（电磁场与微波技术专业论文）24ghz无线接入点的设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 由于w i f i 的频段在世界范围内是无需任何电信运营执照的免费频段，因此 w i f i 无线设备提供了一个可以应用于全世界，费用非常低廉而且数据带宽非常 高的无线空中接口。 随着移动互联网的快速发展，用户对移动高速数据接入的需求越来越高， w i f i 作为一种低成本、高带宽的无线接入技术，得到了国内外运营商的规模部 署和广泛的应用，在缓解2 g 3 g 数据流量压力方面发挥了重要的作用。 满足8 0 2 1 l n 协议的w i f i 设备最高速率可以达到3 0 0 m b p s ，但真正要达到 这样的速率还有很多困难，目前市面上流通的单天线w i f i 产品的速率一般在 9 0 m b p s 左右。本文在研究w i f i 物理层结构原理的基础上，对2 4 g h z 无线接入 点的电路结构做了详细的分析，并结合信号完整性要求分析了p c b 版图的布局 布线，最终获得信号收发速率达到9 4 m b p s 满足8 0 2 1 1 n 协议的无线接入点。 编写无线接入点的设计方案，并对方案进行评估论证，综合考虑设计周期、 成本、难度等因素选择所用的芯片，完成相应电路的设计。设计了一个兀型网 络来降低开关电源输出电压的纹波，实测结果得出加入n 型网络后3 3 v 电源纹 波降低了6 4 而1 5 v 电源纹波降低了4 0 。结合电磁仿真软件和芯片厂商提 供的文件设计了完成功率放大器和低噪声放大器的设计，且满足电磁兼容和信号 完整要求下，实现了无线接入点收发结构的版图设计，使得的信号的收发速率有 定的提高。 关键词：w i f i ，接入点，射频电路，开关电源，信号完整性 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 1, i ilii_i i 鼍鼍曼 a b s t r a c t b e c a u s et h ew i f ib a n di sak i n do ff l e e f r e q u e n c y b a n dw i t h o u ta n y t e l e c o m m u n i c a t i o no p e r a t i o nl i c e n s ea r o u n dt h ew o r l d ，s ow i f iw i r e l e s sd e v i c e s p r o v i d eu saw i r e l e s sa i ri n t e r f a c e 、析ml o wc o s ta n dh i g hd a t ab a n d w i d t hw h i c hc a l l b ea p p l i e da l lo v e rt h ew o r l d w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h em o b i l ei n t e r n e t ，u s e r sh a v eh i g h e rn e e d sf o r t h em o b i l eh i g h - s p e e dd a t aa c c e s s w i f i ，硒ak i n do fl o wc o s t ，h i g hb a n d w i d t h w i r e l e s st e c h n o l o g y ，g e t st h es c a l ed e p l o y m e n ta n dt h ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o nb yt h e d o m e s t i ca n df o r e i g no p e r a t o r s a d d i t i o n a l l y ，i th a sp l a y e da l li m p o r t a n tr o l eo n a l l e v i a t i n gt h e2 g 3 gd a t af l o wp r e s s u r e t h eh i g h e s tr a t eo fw i f id e v i c e sw h i c hc a nm e e tt h ea g r e e m e n to f8 0 2 1inc a i l b e3 0 0m b p s ，b u ta c t u a l l yt h e r ea r em a n yd i f f i c u l t i e sw h e nw ew a n tt oa c h i e v es u c h r a t e s of a r , t h er a t eo fw i f ip r o d u c t sc i r c u l a t e do nt h em a r k e ti sn o r m a l l ya b o u t9 0 m b p s t h i sp a p e ri sb a s e do nt h es t u d yo fp h y s i c a ls t r u c t u r et h e o r yi