對許多人而言，射頻就像是一個謎樣的黑盒子。相關設計的挑戰也許很多、學習曲線可能很高，所以最好還是留給別人去煩惱。這樣的誤解總是一再出現，然而實際上RF IC業者所提供的高整合性方案，可讓這個任務出乎意料地簡單許多。

由於全球各地法規似乎都不一樣，許多設計人員可能會對有關區域法規的複雜性退避三舍，不過只要多加研究便能瞭解並符合不同區域的法規要求，因為在每一個地區，通常都會有一個政府單位負責頒佈相關文件，以說明「符合特定目的」的發射端相關規則。

射頻頗為難解的部分，在於射頻鏈結的品質和許多外在因素有關；每一個變數彼此會產生交互影響，造成更複雜的情況，而這通常是相當難以釐清。不過只要掌握基本概念通常能有助於理解日新月異的射頻鏈結品質。一旦瞭解了其中的基本概念，則許多問題皆能以一種低成本、易於實現的技術所解決，這種技術稱為天線分集（antenna diversity）。

影響射頻鍵結的環境因素

影響射頻鏈結持續穩固性的主要環境因素，是被稱為多重路徑／衰減和天線極化／分集的現象。這些現象對於射頻鏈結品質可能帶來具建設性或毀滅性的影響，要看特定情況而定。正因為可能發生的情況太多了，於是，當我們試著要瞭解特定的環境條件、在某個時間點對射頻鏈結的作用，以及其會造成何種鏈結品質時，因此而非常困難。

天線極化／分集

全向和指向型天線

被稱為天線極化的現象是導因於任一特定天線的方向性。雖然天線極化的影響，可能被解讀為會降低某些射頻鏈結的品質，但有些射頻設計人員常常利用此特性，藉由限制僅在某些方向上傳輸或接收訊號，將天線調整至符合需求。讓天線不朝所有方向發射同樣的射頻電波時是可行的，而且利用此特性可保護系統免受其他RF雜訊來源的干擾。

使用簡單的技術，天線也能被視為全向或指向性天線。全向性天線被預期在所有方向進行一致的發射和接收。指向性天線則僅在某些方向進行發射或接收。若要打造高度穩固的鏈結，首先就要從瞭解此應用開始。

指向型天線的好處

若某鏈結所接收的訊號皆來自一特定方向，則高度指向性的天線能提供極大的好處；

• ●配備指向性天線的接收器接收來自某些發射器的訊號，這些發射器位在此指向性天線特定方向的良好視線範圍內。其他位在特定方向範圍外的發射器則可能無法將訊號傳送給接收器；





• ●配備指向性天線的發射器將朝預先定義的方向傳播大部分的能量，而非朝所有方向發送能量，因此不會降低其射程能力。

天線傳播圖的不同格式

為了易於瞭解天線的各種情況，天線業者提供了天線傳播圖。天線傳播圖有不同的格式，例如電場平面圖和polar（磁極化）圖。

電場平面圖提供許多資訊，但是在定向性或是模型形狀方面，則通常不如磁極化圖清楚。此磁極化圖的設計類似一個羅盤，讓人很容易便能瞭解天線在各個特定方向的增益。

《圖一　傳播圖範例》

在此天線圖中，工程師可以看見一個高層次的2D曲線，代表一個天線如何在其預期的平面上執行功能，然而，雖然天線在其他軸向的特性也會有所改變，但是通常不會提供3D資料，因為這會大幅增加此圖表的複雜度。

此種鞭形天線通常會被視為全向性天線，其具有相當簡單的3D圖。

《圖二　圍繞在鞭形天線周圍的傳播場域示意圖》

極為接近地，在平面圖中，鞭形天線能提供極佳的覆蓋，但是在3D圖形中，它們在本身正上方或正下方的表現極差。這有助於我們能更瞭解天線被置入兩層的室內環境中的情況。

通常，由於RF訊號會被牆壁和其他室內物體反射，所以不易觀察到天線極化的效果，然而，仍可以觀察到其他對RF訊號可能是建設性或破壞性的作用。此作用被稱為多重路徑／衰減。

