多模式WLAN芯片的设计权衡

多模式WLAN芯片的设计权衡

     无线局域网 (WLAN)在过去两年中已经成为高技术市场的一颗耀眼的明星。企业和家庭用户迅速地采纳了802.11b标准，该标准能通过低成本、方便使用产品来提供高达11Mbps无线以太网连接。由于多家OEM厂商在802.11b标准被最终批准之前就生产出了产品，所以在各种不同产品之间的不兼容性导致了早期令人头痛的问题，但随着用户提出要求，以及供应商遵守互操作性要求、严格执行最终标准，并且通过WiFi联盟认证，这些问题已经得到解决。对更高性能WLAN的兴趣导致了802.11a标准的诞生，尽管有效范围比802.11b网络要小得多，但该标准却能实现54Mbps数据传输率。但是802.11a网络的市场接纳程度有限，因为它使用的无线电频率为5.2GHz，这与802.11b设备的主基站(dominant base)所使用的频率(2.4GHz)不同。因此，用户无法利用仅支持802.11a标准的网卡与已经部署的2000万以上802.11b标准无线接入设备通信。
    
    　　即将推出的最新WLAN技术是802.11g，电子电气工程师协会 (IEEE)计划在2003年中期之前完成该标准的制定。同时Wi-Fi联盟计划在2003年夏季结束之前进行互操作性测试和运行，以完成产品认证。但是，尽管还没有形成被大家采纳的最终规范，许多厂商还是迫不及待地将预标准产品投入了市场，而不考虑这样一个事实：这些解决方案导致的产品不兼容性可能会扰乱市场，并最终延缓整个市场发展。802.11g WLAN标准为无线LAN用户提供许多重要的改进-包括更快的数据率、与802.11a标准关联的强健的正交频分复用(OFDM)技术，以及与802.11b标准相同的无需执照的ISM频率范围。事实上，对802.11b器件产品的逆向兼容不仅是可能的，而且是新标准802.11g的强制组成部分。
    
    　　对于设备 OEM和ODM来说，由于WLAN标准从 "a"、"b"到"g"版本不断演进并且用户不愿放弃最近部署的系统，导致现在有多种新产品选择，包括：
    
    　　● 纯g模式产品：依靠硅架构，纯g模式设计可能成为面向消费者和家庭市场的低功耗的未来解决方案，这些用户不太关心与802.11a已安装基站设备的兼容、或者当端点是"g"技术与"b"技术混合而产生的网络性能问题、或者需求支持大量的端点。
    
    　　● "组合模式"或"双模式"产品(a+b):这些产品允许两个网络同时并且独立地工作，为企业用户提供"a"标准的性能优点加上对"b"标准的逆向兼容性。
    
    　　● 多模式产品(a+b+g):这些产品将提供最佳的用户经验和产品性能。多模式产品提供无缝漫游，根据系统容量、通道负载、用户期望发送和接受的信息成分，动态地选择a、 b或g标准。多模式产品使得用户享有802.11g标准提供的更大覆盖范围和802.11a标准支持的更高用户密度。而且，2.4GHz和5.2GHz之间企业端点的过渡可以成为一个更平稳的过程，因为这两个频率可以很容易地共存。由于多模式产品能为企业提供更多的好处，而且如果能进行良好的结构设计和实现，多模式产品将比单模式或组合模式产品更具有成本竞争力，多模式产品很有可能成为设备OEM、印制线路板ODM和硅设计者的主要关注对象。
    
    　　最新一代WLAN芯片集使得大量的产品选择成为可能，但是OEM和ODM正面临艰难的抉择，原因是半导体解决方案提供商在开发这些新技术时采取了不同的技术途径，而且特定的无线架构选择会直接影响多模式无线网络系统的总成本、使用方便性、规模和功耗大小。半导体公司面临着为希望使多模式产品解决方案总成本最小化的无线系统集成商提供最佳技术的挑战。
    
