无线局域网培训讲义.doc

WLAN技术及产品培训课程（一）一 无线通信简介1.1 标准媒介(medium)指的是信号或数据赖以生存或传播的介质。在有线网络里信号是以电平信号或光脉冲的形式进行传播的，常见的媒介就称为有线媒介，例如3-5类双绞线或光纤。 在无线网络中数据传输的最大特点就是不需要线路支持，信号是以电磁波的形式在物质实体，空气或真空中传播。我们现在谈的无线网络是狭义的，仅仅指无线局域网(WirelessLocalAreaNetwork，简称WLAN)，无线局域网是指以无线信道作传输媒介的计算机局域网络。WIFI是wireless Lan的别称。我们平时看到Wireless，WLAN，802.11或是wifi，很多时候他们都是指同一个东西，就是IEEE 802.11族所定义的用于无线局域网的系列标准及其应用。实际上WLAN还包括其他几种规范的无线网络应用，例如蓝牙Bluetooth、HomeRF和红外IrDA，以及最新的UWB、Wimax等等。1.2 IEEE 802.11IEEE 802.11族主要的应用包括IEEE 802.11a、IEEE 802.11b、IEEE 802.11g、IEEE 802.11n等。1.2.1 802.11a提供的最高数据传输速率为54Mbps，工作在5GHz频段上。802.11a和802.11b几乎是同一个时期被创建的。由于802.11a的成本较高， 所以它主要是被应用在商业领域，而802.11b则主要被用在家庭市场。 802.11a优点具有较高的网络速率；信号不易被干扰。 802.11a缺点成本较高；信号容易被障碍物阻隔。1.2.2 802.11b标准支持最高11Mbps的数据传输速率。工作2.4GHz在频段，采用直接序列扩频。 802.11b优点成本低；信号辐射较好，不容易被阻隔。 802.11b缺点带宽速率较低；信号容易受到干扰。1.2.3 802.11g结合了802.11a和802.11b二者的优点，可以说是一种混合标准。能实现在2.4GHz频率下提供56Mbit/s数据传输率。802.11g优点较高的网络速率；信号质量好，不容易被阻隔。 802.11g缺点成本比802.11b高；电器设备可能会影响到2.4GHz频段信号。1.2.4 802.11n标准是IEEE推出的最新标准。802.11n通过采用智能天线技术，可以将WLAN的传输速率由目前802.11a及802.11g提供的 54Mbps、108Mbps，提供到300Mbps甚至是600Mbps。得益于将MIMO(多入多出)与OFDM(正交频分复用)技术相结合而应用的 MIMOOFDM技术，提高了无线传输质量，也使传输速率得到极大提升。 802.11n优点具有最快的网络速率和最广的信号覆盖范围；信号干扰影响较小。802.11n缺点标准没有被正式确定；成本较高；使用多个信号，容易干扰附件的802.11b/g网络。1.2.5 以下表格是802.11族主要标准的比较：二 无线一些基本原理WLAN的整个电路系统包含了射频（RFradio frequency）及基带（BB=baseband）两部分主要电路。无线的射频电路，是以I/Q基带信号为界，到天线之间的电路。射频电路完成信号的接收，发射和频率变换。射频电路的信号为连续的模拟信号。而基带电路主要是数字信号。1 调制和解调原理 。调制：把低频信号加工到高频信号上的过程。 例如把低频的I/Q信号调制到较高的发射负载波上。解调：指把调制在高频信号中的低频信号取出的过程。例如在接收中频信号中解调出I/Q低频信号。1.1 模拟信号的调制解调方法 1.1.1 AM用低频调制电压去控制高频载波信号的幅度的过程称为幅度调制(或调幅) ；幅度调制在频域上是将调制信号F搬移到了载频的两边，其实质是一种频率变换。AM的解调称为检波。其最常见的二极管包络线检波电路如图：1.1.2 调频FM, 高频载波的频率随调制信号幅度的增大而变化(增加)，其载波信号的幅度不变。FM的解调称为鉴频。