830元件在433.92MHz、IFBW=366kHz下的阻隔特性。

SAW濾波器提供的額外抑制不足以完全阻隔干擾，工程師應當考慮射頻裝置中頻頻寬(IFBW)(圖2)，並考慮雜訊低於所須運作頻率約200kHz，在這種情況下，366kHz的IFBW在角頻率下僅可使干擾衰減10dB，相反地，當使用25kHz IFBW時，干擾將會衰減56dB，如圖3所示。

圖3　ATA5830元件在433.92MHz、IFBW=25kHz下的阻隔特性。

過去，IFBW是由IC設計所固定，然而，高性能射頻元件，可使用一個基於電子式可清除可編程唯讀記憶體(EEPROM)配置表調節IFBW。此EEPROM配置表可讓工程師配置25k～366kHz IFBW範圍，並為提供二十六種不同的IFBW設置。在最佳化過程中，工程師應當確保所選擇的IFBW保持足夠寬的範圍，以便適應內部參考頻率的調變和容差帶來的接收器和發射器射頻頻率的變化。來自意向輻射器(例如發射器)的射頻訊號，包含由於初始容差、溫度和老化造成的載波頻率錯誤項。除接收器和發射器的晶體頻率容差的最差情形堆疊，選擇最小IFBW還須考慮以合適的串列傳輸速率，傳輸射頻資料封包和進行調變所需的射頻頻譜頻寬。

冗餘資訊緩解帶內干擾

由於不可能在極強的干擾源和意向射頻資料封包間進行區分，因此在所需工作頻率範圍內的有害射頻訊號須不同處理。在這種情況下，冗餘資訊是緩減這個問題的唯一方法。今日有兩種傳送冗餘資訊的方法--時域冗餘或時域和頻域冗餘。

圖4　時域冗餘

時域冗餘是今日最常用的架構，因其具有簡單性和低成本。這種方法用於緩減間歇干擾源，通過以有限的時間量延遲，發送多個相同射頻資料封包的複本實現(圖4)，這樣可在射頻系統的發射器和接收器兩側使用單一載波頻率。然而，如果干擾連續存在，此方法效率較低。隨著最新低成本整合射頻IC的推出，時域冗餘就比不上時間和頻率冗餘方法。

圖5　時域和頻域冗餘

通過在現有的時域冗餘中增添頻率頻道座標，若干擾頻譜占據較小的頻率範圍，可完全避免連續的射頻干擾，此一方法提供很大的射頻性能改進(圖5)。時域以水平座標表示，顯示冗餘資料封包以有限時間延遲出現；頻域則在垂直座標上表示，顯示冗餘射頻頻譜內容出現在不同頻率上，如頻道1～3。

頻道的頻率間隔至少須如基礎射頻資料封包的射頻頻譜一樣寬，以便防止頻道交疊。使用高整合射頻元件時，建議至少使用兩倍於IFBW的頻道間隔。現今的汽車遙控和被動遙控開鎖系統中，頻道間隔範圍通常為400k～450kHz。

影響選擇射頻資料封包在時域中的延遲間隔的因素包括改變頻道頻率的移動時間、射頻載波「ON」時間的平均值管理，以及總體系統回應時間。通常，頻道頻率移動時間低至1毫秒(ms)，僅僅為第二等級問題，主要因素是管理射頻能量，以便最佳化頻率範圍，同時滿足當地法規要求。通過工作週期平均，如果平均功率下降低於當地法規機構的臨界值，可以傳輸較高峰值射頻功率水準。較高的輸出功率可讓射頻系統實現更大的傳輸範圍。

透過採用高階射頻架構可實現多頻道運作，使用一個Fractional-N鎖相迴路(PLL)建立射頻系統接收器和發射器模組所需的射頻頻率。使用這些元件提供的可程式設計架構，工程師可簡便開發一個能夠快速準確地改變中心工作頻率(如頻道)的接收器。隨著消費者需要更強大的運作性能，這些先進的設計很快成為用於汽車門禁系統的首選射頻系統架構。

OOK為汽車遙控鑰匙常用技術

了解幅移鍵控法(ASK)和開關鍵控法(OOK)是不可互換的項目很重要，ASK是振幅調變(AM)的特殊情況，而OOK可被視為開關選通的射頻載波，仔細研究ASK和OOK公式可以發現基礎的區別。

‧	振幅調變
	........................公式1 公式中，Asin(ωt)是具有振幅A的射頻載波；m(t)是數值範圍在-1～+1間的調變訊號，通常為正弦波；a是數值在0和1之間的調變指數，另外，最大幅度為2A。