nw i f i ，a n d c a r r yo u tad e t a i l e da n a l y s i sf o rt h ec i r c u i ts t r u c t u r eo f2 4g h zw i r e l e s sa c c e s sp o i n t s a d d i t i o n a l l yc o n n e c t i n g 埘t ht h es i g n a li n t e g r i t yr e q u i r e m e n t s ，a n a l y z et h el a y o u ta n d w i r i n go ft h ep c bl a y e r u l t i m a t e l y ，i to b t a i n st h ea p t h a tt h es i g n a lr a t eo fs e n d i n g a n dr e c e i v i n gc a nb eu pt o9 4m b p sr a t ea n dm e e tt h ed e m a n do f8 0 2 1inp r o t o c 0 1 p r e p a r ea n dw r i t et h ed e s i g no f t h ew i r e l e s sa c c e s sp o i n ta n dh a v ea ne v a l u a t i o na n d d e m o n s t r a t i o no ft h i sp r o g r a m s e l e c tt h ec h i pt r a d e rt h ec o m p r e h e n s i v ec o n s i d e r a t i o n f o rm a n yf a c t o r ss u c ha st h ed e s i g nc y c l e ，c o s t ，d i f f i c u l t ya n ds oo n f i n a l l y ，c o m p l e t e t h ec o r r e s p o n d i n gc i r c u i td e s i g n d e s i g na i - i t y p en e t w o r kw h i c ha i m s t or e d u c et h er i p p l eo fs w i t c h i n gp o w e r s u p p l yo u t p u tv o l t a g e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e dt h a t3 3vp o w e rs u p p l y r i p p l ew a sr e d u c e db y6 4 a f t e rj o i n i n gt h eht y p en e t w o r k ，a n d1 5vp o w e rs u p p l y r i p p l ew a sr e d u c e db y4 0 c o m b i n e d 、析me l e c t r o m a g n e t i cs i m u l a t i o ns o f t w a r ea n d t h ed o c u m e n t sp r o v i d e db yc h i pm a n u f a c t u r e s ，c o m p l e t et h ed e s i g no fp o w e ra m p l i f e r a n dl o wn o i s ea m p l i f i e r a n dm e e tt h er e q u i r e m e n t so fe l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y a n ds i g n a l i n t e g r i t y ，i tr e a l i z e s t h el a y o u td e s i g no ft h ew i r e l e s sa c c e s sp o i n t t r a n s c e i v e rs t r u c t u r e ，m a k i n gt h es i g n a lt r a n s m i t r e c e i v er a t eh a v ei m p r o v e m e n t si n s o m ea s p e c t s k e y w o r d s ：w i f i ，a p , r fc i r c u i t ，s w i t c hp o w e r , s i g n a li n t e g r i t y 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 无线保真( w i r e l e s sf i d e l i t y ：w i f i ) 是由i e e e 定义的一个无线网络通信的 工业标准，w i f i 最初的标准i e e e 8 0 2 1 1 是1 9 9 7 诞生的，经过1 0 多年不断的完 善，现在已经是一个非常成熟的标准了【l 】。