整合射頻設計和專有協調機制解決藍芽與Wi-Fi共存挑戰

由於受低功耗、成本和體積等方面的條件約束，同時提供藍芽和WLAN功能的設備所特有的干擾和共存問題是無線設計遇到的最大難題。藍芽和WLAN標準都沒有提供協調方法，開發人員可借鑒本文闡述的射頻設計方法和專有協調機制來確保良好的互通作業性，並將性能影響降至最小。

無線網路技術的最新發展正改變資訊發送的方式。任何時間、任何地點都能無縫、自由地存取資訊正使設備和用戶環境產生戲劇性的變化。

業界最流行的兩種無線技術無疑是藍芽和無線區域網路(WLAN)，後者也常被稱為Wi-Fi。這些成熟技術為各種設備的無線存取提供了互補的方案。藍芽是一種無線個人區域網路(PAN)技術，是通用串列匯流排(USB)的一種替代方案。而相較之下，作為乙太網路纜線替代技術的WLAN能夠實現更長距離更快速度的數據傳送。HSPACE=12 ALT="圖1：WLAN上的FHSS藍芽頻譜干擾。">

用戶對這些技術的普遍接受正不斷催生同時使用藍芽和WLAN功能的新應用，包括：

＊ 透過WLAN存取互連網、透過藍芽連接滑鼠或鍵盤的PC或筆記型電腦；

＊具有WLAN熱點存取功能、使用VoIP和藍芽耳機的筆記型電腦、PDA或行動電話；

＊ 支援WLAN和藍芽網路之間無縫漫遊的多模設備。

標準組織可能很少會預見以上這些應用場合。雖然藍芽1.2標準預留了減輕干擾的內容，但藍芽和WLAN標準都沒有規定允許透過內部控制或協調來減輕由其它無線傳送的業務所導致的干擾。設法減少干擾的問題留給了設計人員，並要確保多模終端產品能夠獲得最終用戶要求的性能、可靠性和穩定性。因此許多關鍵的挑戰需要被克服，包括對數據包大小、類型和時序的即時控制、射頻和天線的隔離、最佳化誤差向量級(EVM)、放大器的線性和效率。

共同訊息通道干擾效應

設計同時包含WLAN和藍芽功能的消費性電子產品會遇到很多問題，特別是在要求同時工作模式的情況下。藍芽和802.11b/g WLAN系統工作在2.4GHz頻段，這兩種技術都用到了可用頻譜的重要部份(見圖1)。

當WLAN設備和藍芽設備靠得很近並試圖同時收發無線訊號時就會產生干擾。這兩種技術採用不同的方法進行訊號傳送：載波偵聽多工存取(CSMA)和跳頻擴頻。前者用於802.11b/g收發器，它在發送訊號前會偵聽閒置訊息通道。所發送的訊號頻寬大約20MHz，將佔用間距為25MHz、最多3個非重疊訊息通道中的一個進行傳輸。

而藍芽則採用跳頻擴頻技術在79個頻寬為1MHz的訊息通道間以每秒1,600跳的速率跳躍選頻，在每個跳頻點發送較短的時分再使用數據包。當一個設備發起連接並成為該子網的主設備時，藍芽連接就成功設立了。如果知道目標地址，設備就直接發送頁面消息。如果目標地址未知，會先發送一個查詢消息，跟著再發頁面消息。一旦兩個設備同步上以後，這兩個具備藍芽功能的設備就處於連接狀態，並且每個設備會設定一個唯一的MAC)地址。透過簡單的運算可以証實，藍芽發射器輸出的訊號與802.11b/g訊號在大約25%的時間內會有衝突。

這種共同訊息通道干擾效應與訊號的相對強度與數據包的發送長度和佔空比密切相關。針對這種干擾現象所做的各種分析和模擬試驗顯示，干擾會嚴重影響其中一種或兩種訊號。相關標準提供了不同訊號設計方法──802.11b使用的直接序列擴展頻譜(DSSS)、802.11g使用的正交頻分再使用(OFDM)及藍芽使用的跳頻所導致的干擾反彈程度。這些標準還使用基於數據包重傳和數據速率降低的協議。然而，這些對策會大幅降低數據吞吐量，因而嚴重影響一些設備的性能。例如藍芽音訊傳送或WLAN上的VoIP，數據包差錯率只要超過幾個百分點就會導致無法忍受的音訊時延甚至通話中斷。

藍芽規格1.2版將自適應跳頻(AFH)作為藍芽設備檢測和避免干擾的一種方法。透過AFH將某個訊息通道判斷為好或壞，因而避免使用壞的訊息通道，並以跳頻方式用偽隨機方法選出其它好的訊息通道替代之。一旦藍芽設備判定有一台WLAN設備工作於2.4GHz頻段，那麼重疊的跳頻訊息通道就被指定為壞訊息通道而加以避免。美國聯邦通訊委員會(FCC)是在2002年批准使用AFH的，當時允許在最小15至最大75個訊息通道間實現跳頻。歐洲電信標準協會(ETSI)也允許採用跳頻技術，但最小訊息通道是20。這是為AFH選擇的最小值。

解決雙射頻的干擾

不幸的是，諸如AFH等技術是專門為2.4GHz設備設計用於檢測和避免干擾的，還不足以實現藍芽與WLAN的共存。當藍芽與802.11設備共存於同一設計中時作為獨立技術的AFH是遠遠不夠的，這主要是因為WLAN設備必須提供較高的輸出功率才能支援長距離、高數據速率、可靠的網際網路、語音、數據和視訊傳輸。