‧	幅移鍵控調變(AM的特殊情況)
	........................公式2 ASK在振幅調變恆等式具有調變訊號、m(t)是方波，數值範圍在-1～+1間；調變指數a為1與最大振幅為2A的特性。

‧	開/關鍵控調變
	........................公式3 其中，Asin(ωt)是具有振幅A的射頻載波；g(t)是具有數值1而開啟或具有數值0而關斷的選通訊號；最大振幅為1A。

雖然ASK和OOK似乎具有相同的外形，但ASK訊號的振幅是其OOK對等訊號的兩倍，這意味著使用ASK調變輸入進行接收器靈敏度測量時，對於使用OOK調變訊號測量相同的接收器，將會產生較佳的6dB數值。在實際中，汽車遙控門禁(RKE)系統和遙控鑰匙(PKE)系統使用OOK。

選擇OOK或FSK調變對於接收器在干擾和人為干擾訊號中運作的能力有隱含影響。通常，對於OOK接收器，若干擾低於所需射頻訊號10～12dB，解調變錯誤(BER=10^-3)將開始出現。在使用FSK的情況下，解調變錯誤出現的射頻干擾需更大，通常在低於有用訊號4～6dB的情況下(η=1)。這表示在干擾中間，FSK調變相對於OOK調變具有更穩健的性能優勢。

了解頻帶特性　選擇最適射頻載波頻率

關於何種載波頻帶在汽車遙控和被動遙控開鎖系統中提供最佳性能的論題，有很多爭議，包括高頻帶(868M～915MHz)或低頻帶(315M～434MHz)。要解答這個問題，須更了解每種頻帶的基礎特性。

一個指標是考慮地區管理機構允許的輸出功率。通常，高頻帶允許較高的輻射發射功率，可帶來更大的系統傳輸範圍，然而，意想不到的後果是來自相同頻譜中其他大功率應用干擾的出現。工程師須留意大功率干擾也出現在低頻帶中，然而，在高頻帶中較大振幅的干擾似乎比低頻帶中嚴重，這是合理的。

另一個考慮因素是射頻路徑損耗，其隨著頻率增加而增加。工程師為了補償較高的路徑損耗，必須提高發射器的有效輻射功率，只有透過選擇具有較高輸出功率能力的發射器，或使用具有較高效率的天線才能做到。在分析射頻鏈路預算的路徑損耗、發射功率和天線效率時，可能得出在高頻帶下較高發射功率將會對系統的運作範圍產生邊際影響。

顯然，高頻帶運作的主要優勢是能使用很小的物理尺寸實現高效的天線(雙極)，這是因為波長比低頻帶情況縮短兩到三倍。這對掌上型遙控鑰匙和汽車應用非常具有吸引力。然而，高頻帶射頻系統往往在較多的方向上傳播，可能無法提供圍繞汽車輪廓的低頻帶系統的一致性性能。

重要的一點是，高頻帶或低頻帶運作的選擇是參考頻率晶體的規範和射頻裝置所需的相關容差，這可能對高頻帶和低頻帶系統的成本和性能產生重大的影響，參見以下範例描述。

範例1演算一個具有150PPM頻率容差的典型晶體對915MHz高頻帶發射器應用影響，所得到的頻率容差是±137.25kHz，然而，將相同的150PPM晶體容差應用於315MHz低頻帶發射器，所得到的頻率容差則降至±47.25kHz。顯然，高頻帶應用所需的IFBW大約比低頻帶應用增大三倍，以便擷取發射頻譜更大範圍的變化。由於接收器靈敏度通常與IFBW成反比，通過減少系統的運作範圍，將降低頻帶系統的敏感性並影響性能。

範例2選擇具有50PPM的較低容差晶體並用於高頻帶應用，如此可將915MHz下的頻率容差從±137.25kHz減少至±45.75kHz。現在，工程師可選擇在315MHz具有相當於±47.25kHz性能的IFBW，但代價是須選用較高精度的參考頻率晶體，且相關成本會提升。

近年來，高整合度射頻裝置的設計和可用性進步變得更為普遍，為實現這些近期發展的最大優勢，工程師值得花費精力重新考慮今日射頻系統的架構。本文旨在重新研究基礎的系統運作考慮因素，比如干擾、調變和頻率選擇，並且根據發射器和接收器等新型射頻元件加以探討。

(本文作者任職於愛特梅爾)