|
| 出处：嵌入式技术网 时间： 2007-11-15 |
|
在过去的两年里，WLAN在高新技术市场领域可谓星光熠熠。由于802.11b技术通过低成本和简单易用的产品提供了高达11Mbps的无线以太网连接能力，企业和家庭用户迅速的接受并采用了802.11b。几家OEM制造商甚至在802.11b标准最终出台之前就推出了WLAN产品，尽管这种做法使得各种早期的产品之间出现了不兼容问题，但随着消费者对互通性产品的需求的增加以及供应商们严格的遵守互通性要求、遵守最终形成的标准和WiFi联盟的认证，使得互通性问题得到了解决。后来，业界对WLAN更高性能的不断追求导致了802.11a标准的诞生。同802.11b相比，802.11a能够在更窄的网络带宽内以54Mbps的高速度进行数据传输，因此提高了频宽利用率。可是一开始，市场并不接受802.11a，因为它采用了截然不同的5.2GHz频段，而早已在市场上广泛运营的802.11b网络是在2.4GHz频段。因此，仅仅持有802.11a网卡的用户就不能够与市场上已经运营的超过2,000万个b的接入点进行通信。
最新的WLAN技术标准是802.11g，IEEE计划在2003年年中确定其最终的标准规范，WiFi联盟也计划在2003年夏天结束之前完成互通性测试以及最终的产品认证。同以前一样，g的最终标准还没有出台，一些供应商就迫不及待的向市场推出了g的产品。而这些产品很可能会与最终标准出台后的产品不相容，势必将拖慢整个市场前进的步伐。同以前的b和a相比，802.11g有许多重要的性能改善，例如具有更快的数据传输速度、可象a那样具有强健OFDM功能、可以象b那样运行在同一个无须取得授权的开放性ISM频段等等。实际上，与b产品的后向兼容性并非仅仅是g产品可能具有的功能，而是g标准中一条重要的规定。
对于设备OEM和ODM 而言，WLAN技术从b演进到a、再演进到g，令他们有机会推出满足不同标准的产品；而运营商和消费者出于对已有投资的保护，不愿频繁的更新已有的系统或设备。这导致了WLAN产品出现了多种产品类型，包括：
※ 仅支持g标准的产品：对于普通消费者和家庭市场而言，采用硅架构的g设计应该是具有市场前景的低成本方案。因为这个市场的用户并不在意终端产品是否会与a基站相兼容；当终端是混合性的g和b技术产品时，他们也不关心网络性能的高低；更不需要支持大量的终端节点。
※ 融合性或双模式的产品(a+b)：这种产品允许两个网络同时运行，相互之间不产生干扰。因此为企业用户提供了a 所具有的高性能，同时也后向兼容了b。
※ 多模式产品(a+b+g)：这些产品将为客户提供最佳的性能体验。多模式产品由于能够根据系统容量、信道负载以及用户收发信息的组成部分，在a、b或g网络间进行动态的选择或切换，因此为用户提供了无缝的WLAN网络接入能力。多模式产品使得客户能够充分利用g具有的大覆盖特性和a所支持的更高用户密度。而且，由于g标准在2.4GHz和5.2GHz两个频段中都可使用，企业终端节点就可以在这两个频段之间更加平滑的切换。多模式产品除了能够给企业用户提供如此多的优点外，如果其产品网络的结构被合理设计和建设的话，在成本上也不会输于单模式或双模式的产品。从这种意义上来说，多模式产品很可能成为设备OEM 、ODM和IC供应商注目的焦点。
最新的WLAN芯片组使上述的多种产品组合成为可能，但OEM和ODM 仍然面临艰苦的抉择，因为IC和方案供应商们已经分化选择了不同的技术道路，而不同的无线架构对多模式WLAN网络系统的整体性能、操作易用性、体积大小和功耗，都将产生直接的影响。因此，半导体公司们必须为无线系统集成商提供最好的技术，以帮助他们将多模式产品的总体成本降到最低。
IC供应商们总是在性能、成本和产品上市时间这三个问题之间权衡着，而系统集成商的各种设计考虑也与IC供应商的各种设计考虑交织在一起，彼此之间相互影响，使整个WLAN市场变得复杂化。下面是四个主要的设计考虑：
1.低中频与零中频架构
射频接收器前端传统上是基于外差式或超外差式架构的，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用到大量的分立元件，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，这使得信道的滤波功能可通过选择直接转换和超低中频(VLIF)架构来推向更低的频率，直接转换也叫做零中频(ZIF)。