随着人们对数据业务需求的不断增加， 对以w i f i 为基础的无线局域网( w l a n ) 的研究逐渐深入起来。 随着移动通信的飞速发展，人们对移动通信的速度和带宽的需求越来越高， w i f i 作为一种高带宽、低成本的无线接入技术，得到了国内外运营商的广泛的 应用【2 】。w i f i 技术不仅作为高速有线接入技术的拓展，在缓解2 g 3 g 数据流量 压力方面也发挥了重要的作用。 w i f i 协议标准在不断的完善和更新，同时w i f i 联盟有着对市场快速变化的 应变能力，w i f i 正处在一个迅速发展成熟时期。首先，w i f i 作为有线网络的无 线扩展技术，它的移动性与灵活性为用户提供了方便的宽带接入服务p j ，延伸了 传统宽带接入技术的带宽特性和服务质量。其次，在面对手机逐渐取代固定电话 的现象，固定通信网络运营商也在思考着如何才能保留现有的客户群。最后，语 音业务逐渐饱满的情况下，移动运营商开始把重心放在如何给客户提供更稳定的 数据和多媒体业务上。在这样的背景下，无线局域网取得了快速的发展：w i f i 和v o p 的结合【4 ，5 】，给固定通信网络运营商注入了新的商机；w i f i 的覆盖作为 为2 g 3 g 网络的补充，缓解数据流量的压力同时给移动营运商带来新的盈利空 间。 w i f i 具有传输速度高、无线连接、低成本、易安装等优点，但由于w i f i 无 线传输的特性带来一些不足之处，例如信道易受到干扰、安全性较差、传输质量 受信号强度影响等。随着人们不断深入对w i f i 技术的研究，一些问题已经得到 解决：在减少频率资源有限带来的干扰，引入成熟的组网方案和干扰预检测机制： 随着移动口技术的不断完善1 6 】，i p v 6 的发展在处理w i f i 的漫游和切换问题上带 来很大的帮助。虽然8 0 2 1 1 标准的w l a n 有着：服务区标识符、m a c 地址过 滤、有线等效保密( w e p ) 算法等安全机制，但目前w i f i 最大的挑战仍然是信 息安全性不够好，私密性不够高。因此，在以后的研究中，对w i f i 的安全性必 须给予足够的重视。 现在，在学校、机场、展馆与证券大厅、政府及公司的办公大楼里面都覆盖 有w i f i 信号 7 1 。在这些地方，你只要有一个带有w i f i 模块的应用终端即可轻松 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 方便的实现网上冲浪。近年来，政府和相关机构对无线城市的概念非常青睐瞵】， 提出并逐步实践w i f i 网络覆盖整个城市的计划。在我国，北京、上海、广州等 大城市陆续建立了无线接入点( a c c e s sp o i n t ：a p ) ，都在极力实现城市的无线网 络的无缝覆盖【9 】。香港特别行政区计划在指定的公共场所设置w i f i 接入点，市 民可以免费的连接到互联网【训。美国的休斯顿投入3 5 0 万美元来建设w i f i 网络， 为社区中心、学校、非赢利性团体等提供免费高速网络【lo 】。 据相关机构统计，直至2 0 1 1 年4 月底，中国电信已经建立了3 0 万个w i f i 接入点，并计划在2 0 1 2 年底前突破1 0 0 万个无线接入点大关。作为中国最大的 移动营运商，中国移动在2 0 1 0 年就宣布计划用3 年的时间在全国部署1 0 0 万个 w i f i 接入点。在3 g 移动通信网络占有很大市场的中国联通，利用逐渐成熟的 w c d m a 网络技术和移动终端优势积极发展w i f i 战略【l 。 1 2 w i f i 的技术的发展 上世纪8 0 年代末期，i e e e 8 0 2 委员会在i e e e 8 0 2 4 l 任务组下开始了无线 局域网的标准化工作，并于1 9 9 0 年7 月在接受了n c r 公司的“c s m a c d 无线 媒体标准扩充 的提案，成立了独立的i e e e 8 0 2 1 1 任务组，负责定制了无线局 域网物理层及媒体访问控制( m a c ) 协议的标准。1 9 9 7 年6 月2 6 日，i e e e 8 0 2 1 1 标准制定完成，并于1 9 9 7 年1 1 月2 6 日发布。由a m d 、h a r r i s 、3 c o m 、a i r o n e r 、 n e t w a v e 等公司发起，于当年成立了无线局域网联盟w l a n a ( w i r e l e s sl o c a l a r e an e t w o r ka l l i a n c e ) ，并且越来越多的通信公司加盟。 由于i e e e 8 0 2 1 1 的最高速率只能达到2 m b p s ，不能满足人们对信号传输速 率的要求，在1 9 9 9 年9 月提出了i e e e 8 0 2 1 1 a 标准1 12 j 和i e e e 8 0 2 1 1 b 标准【1 3 j ， 最高速率分别可达到5 4 m b p s 和1 1 m b p s 。i e e e 8 0 2 工作组在2 0 0 2 年又通过了 i e e e 8 0 2 1 1 9 标准1 1 4 j ，最大传输速率为5 4 m b p s ，兼容i e e e 8 0 2 1 1 b 标准。