结合射频设计方法和专有协调机制应对蓝牙与Wi-Fi共存挑战

由于受低功耗、成本和体积等方面的条件约束，同时提供蓝牙和WLAN功能的设备所特有的干扰和共存问题是无线设计遇到的最大难题。蓝牙和WLAN标准都没有提供协调方法，开发人员可借鉴本文阐述的射频设计方法和专有协调机制来确保良好的互操作性，并将性能影响降至最小。

无线网络技术的最新发展正在改变信息发送的方式。任何时间、任何地点都能无缝、自由地访问信息正在使设备和用户环境发生戏剧性的变化。

业界最流行的两种无线技术无疑是蓝牙和无线局域网(WLAN)，后者也常被称为Wi-Fi。这些成熟技术为各种设备的无线访问提供了互补的方案。蓝牙是一种无线个人局域网(PAN)技术，是通用串行总线(USB)的一种替代方案。而相比之下，作为以太网线缆替代技术的WLAN能够实现更长距离更快速度的数据传送。

用户对这些技术的普遍接受正在不断催生同时使用蓝牙和WLAN功能的新应用，包括：

＊ 通过WLAN访问互连网、通过蓝牙连接鼠标或键盘的PC或膝上型电脑；

＊具有WLAN热点访问功能、使用VoIP和蓝牙耳机的膝上型电脑、PDA或蜂窝电话；

＊ 支持WLAN和蓝牙网络之间无缝漫游的多模设备。

标准组织可能很少会预见以上这些应用场合。虽然蓝牙1.2标准预留了减轻干扰的内容，但蓝牙和WLAN标准都没有规定允许通过内部控制或协调来减轻由其它无线传送的业务所导致的干扰。设法减少干扰的问题留给了设计人员，并要确保多模终端产品能够获得最终用户要求的性能、可靠性和稳定性。因此许多关键的挑战需要被克服，包括对数据包大小、类型和时序的实时控制、射频和天线的隔离、优化误差向量级(EVM)、放大器的线性和效率。

共同信道干扰效应

设计同时包含WLAN和蓝牙功能的消费类电子产品会遇到很多问题，特别是在要求同时工作模式的情况下。蓝牙和802.11b/g WLAN系统工作在2.4GHz频段，这两种技术都用到了可用频谱的重要部分(见图1)。

当WLAN设备和蓝牙设备靠得很近并试图同时收发无线信号时就会发生干扰。这两种技术采用不同的方法进行信号传送：载波侦听多路访问(CSMA)和跳频扩频。前者用于802.11b/g收发器，它在发送信号前会侦听空闲信道。所发送的信号带宽大约20MHz，将占用间距为25MHz、最多3个非重叠信道中的一个进行传输。

而蓝牙则采用跳频扩频技术在79个带宽为1MHz的信道间以每秒1,600跳的速率跳跃选频，在每个跳频点发送较短的时分复用数据包。当一个设备发起连接并成为该子网的主设备时，蓝牙连接就成功建立了。如果知道目标地址，设备就直接发送页面消息。如果目标地址未知，会先发送一个查询消息，跟着再发页面消息。一旦两个设备同步上以后，这两个具备蓝牙功能的设备就处于连接状态，并且每个设备会设定一个唯一的MAC)地址。通过简单的计算可以证实，蓝牙发射器输出的信号与802.11b/g信号在大约25%的时间内会有冲突。

这种共同信道干扰效应与信号的相对强度与数据包的发送长度和占空比密切相关。针对这种干扰现象所做的各种分析和仿真试验表明，干扰会严重影响其中一种或两种信号。相关标准提供了不同信号设计方法——802.11b使用的直接序列扩展频谱(DSSS)、802.11g使用的正交频分复用(OFDM)及蓝牙使用的跳频所导致的干扰反弹程度。这些标准还使用基于数据包重传和数据速率降低的协议。然而，这些对策会极大地降低数据吞吐量，从而严重影响一些设备的性能。例如蓝牙音频传送或WLAN上的VoIP，数据包差错率只要超过几个百分点就会导致无法忍受的音频时延甚至通话中断。

蓝牙规范1.2版将自适应跳频(AFH)作为蓝牙设备检测和避免干扰的一种方法。通过AFH将某个信道判断为好或坏，从而避免使用坏的信道，并以跳频方式用伪随机方法选出其它好的信道替代之。一旦蓝牙设备判定有一台WLAN设备工作于2.4GHz频段，那么重叠的跳频信道就被指定为坏信道而加以避免。美国联邦通信委员会(FCC)是在2002年批准使用AFH的，当时允许在最小15至最大75个信道间实现跳频。欧洲电信标准协会(ETSI)也允许采用跳频技术，但最小信道是20。这是为AFH选择的最小值。

解决双射频的干扰

不幸的是，诸如AFH等技术是专门为2.4GHz设备设计用于检测和避免干扰的，还不足以实现蓝牙与WLAN的共存。当蓝牙与802.11设备共存于同一设计中时作为独立技术的AFH是远远不够的，这主要是因为WLAN设备必须提供较高的输出功率才能支持长距离、高数据速率、可靠的互联网、语音、数据和视频传输。