《圖三　天線定向性的效果示意圖》

多重路徑／衰減

當發射器或接收器有些小移動，且對鏈結品質造成極大差異時，通常便會觀察到此種衰減現象。當天線在接收和傳送訊號的波峰時便會發生此情況。

《圖四　天線的衰減效應示意圖》

多重路徑則是此概念的延伸。當射頻電波被傳送時，它們被接收器接收的路徑可能不只一條，由於其他物體（例如牆壁和樹木）的反射形成多重路徑，訊號可能來自數個路徑。接收自這些來源的訊號，其到達的時間可能會有些微的差距，這就意謂可能會發生輕微的相位偏移。當這些訊號結合在一起，它們可能會導致「衰減」這種消失的形式。

《圖五　直接和間接RF路線示意圖》

《圖六　由多重路徑所引起的相位偏移，將造成最差的RF衰減情況》

最差的情況之一，是兩個訊號以相差180度的相位到達接收器，則接收器將無法看到任何資料，造成100％的訊號衰減。在大部分的情況中，接收器不太可能會接收到相位偏移達180度的兩個訊號，但是當多重路徑的環境出現時，某些相位偏移還是有可能發生的。在這些情況下，便會發生某些訊號衰減。

天線分集

天線分集是一種常被用以恢復訊號完整度的技術。在產品中實現天線分集的天線，通常天線是以呈90度的位置黏著，如此極化／定向性的影響將不會降低潛在射頻鏈結的品質。

《圖七　使用多重天線對抗定向性示意圖》

除了以呈現90度的位置黏著天線外，實現天線分集的產品中的各個天線，其黏著的位置皆會維持至少1／4波長的距離，如此能確保至少有一個天線是在波形的波峰中。

《圖八　使用多重天線對抗RF衰減》

天線分集應用會提高元件負擔

雖然天線分集對於恢復訊號完整度、以及維持鏈結邊界免受環境影響等頗有益處，但是許多設計人員卻不願使用此方式。因為就他們的應用而言，此方法被認為必須在其他方面做出頗大的犧牲。在大部分的情況中，此犧牲意謂微控制器（MCU）整體成本的增加，因為微控制器必須長時間待命，以時時評估天線訊號。此增加的微控制器功能將會導致需要規格更高和更貴的微控制器，而微控制器必須「隨時待命」，也造成電池壽命縮短。在其他情況中，採用兩個天線的解決方案將增加額外的空間需求，或是需要其他的編碼專業技能，這些都限制設計人員只能採用單一天線設計。

天線分集系統加重設計編碼負擔

編碼一個天線分集系統將會增加設計上的編碼負擔。許多天線分集系統會經過最佳化，以同步方式運作。接收器上的微控制器具有定時功能，讓接收器知道何時要開始接收資料，在這些情況下，微控制器可立刻開始評估兩個天線的訊號。為評估此訊號，微控制器會切換各個天線並評估接收訊號強度指數（Received Signal Strength Indication；RSSL）水準。在接收器並未採用定時器的其他產品中，射頻必須去偵測一個封包的開始，因為前導訊號可能會被誤判為雜訊（或反之亦然），不幸的是，特定天線中的強烈雜訊可能會導致封包的開始被錯過。

《圖九　檢視RSSI水準以評估天線選擇》

方案一：有條件調整前導訊號

較長的前導訊號通常是用來提供給微控制器及其天線分集演算法足夠的時間，去偵測和評估每一天線上的訊號，確保能發現真正的前導訊號。但是較短的前導訊號比較受到青睞，因為它們能減少微控制器待命的時間，進而降低射頻鏈結傳輸和接收端的微控制器功耗。工程師通常會試著找出折衷之道，他們會藉由調整天線分集演算法以降低前導訊號的長度，但是卻得冒著會造成其他射頻相關問題的風險，因為前導序列通常都經過最佳化，可提供快速的位元時脈回復。

