作者:陳松麟
2010年以來,智能手機市場穩步增長。而智能手機一般都提供了無線局域網(WLAN)的連接,這為WLAN射頻單元提供了廣闊的市場前景。
WLAN的標準自1997年發布以來,為了提升傳輸速率和吞吐量,對物理層協議進行了補充,對射頻單元的工作頻率、性能和復雜度都有新的要求。
本文回顧了WLAN標準IEEE 802.11的發展歷程,對其發展趨勢做出了判斷。結合到WLAN在智能手機中的具體應用對射頻單元提出的新的要求,恩智浦半導體公司(NXP)將提供新的射頻解決方案,完全滿足WLAN最新標準對射頻電路的要求。
WLAN的歷史和發展趨勢
無線局域網(WLAN)是基于IEEE 802.11標準、使用免費的ISM頻段射頻資源實現的局域網絡連接。IEEE 802.11的第一個版本的標準由IEEE在1997年制定,該標準定義了媒體訪問控制層和物理層。其中,物理層定義了工作頻率為2.4GHz的ISM頻段,總數據傳輸速率為2Mb/s。
1999年,IEEE 802.11增加了兩個補充版本IEEE 802.11a和IEEE 802.11b,其中IEEE 802.11a定義了5GHz上的ISM頻段,數據傳輸速率可達54Mb/s;而IEEE 802.11b則仍工作在2.4GHz的ISM頻段,但傳輸速率可達11Mb/s。
2003年,IEEE為WLAN的物理層作補充,發布了IEEE 802.11g。該版本仍采用2.4GHz頻段,但傳輸速率提高到54Mb/s。
2009年,IEEE再次對物理層補充,推出了IEEE 802.11n。該標準支持2.4GHz和5GHz兩個頻段,同時可采用雙倍帶寬40MHz,支持多入多出(MIMO)技術。理論上,其最高的傳輸速率可達600Mb/s(達到該速率要同時滿足64QAM調制、5/6編碼速率、40MHz信道帶寬、400ns的保護間隔、采用4個空間串流,以及每個串流速率為150Mb/s)。
2014年1月,作為IEEE 802.11n的升級,新版本IEEE 802.11ac獲得通過,該版本采用5GHz頻段,可提供更高吞吐量(指成功接收數據的速率)的WLAN服務。IEEE 802.11ac具有更寬的射頻帶寬(相對于IEEE 802.11n的40MHz帶寬,IEEE 802.11ac提供至少80MHz、最高160MHz的帶寬),具有更多的MIMO空間串流(最多8路),并支持下行多用戶多入多出(MU-MIMO),以及更高級的256-QAM數字調制。因此,IEEE 802.11ac具有更高的數據傳輸速率,在256QAM調制、5/6編碼速率、160MHz帶寬、400ns保護間隔的情況下,每個串流可提供最高866.7Mb/s的傳輸速率。
此外,為實現更高的數據吞吐量,2013年WiGig組織并入了WiFi聯盟。WiGig致力于推廣IEEE 802.11ad標準,該標準采用60GHz頻段,提供最高7Gb/s傳輸速率的短距離無線通信服務。由于60GHz信號無法穿透障礙物,當終端設備進入WiGig信號無法覆蓋的區域時,將自動切換到更低頻段,但是傳輸速率將大幅下降。
表1總結了IEEE 802.11標準演進的歷程,從中可以看出WLAN標準的每一次升級和補充,其結果無非就是為了得到傳輸速率/吞吐量。為了實現這一目標,可以采用以下兩種手段。1、采用更寬的信道帶寬。為實現這一目的,有時就需要提高工作頻段。因此,WLAN已經從最初的2.4GHz逐步向5GHz過渡,并且已經出現了60GHz的標準,從而可以利用更寬的頻譜資源。2、采用空間復用技術。從IEEE 802.11n開始,MIMO技術被引入WLAN,并且最大空間串流也在IEEE 802.11ac中得到增加。
表1:WLAN物理層標準演進
2010年以來,全球智能手機的出貨量穩步增長。如圖1的預計所示,到2017年,全球智能手機每年的出貨量將接近16億部。在智能手機中,由于工藝的差異,手機主芯片通常不會集成WLAN的射頻電路。對于主芯片,WLAN的射頻電路屬于外圍芯片,如圖2所示。WLAN標準的不斷提升要求WLAN射頻電路除了要支持5GHz的IEEE 802.11ac的需求,也要對IEEE 802.11a/b/g/n作向下兼容支持,此外,還要兼顧到與2.4GHz WLAN標準同頻的藍牙(BT)的共存。
圖1:全球智能手機出貨量統計
圖2:智能手機內部架構
恩智浦WLAN射頻接收方案
為滿足對智能手機WLAN連接標準不斷提升的需求,恩智浦半導體即將推出兩款集成開關的低噪聲放大器芯片(LNA+SW)BGS8324(圖3)和BGS8358(圖4)。
圖3:BGS8324 2.4GHz (IEEE 802.11b/g/n)前端芯片架構
圖4:BGS8358 5GHz (IEEE 802.11a/n/ac) 前端芯片架構
BGS8324是工作在2.4GHz頻段的WLAN接收前端芯片,支持IEEE 802.11b/g以及IEEE 802.11n的2.4GHz頻段,同時兼顧藍牙的共存。該產品采用2mm×2mm的QFN封裝,無需外部匹配器件,具有體積小、功耗低、設計簡單等特點。該芯片支持2.7V到6V的電壓,具有接收放大、直通、發射和藍牙四種模式,并內置對5.8GHz共存信號的防阻塞功能。
BGS8358是工作在5GHz頻段的WLAN接收前端芯片,支持IEEE 802.11a/ac以及IEEE 802.11n的5GHz頻段。該芯片采用1.5mm×1.5mm的QFN封裝,同樣不需要外部匹配器件,具有體積小、功耗低、設計簡單等特點。該芯片支持2.7V到6V的電壓,具有接收放大、直通和發射三種模式,并內置對2.4GHz共存信號的防阻塞功能。
結論
本文回顧了WLAN的物理層標準IEEE 802.11的演進歷程,分析了該標準歷次修正通過工作帶寬的增加以及MIMO技術的運用使得數據吞吐量大幅提高的趨勢。考慮到WLAN在智能手機中的廣泛應用,為迎合最新的WLAN標準,恩智浦半導體推出了用于智能手機WLAN射頻方案的BGS8324和BGS8358兩款產品,以兼容IEEE 802.11a/b/g/n/ac各種標準,同時,還兼顧到2.4GHz頻段藍牙的共存。這兩款產品具有體積小、功耗低、設計簡單等優點,具有廣闊的市場前景。
(審核編輯: 小王子)
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