无线接口设计

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无线接口设计

       无线接口正在快速地成为几乎所有手持电子系统（如蜂窝电话，PDA、游戏机、仪器）的标准。所采用的无线接口依赖于具体应用。通常采用蓝牙，802·11a或11b（增加扩展，如802·11g）以及它们的组合。在此没有选择其他的无线接口（如超宽带或专利无线链路）。不管选择什么样接口集成到系统中，大部分的设计准则是相同的。所以，任何一种情况，都可以说明典型的设计决策和折衷判断。
根据所含无线接口设计的特点，可采用几种系统架构方法。不同的设计方法关键在于：所设计主系统的处理能力，可用空间、功率预算、上市时间、总造价和其他因素。
系统分类
例如：在几乎所有的系统中，嵌入处理器只处理基本的系统控制功能，没有额外的CPU周期可用于处理协议处理功能和无线接口的数据处理工作。这样的系统通常只提供简单的数据传输控制和数据总线。因此，无线子系统必须包含有的协议处理和数据取以反无线收/发功能（图1a）。仅有的来回通信是通过简单的数据总线和控制接口。
另外一方面，若主CPU有多的处理周期，则用软件可以处理一些协议和基带处理功能。若系统具有包含CPU或支持CPU的用户设计芯片（ASIC），则时间要求严格的协议可以集成到系统ASIC中，任何一种方法都可以降低无线子系统的复杂性和成本（图1b）
若所有的基带处理功能都包含在主要系统中，则RF于系统可以简化成简单的RF发送器和接收器，而成本也会降低，表1a选择最佳方法的一些问题和折衷考虑，这都取决于主系统CPU的性能。扩展可用的选择和方法决定，表1b增加几个因素，如上市时间和成本，这在决定最佳方法时附加一些处理和消耗。
因此，在整个系统设计期间应尽可能早的做出所含无线接口的决定。若在开始任何设计前做出决定，则可以最低的成本和功耗而使架构最佳化，在主要系统中可部分或全部包括基带功能和增加无线RF部分。若主系统中的逻辑功能已锁定，则现成的芯片组成模块（封装系统或Sip）也许是第一代系统最适合的选择。
表1a：基带积成选择。
基带功能
有
无
系统具有可用的强大主CPU吗？
采用主系统处理器和存储器的架构即PC基方案
处理                                   消耗
采用单独的无主机负载的WALN方案架构即蜂窝电话
处理                                          消耗
在WALN基带芯片需要较小的处理能力对于WALN子系统不需要额外的存储器共享主机存储器
主机需要更复杂的驱动器，对不一般的操作系统需要更多口操作工作，更复杂的系统集成
主机系统中简单驱动器WLAN模块需要较大的存储器系统容易集成
WLAN基带需要更强处理能力
表1b：系统集成无线收发器的折衷考虑
经验
多
中等
少
无线电实现
任意
单芯片或模块
完全模块
分类
任意，系统中包括嵌入基带
采用“系统方案”：组合基带/RF
上市时间
设法得到全模块，若可能采用预先认可的类型：采用参考设计和已有的驱动器软件
实现成本
考虑第二代成本的最佳化
考虑成本最佳化（借助于咨询帮助）
不离开全模块或靠咨询使成本最佳化
随着时间的推移，为使成本更低和/或增加更多功能，系统重新设计能使无线子系统达到最佳。另外，设计人员可决定新一代主系统是否应包含基带某些功能和全部功能。
从设计和上市时间考虑，购买一个完整的子系统并把它放置在系统PC板上是一种最简单的方案。然而，这样的子系统可以不必是最便宜或最小或最低功率的选择。若制造的系统数量是相当少的，则最精明的选择是购买1个完整的模块。
模块与分立方案的比较
若基于成本、空间、功耗或其他考虑越多，需要制定方案，此时必须评估更多的选择和折衷。表2列出决定是用模块不是采用芯片组或定制方案的主要关键问题。Sip模块和嵌入板卡在很多领域比分立方案优越。另外，分立元件可使系统最佳比，因为人们往往从不同的供应商可以配置和匹配最好的单元。
表2、模块与分离方案的比较
指标
分立方案
母板上Sip模块
嵌入式分离板卡（例如mPCI）
分离板卡（例如CarBus,SD卡）
专用系统最佳化
非常好
不好
不好
不好
开发时间
非常不好
良好
非常好
非常好
所需SW匹配
非常不好
非常好
非常好
非常好
所需RF系统专门技术
非常不好
良好
非常好
非常好
所需RF极布线专门技术
非常不好
良好
非常好
非常好
系统测试时间
非常好
非常好（预测试模块）
非常好（预测试模块）
非常好（预测试模块）
定标
非常不好
非常好（预定标模块）
非常好（预定标模块）
非常好（预定标模块）
FCC/ETSI认证
非常不好
不好
良好（模块认证可能）
非常好（分离认证）
尺寸要求
良好
非常好
不好
非常不好
用分立元件建造无线子系统，能够把它做得更适合特殊的布置，而现成的模块不能塞进去。然而，大多数模块可以做得非常小，因为它们往往采用裸芯片而不是封装器件。因此，除非要做片上板组装或需要特殊的形状，实际上Sip模块以大多数分立元件实现方案要小。模块成本与分立方案相比也是有竞争力的，特别考虑到所有逻辑和与购买、储存、测试、安装分立元件有关的额外开销。
无线LAN折衷考虑
用于802·11 无线LAN 的很多芯片组和模块方案已工作在2.4—2.5GHz波段。在需要基本802.11b或包含802·11g扩展达到54Mbits/s数据率的方案，将出现兼容性或干扰问题（见表3）
表3无线LAN折衷表虑
WLAN标准选择
应用范围
有关问题
802·11b
低吞吐量应用（在2.4GHz波段有不少干扰）
（例如，蓝牙DECT）
802·11g
高吞吐量应用（在24GHz波段有不少干扰）
需要向后兼容（例如蓝牙，DECT）
802·11a
高吞吐量应用（在24GHz干扰较小）

