WiFi产品的一般射频电路设计 (General RF Design In WiFi Product)
2011-01-20 18:18:41
写在前面的话：
这篇文章是上海生花通信科技有限公司的一线射频工程师编写的，具有一定的实用
性，希望能够对大家的设计工作起到一定的帮助作用。
I. 前言
这是一篇针对性很强的技术文章。在这篇文章中，我只是分析研究了Wi-Fi产品的一般射频电路设计，而且主要分析的是Atheros 和Ralink的解决方案，对于其他厂
商的解决方案并没有进行研究。
这是一篇针对性很不强的技术文章。在这篇文章中，我研究，讨论了Wi-Fi产品中的射频电路设计，包括各个组成部分，如无线收发器，功率放大器，低噪声放大器，
如果把这里的某一部分深入展开讨论，都可以写成一本很厚的书。
这篇文章具有一般性。虽然说这篇文章主要分析了Atheros和Ralink的方案，但是这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，因此，大部分Wi-Fi 产品也必然是具有一致或者类似的架构。经常浏览相关网站的人一定知道，
在中国市场热卖的无线路由器，无线AP很多都是这两家的解决方案。 这篇文章具有一定的实用性。这篇文章的编写是基于我们公司的二十余种参考设计电路，充分吸收了参考设计的精华，并提取其一般性，同时，本文也重在分析实际的电路结构和选择器件时应该注意的问题，并没有进行深入的理论研究，所以，本
文具有一定的实用性。
这篇文章是我在自己的业余时间编写的（也可以说我用这种方式消磨时间），如果这篇文章能够为大家的工作带来一点帮助，那将是我最高兴的事。我平时喜欢关注一些业界的新技术新产品，但是内容太多，没有办法写在文章中，感兴趣的同事可
以访问我的博客：http://cn.signalsky.com。
由于时间有限，编写者水平更加有限，错误之处在所难免，欢迎大家批评指正。
第1章. 射频设计框图
做技术的，讲解某个设计的原理时，都会从讲解框图开始，本人也不例外，先给大
家展示一下Wi-Fi产品的一般射频设计框图。
图1-1 Wi-Fi产品的一般射频设计框图
如图1-1所示，一般Wi-Fi产品的射频部分由五大部分组成（这是我个人的见解，不同的工程师可能会有不同的想法），蓝色的虚线框内统一看成是功率放大器部分。无线收发器（Radio Transceiver）一般是一个设计的核心器件之一，除了与射频电路的关系比较密切以外，一般还会与CPU有关，在这里，我们只关注其与射频电路相关的一些内容。发送信号时，收发器本身会直接输出小功率的微弱的射频信号，送至功率放大器（Power Amplifier，PA）进行功率放大，然后通过收发切换器（Transmit/Receive Switch）经由天线（Antenna）辐射至空间。接收信号时，天线会感应到空间中的电磁信号，通过切换器之后送至低噪声放大器（Low Noise Amplifier，LNA）进行放大，这样，放大后的信号就可以直接送给收发器进行处理，
进行解调。
在后续的讲解中，我会将图1-1中的各个部分逐个展开，将每一个都暴露在大家眼前，也会详细讲解每一部分的设计，相信大家在认真仔细的阅读这篇文档之后，就
可以对射频的各个组成部分有一个比较清晰的认识。
第2章. 无线收发器
我把无线收发器（在本章的以下内容中简称收发器）放在了第一个模块，主要原因就是因为，它一般会是一个设计的核心器件之一，有的时候还可能集成在CPU上，就会是一个设计中的最重要的芯片，同时，理所当然，收发器的重要性决定了它的外围电路必然很复杂，实际上也是如此。而且，如果没有参考设计，完全由我们自主设计的时候，这颗芯片也是我们应该放在第一优先的位置去考虑，这颗芯片从根本上决定着整个设计的无线性能。这样，这一部分的设计讲解起来会比较困难，可
是还是想最先讲解这里。
收发器通常会有很多的管脚，在如图2-1中，我只给出了射频电路设计时会关注的管脚，可以看到，有几个电源管脚，数字地，模拟地，射频输出，功率放大器增益控制，功率检测，温度检测，射频输入，低噪声放大器增益控制，发射、接收切换
等管脚，在接下来的内容中，我会把这些管脚分模块逐个讲解。
图2-1 一般的无线收发芯片（射频电路设计相关）
2.1. 无线收发器芯片的技术参数
不同的设计，收发器一般会很不一样，我们大多数时候都不会想着去更换它。一般我们选用收发器，会直接按照参考设计进行，尽管如此，我还是像从一个研发人的角度出发，说一说，在选择无线收发器时应该关注的一些参数（射频电路相关的参