但是 人们希望有更高无线数据传输速率，在2 0 0 9 年又推出了i e e e 8 0 2 1 1 n 标准l l 引， 传输最高速率可达到3 0 0 m b p s ，且向下兼容8 0 2 11 b 和8 0 2 1 1 9 标准。 1 3 论文的工作及组织结构 本文主要工作是设计一个工作在2 4 g h z 一2 5 g h z 频段的无线接入点。从 w i f i 物理层技术原理出发，在市场调研基础上，设计种满足8 0 2 1 l n 协议的 无线a p 的方案，选择功能芯片完成电路设计和p c b 版图设计，最后制板焊接 生产出满足市场应用需求的产品。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 本文各章的主要内容： 第l 章绪论，介绍了当前国内外w i f i 的发展状况，并简单阐述了w i f i 技术的发展状况及相应的优缺点。 第2 章w i f i 物理层的关键技术，介绍了w i f i 物理层体系结构及所应 用的关键技术。 第3 章无线a p 电路的方案与设计，分析并选择合适的芯片，设计各 第4 章 第5 章 全文总结 致谢 个芯片的外围电路，完成无线a p 电路的设计。 无线a p 的版图分析与设计，结合高速电路中信号完整性要求， 完成p c b 版图的布局与布线，并制作实物。 无线a p 的调试与测试，简单介绍无线a p 的调试过程，完成 对电源性能测试和w i f i 性能的测试。 总结全文，并提出一些展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 曼曼量量皇曼曼曼皇鼍曼皇曼曼蔓舅舅量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼_ _ ii i ：- - - - - i 。 i 量 第二章w ifi 物理层原理 w i f i 物理层主要解决无线信道中高效可靠的数据传输问题，同时支持和响 应上层的各种指令。w i f i 物理层是一个无线通信系统，w i f i 信道也存在误码率 较高和带宽受限等无线信道的缺点。w i f i 物理层的性能主要由传输质量、传输 容量、信道利用率和覆盖范围等技术指标来衡量。 2 1w i f i 物理层的结构 w i f i 的物理层功能与一般无线通信系统物理层功能一样，主要是解决数据 传输问题。其典型的传输过程如图2 1 所示。 图2 1 无线传输过程 数字信源经信源编码处理后把数据压缩后，进行信道编码处理。信道编码处 理过程中引入冗余设计，在信号接收端检测和纠正传输过程中出现的错误。为了 将无线信道传输过程中的突发错误变换成随机错误，一般要对数据进行交织处理， 以便信道编码进行纠正。数据加密后，经过调制和放大，并以一定的功率和频率 通过天线辐射出去。多路复用是在有多个信源公用此无线链路的情况下使用【l 引。 接收端对信号的处理过程与发送端相反，但需要用均衡机制来校正信号的相位和 幅度失真。 从w i f i 物理层的横向结构来看可划分为天线、射频( i 强) 、中频( i f ) 、基 带( b b ) 等几部分。w i f i 物理层从纵向结构看包括三个功能实体：物理层管理 实体( p l m e ) 、物理层汇聚过程( p l c p ) 子层、物理介质依赖( p ) 子层， 图2 - 2 所示。 1 ) 物理层管理实体( p l m e ：p h y s i c a ll a y e rm a n a g e m e n te n t i t y ) 与m a c 层管理连接，实行本地物理层的管理。 2 ) 物理层会聚过程( p l c p ：p h y s i c a ll a y e rc o n v e r g e n c ep r o c e d u r e ) 子层 是m a c 层与p m d 子层的中间桥梁。p l c p 子层规定了如何将m a c 层 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 协议数据单元( d u ) 映射为合适的帧格式用于收发管理信息和用户 数据。 3 ) 物理介质依赖( p m d ：p h y s i c a lm e d i u md e p e n d e n t ) 子层在p l c p 子层 之下，直接面向无线介质，定义了收发数据的特性和方法，帧传输提供 调制解调。i e e e 8 0 2 1 x 标准定义了d s s sp m d 、f h s sp m d 等物理介 质依赖子层。 图2 - 2 物理层实体 2 2w i f i 物理层的关键技术 下面，我们按照w i f i 物理层横向结构划分的各部分，来阐述w i f i 物理层相 关技术。 2 2 1 天线技术 一切无线电通信、广播、雷达等都是利用无线电波来进行工作的，通过天线 系统实现对无线电波的发射和接收。一个完整的天线系统应包括天线、固定件、 连接器和馈线等【l7 。 一般天线理论包括天线辐射理论、天线阻抗理论与天线接收理论。天线辐射 理论主要是分析天线的电流分布、辐射效率和辐射强度等；天线阻抗理论研究天 线的输入阻抗与馈电系统相匹配；天线接收理论主要研究天线接收电磁波的能力。 在工程中，我们采用特性参量来表征这些特性，这些特性参量包括方向图、方向 系数、极化、增益、输入阻抗、频带宽度等等i l 引。 方向图是指天线在不同方向辐射功率的空间分布图。