摘要
通訊範圍是無線通訊系統一大參數，也取決於資料速率。多種技術可降低資料速率、擴大通訊範圍，而本文比較其中兩種，一為擴大接收器訊號頻寬，以降低接收器所見雜訊（窄頻系統），二為增加高速率訊號的編碼增益，以對抗寬頻接收器的高雜訊。
通訊範圍是無線通訊系統一大參數，也取決於資料速率。多種技術可降低資料速率、擴大通訊範圍，而本文比較其中兩種，一為擴大接收器訊號頻寬，以降低接收器所見雜訊（窄頻系統），二為增加高速率訊號的編碼增益，以對抗寬頻接收器的高雜訊。
結果顯示，編碼增益將對為長程通訊系表現有害，導致
•頻譜效能大幅下滑，例如減少區域內可通訊裝置數量，與目前業界追求提高射頻節點數量趨勢相反
•共存性質降低或防干擾能力降低，進一步影響區域內通訊穩定性及裝置數量
•電池壽命縮短，因為編碼增益訊號需要極長前導序列，才能恢復強烈雜訊元件的資訊訊號。
•頻譜效能大幅下滑，例如減少區域內可通訊裝置數量，與目前業界追求提高射頻節點數量趨勢相反
•共存性質降低或防干擾能力降低，進一步影響區域內通訊穩定性及裝置數量
•電池壽命縮短，因為編碼增益訊號需要極長前導序列，才能恢復強烈雜訊元件的資訊訊號。
窄頻通訊已證實可達到長程射頻通訊，且相較於使用編碼增益的系統，可用性與可擴充性也更佳。
序論
通訊範圍是無線通訊系統一大參數，範圍應用需求也常是選擇射頻解決方案關鍵。本篇白皮書使用射頻水表或瓦斯表的典型需求，以討論長程射頻通訊技術選項，但這些因素也適用於多數種類的電池供電射頻節點。水表與瓦斯表常稱為流量計，通常電池壽命需達十至二十年，也大大限制網絡架構選項。為確保電池壽命，量表通常採用星狀網絡拓樸，因為量表若為中繼器或路由器，電池壽命將不再是決定性因素，也改變相關需求。
通訊範圍是無線通訊系統一大參數，範圍應用需求也常是選擇射頻解決方案關鍵。本篇白皮書使用射頻水表或瓦斯表的典型需求，以討論長程射頻通訊技術選項，但這些因素也適用於多數種類的電池供電射頻節點。水表與瓦斯表常稱為流量計，通常電池壽命需達十至二十年，也大大限制網絡架構選項。為確保電池壽命，量表通常採用星狀網絡拓樸，因為量表若為中繼器或路由器，電池壽命將不再是決定性因素，也改變相關需求。
實際建置時，網絡內含許多量表及少數收集資料的集中器。集中器成本大多高於量表，且減少數量才可增加先進無線電（如軟體定義無線電）、高電流低雜訊放大器 （LNAs）（通常為主要用電節點）、進階天線技術、SAW濾波器等。為增加涵蓋範圍，集中器必須裝設在適合射頻之處。此類基地台位置通常年費相對較高，故集中器必要數量應愈少愈好。在星狀網絡拓樸內，射頻的連結愈長，集中器所需數量愈少。
窄頻與編碼增益解決方案範圍考量
受政府射頻法規限制，在特定輸入電力下，射頻連結範圍取決於資料速率，較低速率提高接收器敏感程度，故範圍較大，不過低速率也代表在空中時間極長，導致電池壽命縮短。長電報也增加與其他無線系統相互干擾的可能性，故長程系統一般實際使用低於1 kbps的速率，在範圍與傳輸時間達成平衡。由於長程窄頻技術與低資料速率能在兩者之間折衷，故普遍獲業界接受。
受政府射頻法規限制，在特定輸入電力下，射頻連結範圍取決於資料速率，較低速率提高接收器敏感程度，故範圍較大，不過低速率也代表在空中時間極長，導致電池壽命縮短。長電報也增加與其他無線系統相互干擾的可能性，故長程系統一般實際使用低於1 kbps的速率，在範圍與傳輸時間達成平衡。由於長程窄頻技術與低資料速率能在兩者之間折衷，故普遍獲業界接受。
窄頻系統意指頻寬低於25 kHz，且頻帶內雜訊低，其因為窄接收濾波器排除大部分雜訊，故鏈路預算極佳。一般使用12.5-kHz通道間隔與10-kHz接收頻寬，例如警察與安全無線電、海事通訊系統、社群警報，以及歐洲量測應用最新169-MHz無線M-bus（wM-Bus）標準，wM-Bus選用169-MHz窄頻，以擴大水表與瓦斯表範圍，以便建置固網時減少集中器數量。
如上所述，範圍基本上取決於資料速率，而窄頻通訊的替代方案為寬頻高資料速率通訊加上編碼增益。運用編碼增益並無改善敏感度與範圍，只是另一種資料表現方式。若網路資料速率／吞吐量相同，窄頻與編碼增益系統的範圍亦相近，舉例說明最為清楚。
