Wifi射频电路的设计与调试

一：WiFi产品的一般射频电路设计(GeneralRFDesignInWiFiProduct)2011-01-2018:18:41写在前面的话：这篇文章是我结合多年的工作经验和实践编写而成的，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：。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1-1Wi-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（RadioTransceiver）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（PowerAmplifier，PA）进行功率放大，然后通过收发切换器（Transmit/ReceiveSwitch）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（LowNoiseAmplifier，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：TheAtherosAR9220isahighlyintegratedsingle-chipsolutionfor2.4GHzand5GHz802.11n-readywirelesslocalareanetwork(WLANs)thatenableshigh-performance2×2MIMOconfigurationsforwirelessstationsapplicationsdemandingrobustlinkqualityandmaximumthroughputandrange.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。2×2MIMO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。图2-3RT3052的主要射频信号管脚图2-4AR9220的主要射频信号管脚2.2.2.收发器发送的差分信号收发器发送的差分信号，我们要想办法把他们合二为一。为什么要这样做，收发器送出的信号是要给功率放大电路的，功率放大电路处理的是单端信号。平衡器通常用来处理差分信号的问题，除此之外，我们知道，电感和电容都能够改变信号的相位，从差分信号到单端信号，基本的方法就是用电感和电容组成两条不同的通路，这样，经过处理电路的两路信号就在相位上相差了180°，从而可以使原本相位相差180°的差分信号同相，得到单端信号。相反，使单端信号通过两条不同的通路，就得到了差分信号。下面让我们来分别看一下这两种方法的电路形式。方法一，使用平衡器。原本相位相差180°的差分信号经过平衡器（Balun，俗称巴伦），就可以得到合二为一的单端射频信号。如图2-5所示，图中的F1就是一个平衡器，差分信号RFOUT_P和RFOUT_N经过F1得到单端信号RF_OUT。图2-5典型的平衡电路方法二，使用分立元件。典型的使用分立元件的处理电路如图2-6所示。图2-6典型的分立元件处理电路2.2.3.平衡器的参数与选择在Atheros的方案中，平衡器往往使用的很多，我在这里给出平衡器的主要参数和简要的选型指南。如前所述，在我们的Wi-Fi产品中，平衡器常用于处理差分信号，其主要的参数如下：不平衡阻抗平衡阻抗工作频率不平衡端口回波损耗相位变化插入损耗例如，常用的平衡器HHM1711D1典型参数如图2-7所示。这样我们在设计是就可以根据我们的需求选择合适的平衡器了。图2-7HHM1711D1的典型参数2.2.4.收发器接收的差分信号收发器接收的信号来自于前端的低噪声放大器，和功率放大器一样，低噪声放大器处理的也是单端射频信号，这样，我们必须将低噪声放大器输出的信号进行转换。同样，对于低噪声放大器的输出信号同样有两种处理方式：使用平衡器和使用分立元件。Atheros的方案中，有些使用平衡器；Ralink的方案中，至今还没有使用过。其实大家也一定想到了，收发器接收信号和收发器发送信号差不多就是互为逆过程，因此电路的结构也差不多是相反的。没错，看了下面的实际电路图就知道了。先来介绍使用平衡器的方案。在某实际案例中，采用了如图2-8所示的平衡器电路。单端信号RF_IN经过平衡器F5后得到差分的射频信号RFIN_P和RFIN_N。图2-8某案例采用的平衡器电路再来看看采用分立元件实现的方法，图2-9是Ralink惯用的方式，图2-10是Atheros常用的处理方式。可以看出，这两种设计方法大同小异。图2-9Ralink常用的分立元件信号处理方式图2-10Atheros常用的分立元件信号处理方式2.3.收发器的电源管脚收发器一般会有很多个电源管脚，可以大概分为几类，从图2-2也可以看出来，一般会具有主电源管脚，核电压电源管脚，IO电源管脚，锁相环（PhaseLockLoop，PLL）电源管脚等。在射频电路设计中，我们一般会比较关注的是模拟电源。对于射频电路的供电，如果让我在线性稳压电源（LDO）和开关电源（DC/DC）之间选择，那么我会毫不犹豫的选择线性电源。为什么？和开关电源有仇？的确有仇！直到现在我还清晰得记着在大学里面的遭遇。一次我为某高校设计一款校园广播设备，考虑到校园广播的较大的输出功率，对电源的要求也就比较苛刻，我到科技市场转了一圈发现了一款做工精良的开关电源，当时我就被这个家伙华丽的外表欺骗了，毫不犹豫地买了下来