工程上采用两个相互正 交的主平面( e 面和h 面) 上的方向图来表示天线的方向性。增益是指在同一输 入功率下，某天线在最大辐射方向的辐射强度与以理想的无方向性天线产生于同 一点的辐射强度的比值。输入阻抗是天线在馈电点的电压与电流的比值。根据天 线阻抗来设计馈线，从而达到相互匹配，匹配愈好，驻波比愈小。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 w i f i 使用的天线形式很多，在室内设备上一般采用全向的低增益天线，并 且使用分集技术【1 9 1 。室外的w i f i 设备，在距离较近情况下，一般采用全向高增 益天线；而如果是远距离应用，则通常采用方向性天线。为了提高系统性能，近 年来w i f i 设备开始使用智能天线。 随着w f l 冒i 的广泛使用，频谱资源的局限性与w i f i 对信道容量和用户容量不 断扩大之间的矛盾日益突出，同道干扰也将成为w i f i 的一个重要问题。全向天 线增益不高，且不加区别的接收各种信号，通信质量相对较差。定向天线虽然可 以改善通信质量，但是无法实现大面积覆盖。智能天线技术是解决这一矛盾的有 效方法t 2 0 l 。 智能天线利用天线阵的波束赋形产生多个独立的波束，通过自适应的调整波 束方服务于每一个客户，达到增加系统容量，提高信噪比的目的。智能天线技术， 根据信号环境的改变，通过d s p 技术来控制基站天线方向图，对不同的用户自 适应地进行波束形成，使信噪比实现极大化，减少衰落【2 l 】。如图2 - 3 所示。 图2 - 3 自适应智能天线 智能天线按通信的需要提高有用信号方向上的增益，降低干扰源方向的增益， 提高无线a p 的通信覆盖距离。因此，在建立无线通信网络的初期，使用智能天 线技术，可以扩大小区覆盖半径，同时减少终端数目，降低建设成本。 暇黑黑粤粤舅曼黑曼l _ l i l l i l 豳 ( a )( b ) 图2 4 天线实物图( a ) 和s 1 1 曲线图( b ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 论文设计的无线a p 是供室内使用的，因此采用的是全向的低增益天线。如 图2 - 4 ( a ) ( b ) 为该天线的实物和s 1 1 参数曲线图。从s l l 曲线图中可以看出 该天线在2 g h z 到2 8 g h z 带宽内s 1 1 小于一l o d b 满足产品的运用要求。 2 2 2 射频技术 近几十年来，由于射频技术和微电子技术的迅速成长，无线通信也有了飞速 的发展。w i f i 物理层中，在天线之后，基带单元之前的部分几乎都工作于射频。 射频部主要完成信号的调制与解调、功率放大、低噪声放大和频率变换1 2 2 。 ( 一)收发信机结构 对于w i f i 设备的基本要求就是体积小、重量轻、功耗低，要达到这一目标， 需借助下面几个方面的技术： 1 ) 简单有效的收发信机结构。考虑到多模式、多制式的需求，使用软件无 线电机构。 2 ) 微型、低功耗和低成本的射频元器件技术与高速信号处理技术。 3 ) 高度集成化的专用集成电路( a s i c ) 芯片技术和嵌入式系统技术。 发射机主要是完成对载波的调制，将调制信号搬移到所需的频段上且以一定 的功率发射出去。其结构原理图如图2 - 5 所示发射机的主要指标是频谱，功率 和效率。 基带信号本振信号 图2 - 5 发射机结构图 接收机的作用与发射机相反，如图2 - 6 所示。从各种频率的电磁波中选出有 用信号，通过低噪声放大器放大后再由解调器解调，把频带信号变为基带信号。 图2 - 6 接收机结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 曼曼曼量曼曼曼曼曼曼量曼鼍i i 一。 i i i i m i m ； 一i 一 一一； 。一一i i i i i ；i 皇曼 由于传输路径上的损耗和多径效应，信号到达接收机时是微弱且复杂的，因此接 收机的主要指标是选择性和灵敏度【2 3 1 。 w i f i 系统的收发机一般都共用一根天线，因此天线与收发信机间必须有效 地进行收发隔离和转换。w i f i 的收发是分时进行的，可以用一个转换开关来实 现天线的共用。收发信机最常见的拓扑架构有：超外差和零中频两种【2 4 1 。 ( 二)阻抗匹配 谈到射频技术，人们就不得不提到阻抗匹配，下面我们介绍阻抗匹配。 当信号源的内阻抗与传输线的始端阻抗互为共轭复数，信号源获得最大输出 功率；当终端负载与传输线的特性阻抗相等时，终端负载吸收全部入射功率；这 些都是阻抗匹配要解决的问题1 2 5 1 。 阻抗匹配是射频电路或系统设计时必须考虑的重要因素之一。阻抗匹配的必 要性在于【2 6 】： 1 ) 可以向负载传输最大功率； 2 ) 改善接收机前端的噪声系数； 3 ) 实现了发射机最大功率的传输，提高了效率； 4 ) 阻抗适配时产生反射波会干扰信号源，导致信号源工作不稳定【2 7 】。 阻抗匹配网络一般不用电阻等有耗原件，而是采用无损耗的集中参数电抗原件， 或者采用分布参数的微带结构。下面简单介绍几种集中参数的匹配网络。 ( 1 )l 型匹配网络 l 型匹配网络由两个不同性质的电抗原件组成，常用于射频电路完成阻抗变 换。l 网络是一种窄带网络，具有滤波功能，滤波性能的好坏取决于网络的q 值。 