射頻系統一大參數為接收頻寬（RXBW），也影響系統雜訊基準；PdBm = –174 + 10log10 （RXBW），意指雜訊基準隨接收頻寬起伏（–174 dBm為1-Hz頻寬在室溫下的熱雜訊基準），亦可運用這項方程式，計算各通道的雜訊基準：
•1-MHz 通道: PdBm = –174 + 10log10(1 MHz) = –114 dBm
•100-kHz通道: PdBm = –174 + 10log10(100 kHz) = –124 dBm
•10-kHz通道: PdBm = –174 + 10log10(10 kHz) = –134 dBm
•100-kHz通道: PdBm = –174 + 10log10(100 kHz) = –124 dBm
•10-kHz通道: PdBm = –174 + 10log10(10 kHz) = –134 dBm
如上所見，接收頻寬提升十倍後，雜訊基準也增加10 dB。為達到與未編碼12.5-kHz窄頻系統相同的範圍，100-kHz系統內必須使用10 dB編碼增益，1-MHz系統得使用20 dB編碼增益。這項範例顯示編碼增益不會在窄頻系統裡增加敏感度，只是另一種資料表現方式，編碼增益再提高也沒有幫助，只能降低網路資料速度或提高接收頻寬。求取長程射頻通訊系統適當平衡時，必須記住這項基本關係。
編碼增益解決方案缺點
使用編碼增益解決方案主要缺點為頻譜效能極差，上述案例即清楚可見，一方面是使用窄頻的10-kHz通道，另一方是使用編碼增益的100-kHz通道，若同時傳送1-kbps訊號。頻譜浪費相當明顯，編碼內傳送大量多餘資料，以補償高雜訊基準。況且使用編碼的100-kHz寬頻通道可容納十條窄頻通道，故編碼增益解決方案一大缺點為網絡容量。
使用編碼增益解決方案主要缺點為頻譜效能極差，上述案例即清楚可見，一方面是使用窄頻的10-kHz通道，另一方是使用編碼增益的100-kHz通道，若同時傳送1-kbps訊號。頻譜浪費相當明顯，編碼內傳送大量多餘資料，以補償高雜訊基準。況且使用編碼的100-kHz寬頻通道可容納十條窄頻通道，故編碼增益解決方案一大缺點為網絡容量。
若藉由展頻，為了提高接收敏感度而犧牲頻譜效能（頻寬較高），並不符合法規要求與全球產業運用頻譜的趨勢。由於無線連網需求增長，也提高全球無線電頻譜需求。政府與規範單位也不斷施壓，力圖改善無線電系統頻譜效能。
為了提升頻譜效能，將射頻通道窄頻至12.5 kHz甚至6.25 kHz均成為解決方案選項。
•聯邦通信委員會（FCC）要求採用窄頻：自2013年1月1日起，所有公共安全及商業工業地面行動無線電系統若使用150–512 MHz無線電頻帶，必須使用12.5-kHz以上等效效能技術，意即每12.5-kHz通道吞吐量至少要9.6 kbps。
聯邦通信委員會制訂這條規定，希望提升頻譜使用效能及擴大容量，也形同禁止美國國內使用512 MHz以下頻率的編碼增益方案。歐洲及其他區域也出現類似趨勢，正式規範頻譜效能。
共存
使用編碼增益後，相同通道內可能同時出現數組正交碼，但彼此之間保護僅仰賴編碼增益。在前述範例裡，10-dB編碼增益對相同通道內另一量表的保護未達10-dB。窄頻系統若以SimpleLink™ Sub-1GHz CC1120智慧射頻收發器為基礎，對相鄰通道最多可提供65 dB的保護，與編碼增益解決方案相差55 dB。實際應用時，55 dB對於共存與系統運作會產生巨大差異，形同出現干擾時，敏感度可改善55 dB。
使用編碼增益後，相同通道內可能同時出現數組正交碼，但彼此之間保護僅仰賴編碼增益。在前述範例裡，10-dB編碼增益對相同通道內另一量表的保護未達10-dB。窄頻系統若以SimpleLink™ Sub-1GHz CC1120智慧射頻收發器為基礎，對相鄰通道最多可提供65 dB的保護，與編碼增益解決方案相差55 dB。實際應用時，55 dB對於共存與系統運作會產生巨大差異，形同出現干擾時，敏感度可改善55 dB。
圖1對比有無干擾的兩種情況，如各位所見，共存特質較弱直接導致範圍縮小。