鉴频的基本思路是，通过回路对调频波的载频产生适当的失谐而起鉴频作用。将调频波送至LC谐振电路，产生失谐后的调频调幅波，再用幅度检波器将中的调制信号检出。回路鉴频器：1.1.3 脉宽调制(PWM)：用连续的低频调制信号去调制序列脉冲的脉宽。1.2 数字信号的调制为了使数字信号在带通信道中传输，必须用数字信号对载波进行调制。 传输数字信号时也有三种基本调制方式：幅度键控ASK，频移键控FSK和相移键控PSK，它们分别对应于用正弦波的幅度、频率和相位来传递数字基带信号。以上三种调制技术所对应的波形比较如图：图 ASK、FSK和PSK波形比较1.3 IQ信号。IQ信号是射频和基带之间的连接信号。I: in phase同相分量；Q:quadrature phase正交分量。之所以称为IQ信号，是由于采用正交调制方式调制到射频上再发送即I路乘以载频的正弦，Q路乘以载频的余弦（pi/2相差），然后相加发送出去。解调则是这个的反过程。1.4 OFDM 现有的宽带无线接入系统IEEE 802.11g/a/n、802.16d/e、802.20（标准正在制定当中）以OFDM/OFDMA技术为基础。OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交频分复用技术，实际上OFDM是MCM Multi-CarrierModulation，多载波调制的一种。FDM/FDMA（频分复用/多址）技术其实是传统的技术，将较宽的频带分成若干较窄的子带（子载波）进行并行发送是最朴素的实现宽带传输的方法。但是为了避免各子载波之间的干扰，不得不在相邻的子载波之间保留较大的间隔（如图1（a）所示），这大大降低了频谱效率。因此，频谱效率更高的TDM/TDMA（时分复用/多址）和CDM/CDMA技术成为了无线通信的核心传输技术。但近几年，由于数字调制技术FFT（快速傅丽叶变换）的发展，使FDM技术有了革命性的变化。FFT允许将FDM的各个子载波重叠排列，同时保持子载波之间的正交性（以避免子载波之间干扰）。如图1（b）所示，部分重叠的子载波排列可以大大提高频谱效率，因为相同的带宽内可以容纳更多的子载波。 OFDM的优点有: 频谱效率高, 频谱资源灵活分配, 实现MIMO技术较简单2 DSSS 直接序列展频技术直接序列扩频（DSSS），（Direct seqcuence spread spectrdm）是直接利用具有高码率的扩频码系列采用各种调制方式在发端与扩展信号的频谱，而在收端，用相同的扩频码序去进行解码，把扩展宽的扩频信 号还原成原始的信息。它是一种数字调制方法，具体说，就是将信源与一定的PN码（伪噪声码）进行摸二加。例如说在发射端将1用 11000100110，而将0用00110010110去代替，这个过程就实现了扩频，而在接收机处只要把收到的序列是11000100110就恢 复成1是00110010110就恢复成0，这就是解扩。这样使得原来较高功率、较窄的频率变成具有较宽频的低 功率频率,信源速率就被提高了11倍，同时也使处理增益达到10dB以上，从而有效地提高了整 机倍噪比。直扩通信速率可达 11M，工作在在2.4GHZ。IEEE802.11b就用到这个技术。3 阻抗匹配3.1阻抗匹配（Impedance matching）的目的是为了保证信号或能量有效地从“信号源”传送到“负载”。匹配的概念，不仅仅在无线产品上面，在我们的交换机路由器上面也存在。比如信号线串联的22R、33R电阻就是一个例子。无线通信系统最主要的一个阻抗要求是50欧姆传输线，RF部分的芯片、滤波器等都是50欧姆输入输出阻抗的。所以TX、RX信号都是要求匹配到50欧姆。在处理RF系统的实际应用问题时，一般情况下需要进行匹配的电路包括天线与低噪声放大器(LNA)之间的匹配、功率放大器输出(RFOUT)与天线之间的匹配、LNA/VCO输出与混频器输入之间的匹配。普通的LC匹配网络如图：带有带通滤波器（BPF）的匹配网络。两个网络原理是一样的，但是相对LC匹配电路，用BPF的匹配电路，调试更简单快捷。