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各种用于IEEE802.11bWLAN应用前端体系架构
作者：佚名    文章来源：互联网    点击数：    更新时间：2006-8-14
随着无线局域网(WLAN)芯片组供应商提供的芯片实现高集成化，对于设计者来说，在WLAN产品中余下的、能用来让产品展示其与众不同之处的关键部位尚有几处，其中一处就是前端体系架构。诸如发射输出功率、电流消耗、接收灵敏度、镜像和寄生干扰抑制、材料清单成本(BOM)和占用面积等各类参数，都决定了消费者对一个无线局域网(WLAN)产品的体验，并且这些参数的关键影响因素就是所选用的前端电路的体系架构。 
WLAN有许多种应用，并且每种应用都有其独特要求和运行条件，这些应用之间的差异对前端电路提出了不同的要求。例如，接入点(Access Point，AP)和家庭网关产品通过交流－直流墙上适配器供电，因此电流消耗不是决定性的因素，但具有高的输出功率却可能成为一个好的市场卖点。还有一些其它的例子，如带有集成式WLAN适配器的个人数字助理(PDA)，其中的集成式适配器所耗费的工作电流和占用的电路板面积必须是最小的；又比如PC卡WLAN适配器，它针对竞争更为激烈的市场，此时BOM成本是最重要的因素，电流消耗的影响也需要考虑。 
尽管前端架构经常带有普适性，并且能用于许多类似的芯片组上，但前端设计总是专门针对无线部分核心集成电路而提出的。本文的目的是讨论针对802.11b和802.11g应用的RF2958和RF2959收发器的体系架构，以及RF5189功率放大器。 

最显而易见的方法 
图1所示的前端体系架构(架构1)是一种最直观的解决方案，因为只需对前端所要实现的功能进行一步一步的直接分析，就可以得出这种结构。 
图1  基于RF2958的IEEE802.11b物理层实现 
首先，PA和LNA必须连接到一条天线上，而每个器件的功能都不应受到负面影响，且不应引入过多的插入损耗。PHEMT射频开关可以很好地解决这个问题，因为该开关插入损耗低(一般为0.5dB)，与断开触点端口之间的隔离度高(大于20dB)。这种方法的有效性离不开WLAN的半双工工作性质，因为没有哪个单元同时传送和接收信号。 
前端的下一个要求是带通滤波方面的要求。在接收模式下，LNA应该被保护起来，避免很强的带外信号阻止所需信号的通过。RF2958的LNA能够应付很高的输入功率，而且下变频器能抑制镜像干扰，这放宽了对前端滤波的要求。建议在阻带和像频上再附加一个25dB的衰减，用于提高不同环境中接收的稳定性。在发射模式下，必须要减小从上变频器出来的干扰混频分量。 
前端的最后一项功能要求是天线多路选择。如果在一个天线所处的位置上，多路衰减会导致信号强度大幅度减小，系统将选择另外能接收到更强信号的天线。这样，在接收机输入端可以得到最大的信噪比(SNR)，并避免严重的码间干扰(ISI)，而码间干扰(ISI)能使得接收的信号出错。外加一个PHEMT射频开关可以方便地实现这种天线多路选择。 
将这三个功能块从右到左级联起来就可得到图1阴影区中所示的前端电路架构。右边的接收器和发射器与左边的两个天线之间是射频带通滤波器，它实际上被复用。 

前端性能的衡量 
在考虑其他替代结构之前，有必要明确如下的问题：对各种应用的前端电路实现来说，进行评价时何种度量方式才是重要的。前端必须在传递信号的同时把不利影响降至最低，因此信号损耗和失真的大小应被确定为前端的关键量度。这些参量的表征很方便，如压缩引起的增益降低1dB时的插入损耗和输出功率电平(通常被称OP1dB)。 
插入损耗对于发射和接收性能有不利的影响。在接收模式下，插入损耗增加了接收机的噪声因数，因此降低了灵敏度。在发射模式下，因为插入损耗减弱了PA的功率输出，因此PA所提供的功率必须比传递到天线的功率更大，而这样做降低了系统的总效率。 
架构1前端实现的级联插入损耗是串联的每个模块的插入损耗之和。采用表1中的滤波器和开关的插入损耗数据，可得出损耗值为3.0dB。从电路的对称性看来，每一通路的插入损耗都是相同的。 
输出压缩(output compression)导致频谱再生(spectral regrowth)，这在无线局域网设计中是一个需要考虑的问题。这种再生是主要发射信号的三或五阶互调分量造成的，这些互调分量的来源是器件的压缩引入的非线性。我们在前端方面的目标是不要产生任何大的频谱再生，为满足这个要求，我们通常让OP1dB至少比所期望的最大的输出功率高6dB。对于图1所示的结构，在接收器/发射器选择开关(收/发开关)输出端的功率水平一定要比天线上所需的输出功率高，高出的量值为滤波器和多路选择开关的插入损耗之和。因此本开关的OP1dB(取自表1)在天线接口所保证的输出功率值应等于： 
Pout=OP1dB-6dB-插入损耗(从开关输出到天线)。 
将插入损耗的最大期望值带入这个方程式进行估算，所得到的结果是+20.6dBm。注意，这不表示整个系统能提供这么大的输出功率。例如，PA在前端的插入损耗引入之前，可能只能产生+21dBm的驱动，在天线端口处的输出功率值为＋18dBm。+20.6dBm则是前端开始影响系统总的线性度时的值。 
其它需要考虑的量度参数包括BOM成本和占用面积。这可以根据前端器件的数目来进行评价。架构1的前端实现用到了一个滤波器和两个射频开关。 

