系統(tǒng)性能分析

　　與低頻電路的設(shè)計不同，微波電路和系統(tǒng)的設(shè)計都必須考慮其阻抗匹配問題。其根本原因是低頻電路中所傳送的是電壓和電流，而微波電路中所傳輸?shù)氖菍?dǎo)行電磁波，不匹配就會引起嚴(yán)重的反射。雖然系統(tǒng)采用的藍牙芯片在射頻端內(nèi)置輸入阻抗為50Ω的匹配裝置，因此可直接連接天線而無需匹配。但是在某些特殊場合，周圍環(huán)境并非是自由場，特別是井場控制室，完全是屏蔽室。因此，必須將發(fā)射天線延長到室外或者是相對比較空曠的地方。延長線的使用，會帶來功率損耗、阻抗匹配等問題。

　　傳輸線損耗的主要影響，首先是使導(dǎo)行波的振幅衰減，其次是傳輸線的相位常數(shù)與頻率有關(guān)而使波的傳播速度與頻率有關(guān)，引起色散效應(yīng)。負載與傳輸線之間不匹配，使負載產(chǎn)生反射，因而線上有反射波，負載不能吸收全部入射頻率。對于本文所述的系統(tǒng)來說，傳輸線選用同軸電纜線，天線是負載。當(dāng)傳輸線有損耗時，定義η為傳輸效率，它表示傳輸線輸出和輸入端的傳送功率之比，長為l的傳輸線效率由下式表示：

　　完全匹配時，反射系數(shù)Γl=0，

　　η=e-2αl （2）

　　假設(shè)傳輸線衰減常數(shù)α=0105Np/m，長度l=10m，有

　　η=e-5=-1Np=-81686dB （3）

　　這幾乎是射頻端功放增益的一半。如要獲得很小的衰減系數(shù)，必須采用波導(dǎo)管，這導(dǎo)致成本增加，使用也很不方便。本系統(tǒng)采用的方法如圖9所示，將藍牙射頻信號的傳輸改為基帶信號的傳輸，即將電路與音頻網(wǎng)關(guān)的主機部分分離。藍牙通過連接線將接收到的PCM信號傳輸?shù)揭纛l網(wǎng)關(guān)的PCM編解碼器上。由于傳輸?shù)氖荘CM碼流，利用數(shù)字信號的可再生性，可以以比較小的誤碼率傳輸語音信號。經(jīng)試驗，藍牙收發(fā)模塊的天線采用倒置F型平面天線（PIFA），在使用了20m的普通雙絞線后，語音通話距離在空曠地帶能達到100m，通話質(zhì)量幾乎沒有降低，從而大大簡化天線設(shè)計難度，降低設(shè)計成本。

　　移動通信設(shè)備是用戶隨身攜帶的移動設(shè)備，節(jié)電問題至關(guān)重要。本系統(tǒng)中語音終端的電流消耗如表1所示。

　　本系統(tǒng)中，語音終端為移動設(shè)備，音頻網(wǎng)關(guān)為固定設(shè)備。所以研究語音終端的節(jié)電問題更有意義。經(jīng)試驗驗證，語音終端的電流主要是消耗在藍牙芯片上。完成配對以后，藍牙處于待機狀態(tài)或連接狀態(tài)，由于連接狀態(tài)相對待機狀態(tài)時間較短，所以如何減小藍牙處于待機狀態(tài)的電流消耗就顯得尤為重要。

　　表1　語音終端電流消耗情況

　　從節(jié)電的角度來說，最省電的語音終端應(yīng)該是在被呼叫時才進入工作模式。在沒有被呼叫時處于“睡眠”狀態(tài)，這是節(jié)電的極限情況。設(shè)某語音終端n的第i次被呼開始于Tnis，結(jié)束于Tnie，在討論的時間內(nèi)共有I次呼叫，這種極限節(jié)電狀態(tài)尋呼機的加電時間可表示為