要使信号源传送到负载的功率最大，信号源阻抗必须等于负载的共轭阻抗，即： RS + jXS = RL - jXL 图. 表达式RS + jXS = RL - jXL的等效图在这个条件下，从信号源到负载传输的能量最大。另外，为有效传输功率，满足这个条件可以避免能量从负载反射到信号源，尤其是在诸如视频传输、RF或微波网络的高频应用环境更是如此。3.2 最大功率传输定理电路的最大功率传输定理：当有源二端网络的开路电压UOC和等效电阻Ri为常数时，若负载电阻RL与等效电阻Ri相等，负载能从电源获得最大功率。NSbabUU+-RLRLIIRiUoc+-(b)(a)一个有源二端网络的等效电路 RL=Ri是负载获得最大功率的条件，也称为功率匹配。在功率匹配时，负载获得的最大功率为：负载获得最大功率时，功率的传输效率为提问：效率为50，是否浪费？在测量、电子与信息工程中，常常着眼于从微弱信号中获得最大功率，而不看重效率的高低。但是电力系统要求尽可能提高效率，以便更充分的利用能源，不能采用功率匹配条件。3.3 阻抗匹配的方法：在高频端，寄生元件(比如连线上的电感、板层之间的电容和导体的电阻)对匹配网络具有明显的、不可预知的影响。频率在数十兆赫兹以上时，理论计算和仿真已经远远不能满足要求，为了得到适当的最终结果，还必须考虑在实验室中进行的RF测试、并进行适当调谐。需要用计算值确定电路的结构类型和相应的目标元件值。常用的方法有：计算机仿真，根据经验调试和使用史密斯圆图等。其调试方法在此暂不讨论。 三 产品整体介绍我司无线产品包括MINI-PCI,PCI-E,USB,和模块类，以及无线路由器/AP。 以RALINK方案为主简单介绍下。以RT2571方案PCI-E为例3.1 主芯片 RT2571W3.1.1 MAC and Baseband processor 3.1.2 HOST USB1.1/USB2.0 3.1.3 Block Diagram：3.2 TRANSCEIVERTransceiver在射频领域成为无线电收发器，它既有发射机transmitter，也有接收机receiver。两者的共享了很大一部分的电路，用于信号的调制解调，以及其他收发的控制。以下为RT2528的内部框图。LNA是低噪音放大器； LNA的输入其实是差分双端输入的，所以我们在原理图看到的RX通道是有两条信号线的。目的是利用差分传输的防干扰特性，得到稳定的射频信号。几个RX通道的电路如图：VGA是增益可控放大器，AMP是内部发射通道的功率放大器。RF VCO：射频压控振荡器，它是本振，用于产生调制解调用的载波信号。下图是一个手机里面用到的transceiver。很明显可以看到每个频段的LNA都是两个信号输入，即是差分输入的。IQ信号：出现找不到网络时，我们可以通过测量接收机解调电路输出的接收RXI/Q信号，可以快速的断定出是射频接电路故障还是基带单元有故障。在TX I/Q端，只有在启动发射的时候才有IQ信号出来。IQ信号属于中频信号，频率一般在几十MHZ，用示波器是可以很容易看到的。3 功率放大器 PA。PA全称是power amplifier，如AWU501G的PA结构框图如下：从框图看，这是一个带有两级（two stage）放大功能的放大器电路。每级有各自的供电和偏置电路。PA的参数主要有：3.1 增益 gain 用dB衡量。在选择芯片的时候，其增益是越大越好。但是增益大的PA，其价格也会高，所以需要衡量性价比选择。3.2输出功率P1dB 。1dB压缩点(P1dB)是输出功率的性能参数。压缩点越高意味着输出功率越高。放大器有一个线性动态范围，在这个范围内，放大器的输出功率随输入功率线性增加。这种放大器称之为线性放大器，这两个功率之比就是功率增益G。随着输入功率的继续增大，放大器进入非线性区，其输出功率不再随输入功率的增加而线性增加，也就是说，其输出功率低于小信号增益所预计的值。通常把增益下降到比线性增益低1dB时的输出功率值定义为输出功率的1dB压缩点。 