y 一甩命：一 一甩：一x 即p s r s i h 的网络设计 ( b ) 图2 - 7l 型网络的阻抗串、并阻抗转换 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 常用的l 型匹配网络阻抗变换的基础是串、并阻抗转换，见图2 - 7 ( a ) ( b ) 所示。 由图2 7 显示，将串联支路的x s 与r l 变换为并联之路的x s p 与r p 后，再让电 抗x s p - 与电抗x p 在工作频率o 处并联谐振，电抗抵消，只剩下r 尸。并使得r 尸= r s ， 则达到阻抗变换的目“2 8 1 。 根据串、并互换公式有 尽= 小时卜彬) ， y 刍= 。k j ，+ ( 等 2l = 爿j ( + 壶 c 2 2 ， 这里的q 既是串联之路r 、石s 的q 值，也是并联支路b 与r 尸的q 值。 q 2 卺= 砉= 鲁 3 ， 因此在设计l 网络时，首先应求出q 。由已知条件吃和匙及公式2 1 求出o 值 为： 然后由公式2 2 求出 q = ( 2 - 4 ) 以= q r z ( 2 - 5 ) 砟5 吉 ( 2 - 6 ) 最后根据工作频率求出电感三和电容c 。 由于l 型匹配网络是一个窄带阻抗匹配网络，因为它仅在工作频率蛾处并 联谐振，完成阻抗变换。 ( 2 )型和t 型网络 当雹和尽的值确定后，l 网络的q 值固定了，不满足滤波性能的指标。因 此，在设计中往往先按兀型网络( 图2 - 8 ) 或t 型网络( 图2 - 9 ) 来完成电路的 设计。当然，可以再调试过程中试着减少一个电抗原件获得l 型网络，看是否 能满足阻抗变换的带宽需求，在稳定的基础上节省成本。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 量量皇曼曼曼曼皇曼曼曼曼皇曼曼曼曼舅曼曼曼i i i |i 舅曼量曼曼曼曼曼鼍曼曼曼皇曼曼曼量曼量曼曼鲁量量曼曼曼曼皇皇曼曼曼皇! 曼曼! 曼 r s v s r s y s 图2 81 - i 型网络 叫下卜 l 【 图2 9t 型网络 ( 三)自动增益控制 信号在空间传播过程中，由于环境和通信距离的变化，使得接收机接收的信 号电平出现起伏变化，从而引起解调性能的变化【2 9 1 。为了实现接收机良好的接 收效果，在接受强信号时接收机的前端电路不能产生非线性失真，要求在接收弱 信号时能够保证有一定的信噪比；同时满足不论接收强弱信号，通过接收机前端 电路到达解调器输入端的电平恒定，信噪比良好，就需要借助自动增益控制电路 来实现【3 0 1 。在通信系统中，自动增益控制( a g c ) 系统有前馈型、反馈型和自 适应增益控制等结构形式。 2 2 3 调制解调技术 调制解调技术是w i f i 物理层的关键技术。 调制是指把基带信号转换成通带信号的过程，就是用基带信号去控制载波的 某个参数，使之随基带信号的变化而变化。解调，调制的反过程，是从已调通带 信号中提取基带信号，要求有最小的附加噪声、失真和码间干扰等。 在射频数字系统中，载波的参数( 幅度、频率、相位) 随数字基带信号而变 化。数字调制有移幅键控( a s k ) 、移频键控( f s k ) 和移相键控( p s k ) ，他们 的波形如图2 1 0 所示。 i 羽2 1 0a s k 、p s k 、f s k 调带0 波形 w 讵i 中常用的的数字调制解调技术有f s k 、m s k 、b p s k 和q p s k 等。 i e e e 8 0 2 1 1 a 的物理层采用o f d m 多载波高速扩频传输技术，b p s k 、q p s k 、 1 6 q a m 调制方式。i e e e 8 0 2 1 1 b 采用d s s s 扩频技术，d b p s k 、d q p s k 、c c k 调试方式。i e e e 8 0 2 1 1 9 强制采用o f d m 扩频方式，以便在2 4 g h z 上提供5 4 m b p s 的最高速率，同时要求实现i e e e 8 0 2 1 1 b 模式。 2 2 4 信道差错控制技术 信号在传输之前要进行信源编码和信道编码两次编码。心愿编码是为了限制 原始信号的容量，同时使得连续相邻的两个符号相互独立，减少信号中的冗余部 分。信道编码是为了使接收机在信道特性很差时候，也能够以较小的差错率恢复 出原始信号【3 。w i f i 传输信道属于参变量信道，会引起随机错误和突发错误。 随机错误的特点是每个码元的错误概率与它前后码元的错误与否是无关的。在突 发错误中，一个码元的错误会影响前后码元的错误概率。信道编码般只能纠正 随机错误，对于突发错误的纠正需要采用交织技术，信道编码和交织技术统称为 差错控制编码。 w i f i 系统中，使用的差错控制编码包括卷积编码和分组编码两种线性码。 分组编码用来检错和纠错由高斯噪声引起的零星误码；而卷积编码用来校正对于 环境噪声和干扰造成的相对集中的误码；对于码间干扰和频率选择性衰落带来的 突发误码，用卷积编码加交织编码来校正。为了保证所需的传输质量，在实际系 统中一般综合运用以上所以的纠错编码设计。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 第三章无线a p 电路的方案与设计 a t h e r o s 和r a l i n k 两家厂商的解决方案很具有代表性，而且具有很高的市场 占有率。