無線通訊中頻率合成器之應用

3.1.1 無線通訊頻帶規範與應用

1985 年，美國聯邦通訊委員會(FCC)決定開放三個 ISM(Industrial Scientific Medical) 頻 帶 ， 即 902~928MHz 、 2.4~2.483GHz 、 5.725~5.875GHz 等三個頻帶。此作法不僅滿足了當時對通訊頻帶日益 增加的需求，對於無線通訊網路發展更有著重要的影響。到了 90 年 代初期，使用 ISM 頻帶的通訊產品紛紛出現在市場上，為了使各種 競爭的產品間能夠互通，標準的制定就成了重要的工作，而後便有了 IEEE 802.11 無線區域網路(Wireless LAN)的標準產生。

近年來智慧型手機市場成長迅速，上網的方式有 3G 上網外，或 使用WiFi 上網，而通常家用 WiFi 的傳輸速度又遠快於電信業者所提 供的3G 上網方式。1999 年 IEEE 802.11a 定義在干擾較少的 5GHz ISM 頻段上的資料傳輸速率可達54Mbit/s 的物理層，該標準使用正交頻分 複用 OFDM 調變技術；規格上 IEEE 802.11b 以直序展頻(又稱為 DSSS：Direct Sequence Spread Spectrum)作為調變技術，傳輸速率最 高可達11Mbps，採用 2.4GHz ISM 頻帶。2.4GHz 的 ISM 頻段為世界 上絕大多數國家通用，因此802.11b 得到最為廣泛的應用。蘋果公司 把自己開發的802.11 標準起名叫 AirPort。在 2.4GHz 的 ISM 頻帶的 使用包括Home RF、Bluetooth、IEEE 802.11b、無電電話及無線鍵盤 滑鼠等相關符合使用規定的應用。

由於IEEE802.11a 與 802.11b 規格之間，頻帶與調變方式均不同，

使得彼此不能夠相容，已經擁有 802.11b 產品的消費者可能不會在 802.11a 設備問世之後就立即購買，而 802.11g 就是為這段過度時間所 發展的規格，它建構在既有的IEEE802.11b 實體層與媒體層標準基礎

上，選擇 2.4GHz 頻帶、具有 54Mbps 的高傳輸速率(調變技術使用 OFDM)，讓已擁有 802.11b 產品的使用者能夠以 802.11g 的產品達到 一個速度升級的需求。事實上無線區域網路是一個新興的產業，

802.11b(Wi-Fi)只能夠說是這項產業發展初期的一項標準，由於它的 傳輸速率只有 11Mbps，在未來相關應用市場成熟之後將會不敷使 用，因此更高速的無線區域網路標準802.11a、802.11g 的發展將受到 矚目，其最積極發展的應用分別為 2.4GHz 的 ISM 頻帶以及 5.2GHz 的U-NII 頻帶。

IEEE 802.11a 的頻率是使用 U-NII5GHz 到 6GHz 的頻段，分成低、

中、高三個頻帶如下圖3.1 所示，頻帶內的每個頻道寬皆為 20MHz，

低 頻 帶 (5150-5250 MHz) 與 中 頻 帶 (5250-5350MHz) 共 佔 頻 寬 200MHz ， 發 射 功 率 分 別 規 定 為 40mW 、 200mW ； 高 頻 帶 (5725-5825MHz)佔頻寬 100MHz，發射功率規定為 800mW。[12]

圖3.1 5GHz 頻段 802.11a 工作頻道

802.11b 和 802.11g 將 2.4 GHz 的頻段區分為 14 個頻道，每個頻 道的中心頻率相差5 MHz。一般常常被誤認為互不干擾的是頻道 1，

6 和 11（還有有些地區的頻道 14），因為互不重疊所以利用這些不重 疊的頻道，多組無線網路的互相涵蓋，互不影響，這種看法太過簡單。

802.11b 和 802.11g 並沒有規範每個頻道的頻寬，規範的是中心頻率和

頻譜屏蔽（spectral mask）。802.11b 的頻譜屏蔽需求為：在中心頻率±

11 MHz 處，至少衰減 30 dB，±22 MHz 處要衰減 50 dB。由於頻譜屏 蔽只規定到±22 MHz 處的能量限制，所以通常認定使用頻寬不會超過 這個範圍。實際上，當發射端距離接收端非常近時，接收端接受到的 有效能量頻譜，有可能會超過22 MHz 的區域。所以，一般認定頻道 1，6 和 11 互不重疊的說法，應該要修正為：頻道 1，6 和 11，三個 頻段互相之間的影響比使用其它頻段來得小。雖然頻道1，6 和 11 互 不干擾的說法是不正確的，但是這個說法至少可以用來說明：頻道距 離在1，6 和 11 之間雖然會對彼此造成干擾，而卻不會大大地影響到 通訊的傳輸速率。圖3.2 所示為 2.4GHz 頻段 802.11g 之操作頻道。

圖3.2 2.4GHz 頻段 802.11g 工作頻道

3.1.2 射頻收發機應用之頻率合成器

阿姆斯壯發明超外差接收架構後，雖然被廣泛採用，但是其使用 較多元件，成本較高。1922 年，羅本生(Roberson)提出“載波再生”

架構(Carrier Reinforcement)，將射頻訊號偶合一部份功率後，利用高 Q 值濾波器將載波取出，再與原有設頻訊號混頻，得到基頻訊號。1924 年，柯布魯克(Colebrook)利用相似的觀念發展出最早的直接降頻接收 機架構(當初命名為 Homodyne) 。可是本地振盪頻率不構穩定，因此 輸 出 訊 號 品 質 不 好 。 現 今 以 知 是 頻 率 漂 移 的 問 題(Frequency

Drifting)。1932 年，法國貝里賽斯(de Bellescize)改進本地振盪訊號的 頻率穩定度，大幅改良了直接降頻接收的品質，他比較本地振盪訊號 和射頻訊號的頻率差，修正本地振盪訊號的頻率，讓本地振盪訊號鎖 定射頻頻率，這個電路是當今鎖相迴路(Phase Lock Loop)的起源。此 後在1930 至 1950 年代，更有效地同步振盪器是研究的重點，最具代 表性的是 1947 年在英國出現的同步解調技術，其更深入發展貝里賽 斯的鎖相電壓壓控振盪器，當時作者將之命名為Synchrodyne。

直接降頻接收機又稱為零中頻(Zero IF)接收機或同調接收機 (Homodyne Receiver 或 Sychrodyne Receiver)。零中頻接收機為將所要 的射頻訊號直接降至基頻，利用高Q 值的低通濾波器當通道濾波器，

由於沒有中頻，所以沒有鏡像頻率，因此可以省略鏡像濾波器(Image Filter)與高 Q 值的中頻濾波器，使整個射頻接收機更容易整合成單一 晶片[12]。

RF Filter LNA

90^O PLL Frequency sythesizer Mixer LPF

A/D

A/D

0^O

90^O

DSP

圖 3.3 複數訊號直接降頻接收機架構圖 [12]