WLAN射頻優(yōu)化的解決方案設(shè)計詳解

本文回顧了WLAN標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.11的發(fā)展歷程，對其發(fā)展趨勢做出了判斷。結(jié)合到WLAN在智能手機(jī)中的具體應(yīng)用對射頻單元提出的新的要求，恩智浦半導(dǎo)體公司(NXP)將提供新的射頻解決方案，完全滿足WLAN最新標(biāo)準(zhǔn)對射頻電路的要求。2010年以來，智能手機(jī)市場穩(wěn)步增長。而智能手機(jī)一般都提供了無線局域網(wǎng)(WLAN)的連接，這為WLAN射頻單元提供了廣闊的市場前景。WLAN的標(biāo)準(zhǔn)自1997年發(fā)布以來，為了提升傳輸速率和吞吐量，對物理層協(xié)議進(jìn)行了補(bǔ)充，對射頻單元的工作頻率、性能和復(fù)雜度都有新的要求。

WLAN的歷史和發(fā)展趨勢

無線局域網(wǎng)(WLAN)是基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)、使用免費的ISM頻段射頻資源實現(xiàn)的局域網(wǎng)絡(luò)連接。IEEE 802.11的第一個版本的標(biāo)準(zhǔn)由IEEE在1997年制定，該標(biāo)準(zhǔn)定義了媒體訪問控制層和物理層。其中，物理層定義了工作頻率為2.4GHz的ISM頻 段，總數(shù)據(jù)傳輸速率為2Mb/s。

1999年，IEEE 802.11增加了兩個補(bǔ)充版本IEEE 802.11a和IEEE 802.11b，其中IEEE 802.11a定義了5GHz上的ISM頻段，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)54Mb/s;而IEEE 802.11b則仍工作在2.4GHz的ISM頻段，但傳輸速率可達(dá)11Mb/s。2003年，IEEE為WLAN的物理層作補(bǔ)充，發(fā)布了IEEE 802.11g。該版本仍采用2.4GHz頻段，但傳輸速率提高到54Mb/s。2009年，IEEE再次對物理層補(bǔ)充，推出了IEEE 802.11n。該標(biāo)準(zhǔn)支持2.4GHz和5GHz兩個頻段，同時可采用雙倍帶寬40MHz，支持多入多出(MIMO)技術(shù)。理論上，其最高的傳輸速率可達(dá)600Mb/s(達(dá)到該速率要同時滿足64QAM調(diào)制、5/6編碼速率、40MHz信道帶寬、400ns的保護(hù)間隔、采用4個空間串流，以及每個串流速率為150Mb/s)。

2014 年1月，作為IEEE 802.11n的升級，新版本IEEE 802.11ac獲得通過，該版本采用5GHz頻段，可提供更高吞吐量(指成功接收數(shù)據(jù)的速率)的WLAN服務(wù)。IEEE 802.11ac具有更寬的射頻帶寬(相對于IEEE 802.11n的40MHz帶寬，IEEE 802.11ac提供至少80MHz、最高160MHz的帶寬)，具有更多的MIMO空間串流(最多8路)，并支持下行多用戶多入多出(MU- MIMO)，以及更高級的256-QAM數(shù)字調(diào)制。因此，IEEE 802.11ac具有更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，在256QAM調(diào)制、5/6編碼速率、160MHz帶寬、400ns保護(hù)間隔的情況下，每個串流可提供最高 866.7Mb/s的傳輸速率。

此外，為實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)吞吐量，2013年WiGig組織并入了WiFi聯(lián)盟。WiGig致力于推廣IEEE 802.11ad標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)采用60GHz頻段，提供最高7Gb/s傳輸速率的短距離無線通信服務(wù)。由于60GHz信號無法穿透障礙物，當(dāng)終端設(shè)備進(jìn)入 WiGig信號無法覆蓋的區(qū)域時，將自動切換到更低頻段，但是傳輸速率將大幅下降。