以圖1為例，在100-kHz編碼系統使用的頻寬中，可以同時容納十部窄頻系統運作，可是在相同頻寬內，縱然只是想維持兩個編碼系統運作，由於會相互干擾，很快就會面臨嚴重通訊問題。
此外，編碼傳輸時間過長，很容易受到干擾訊號影響（傳輸衝突）。因為系統在寬頻內以低速率運作，很容易以數學方式呈現，系統面臨一個窄頻干擾源時，運作依然相當穩定。如圖2左側所示，即使窄頻干擾源（紅色）存在，編碼訊號（灰色）依然能運作，在如此大頻寬內不會受到影響。可是也因為使用大頻寬和低速率（在空中時間拉長），與許多窄頻干擾源衝突的可能性很高，如圖2右側所示。編碼增益無法處理此種情況，也將大大縮小編碼系統實際範圍。
圖1：典型警示系統範例，上圖無干擾，下圖有干擾，顯示共存特質對性能的重要性
圖2：寬頻編碼系統與窄頻干擾
傳輸時間
由於兩種情況的網路資料速率／吞吐量相同，封包的承載資料欄長度也相似，但接收器所見訊號大不相同，範圍請見圖3的眼圖。
由於兩種情況的網路資料速率／吞吐量相同，封包的承載資料欄長度也相似，但接收器所見訊號大不相同，範圍請見圖3的眼圖。
左側為窄頻訊號，開眼處可清楚分辨封包內的0與1。只要使用TI CC1120/CC1200智慧射頻收發器的高效能WaveMatch技術，最少只需四位元的前導碼，即可有效接收訊號。
右側則是編碼增益系統呈現的相同眼圖。如同預期的，雜訊基準完全掩蓋訊號，若要從中獲得任何有意義的資訊，得先與編碼系統同步，才可獲得所需編碼增益。可想而知，勢必得使用很長的前導碼或前導序列，才能接收實際資料。使用高編碼增益的系統時，前導序列將是訊息內最主要的元素，進一步壓低頻譜效能。
圖3：編碼與無編碼訊號眼圖
以下對比編碼與無編碼封包條件下的實際封包長度。
窄頻封包
編碼封包
編碼封包
圖4：封包模式，P=前導碼、S=同步字詞/ SFD
為了讓接收器在雜訊基準下找到所需訊號，必須傳輸大量多餘資訊，故長前導序列嚴重壓縮電池壽命，且編碼速率及前導序列長度的關係並非呈正比。例如為提高敏感度，編碼速率若加倍或網路資料速率減半，前導序列將增長一倍有餘，進一步壓低頻譜效能與電池壽命。
頻率正確性
長久以來，窄頻系統一大缺點在於射頻晶體需求較高，射頻晶體若發生頻率誤差，會導致己編程的射頻頻率偏移，若偏移過大，訊號將落在通道之外，並受強烈接收濾波器阻隔。傳統窄頻系統常使用溫控震盪器（TCXOs），較標準晶體昂貴，但可大幅縮小誤差。不過如今標準晶體準確性明顯提升，再結合CC1120/CC1200次1GHz智慧射頻收發器產品系列，其中具備新穎的WaveMatch及回饋頻率偏移至鎖相迴路（PLL）功能，即可使用標準晶體設計窄頻系統。在典型星狀網絡拓樸內，也很容易利用集中器緊縮容忍度參考值，彌補頻率誤差。
長久以來，窄頻系統一大缺點在於射頻晶體需求較高，射頻晶體若發生頻率誤差，會導致己編程的射頻頻率偏移，若偏移過大，訊號將落在通道之外，並受強烈接收濾波器阻隔。傳統窄頻系統常使用溫控震盪器（TCXOs），較標準晶體昂貴，但可大幅縮小誤差。不過如今標準晶體準確性明顯提升，再結合CC1120/CC1200次1GHz智慧射頻收發器產品系列，其中具備新穎的WaveMatch及回饋頻率偏移至鎖相迴路（PLL）功能，即可使用標準晶體設計窄頻系統。在典型星狀網絡拓樸內，也很容易利用集中器緊縮容忍度參考值，彌補頻率誤差。
技術供應與實用範圍
CC1120/CC1200智慧射頻收發器屬於主流標準化開放解決方案生態，利用頻移鍵控窄頻技術滿足長程通訊。窄頻為經過驗證的現有技術，已有多家廠商量產，對長期供應、產品演進、系統價格層級相當重要。
CC1120/CC1200智慧射頻收發器屬於主流標準化開放解決方案生態，利用頻移鍵控窄頻技術滿足長程通訊。窄頻為經過驗證的現有技術，已有多家廠商量產，對長期供應、產品演進、系統價格層級相當重要。
TI專注於完整系統解決方案，在實際條件下提供絕佳空中射頻表現，其中包括低成本參考設計與高效能印刷電路板天線、各式應用筆記與設計筆記、網路資源、強大的全球支援團隊，確保各種應用皆可達到最大範圍。TI亦專注於實際測試，在TI.com網站上播放CC1120各種實用範圍的影片