　　事實上，語音終端不可能事先知道Tnis，為此語音終端應(yīng)以一定的時間間隔進行掃描以便及時響應(yīng)網(wǎng)關(guān)的呼叫。定義固定的時間間隔為掃描間隔Tinv，掃描持續(xù)時間稱為掃描窗口Twin，則有Tinv≤Tnie-Tnis，且Twin≤Tinv。假定呼叫持續(xù)時間Tnie-Tnis是掃描間隔的整數(shù)倍，則在語音終端n的第i次被呼周期內(nèi)經(jīng)歷的掃描周期的個數(shù)N和掃描持續(xù)時間Tscan可表示為

　　若定義一次呼叫周期內(nèi)總的掃描持續(xù)時間與呼叫持續(xù)時間的比值為語音終端的節(jié)電效率，并用ηp表示，則有

　　CSRBC02藍牙芯片定義Tinv和Twin必須是時間長度625μs的時隙的整數(shù)倍，且滿足11.52ms≤Tinv，Twin≤2156s。取Tinv=2.56s，Twin=11.52

　　ms，有

　　ηp=0145% （8）

　　圖10所示為語音終待機時的電流消耗。

　　雖然理論上可以獲得很高的節(jié)電效率，但實際中由于藍牙自身的機制，在掃描窗口以外的時間內(nèi)不可能完全不消耗電流。因此減小藍牙處于待機狀態(tài)的電流消耗也十分重要。CSRBC02提供了一種非常有效的節(jié)電模式———休眠模式。如果使能休眠模式，藍牙在沒有連接時，只要條件滿足就自動進入該模式。為了讓藍牙進入休眠模式，程序設(shè)計上應(yīng)避免使用時間長度小于100ms的定時器。因為使用時間長度小于100ms的定時器會使得藍牙芯片需要等待而無法進入休眠模式。同時，應(yīng)關(guān)閉主機接口（UART，USB等）。任何通過主機接口傳遞的消息都會阻止藍牙芯片進入休眠模式。

　　經(jīng)試驗證明，不使能休眠模式時，語音終端處于待機狀態(tài)時的平均電流消耗比使能休眠模式時高5～6mA。

　　為了進一步降低語音終端的電流消耗，設(shè)計時還應(yīng)采用功耗較低的電壓器件，例如功耗較低的指示燈、電源芯片、功放芯片等。

　　結(jié)語

　　本文所述的應(yīng)用于石油井場的語音通信系統(tǒng)，通過采取抗壓防爆等措施，完全可以克服井場電壓不穩(wěn)、電磁干擾強、環(huán)境惡劣等因素。系統(tǒng)設(shè)計上充分挖掘藍牙的跳頻擴頻技術(shù)和語音傳輸能力，采用簡化天線設(shè)計和多種節(jié)電措施，使得系統(tǒng)具有語音質(zhì)量好、兼容性好、功耗低、抗干擾能力強的特點，實現(xiàn)了無線個域網(wǎng)內(nèi)語音終端與音頻網(wǎng)關(guān)之間點到點、點到多點的語音通信。經(jīng)現(xiàn)場試驗，通信范圍可達100m，是VoWPAN技術(shù)的典型應(yīng)用。通過與南京新華夏科技開發(fā)公司合作，目前該系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于中石化各石油局，部分已遠銷俄羅斯、南美等地區(qū)。

　　系統(tǒng)無需修改即可應(yīng)用在醫(yī)院、家庭、辦公室等場合。但VoWPAN目前還處于起步階段。要真正讓越來越多的人接受VoWPAN，必須向用戶提供更低的總擁有成本、更高的網(wǎng)絡(luò)利用率、更大的操作靈活性以及能夠吸引人的新服務(wù)等。BluetoothSIG正致力于推出諸如智能電話控制（advanced phone control）、電話簿信息（subscribe rnumber information）、電話簿接入（phone book access）等更加智能和方便的新應(yīng)用框架。