方案二：天線分集演算法和控制整合方案

將天線分集設計到系統中顯然有許多好處，然而這個任務本身卻讓人膽怯，不過，廠商所提供的射頻IC系列，卻能藉由將天線分集演算法和控制整合至RF IC本身，進一步解決編碼和MCU待命的相關問題。

靈敏度和有效訊號控制

特定廠商所提供的射頻IC並不依賴發射器／接收器同步法，這能節省RF鏈結兩端的耗電。且當接收訊號低於訊號品質門檻（SQ），其可定期切換天線，藉此克服錯過封包的問題。此訊號品質門檻為根據接收器靈敏度或是有效訊號門檻，而天線的選擇則是根據有效訊號指示。一旦接收器選擇了一個天線，此接收器將繼續利用此天線接收其餘的封包。

《圖十　第一種的天線分集演算法狀態圖》

演算法機制

為確認此天線切換的頻率足以捕捉天線之一的封包，每當此演算法進入「測量SQ」（Measure SQ）功能時，便會啟動一個定時器。

《公式一》

其中：

• ●TPL為在特定訊號部分中可被容許用來選擇天線的最長時間（例如封包的前導訊號）；N是分集接收器所採用的天線數目。

測量SQ運作功能

在「測量SQ」功能運作期間，會針對訊號品質（Signal Quality；SQ）進行測量，若SQ低於訊號品質門檻，或是定時器時間結束，則天線會被切換，且會再次啟動「測量SQ」狀態。另一方面，若測量到的SQ高於SQ門檻，則接收器會持續使用被選擇到的天線，進行剩餘封包的接收。

天線分集演算法檢視天線傳輸品質

可能的情況是，當天線因為有效訊號指示而被選擇時，其訊號品質仍可能比最佳訊號差，這是因為在天線上進行的測量可能在封包到達前就先被雜訊佔據了。在首個有效訊號品質指示產生時，在選擇具有最高訊號品質的天線前，射頻IC內的天線分集演算法會先檢視其他天線，看看是否有更高的訊號品質。

《圖十一　第二種更進步的天線選擇的狀態圖》

縮短前導訊號測定方案

如先前所述；在一個射頻系統中，在不犧牲快速時脈位元回復的情況下，儘可能縮短前導訊號，對電池壽命是大有益處的。

為求符合這些目標，射頻IC可使用前導訊號品質偵測器以測定訊號品質。當前導訊號偵測器指出無效的前導訊號或是時間用盡時，則接下來會選擇另一個天線，且接收器將再次嘗試找到有效的前導訊號。若找到有效前導訊號，則RSSI值會儲存在其他的天線中，擁有最強烈RSSI的天線會被選中。由於RSSI測量相當快速，因此可節省時間，且前導訊號可以縮短。

《圖十二　RSSI值被用來縮短所需的前導訊號長度》

為確保不會發生錯誤的前導訊號偵測，在選定天線後將再次確認前導訊號的存在，若未偵測到前導訊號，則分集演算法將重頭開始。若成功偵測到前導訊號則在前一個步驟被選中的天線將會用以處理剩餘的訊號。

《圖十三　Silicon Labs提出的射頻IC天線分集狀態圖》 - BigPic:588x436

結語

瞭解天線分集設計方案，複雜的射頻問題便可迎刃而解。除了考慮影響射頻鍵結的環境因素外，瞭解天線極化／分集的技術內容和多重路徑／衰減的特徵

也是重點。天線分集的極化／定向性的影響，將不會降低潛在射頻鏈結的品質，但應用會提高元件負擔、系統加重設計編碼負擔。因此，這些問題可藉由有條件調整前導訊號、以及有效發揮射頻IC的天線分集演算法和控制整合方案來加以克服。

＜參考資料：

[1] Advanced Antenna Diversity Mechanism. Qun Shen and Michael Lenzo US pat. No: 5,952,963. September 14, 1999.

[2] Network utilizing modified preamble that support antenna diversity. Ronald L. Mahany. US pat. No: 6,018,555. January 25, 2000＞