立即可用的標準CC112x套組實用範圍測試：
影片內使用1.2 kbps與+14 dBm輸出電源，於南非開普敦示範超過25公里範圍：
另一個影片內，使用1.2 kbps與+14 dBm輸出電源，於挪威奧斯陸示範超過10公里範圍：
結論
本白皮書著重於長程通訊使用的窄頻與編碼寬頻系統，如文中與以下對照表所述，由於在現代射頻系統中的優越表現，長程通訊均採用窄頻技術。更多TI低耗能窄頻網絡射頻解決方案資訊，請見www.ti.com/rfperformanceline。
本白皮書著重於長程通訊使用的窄頻與編碼寬頻系統，如文中與以下對照表所述，由於在現代射頻系統中的優越表現，長程通訊均採用窄頻技術。更多TI低耗能窄頻網絡射頻解決方案資訊，請見www.ti.com/rfperformanceline。
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參數
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窄頻
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編碼寬頻
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頻譜效能
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高
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極低
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防護抵抗其他通道
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65 dB（領先市場）
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10-20 dB（極差）
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前導碼／前導序列長度
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最短僅四位元
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非常長，通常為數十至數百位元組
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電池效能
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良好，TX與RX以資料欄為主
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不良，TX與RX以前導序列為主
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供貨
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多家廠商、實用技術
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單一來源、專利、鎖定IP
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頻率正確性
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具備WaveMatch及回饋至鎖相迴路等新穎功能，晶體正確性疑慮大幅下降，亦不需溫控震盪器
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可使用標準晶體
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