在选择接收器方案时，除了价格,器件排布和器件数目外，还需要仔细检验接收器的性能，系统兼容性及集成的难易程度。设计者必须认真考虑的一个问题是零中频射频架构是否最满足无线数据系统的要求，还是在超低中频架构能更好的满足系统性能和应用要求时。
零中频主要的优点就在于成本。这种架构已经被证明是一个不错的选择，它能够降低离散滤波的要求，减少电路板面积、元器件数量和系统功耗，也为降低成本和加快产品上市指明了方向。另外，零中频在射频端为镜像信号抑制和中频信道选择减少了昂贵的射频滤波器件，提高了系统的集成度。
零中频架构已经在基于补码键控(CCK)调制技术的802.11b设计中得到了检验。这种接收器由于去除了整个中频滤波，因而具备了一些独特的重要性能，如灵敏度和线形。由于射频信号可直接转换到基带中，信号的增益放大和滤波就能在直流处实现。另外，由于本地晶振(LO)与输入信号的频率相同，信号能在输入信号的直流分量中找到。在这个过程中，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LO信号泄漏被送至混频器的射频前端、并紧接着被下变频时，也会产生直流偏移问题。为了防止信号受到这些直流偏移的影响，必须采取措施确保信号频率的组成部分之间没有交迭。固有的直流偏移可通过精心的布线和布板技术以及校准电路来解决。精确的模拟电路设计技术能把电路偏移降到最小，并为解决剩余的偏移问题打下坚实的基础。
超低中频架构
为了把802.11的数据传输速率提升到54Mbps，正交频分多路复用(OFDM)技术被引入到WLAN中，以提高频谱效率和信道吞吐量。因为OFDM可将高速信号分解成64个子信道，各个子信道的载波相互正交，导致频谱相互重叠，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。于是，一个54Mbps的信号能通过带宽为20MHz的信道发送出去。尽管OFDM可提供的高速度和高效率，但高级处理算法它却需要高速计算，这就增加了零中频架构设计的难度。VLIF或近零中频架构具有很多零中频的优点，却没有零中频架构的直流偏移问题。VLIF接收器使得OFDM高速子信道滤波工作能在数百个KHz级的窄频段执行，从而实现了没有直流偏移问题的零中频架构才具有的高性能。
I/Q型下变频混频器抑制射频镜像信号的工作，这可由正交下变频或双正交下变频交换器来实现。信道选择是由多相滤波器执行的，这种多相滤波器也能抑制由直流产生的,最终下变频信号的镜像信号，同时还可降低对A/D转换器的动态范围要求。
要想得到理想的OFDM射频设计，关键是要在各LO信号之间制造宽带的90度相移，还要在每一个信道中匹配信号链路的增益和相移。在802.11a/g应用中，VLIF的这种数字化处理方式产生的功耗普遍要低于零中频产生的功耗。另外有悖于流行的观点，我们的经验却表明，对快速信号子信道而言，VLIF更具效率。
高效的高速AD转换器可通过管线技术来实现，但它又会产生延迟。这种延迟在理论上是被忽略不记的，然而恰恰是这种延迟会显著增加零中频 AD转换器的功耗。因此基本上，AD转换器必须以两倍于理论值的速率来进行采样，以便能及时得到数据进行报头(preamble)处理。
VLIF就不存在延迟问题，因为VLIF的采样速率已经足够高了，数据能够及时的从AD转换器中出来进行报头处理。因此典型的VLIF设计只需采用一个AD转换器，而零中频则需要两个。
2.双频段收发器与单频段收发器
支持a、b和g标准的多模式WLAN产品，既可将2.4GHz和5.2GHz两个射频做在一个单芯片上，也可做成分离的双射频芯片。出于终端应用、市场要求和产品上市时间的考虑，各种配置以及芯片组之间的隔离决定了最具效率的架构。例如，尽管802.11g标准还没最终敲定，一些IC供应商就采取把2.4GHz与5.2GHz收发器进行隔离设计的办法，使产品提前上市了。这种做法使得很多这类的产品在标准出台后就被迅速淘汰了，或者产生很多互通性问题。其中，典型的设计是一个单芯片基带处理器加上两个双频段分离的、集成有MAC的射频收发器，上层协议栈具有的网络监控功能使得该设计能够自动搜寻可匹配的网络。