一种插入损耗最小的架构 
只要接收器能负起多路化选择的责任，就有可能在不损失任何系统性能的情况下去掉发射通道上的多路开关。这会相应减少从PA到天线的插入损耗。同时，发射口的带通滤波器能移到PA的输入端，这是因为系统是线性的，而且需要滤掉的干扰分量全部源于收发口内的上变频器。前端发射滤波器的去除大大地降低了从PA到天线的插入损耗。PA可能再生了发射信号的某些谐波分量，这可以通过在PA后接一个低通滤波器来予以衰减。 
天线多路开关，接收/发射开关和一些滤波功能全部是接收信号通道内必需的部分或者是设计者希望采用的器件。正如上面提到的那样，还可以将接收带通滤波器和天线多路开关从与发射器共享的路径中去掉，这意味着它们必须被放置在LNA和接收/发射开关之间。在接收器中不需要LO抑制，于是，接收器与发射器分别采用不同的滤波器。对可获得的滤波元件的一份调查显示，不带有很强LO抑制的滤波器，其插入损耗通常比在LO频率处抑制能力很强的滤波器低。这样便可得到一个更低的级联噪声系数。相应得到的电路架构即是图2中所示的的架构2。 
图2    前端实现的替代方案(架构2和3) 
用与架构1相同的度量方式来评价这个架构，我们就会发现在发射通道内的插入损耗减少了2.4dB，变为仅0.6dB。接收部分的插入损耗取决于所选择的天线，不是2dB就是2.6dB。 
从接收/发射(R/T)开关到天线之间的插入损耗现在已经减小到了零，这样就能提供一个＋23dBm的最大输出功率值。架构2的BOM成本和占用面积都增加了，用到了三个滤波器(如果在PA后要接入一个LPF的话)和两个射频开关。 

一种功能简化的架构 
另一种值得考虑的替代方法，是去掉在前端中不是绝对必要的所有功能。这种方式显然会牺牲某些方面的性能，但它却保证了尽可能低的BOM成本、面积占用和复杂度。发射滤波和接收/发射开关是此方式唯一所要保留的部分。我们已经看出发射滤波器可以放置在PA的输入端，这意味着前端结构可以缩减，以简化接收/发射开关，如图2中架构3所示。 
很明显，插入损耗降低到了0.6dB，所以可以预计在发射过程中能得到很好的接收灵敏度、输出功率和电流消耗性能。而不利之处在于，牺牲了多路天线选择能力、接收图象载波抑制和阻塞抑制。这使得系统在高水平多径现象或者干扰信号的环境中的接收可靠性大为下降——随着干扰或多径条件的改变，信息吞吐量会随时间而变化，从而可以观察到这种情形。 
从R/T开关到天线的插入损耗已经减小到0，因此保证了＋23dBm的最大输出功率值。所以，采用架构3时，可实现最小的BOM成本和占有面积，而仅用一个滤波器和一个射频开关。 

结语 
表2显示了本文所讨论的每种架构的主要特点和性能，给定产品中所适用的体系架构取取决于产品本身的应用。参考本文开始所给出的例子，就会发现架构2对于AP和家庭网关产品来说可能最适用，因为它具有高的输出功率和鲁棒特性。对于PDA中集成的无线局域网适配器来说，为了保证非常小的电流消耗和占有面积，可以采用带有增益模块(作为PA)的架构3。物理方面的限制可能已经决定了在该应用中只能使用一条天线。架构 1也许最适用于PC卡WLAN适配器，能在实现稳定性能的同时保持较低的BOM成本.
文章录入：fengfeiyi    责任编辑：fengfeiyi 
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