在WLAN与2类或3类蓝牙功能共存的产品中，WLAN发射器会发出高达＋20dB的输出功率。与非共存条件相比，这将增加可测干扰功率的带宽，从而减少了可用的跳频信道数，并限制了频谱扩展的效果。由此看来，当802.11b/g设备在试图上载数据包时，双模便携终端只使用AFH将不能支持使用蓝牙耳机的语音会话应用。

另外需要考虑的因素是1类蓝牙设备的涌现，它也需要功放才能实现长达100米范围的无线传输。1类蓝牙规范要求＋20dBm的输出功率，当它共存于双模终端时，肯定会破坏WLAN的吞吐性能。事实上，即使射频间有＋40dB的隔离度，但来自3类蓝牙发射器(其输出功率为0dBm)的干扰仍然会降低802.11b设备的吞吐量。

除了重叠的发射器频谱外，接收器灵敏度也是需要认真考虑的因素。由于两个收发器彼此靠得很近，从一条RF链发出的信号有可能足够大而使其它RF链的接收器前端处于饱和状态。无论频率偏移有多少这种情况都会发生，因为大部分通用直接转换接收器架构中的所有信道专用滤波都作用于更低的中频(IF)或基带。如果两个系统间的传输在高层没有协调好，那么在数据包接收期间随时都会发生接收饱和的现象。在数据包接收时接收器自动增益控制功能一般是打开的，因此有用信号的电平可能比其它无用发送电平低70或80dB。即使发射器信号电平本身并不十分强，但它的宽带噪声可能足够高以至于成为接收器噪声的主要成分。

接收器本振的相位噪声功率在发射器频率偏移处可能有足够大的强度，以至于在由相互混频过程产生的下变频信号中形成共信道干扰。两个共存发射器同时工作产生的非线性可能会在某些禁用频率点形成交叉调制分量，并在功率谱密度足够高的情况下破坏FCC和ETSI对伪宽频产生的限制。同样，发射器谐波分量本身也会干扰更高频率的受限频段和5GHz 802.11a设备。

共存射频之间的隔离是降低发射器阻塞信号电平的最有效方法，但实际操作中由于设备体积小以及天线方向和版图产生的有限隔离效应而使效果大打折扣。在每个发射器上增加滤波装置也许是降低干扰电平的最好途径，但同样会影响材料清单规模和成本。增加滤波装置的另外一个缺点是会极大地影响发射器在指定输出功率点的效率和线性。提高发射器线性可以减少交叉调制分量，但会降低效率，对于便携设备来说也是不可取的。

很多情况下蓝牙和WLAN功能的实现架构包含有物理上分开的基带、RF IC、前端和天线模块。射频部分位于多层PCB的一个独立面，与地层是分开，并被屏蔽。这种方法可以形成最大程度的隔离。共享天线等射频模块虽然可以减少材料，但为了达到规定的隔离度，会给设计增加很大的难度。实际上，在成本、功耗和体积约束条件下将RF很好的隔离是不太可能提供良好的同步操作性能。由于仅依靠射频标准无法实现良好的同时操作射频性能，因此需要依靠制造商引入他们自己在协调和控制双射频方面的专有技术。

共存的协调措施

已有多种专有机制可用来协调射频活动以防止共存设备的同步工作，虽然各自实现的细节不同，但实质上都是采用交互操作的方式，使射频工作看起来仍是同步进行的。这些技术能够满足两个系统的调度和优先级设置要求，并在传送占空比、空闲时间和包类型(数据/信标/寻呼)方面取得平衡点。一个系统在发送数据包的同时另外一个系统就处于空闲状态，反之亦然。最终结果是两个系统都能组织起可靠的通信，并且吞吐量损失可以忽略不计。下面是这些协调方法的三个例子。

双模射频切换是最容易实现的共存机制。这种方法要求一个射频设备在工作时另外一个必须完全停止工作。有两种具体的实现方法。第一种方法要求关闭不工作的射频设备，不得向网络的其它节点发送信号。这种方法的缺点是在某些情况下与不需协调的设备相比可能会降低设备性能。第二种方法是向其它网络节点发出本设备停止工作的信号。据调查此时设备性能要好于关闭射频设备时的性能，但仍要比不受阻碍的射频设备低60%。当蓝牙语音链路在工作时这两种方法都不支持切换。

驱动级发射切换法在驱动器级仲裁设备发送请求，从而避免同时传送的发生。由于同一时刻只有一个射频设备被激活，因此这种方法会影响吞吐量，并引起数据包冲突问题。因此采用驱动级发送切换方法的系统在同时发送一个协议和接收另外一个协议时会发生丢包、干扰和潜在用户难题。由于是双模射频切换，这种方法无法达到足够快的切换速度以支持蓝牙SCO链路，并且很难减少由蓝牙微网络主/从轮询操作引起的干扰。

提供性能接近无干扰水平的最有效方法是MAC级切换。MAC级切换技术是一种协作技术，它在MAC层两个协议间交换信息和管理收发操作。由于MAC级切换是在基带进行的，协议间的切换速度要比驱动级方法快很多。MAC级切换方法不受使信号发送到输入接收端、蓝牙轮询或操作系统延时的影响。

作者：Jeffrey Wojtiuk

系统架构师

SiGe半导体公司