在中国市场热卖的无线路由器和无线a p 很多都是这两家厂商的解决方 案。经过分析的是a t h e r o s 和r a l i n k 两家厂商的w i f i 解决方案，综合系统指标、 设计成本、设计难度、芯片集成度等各方面考虑后，最终选择了r a l i n k 公司的 解决方案。 3 1 最小系统 采用r a l i n k 公司的r t 3 0 5 0 芯片实现无线a p 的基带信号处理和射频信号的 收发功能。无线a p 采用s p a n s i o n 公司s 2 9 g l 0 3 2 n 9 0 t f l 0 4 0 的3 2 m b i t 的 f l a s h 存储器，采用w i n b o n d 的w 9 8 1 2 g 6 g h 的s d r a m 作为系统的动态存 储器。 3 1 1 芯片r t 3 0 5 0 性能及外围电路设计 r a l i n k 公司s o c 级r t 3 0 5 0 芯片支持8 0 2 1 1 n 标准，有一个高性能的工作频 率为3 2 0 m h z 的m i p sc p u 内核，集成5 个1 0 1 0 0m 的以太网端口，同时还 拥有丰富的硬件接口( s p i 1 2 s 1 2 c u 灿盯g m a c ) 来扩展更多的运用。采用集 成度高的r t 3 0 5 0 芯片来实现工作于2 4 g h z 频段且支持8 0 2 1 1 n 协议的无线产 品只需要少量的外部器件。图3 - 1 为r t 3 0 5 0 的内部结构。 图3 - 1r t 3 0 5 0 内部结构图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 r t 3 0 5 0 芯片特性： 1 ) 内嵌1 t 1 r 的2 4 g h zc m o sr f ； 2 )内嵌8 0 2 1i n1 t 1 r l a c b b p m l d ； 3 ) 1 5 0 m b p s 物理数据速率； 4 ) 最高能满足1 2 8 个客户端； 5 ) 支持w e p 6 4 1 2 8 、w p a 、w p a 2 引擎； 6 ) 有着1 6 kic a c h e 和1 6 kdc a c h e 的m i p s 内核； 7 ) 支持1 6 3 2 位的s d 洲； 8 )支持n o r n a n df l a s h ； 9 ) 拥有5 个1 0 l o om b p s 以太网接1 2 ； 1 0 ) 1 4 m m * 1 4 m m 的b g a 封装； 1 1 ) 工作温度范围- 1 0 一5 5 。 ( 一)射频外围电路 r t 3 0 5 0 芯片的射频输入是一个差分端口，收发器输入的信号时从低噪声放 大器( l n a ) 过来的，而l n a 电路送出的是单端射频信号，因此必须将低噪声 放大器输出的信号转换为差分信号。我们知道电感电容能够改变信号的相位，从 l n a 单端口过来的射频信号转化成一组射频差分信号，基本方法就是用电感和 电容组成两条不同的通路，这样经过不同通路的信号就成为两路相位相差1 8 0 。 的信号。图3 - 2 为射频的输入输出电路部分。r f 0 一i n p 与r f 0 一i n n 构成射频输 入差分对，r f 0 _ o u t 为射频的输出信号。l n a p e 和p a _ p e 为外围l n a 和p a 提供3 3 v 的电源。 卜翻r q r r l 啦 卜雨r = 随邮 图3 2 射频输入输出端电路 图3 - 3 为射频控制引脚和温度检测电路。其中a n t _ t r n 和a n t _ t r n b 为 天线复用开关的控制信号。t s s i _ r n 0 是温度检测信号，图3 - 3 中的r t l 为热敏 电阻，当环境温度改变时，自身的阻值也会发生变化，这样t s s i _ i n 0 的值就会 发生变化。系统通过检测t s s i i n 0 值的变化，来检测环境温度。一般情况，温 度检测电路放在功率放大器附近，这样一方面可以检测功放芯片的温度，防止芯 片温度过高而烧毁，另一方面就是根据环境温度调整功率放大器的输出功率或改 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 变功放的增益，提高产品的稳定性。 - o c i f 雕芋 爆摆藿嬲 矮漱 图3 3 射频控制引脚和温度检测电路 ( 二)电源外围电路 r t 3 0 5 0 正常工作需要3 3 v 、1 5 v 、1 2 v 三种电压。图3 - 4 为芯片主要的 电源引脚外围电路，其中3 3 v 分别为i o 端、p l l 端、e p h y ( 以太网物理接 口) 提供电源，1 2 v 分别为p l l 提供数字和模拟电源，在芯片电源引脚的输入 端都需要并联一个电容来实现滤波和稳定电压的功能，不至于使得外部电源噪声 干扰甚至损害芯片。 图3 4r t 3 0 5 0 主要电源引脚外围电路 图3 - 5 为r f 、a d c 、p l l 的电源引脚外围电路，从图中可以看出，这里没 图3 5r f 、a d c 、p l l 的电源引脚外围电路 愿删 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 有外部电源的输入，因为这些引脚的电压均由芯片内部的低压差线性稳压器 ( l d o ) 电源提供。