在WLAN與2類或3類藍芽功能共存的產品中，WLAN發射器會發出高達＋20dB的輸出功率。與非共存條件相較，這將增加可測干擾功率的頻寬，因而減少了可用的跳頻訊息通道數，並限制了頻譜擴展的效果。由此看來，當802.11b/g設備在試圖上載數據包時，雙模可攜終端只使用AFH將不能支援使用藍芽耳機的語音會話應用。

另外需要考慮的因素是1類藍芽設備的湧現，它也需要功率放大器才能實現長達100公尺範圍的無線傳輸。1類藍芽規格要求＋20dBm的輸出功率，當它共存於雙模終端時，肯定會破壞WLAN的吞吐性能。事實上，即使射頻間有＋40dB的隔離度，但來自3類藍芽發射器(其輸出功率為0dBm)的干擾仍然會降低802.11b設備的吞吐量。

除了重疊的發射器頻譜外，接收器靈敏度也是需要認真考慮的因素。由於兩個收發器彼此靠得很近，從一條RF鏈發出的訊號有可能足夠大而使其它RF鏈的接收器前端處於飽和狀態。無論頻率偏移有多少這種情況都會產生，因為大部份通用直接轉換接收器架構中的所有訊息通道專用濾波都作用於更低的中頻(IF)或基頻。如果兩個系統間的傳輸在高層沒有協調好，那麼在數據包接收期間隨時都會產生接收飽和的現象。在數據包接收時接收器自動增益控制功能一般是打開的，因此有用訊號的電平可能比其它無用發送電平低70或80dB。即使發射器訊號電平本身並不十分強，但它的寬頻噪音可能足夠高以至於成為接收器噪音的主要成分。

接收器本振的相位噪音功率在發射器頻率偏移處可能有足夠大的強度，以至於在由相互混頻過程產生的下變頻訊號中形成共訊息通道干擾。兩個共存發射器同時工作產生的非線性可能會在某些禁用頻率點形成交叉調變分量，並在功率譜密度足夠高的情況下破壞FCC和ETSI對偽寬頻產生的限制。同樣，發射器諧分波量本身也會干擾更高頻率的受限頻段和5GHz 802.11a設備。

共存射頻之間的隔離是降低發射器阻塞訊號電平的最有效方法，但實際作業中由於設備體積小以及天線方向和版圖產生的有限隔離效應而使效果大打折扣。在每個發射器上增加濾波裝置也許是降低干擾電平的最好途徑，但同樣會影響材料清單規模和成本。增加濾波裝置的另外一個缺點是會大幅影響發射器在指定輸出功率點的效率和線性。提高發射器線性可以減少交叉調變分量，但會降低效率，對於可攜設備來說也是不可取的。HSPACE=12 ALT="圖2：結合使用射頻設計方法和專有協調機制確保共存的實例。">

很多情況下藍芽和WLAN功能的實現架構包含有實體上分開的基頻、RF IC、前端和天線模組。射頻部份位於多層PCB的一個獨立面，與地層是分開，並被屏蔽。這種方法可以形成最大程度的隔離。共享天線等射頻模組雖然可以減少材料，但為了達到規定的隔離度，會給設計增加很大的難度。實際上，在成本、功耗和體積約束條件下將RF很好的隔離是不太可能提供良好的同步作業性能。由於僅依靠射頻標準無法實現良好的同時作業射頻性能，因此需要依靠製造商導入他們自己在協調和控制雙射頻方面的專有技術。

共存的協調措施

已有多種專有機制可用來協調射頻活動以防止共存設備的同步工作，雖然各自實現的細節不同，但實質上都是採用交互通作業的方式，使射頻工作看起來仍是同步進行的。這些技術能夠滿足兩個系統的調度和優先級設置要求，並在傳送佔空比、閒置時間和包類型(數據/信標/傳呼)方面取得平衡點。一個系統在發送數據包的同時另外一個系統就處於閒置狀態，反之亦然。最終結果是兩個系統都能組織起可靠的通訊，並且吞吐量損失可以忽略不計。下面是這些協調方法的三個例子。

雙模射頻切換是最容易實現的共存機制。這種方法要求一個射頻設備在工作時另外一個必須完全停止工作。有兩種具體的實現方法。第一種方法要求關閉不工作的射頻設備，不得向網路的其它節點發送訊號。這種方法的缺點是在某些情況下與不需協調的設備相較可能會降低設備性能。第二種方法是向其它網路節點發出本設備停止工作的訊號。據調查此時設備性能要好於關閉射頻設備時的性能，但仍要比不受阻礙的射頻設備低60%。當藍芽語音鏈路在工作時這兩種方法都不支援切換。

驅動級發射切換法在驅動器級仲裁設備發送請求，因而避免同時傳送的產生。由於同一時刻只有一個射頻設備被啟動，因此這種方法會影響吞吐量，並引起數據包衝突問題。因此採用驅動級發送切換方法的系統在同時發送一個協議和接收另外一個協議時會產生丟包、干擾和潛在用戶難題。由於是雙模射頻切換，這種方法無法達到足夠快的切換速度以支援藍芽SCO鏈路，並且很難減少由藍芽微網路主/從輪詢作業引起的干擾。

提供性能接近無干擾水準的最有效方法是MAC級切換。MAC級切換技術是一種合作技術，它在MAC層兩個協議間交換資訊和管理收發作業。由於MAC級切換是在基頻進行的，協議間的切換速度要比驅動級方法快很多。MAC級切換方法不受使訊號發送到輸入接收端、藍芽輪詢或作業系統延遲的影響。

作者：Jeffrey Wojtiuk

系統架構師

SiGe半導體公司