近两三年来,基于IEEE 802.11标准的无线局域网(WLAN)技术获得了业界广泛的支持,并应用于企业、家庭和热点等应用领域。802.11的成功基于以下因素:
- 强大的调制方案和随机存取协议可提供几乎没有错误的数据传输;
- 工作在开放频段;
- 较低的接入点和终端成本。
市场上的首台802.11产品基于直接序列展频(DSSS)调制技术,分别使用BPSK和QPSK实现1
Mbps 和 2Mbps的数据传输速率。后来推出的802.11b产品采用补码键控(CCK)调制技术,通过BPSK 和 QPSK技术将数据传输速率分别提高到5.5Mbps 和 11Mbps。DSSS 和 CCK都是802.11b标准的一部分,使用全球分配的2.4GHz频段。另一新标准是802.11a,它采用截然不同的调制方案---正交频分多路复用(OFDM)技术,通过64-QAM调制技术将数据传输速率提高到54Mbps。802.11a标准使用5Ghz频段。鉴于在2.4Ghz频段上提供11Mbps以上速率的需求,IEEE标准机构推出了802.11g标准,它基本上是工作于2.4GHz频段的802.11a调制方案。但为了支持采用2.4GHz频段的CCK/DSSS 和OFDM调制解调器之间的互操作性,IEEE标准机构采用了基于请求发送/清除发送(RTS/CTS)信号的保护机制。当前推出的Wi-Fi解决方案,可同时支持上述三个无线局域网标准,称为多模式802.11a/b/g。
半导体解决方案提供商采用各种不同方法生产这些新技术产品。无线系统架构继续在确定上述解决方案的总体成本、性能、功能、大小和功耗等性能方面,起着关键性作用。半导体厂商面临着为无线系统集成商提供最佳技术的挑战,这些集成商不愿为802.11a/b/g多模解决方案支付额外费用。设计成功解决方案的关键在于:确定和选择适当的构架解决影响射频(RF)IC、基带数字信号处理器(DSP)及媒体访问控制器(MAC)之间的因素,上述三个部件共同构成无线局域网芯片集。
实际上,将射频与DSP子模块分别进行独立优化,已不再是设计多模式802.11方案的有效途径。在过去的无线系统中,数据传输速率非常低,以致于不需要对第二级射频损耗进行补偿。但是,现在的射频系统为了得到更高的数据传输速率,采用了非常密集的同相/正交调制器(I-Q constellation)。因此,射频架构需要将具有更高信噪比(SNR)的信号传送给数据检波器。通过采用主动的失真消除技术,射频+DSP子系统就能满足系统数据吞吐量、覆盖范围及成本的苛刻要求。
Wi-Fi射频的演进历程
我们可通过WLAN标准的演进,来了解更高传输速率的需求如何推动无线架构的发展。在早期WLAN(广域网)从1-2 Mbits/s演进到5.5-11 Mbits/s的过程中,射频IC架构也从使用分立元件,演进到使用分立元件与IC相集成的方案,并支持零中频(ZIF),也称为直接转换射频。但调变符号集(constellation)的大小在很大程度上都是一样的,都采用了BPSK(1bps
/Hz和5.5Mbps)和QPSK(2Mbps 和 11Mbps)调制技术,DSP的设计挑战则逐渐演进到需要支持补码键控(CCK)调制,而不是早期的直接序列扩频技术(DSSS)。为达到54Mb/s的数据传输速度,采用64-QAM调制技术(6bps/Hz)的正交频分多路复用(OFDM)技术被引入到WLAN中。这一演进在设计领域引起某些有关最佳射频架构的争论。
射频子系统SNR成为制约设计的重要因素。数据检波器所得到的最终SNR由下列因素决定:
- 注入到发射机中聚合的噪声和失真,包括各种热噪声、相位噪声、1/f噪声、量化噪声、本振(LO)的信号泄漏和功率放大器(PA)失真；
- 数据在无线媒介中传输时发生的瑞利衰减(Rayleigh fading)和路径损失。
- 注入到接收机端的噪声(热噪声、相位噪声、1/f噪声等),加上由于频率、直流偏移及
I/Q不均衡的影响,接收机也会有失真,因为临近信道之间的信号可能会产生信号削波和干
扰。
所有的这些噪声和失真都降低了数据检波器所得到的信号的质量。如果最终的SNR值小于既定的目标值,DSP就需要进行失真消除。SNR目标值是采用Monte Carlo仿真技术确定的---Monte Carlo仿真技术统计分析射频损耗对系统性能产生影响-SNR目标值通常由调变符号集大小、编码速率和信道的不同顺序决定。
设计挑战