表1總結(jié)了IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)的歷程，從中可以看出WLAN標(biāo)準(zhǔn)的每一次升級和補(bǔ)充，其結(jié)果無非就是為了得到傳輸速率/吞吐量。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，可以采用以下兩 種手段。1、采用更寬的信道帶寬。為實現(xiàn)這一目的，有時就需要提高工作頻段。因此，WLAN已經(jīng)從最初的2.4GHz逐步向5GHz過渡，并且已經(jīng)出現(xiàn)了 60GHz的標(biāo)準(zhǔn)，從而可以利用更寬的頻譜資源。2、采用空間復(fù)用技術(shù)。從IEEE 802.11n開始，MIMO技術(shù)被引入WLAN，并且最大空間串流也在IEEE 802.11ac中得到增加。

表1：WLAN物理層標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)

2010年以來，全球智能手機(jī)的 出貨量穩(wěn)步增長。如圖1的預(yù)計所示，到2017年，全球智能手機(jī)每年的出貨量將接近16億部。在智能手機(jī)中，由于工藝的差異，手機(jī)主芯片通常不會集成 WLAN的射頻電路。對于主芯片，WLAN的射頻電路屬于外圍芯片，如圖2所示。WLAN標(biāo)準(zhǔn)的不斷提升要求WLAN射頻電路除了要支持5GHz的 IEEE 802.11ac的需求，也要對IEEE 802.11a/b/g/n作向下兼容支持，此外，還要兼顧到與2.4GHz WLAN標(biāo)準(zhǔn)同頻的藍(lán)牙(BT)的共存。

圖1：全球智能手機(jī)出貨量統(tǒng)計

圖2：智能手機(jī)內(nèi)部架構(gòu)

為滿足對智能手機(jī)WLAN連接標(biāo)準(zhǔn)不斷提升的需求，恩智浦半導(dǎo)體即將推出兩款集成開關(guān)的低噪聲放大器芯片(LNA+SW)BGS8324(圖3)和BGS8358(圖4)。

圖3：BGS8324 2.4GHz (IEEE 802.11b/g/n)前端芯片架構(gòu)

圖4：BGS8358 5GHz (IEEE 802.11a/n/ac) 前端芯片架構(gòu)

BGS8324是工作在2.4GHz頻段的WLAN接收前端芯片，支持IEEE 802.11b/g以及IEEE 802.11n的2.4GHz頻段，同時兼顧藍(lán)牙的共存。該產(chǎn)品采用2mm&TImes;2mm的QFN封裝，無需外部匹配器件，具有體積小、功耗低、設(shè)計簡單等特 點。該芯片支持2.7V到6V的電壓，具有接收放大、直通、發(fā)射和藍(lán)牙四種模式，并內(nèi)置對5.8GHz共存信號的防阻塞功能。

BGS8358是工作在5GHz頻段的WLAN接收前端芯片，支持IEEE 802.11a/ac以及IEEE 802.11n的5GHz頻段。該芯片采用1.5mm&TImes;1.5mm的QFN封裝，同樣不需要外部匹配器件，具有體積小、功耗低、設(shè)計簡單等特點。該芯片支 持2.7V到6V的電壓，具有接收放大、直通和發(fā)射三種模式，并內(nèi)置對2.4GHz共存信號的防阻塞功能。

本文回顧了WLAN的物理層標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.11的演進(jìn)歷程，分析了該標(biāo)準(zhǔn)歷次修正通過工作帶寬的增加以及MIMO技術(shù)的運用使得數(shù)據(jù)吞吐量大幅提高的趨勢?？紤]到WLAN在智能手機(jī)中的廣 泛應(yīng)用，為迎合最新的WLAN標(biāo)準(zhǔn)，恩智浦半導(dǎo)體推出了用于智能手機(jī)WLAN射頻方案的BGS8324和BGS8358兩款產(chǎn)品，以兼容IEEE 802.11a/b/g/n/ac各種標(biāo)準(zhǔn)，同時，還兼顧到2.4GHz頻段藍(lán)牙的共存。這兩款產(chǎn)品具有體積小、功耗低、設(shè)計簡單等優(yōu)點，具有廣闊的市場 前景。