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射频电路的设计及调试.doc
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射频电路的设计及调试.doc
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一: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:
这篇文章是我结合多年的工作经历和实践编写而成的,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展研究。
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
组成局部,如无线收发器,功率放大器,低噪声放大器,如果把这里的某一局部深入展开讨论,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,大局部 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构造和选择器件时应该注意的问题,并没有进展
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,那将是我最快乐的事。我平时喜欢关注一些业界的新技术新产品,但是容太多,没有方法写在
文章中,感兴趣的同事可以访问我的博客:.signalsky.。
由于时间有限,编写者水平更加有限,错误之处在所难免,欢送大家批评指正。
第 1 章. 射频设计框图
做技术的,讲解某个设计的原理时,都会从讲解框图开场,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。
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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 产品的射频局部由五大局部组成〔这是我个人的见解,不同的工程师可能会有不同
的想法〕,蓝色的虚线框统一看成是功率放大器局部。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拟密切以外,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
Ampli%er,PA〕进展功率放大,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
Ampli%er,LNA〕进展放大,这样,放大后的信号就可以直接送给收发器进展处理,进展解调。
在后续的讲解中,我会将图 1-1 中的各个局部逐个展开,将每一个都暴露在大家眼前,也会详细讲解每一局部
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局部有一个比拟清晰的认识。
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,这一局部的设计讲解起来会比拟困难,可是还是想最先讲解这里。
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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
照参考设计进展,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,一般会在开场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 con%gurations 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,最高传输速率可以到达 130Mbps,40MHz 带宽
时,最高的传输速率可以到达 300Mbps。
2.1.2. 调制方式
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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承受。
2.1.6. 射频接口
这项参数关系着我们后续的射频电路的构造。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。
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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那么不是差分的。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。
图 2-3 RT3052 的主要射频信号管脚
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