这些问题在高频选择（如较新的802·11a标准中，数据率为54Mbits/s,工作在比较不拥挤的5GHz频段）中也是重要的。因为蓝牙接口也工作在2.4—2.5GHz频段，所以存在与802·11b实现有关的干扰问题。此外，在家庭和办公室应用中，微波炉和一些无绳电话也可能导致干扰。
典型的收发器
提供蓝牙和802·11a收发器的典型无线收发器由两个完整的子系统组成，一个用于蓝牙信道、另一个用于802·11a信道（见图2）。除基带控制器和RF收发器外，子系统需要功率放大器（一个用于蓝牙输出，另一个用于802·11a输出）和双工器、滤波器（用于处理每个信道发送和接收口之间的开关转换）。另外，需要天线分隔开关在无线间开关转换以达到最好的接收。
在子系统中不止一个无线接口，关键问题是多了接口若同时工作，可能会产生干扰。应该有基带处理器之间的链接和控制，以保证一个接口处于待机，另一个接口处于发送。此外，天线应放置在信号间干扰最小之处。为了实现这样的子系统或带蓝牙（或802·11a）信道的更加简单的子系统，必须评价很多设计、配置和天线问题。同时，主系统若包含部分或全部基带处理功能，设计人员必须确定如何分配无线子系统的基带部分。
现在分析典型的无线收发器芯片组结构（图3）。芯片组提供一个完整的802·11b方案，具有高达11Mbits/s数据率，待机功耗3mW、接收时功能耗525mW、发送时功耗760mW。图中的虑线框部分代表芯片组RF调制解调器部分的Sip。它包括分立的天线开关和功率大器以及高集成度的混合信号芯片。后面的芯片包括低噪声放大器和不同的下混频器、基带滤波器和输出I和Q信号到基带处理器的接收部分的其它电路。在发送部分，混频信号芯片包括D/A转换器（转换器数字I/Q信号为模拟信号）和基带滤波器（为转换信号到合适频率的上混频器配备信号）。上混频信号送到功率放大器驱动器，最后送到片外功率放大器。
该例中的基带/媒体接入控制器是一个高集成度的数字电路，往往包含自己本身的控制处理器（通常选择32位ARMRISC处理器，但也可用其他嵌入式处理器）。处理器和芯片上其他专用单元处理所有协议操作，包括TCP/IP栈或蓝牙栈、数据分组组合和拆分操作。靠片上执行协议处理，在主系统上无负载放置，这使得主系统执行自己的应用不用放慢速度服务于无线子系统。
除RISC处理器外，基带芯片一般包括几个串引口，一些通用I/O线、一个加密/解密引擎、定时器、RAM、ROM（或外部闪存）和A/D转换器（转换模拟I/Q信号为数字字）。因为基带芯片往往是一个通用方案，所以它包含的很多功能对主系统已有的设计功能可能是多余的。基带方案有多种形式，具有不同的集成度。所以，仔细地阅读各种数据手册，对于选择最适合系统要求的是非常必要的。
天线是系统的一部分
此外，不要忽视与天线结构有关的问题。尽管有很多单模和多模天线，但选择天线是解决问题的开始。与此有关的问题是有关天线位置的影响，用户身体影响，其他邻近物体（汽车面板、台式机）影响，电路板地板和屏蔽影响，电池材料和显示的影响等。这些因素可能都对无线性能产生很大的影响，而在很大情况下，上述的一些影响很难预测。表4列出选择和设计天线子系统时应考虑的一些问题。
表4天线考虑
经验
丰富
中等
少
多模/分集
在PCB上/机壳内最佳定制天线
带内置天线的标准无线元件式模块
从有经验的顾问得到帮助
RF/无线接口
任一，包括用分立元件定制建造
可应用参考设计或完全模块
用完全模块或求助有经验顾问
敏感的相互影响能存在在不同方面，例如，天线分集开关的定时和ZIF收发器中dc偏移消除。这些问题使基带功能集成到主系统ASIC中，假若在这方面缺乏经验，则可求助于有经验的顾问或考虑采用模块方案。
结语
在把接口集成进系统时，必须考虑很多折衷方案。根据所设计系统的特殊限制条件，系统如何分配是第一个关键分岐点。在主系统中采用低一中性能的CPU意味着完整的Sip子系统也许是最好的选择。根据设计人员的经验和市场要求等因素，可集成一些基带功能。基设计人员缺乏经验。可采用RF Sip（模块），这样可解决很多设计问题。另外，不要留下天线子系统做为马后炮。应特别注意干扰、信号敏感度等方面的问题。（彭京湘）
图1、实现无线系统的两个基本系统架构
（a） 主系统所具有的低性能CPU 不可能执行基带功能
（b） 主系统所具有的高性能CPU可执行某些带带功能，而无线子系统仅是无线电调制解调器和功率放大器。
图2：多模无线子系统框图
图3 典型的802·11b无线芯片组