l d o r f o u t v 1 2 输出1 2 v 的电压供给模拟基带( r f _ b b l 和i 过b b 2 ) j 射频的振荡和中频( 1 强o l o 和r f l 一l o ) 和射频信道( i 强o 和 i u l ) 。l d o p l l o u t _ v 1 2 为压控振荡器( v c o v c o ) 、压控振荡器的输出 缓冲( v c o l o ) 、锁相环的分频( p l l _ d i v ) 和锁相环的预分频器( p l l p r e ) 提供1 2 v 的电压。而l d o a d c o u t 为模数转换提供1 2 v 的电压。 图3 - 6 是外部电源为芯片提供的3 3 v 和1 5 v 电压。其中1 5 v 为i 强核和 p l l 、模数转换和数字信号处理提供电源，而3 3 v 为功放使能驱动、压控稳压 电源和带宽间隙参考提供电压。 图3 - 6 电源控制电路 ( 三)存储外围电路 芯片提供了2 3 位地址线和1 6 位的数据线，如图3 7 所示。 图3 - 7r t 3 0 5 0 的地址和数据引脚 下图3 8 为f l s h 和s d r a m 的控制端的外围电路，其中有s d r a m 的时钟、 片选、行选择和f l s h 的片选，以及f l s h 和s d r a m 公用的输出使能( o e _ n ) 和写使能( w e _ n ) 。他们的信号线上都串联一个2 2q 的电阻，防止上电时电流脉 冲损坏芯片内部结构同时消耗因阻抗突变产生的反射能量。 骰翳；蟊；嚣=慧嚣警戮ii；驺i警 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 图3 - 8 存储器控制端 ( 四)其他外围电路 芯片拥有5 个p h y 端口，即r j 4 5 以太网端口，图3 - 9 可知道以太网的收发 信号是两对差分信号。引脚e p h y _ r e f _ r e s 连接着 w 图3 - 9p h y 引脚 r t 3 0 5 0 外接晶振频率为4 0 m h z ，图3 - 1 0 为外接晶振电路图。p l l _ x 1 是晶 振的输入引脚，而p l l _ x 2 是晶振的输出引脚，输出端并联一个2 7 p f 的电容。 图3 - 1 0 外部时钟电路 复位芯片采用i m p 8 1 1 1 - t ，该芯片功耗低，可以监控工作在3 0 v 、3 3 v 、 5 v 的低功率微处理器、微控制器和数字系统。i m p 8 111 一t 是低电平复位有效， 图3 - 1 1 复位电路 当电源提供的电压低于复位门限3 0 8 v 时候，便产生复位信号。图3 1 1 为复位 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 寡量曼皇曼鼍曼量曼曼曼曼曼皇曼皇曼曼曼曼曼曼曼鼍曼曼蔓曼! 曼曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼鼍量曼曼曼曼曼曼蔓曼量曼量舅曼曼曼蔓曼i i i 电路，复位引脚通过4 7 m 电阻连接到3 3 v 电源上。 3 1 2f l a s h 存储器 现在市场上两种主要有n o rf l a s h 和n a n df l a s h 非易失闪存。i n t e l 于1 9 8 8 年首先开发出n o rf l a s h 技术，改变了原先由e p r o m 和e e p r o m 主导市场的局面。东芝公司于1 9 8 9 年开发出n a n df l a s h 技术，高性能低成 本，且可以通过接口轻松升级。 n o rf l a s h 的特点是应用程序不需读到系统r a m 中，而是直接在f l a s h 闪存内运行。n o r f l a s h 的传输效率很高，但是写入和擦除速度太慢，一般用 作小容量( 卜4 m b ) 存储器。n a n df l a s h 结构能提供极的高存储密度，且有 较快的写入和擦除速度。但是，n a n df l a s h 的管理需要特殊的系统接口。 经过估算，我们需f l a s h 存储空间不超过3 2 m b i t ，经过选择和c p u 原厂 的推荐，我们最后选用了s p a n s i o n 公司的型号为s 2 9 g l 0 3 2 n 9 0 t f l 0 4 0 的 3 2 m b i t 的n o rf l a s h 存储器。该f l a s h 存储器的特点为： 1 ) 单电源3 3 v 供电； 2 ) 高性能：存取时间为9 0 n s ，读取时间为2 5 n m ；1 6w o r d 的写缓冲减少 整体编程时间； 3 ) 低功耗：有效读电流为2 5m a ；擦除和编程时候的电流为5 0i l i a ；待机 模式下的电流为1 0 衅； 4 ) 最少擦写次数：1 0 0 ，0 0 0 1 数据保持期：2 0 年； 图3 1 2 为该f l a s h 电路。f l a s h 通过3 3 v 单点供电，有2 2 位地址线和 1 6 位数据线。w p # 是硬件写保护引脚，当引脚悬空时，由于芯片内部的拉高电 图3 - 1 2f l a s h 外围电路 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 压，显示的是高电平。为了确保w p