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    WiFi產品的一般射頻電路設計

    I. 前言

    這是一篇針對性很強的技術文章。在這篇文章中,我只是分析研究了Wi-Fi產品的一般射頻電路設計,而且主要分析的是Atheros 和Ralink的解決方案,對于其他廠商的解決方案并沒有進行研究。

    這是一篇針對性很不強的技術文章。在這篇文章中,我研究,討論了Wi-Fi產品中的射頻電路設計,包括各個組成部分,如無線收發器,功率放大器,低噪聲放大器,如果把這里的某一部分深入展開討論,都可以寫成一本很厚的書。

    這篇文章具有一般性。雖然說這篇文章主要分析了Atheros和Ralink的方案,但是這兩家廠商的解決方案很具有代表性,而且具有很高的市場占有率,因此,大部分Wi-Fi 產品也必然是具有一致或者類似的架構。經常瀏覽相關網站的人一定知道,在中國市場熱賣的無線路由器,無線AP很多都是這兩家的解決方案。

    這篇文章具有一定的實用性。這篇文章的編寫是基于我們公司的二十余種參考設計電路,充分吸收了參考設計的精華,并提取其一般性,同時,本文也重在分析實際的電路結構和選擇器件時應該注意的問題,并沒有進行深入的理論研究,所以,本文具有一定的實用性。

    這篇文章是我在自己的業余時間編寫的(也可以說我用這種方式消磨時間),如果這篇文章能夠為大家的工作帶來一點幫助,那將是我最高興的事。

    由于時間有限,編寫者水平更加有限,錯誤之處在所難免,歡迎大家批評指正。

    第1章. 射頻設計框圖

    做技術的,講解某個設計的原理時,都會從講解框圖開始,本人也不例外,先給大家展示一下Wi-Fi產品的一般射頻設計框圖。

     

    如圖1-1所示,一般Wi-Fi產品的射頻部分由五大部分組成(這是我個人的見解,不同的工程師可能會有不同的想法),藍色的虛線框內統一看成是功率放大器部分。無線收發器(Radio Transceiver)一般是一個設計的核心器件之一,除了與射頻電路的關系比較密切以外,一般還會與CPU有關,在這里,我們只關注其與射頻電路相關的一些內容。發送信號時,收發器本身會直接輸出小功率的微弱的射頻信號,送至功率放大器(Power Amplifier,PA)進行功率放大,然后通過收發切換器(Transmit/Receive Switch)經由天線(Antenna)輻射至空間。接收信號時,天線會感應到空間中的電磁信號,通過切換器之后送至低噪聲放大器(Low Noise Amplifier,LNA)進行放大,這樣,放大后的信號就可以直接送給收發器進行處理,進行解調。

    在后續的講解中,我會將圖1-1中的各個部分逐個展開,將每一個都暴露在大家眼前,也會詳細講解每一部分的設計,相信大家在認真仔細的閱讀這篇文檔之后,就可以對射頻的各個組成部分有一個比較清晰的認識。

    第2章. 無線收發器

    我把無線收發器(在本章的以下內容中簡稱收發器)放在了第一個模塊,主要原因就是因為,它一般會是一個設計的核心器件之一,有的時候還可能集成在CPU上,就會是一個設計中的最重要的芯片,同時,理所當然,收發器的重要性決定了它的外圍電路必然很復雜,實際上也是如此。而且,如果沒有參考設計,完全由我們自主設計的時候,這顆芯片也是我們應該放在第一優先的位置去考慮,這顆芯片從根本上決定著整個設計的無線性能。這樣,這一部分的設計講解起來會比較困難,可是還是想最先講解這里。

    收發器通常會有很多的管腳,在如圖2-1中,我只給出了射頻電路設計時會關注的管腳,可以看到,有幾個電源管腳,數字地,模擬地,射頻輸出,功率放大器增益控制,功率檢測,溫度檢測,射頻輸入,低噪聲放大器增益控制,發射、接收切換等管腳,在接下來的內容中,我會把這些管腳分模塊逐個講解。

     

    2.1. 無線收發器芯片的技術參數

    不同的設計,收發器一般會很不一樣,我們大多數時候都不會想著去更換它。一般我們選用收發器,會直接按照參考設計進行,盡管如此,我還是像從一個研發人的角度出發,說一說,在選擇無線收發器時應該關注的一些參數(射頻電路相關的參數)。