    　　IC设计人员面临着各种选择，他们要考虑在性能、成本和产品上市时间之间实现最佳化，因此，对于WLAN市场来说，在系统设计的权衡和硅设计的权衡之间产生的相互影响是很复杂的。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级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，这将增加高水平集成的难度。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甚低中频(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、占用面积和器件数目外，还需要仔细检验接收器的性能，在系统中与其他芯片的兼容性及集成程度。设计者必须认真考虑的一个问题是ZIP射频架构最能满足无线数据系统规格的要求，还是在甚低中频（VLIF）架构能更好的实现系统性能参数和应用要求。
    
    　　零中频（ZIP）的主要优点在于成本。这种直接转换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，减少电路板占用面积、减少元器件数量和系统功耗，也为降低成本和加快产品上市提供了一条途径。另外，零中频在射频端的镜像信号抑制和中频端的信道选择排除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。这种直接转换接收器由于消除了整个中频级，因而具备了一些独特的重要性能特点，如灵敏度和线性度。由于射频信号可直接转换到基带中，主要的信号增益和滤波就能在从直流到信号带宽的频率范围内实现。另外，由于本振(LO)与输入信号的频率接近，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。此外，当信道内的一些LO信号泄漏至射频前端、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而产生讹误，必须采取措施确保交叠或未交叠的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电路设计和布局技术以及校准来解决。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。
    
    　　甚低中频架构 为了把802.11的数据传输速率提升到54Mbps，正交频分复用(OFDM)技术被引入到WLAN中，以提高频谱效率，实现更大的信道吞吐量。因为OFDM可将高速信号分解成64个子信道，各个子信道并行发送，使得54Mbps的信号能压缩在带宽为20MHz的信道进行发送。尽管OFDM可提供高数据率和高效率，但高级算法处理需要高速度，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架构的理想优点，而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范围的频段执行，这是避免ZIP架构产生直流偏移问题的一条途径。
    
    　　I/Q型下变频混频器抑制射频镜像信号的工作，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，同时还可放宽对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ZIP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方法更具效率。
    
    　　有效的高速模/数转换器（ADC）可通过采用管线技术来实现，但这样的设计又会产生延迟。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 ADC的功耗。因此基本上，ADC必须以两倍于理论值的速率来进行采样，以便数据能及时通过管线进行报头(preamble)处理。
    
    　　VLIF中就不存在延迟问题，因为VLIF的采样速率已经足够高了，来自ADC的数据能及时进行报头处理。此外，典型的VLIF设计只需采用一个ADC，而ZIP则需要两个。
    
    　　2.双频段收发器与单频段收发器
    
    　　支持802.11标准a、b和g版本的多模式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分割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厂商就采取把2.4GHz与5.2GHz收发器进行分开设计的办法，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，或者产生很多互操作性问题。其中，典型的设计是一个集成有MAC的单基带处理器，它连接到两个独立的射频收发器，一个使用2.4GHz频段，另一个使用5.2GHz频段。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定位可匹配的网络。
    
    　　另一种方法是把两个射频接收电路集成在一块芯片上，即单芯片的双频段收发器。这种方法具有许多优点，包括能降低成本和减小形式因子、减少屏蔽要求、减少邻近元件数量以及降低功耗等等。双频段收发器能显著地节省芯片的面积，使得多模式系统的成本与纯g模式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，因此节省的物料据我们研究可高达50%。同样，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和关联任何可匹配的网络。因此，一个NIC（客户网络接口）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工艺技术的比较
    
    　　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（单芯片上既有双极性工艺又有CMOS工艺）仍然是射频系统中应用最多的工艺技术。
    
    　　在系统级和最终产品级最能体现各种选项的比较。BiCMOS结合了双极器件的高速和高驱动能力优点以及CMOS的高密度、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，原因是同CMOS晶体管相比，采用双极晶体管设计的芯片体积更小，并具有更好的设计余地和成本率。设计研究经常显示"更多即是更少"这一现象。例如，某个半导体厂商采用0.25微米的BiCMOS工艺技术把射频裸片的体积做到相当的小，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方案，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