3.3 EVM：error vector magnitude 误差向量大小。蜂窝技术规范通常用百分比来表示某些量，而在WLAN领域则一般用分贝数来表示EVM的大小。EVM是要求越小越好。四 关键器件：1 PCB 之所以提到PCB，主要是因为涉及阻抗控制的问题，以及不同供应商的制程能力问题。往往会导致无线性能的降低，以及影响焊接质量等。这里暂且不谈制程问题，仅仅对阻抗控制进行探讨。阻抗控制是为了阻抗匹配而做出的要求，前后批次的pcb阻抗控制不一致，那么在射频端必须重新调整匹配网络，会造成人力物力的浪费；情况严重的甚至是无法调整回来，产品报废。良好的阻抗控制是我们产品质量的保证之一，所以这个是要注意的。 通常的pcb材质有很多：FR-4 即玻璃纤维板；CEM-1或者CEM-3 即半玻璃纤维板；FR-1即纸板。FR-4是用的比较多的一种材质，如果是双层以上的板子一般都用FR-4的材质。FR4类板材的相对空气的介电常数是3.6-4.7，每个PCB厂家会有一点差异。如中京用的PCB是4.2；而兴森快捷的则是3.9。这个介电常数是会随温度变化的，在0-70度的温度范围内，其最大变化范围可以达到20%。介电常数的变化会导致线路延时10%的变化，温度越高，延时越大。介电常数还会随信号频率变化，频率越高介电常数越小。100M以下可以用 4.5计算阻抗、板间电容以及延时。而我们设计的无线产品，工作频率主要在2.4GHZ（后期可能有到5GHZ的）。此时其介电常数会降低到4.2,甚至3.9以下。这将对信号线的阻抗产生5%左右的误差。 如图，线宽12mil的走线，在不同介电常数时候表现的阻抗Zo对比：介电常数为偏高的4.7，阻抗为48.73欧姆。介电常数为偏低的3.6，阻抗为54.65欧姆。可以看到计算得到的阻抗前后相差达到了6欧姆，已经超出了对阻抗误差的要求。我们对于阻抗的公差要求10，对于50欧姆的阻抗控制，允许误差为5欧。所以在设计前端就要求硬件工程师根据阻抗要求，计算好每个信号线的线宽线距，以期实现最佳的阻抗匹配。同时，针对pcb厂家的制程能力，需要管控好PCB线路的公差，过大的公差同样会导致阻抗的不一致性。这个公差我们现在的要求是10。2 晶体晶体振荡器主要是为芯片工作提供一个参考频率。频率稳定度高的晶体，在相同的芯片方案下，其无线性能会好很多。晶体的频率误差用PPM表示，如20PPM。晶体的频率不稳定，会影响到RF信号的频偏、EVM差、spectrum mask。另外，基带处理器所使用的时钟来自transceiver的缓冲输出，所以40MHZ晶体也会影响到数字信号的处理，比如IQ信号的数模转换精度。3 匹配网络。3.1 天线与低噪声放大器(LNA)之间的匹配。其匹配有两种方法：用BALUN或者LC电路。BALUN（音译：巴伦）的作用是：1，是用来实现阻抗匹配；2，是信号平衡。比如在设计WLAN的时候遇到的是天线进入LNA的时候因LNA输入端是差分输入，需要两个信号，所以用BALUN加上去，又能实现阻抗匹配。BALUN也可以用LC来实现了，可以节省成本了。BALUN的输入输出关系：使用BALUN的接收电路：使用LC的接收电路：3.2功率放大器输出(RFOUT)与天线之间的匹配。LC匹配网络：带通滤波器匹配4 RF端的电容电感。 在射频端，要求电容电感的精度，高频稳定性够好。在RX TX通路上面的匹配网络元件尤其重要。如电感用高精度、高Q的绕线电感；电容用误差小、NPO材质的瓷片电容。5 PAPA是 另外一个主要器件。直接影响输出功率的大小，输出信号的质量。以USB网卡为例，我们对PA的输出要求是在EVM 大于-25dB的时候，输出功率1517dBm。在PA选型的时候，在增益达到要求的情况下，综合考虑性价比。6 TRANSCEIVER无线电收发机。因为transceiver处理的主要是IQ到RF端的信号，所以其工作是否正常会直接影响到射频的性能，输出功率，EVM值，接收灵敏度等。它的主要问题在于晶体的正确选型以及焊接效果。