基于上述原因,要想设计和实现OFDM射频架构,就必须了解整个噪声的来源以及噪声会对射频与DSP部分造成的各种失真。在速率为6Mb/s时,SNR受热噪声的限制多,而受信号失真的限制少；而当速率为54Mb/s时,SNR受失真的影响要更多些。射频架构的不同,对SNR具有重要的影响,因为如果没有某些程度的失真补偿和校准,54Mb/s的OFDM射频架构就不能达到所要求的性能。所要求的校准精度取决于:1)射频架构是属于VLIF、ZIF架构,还是超外差架构；2)射频IC所采用的半导体制造工艺是CMOS、BiCMOS,还是SiGe工艺(如SiGe材料的固有噪声无疑比CMOS要低很多)。所需要补偿的程度,反过来又将影响整体系统的物料成本(通过增加裸片大小和off-chip过滤)、整体设计的功率耗散、整体方案的性能、各种运营模式下整体方案的稳定性,以及设计对制造偏差的冗余度。
射频接收器前端传统上基于外差式或超外差式架构,这种架构通过一个或多个中频阶段来达到不错的选择性和灵敏度。可是,典型的外差式或超外差式射频电路需要大量的分立元件,这将增加系统集成的难度。大规模市场应用要求WLAN系统向低成本架构发展,这就使信道的滤波功能可通过选择ZIF或VLIF架构来推向更低频率。
选择ZIF架构还是VLIF架构,应该取决于想要实现的信号噪声畸变比(SNDR)、射频系统想要实现的最小灵敏度,以及相邻信道/阻塞性能。杰尔的WaveLAN系列方案在同一产品中包含了两种架构,并表现出下面几种不同的设计挑战:
- I/Q不平衡 -对ZIF架构而言,接收机的I/Q不平衡一直是个问题。为了避免不均衡的发生(如串扰),同相分量(I)与正交分量(Q)之间需要相互正交(分别呈90度),这在集成的收发机中很难实现。ZIF架构灵敏度较差却具有较高的可选性,而VLIF具有较高的灵敏度但架构相邻可选性较差。
- 频率偏移 - RX 和 TX射频之间的频率偏移会导致OFDM信号中载波的相互干扰和相位偏移。再加上直流(DC)偏移和频率偏移,会进一步导致信号失真,使直流偏移溢出邻近的频率仓。而VLIF架构可在快速热欧姆转换(FFT)前消除直流偏移,只需要解决邻道干扰问题。在ZIF和VLIF接收机中,都要求具备频率偏移的修正电路,以降低邻道干扰(ICI)的影响。
- 直流偏移 —由于直接转换将射频信号直接转换到基带中,信号主要的增益和滤波就在直流到信号带宽中的频段中。在这一过程里,信号链路固有的直流偏移会无意中被放大,反过来会降低电路的动态范围。另外,当某些信道内的本振(LO)信号泄漏被送至射频前端并自行混合时,也会产生直流偏移问题。VLIF架构就没有直流偏移的问题。
- 1/f噪声-由于具有较低的频率,ZIF架构除存在直流偏移的问题外,还面临同样的1/f 噪声问题。尤其是当射频IC采用了CMOS工艺技术制造的时候。
- 本振相位噪音-ZIF 和 VLIF架构都存在本振相位噪音的问题。OFDM调制对于相位噪音十分敏感,尤其是使用64-QAM调变符号集时。为抑制由相位噪音导致的相位旋转,OFDM调制采用导频音来持续跟踪相位偏移,并最终补偿数字化信号。
在射频预案中模拟信号损失对系统性能的影响,对于量化分析与架构选择相关的各种问题至关重要。为使系统性能更加可靠,WLAN设计界需权衡考虑系统性能及DSP算法和射频损耗对其产生的影响。
未来发展展望
如果要在2.4GHz和5.2GHz两个频段中都实现54Mb/s无线通信的同时,还能达到给定的SNR要求,覆盖范围就会非常有限。在通常情况下,这也是不能完美实现企业级WLAN应用的关键障碍。图1阐释了接收信号的强度(数据检波器的SNR)随瑞利衰减(Rayleigh fading)的变化情况。当前正在研究的一项有关未来WLAN系统的创新技术采用多入多出(MIMO)配置。如图1所示,这种方法的好处在于,除了能潜在地增加系统数据吞吐量外,采用MIMO技术的WALN系统还能增加覆盖范围。一个双天线接收机系统能在接收机DSP输入端提供更高的SNR水平,同时还能减少信号衰减的程度。
其中一种可能的MIMO配置采用双天线WLAN接入点和单天线接收机(参见图2)。在接收模式中,时分复用(TDD)接入点可采用最高比结合(MRC)算法,发射模式能采用最高比发射(MRT)算法。这一配置的优点在于,不需要改变802.11a/g标准,也无需对已安装的用户设备进行任何改变,就能实现产品之间的相互兼容和应用的顺利展开。
随着对高带宽应用如HDTV信号传输需求的增加,未来的Wi-Fi射频很可能以OFDM技术为支柱,但也有一点变化,那就是将采用MIMO技术来扩展覆盖范围和带宽(参见图3)。实际上,正确采用校准双天线改善了SNR(信噪比),使未来的WLAN系统能在增加的信道吞吐量和覆盖范围之间动态切换。并且当用户在接入点所覆盖的范围内移动时,能够动态调节信道吞吐量。
作者:Syed Aon Mujtaba博士
杰尔系统Wi-Fi系统工程总监
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