    2.1.1. 協議,頻率,通路與傳輸速率

    在收發器的Datasheet中,一般會在開始的幾段話中就指出該芯片支持哪些協議,工作在什么頻率上,幾條通路(也就是幾發幾收),我們公司目前的主打產品設計都是支持802.11n的。這三項參數的重要性想必不用我說,大家也應該體會得到,它們參數決定著最終的產品的功能。

    一段典型的描述如:The Atheros AR9220 is a highly integrated single-chip solution for 2.4GHz and 5GHz 802.11n-ready wireless local area network (WLANs) that enables high-performance 2×2 MIMO configurations for wireless stations applications demanding robust link quality and maximum throughput and range.

    從這段描述中,我們可以知道,AR9220支持802.11n草案(一般來說都會兼容802.11b/g)。同時,AR9220也支持雙頻,2.4GHz和5GHz,這樣,我們就可以得知,它也支持802.11a。2×2 MIMO說明AR9220是二發二收(2T2R)。

    傳輸速率和協議及通路密切相關,感興趣的同事可以查閱相關資料。

    從AR9220的Datasheet中我們可以得知,20MHz帶寬,最高傳輸速率可以達到130Mbps,40MHz帶寬時,最高的傳輸速率可以達到300Mbps。

    2.1.2. 調制方式

    調制方式和傳輸速率是密切相關的,不同的傳輸速率對應著不通的調制方式。芯片支持的調制方式一般會在Datasheet的特性描述中給出。例如,AR9220支持的調制方式有BPSK,QPSK,16QAM,64QAM,DBPSK,DQPSK,CCK。

    2.1.3. 時鐘頻率

    時鐘頻率,時鐘頻率包括兩種,收發器外接晶振的頻率和內部倍頻后的工作頻率,這項參數同樣應該是我們關注的。

    2.1.4. 輸出功率

    有一個現象我一直也弄不清楚,為什么在收發器的Datasheet中不給出其發射功率?這項參數對于我們RF工程師是很重要的,因為這項參數決定著后續功率放大電路的設計,我們要保證收發器的輸出功率足以驅動功率放大器,這樣,我們才能夠設計合理有效的放大器。

    2.1.5. 接收靈敏度

    和輸出功率一樣,收發器接收靈敏度這項參數也不會在Datasheet中給出,在實際的設計過程中,有了這項參數,我們才能合理地設計低噪聲放大器的放大倍數,才能保證低噪聲放大器的輸出可以被收發器有效的接受。

    2.1.6. 射頻接口

    這項參數關系著我們后續的射頻電路的結構。一般來說,收發器應該具有的射頻輸入管腳包括:射頻輸出管腳,功率放大器增益控制管腳,功率放大器輸出功率檢測輸入管腳,低噪聲放大器增益控制管腳,切換器收發控制管腳,一般Ralink的方案還會有PA溫度檢測管腳。

    2.1.7. 供電電壓與功耗

    從全局的角度看,供電電壓與功耗同樣會是我們不得不關注的技術參數,這兩項參數關系著電源電路的設計和散熱的設計。

    2.2. 差分射頻信號的處理

    2.2.1. 收發器本身具有的管腳

    對于射頻信號,為了增強收發器的抗干擾能力,一般會采用差分信號的處理方式,也就是說,收發器會以差分形式將信號發送出去,同時外部電路也必須為收發器提供差分射頻信號的輸入。如圖2-2所示,紅色方框內的四只管腳就是這個收發器的差分射頻信號的輸入,輸出管腳,也是最重要的射頻信號管腳。

     

     

     

    關鍵字: 瑞貝斯   微波器件 毫米波器件  微波電纜  毫米波電纜

     

    蘇州瑞貝斯電子科技有限公司是由在射頻微波領域有著極其豐富研發技服經驗的團隊骨干共同組建,是一家專業從事射頻微波電纜,連接器及射頻微波元器件的研發、生產、銷售及提供射頻解決方案的高科技企業, 致力服務于軍工、航空航天、射頻微波通信、石油勘探及工業控制設備、移動通信基站、衛星通信、醫療設備、汽車、雷達及儀器儀表等領域。  

     


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