另一种方法是把两个射频集成进单芯片中，即单芯片的双频段收发器。这种方法具有许多优点，包括能降低成本和产品体积、减少屏蔽要求、减少了相关的元件数量以及降低了功耗等等。双频段收发器能显著的节省芯片的面积，使得多模式系统的成本与单模式g系统的成本几乎相同。通常情况下，射频IC是同许多分立元件一起工作的，因此单芯片几乎能节省50%的物料清单。同前面的分离式双芯片一样，单芯片中的上层协议栈也具有网络监控功能，使得单芯片也能自动的搜寻可匹配的网络。因此，一个NIC卡就可支持2.4GHz或5.2GHz中的任意一个，但出于成本因素不能同时支持这两个频段。
3.CMOS与BiCMOS工艺技术
CMOS是数字逻辑电路的主流工艺技术，但CMOS技术却不适合用在射频和模拟电路中。因此，BiCMOS仍然是射频系统中应用最多的工艺技术。
系统和最终的产品体现了最佳的价值取向。高速度的BiCMOS能够大力驱动双极器件，而CMOS具有高密度，低功耗和低成本优势。工程师至今仍然在许多射频应用中采用BiCMOS技术，是因为同CMOS晶体管相比，采用双极晶体管设计的芯片体积更小，性能也更优异。设计中经常出现"更多即是更少"这一现象。例如，某个半导体供应商采用0.25微米的BiCMOS工艺技术把射频裸片的体积作到相当的小，同时得到了更高的集成度和性能；而其竞争者尽管已经能够采用更小尺寸的CMOS线刻技术，但所生产出的射频芯片的体积却要大的多。
典型射频芯片设计的总体成本大致分为三个部分：1/3的裸片、1/3的测试以及1/3的封装。生产会对射频产品的成本产生巨大的影响，因为射频测试通常只是在封装时才执行，而CMOS数字芯片在封装之前会有相当烦琐的晶圆测试阶段。因此一个坏的裸片不仅会降低晶圆产量，也会增加封装和测试成本。这意味着BiCMOS/SiGe最小的产量优势也比RFCMOS具有相当的成本优势。
有些人会争论说，如果芯片大小与产量问题能够解决的话，CMOS射频芯片要比BiCMOS/SiGe芯片便宜。这个观点的基础是认为射频CMOS晶圆相对便宜，然而事实并非如此。一般而言，CMOS线刻技术的进步对射频电路贡献较少，因此具有竞争力的射频方案通常采用的技术都落后于最新的数字CMOS技术两代甚至三代，而其单位面积成本仍然具有相当的成本优势。换句话说，最新CMOS技术的单位面积成本，要比落在其后两代或三代的BiCMOS技术的单位面积成本要高40-100%。
举例来说，最近研发出来的多模式射频器件就采用了BiCMOS技术。它能够在2.4GHz和5.2GHz频段运行，支持IEEE802.11a、b和g多模式标准。BiCMOS技术还能够在单芯片的双频段收发器上集成更多的电路，包括电容、电阻、电感、高性能滤波器、压控晶振、调节器、可编程增益放大器以及与基带处理器相连的接口器件。这种高度集成和BiCMOS工艺的优势结合在一起，使得射频和基带信号间的频率转换更有效率，芯片的面积也降到最小。也就是说，BiCMOS技术在面积相对更小的裸片上实现了更低的单位面积成本。
4.隔离措施
尽管单芯片的设计看起来象是无线收发器的终极解决方案，但对于高性能应用而言，仍然有很多因素导致不可能将整个收发器电路集成到一个裸片上。例如，射频收发器前端所需要的元件就很难被集成在单芯片上。作为变通的方式，一些半导体制造商采用多芯片模块(MCM)技术来解决这一问题，他们将射频、基带、功率放大器和一些无源器件集成到单一的封装里，然后通过一个数字信道与多模式WLAN MAC相连接。
事实上，现有技术已经能够将MAC和PHY集成到单一裸片上(杰尔在10年以前就采用类似的方法设计了手机芯片组)，尽管并非所有的供应商都这么做。分离MAC的好处是支持其他的MAC应用，新颖的MAC还支持很多特殊的应用，例如娱乐或VoIP，以及针对嵌入式应用将MAC功能集成到系统级ASIC当中。射频+基带封装(或者PHY)的好处包括简单应用性(无需精巧的射频设计)、在集成的PHY和MAC之间具有一个数字信道、产品体积更小，这些特点使得它能够被应用到最新的GPRS+WiFi手机和PDA当中。
最后，IC设计者和系统设计者在权衡所有的利弊后，设计出的产品除必须满足802.11a和g标准外，还必须随着不断变化的环境和用户要求不断调整。因此，OEM和ODM在选择元器件时，要认真考虑这些元器件是否能够满足他们对系统强健性能、系统支持、紧密的开发周期和成本要求，同时又能保持和其它WiFi认证产品的兼容性。
|
| 【关闭】 【打印】 |
|
|
|
|