数）。
2.1.1. 协议，频率，通路与传输速率
在收发器的Datasheet中，一般会在开始的几段话中就指出该芯片支持哪些协议，工作在什么频率上，几条通路（也就是几发几收），我们公司目前的主打产品设计都是支持802.11n的。这三项参数的重要性想必不用我说，大家也应该体会得到，
它们参数决定着最终的产品的功能。
一段典型的描述如：The Atheros AR9220 is a highly integrated single-chip solution for 2.4GHz and 5GHz 802.11n-ready wireless local area network (WLANs) that enables high-performance 2×2 MIMO configurations for wireless stations applications demanding robust link quality and maximum throughput and range. 从这段描述中，我们可以知道，AR9220支持802.11n草案（一般来说都会兼容802.11b/g）。同时，AR9220也支持双频，2.4GHz和5GHz，这样，我们就可以
得知，它也支持802.11a。2×2 MIMO说明AR9220是二发二收（2T2R）。
传输速率和协议及通路密切相关，感兴趣的同事可以查阅相关资料。 从AR9220的Datasheet中我们可以得知，20MHz带宽，最高传输速率可以达到
130Mbps，40MHz带宽时，最高的传输速率可以达到300Mbps。
2.1.2. 调制方式
调制方式和传输速率是密切相关的，不同的传输速率对应着不通的调制方式。芯片支持的调制方式一般会在Datasheet的特性描述中给出。例如，AR9220支持的调
制方式有BPSK，QPSK，16QAM，64QAM，DBPSK，DQPSK，CCK。
2.1.3. 时钟频率
时钟频率，时钟频率包括两种，收发器外接晶振的频率和内部倍频后的工作频率，
这项参数同样应该是我们关注的。
2.1.4. 输出功率
有一个现象我一直也弄不清楚，为什么在收发器的Datasheet中不给出其发射功率？这项参数对于我们RF工程师是很重要的，因为这项参数决定着后续功率放大电路的设计，我们要保证收发器的输出功率足以驱动功率放大器，这样，我们才能够设
计合理有效的放大器。 2.1.5. 接收灵敏度
和输出功率一样，收发器接收灵敏度这项参数也不会在Datasheet中给出，在实际的设计过程中，有了这项参数，我们才能合理地设计低噪声放大器的放大倍数，才
能保证低噪声放大器的输出可以被收发器有效的接受。
2.1.6. 射频接口
这项参数关系着我们后续的射频电路的结构。一般来说，收发器应该具有的射频输入管脚包括：射频输出管脚，功率放大器增益控制管脚，功率放大器输出功率检测输入管脚，低噪声放大器增益控制管脚，切换器收发控制管脚，一般Ralink的方案
还会有PA温度检测管脚。 2.1.7. 供电电压与功耗
从全局的角度看，供电电压与功耗同样会是我们不得不关注的技术参数，这两项参
数关系着电源电路的设计和散热的设计。
2.2. 差分射频信号的处理 2.2.1. 收发器本身具有的管脚
对于射频信号，为了增强收发器的抗干扰能力，一般会采用差分信号的处理方式，也就是说，收发器会以差分形式将信号发送出去，同时外部电路也必须为收发器提供差分射频信号的输入。如图2-2所示，红色方框内的四只管脚就是这个收发器的
差分射频信号的输入，输出管脚，也是最重要的射频信号管脚。
图2-2 收发器的射频输入与输出管脚
这里必须指出的是，Atheros的收发器一般会同时对输入与输出做差分处理。但是Ralink一般要求外部输入的信号是差分的，而自身输出的射频信号则不是差分的。图2-3和图2-4分别给出了RT3052（Ralink）和AR9220（Atheros）的主要射频信号管脚。不难发现，Atheros的设计相比Ralink要更加细腻，不只是收发器芯片，在后续电路的设计中，也会发现，Atheros考虑的问题很周全，我想，这也是我们
作为研发人应该具备的一种精神。
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