Wi-Fi基帶芯片和Wi-Fi無(wú)線網(wǎng)卡設(shè)計(jì)方案

　　1999年工業(yè)界成立了Wi-Fi聯(lián)盟，致力解決符合802.11標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品的生產(chǎn)和設(shè)備兼容性問(wèn)題。

　　Wi-Fi不僅應(yīng)用于目前銷(xiāo)售的幾乎每一部智能手機(jī)中，而且?guī)缀鯌?yīng)用于所有的掌上游戲機(jī)、平板電腦、筆記本電腦中。在涉及汽車(chē)、數(shù)碼相機(jī)、電子書(shū)閱讀器、藍(lán)光設(shè)備和個(gè)人視頻錄像機(jī)以及每一種設(shè)備的大量新應(yīng)用中都有Wi-Fi芯片組。因此，市場(chǎng)研究公司In-Stat預(yù)測(cè)2012年Wi-Fi芯片組的年出貨量將超過(guò)10億套。

　　目前Wi-Fi芯片的發(fā)展趨勢(shì)除了最高速率54Mbps的IEEE 802.11b/g基帶芯片外，有下面幾種發(fā)展趨勢(shì)：

　　趨勢(shì)一： 高速率方向發(fā)展。這類(lèi)芯片支持最低支持1 x 1的802.11n標(biāo)準(zhǔn)，最高速率可達(dá)150Mbps。采用MIMO技術(shù)的802.11n芯片最高速率達(dá)300Mbps或以上，主要用于高清圖像的傳輸; 值得關(guān)注的是，高速率芯片的支持標(biāo)準(zhǔn)將從IEEE 802.11n過(guò)渡到IEEE 802.11ac（6GHz以下頻段，最大速率可達(dá)1Gbps）和IEEE 802.11ad（60GHz工作頻段，最大速率可達(dá)7Gbps）。

　　趨勢(shì)二： 低功耗、低速率方向發(fā)展。這類(lèi)芯片強(qiáng)調(diào)低功耗，對(duì)速率要求低，最大速率可以為2Mbps，只需支持IEEE 802.11b標(biāo)準(zhǔn)即可，在工業(yè)應(yīng)用、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中有很大的市場(chǎng)。

　　趨勢(shì)三： 和其他網(wǎng)絡(luò)的融合， 如和3G以及未來(lái)4G網(wǎng)絡(luò)的融合。

　　Wi-Fi基帶芯片的架構(gòu)根據(jù)是否采用處理器來(lái)區(qū)分的話，一般有以下幾種：

　　第一種為全硬件型，不采用處理器，整個(gè)芯片的MAC（Medium Access Control，媒體訪問(wèn)控制）層和Phy（Physical layer， 物理層）全部由硬件邏輯實(shí)現(xiàn)。

　　第二種為半軟半硬型，在MAC層采用處理器，一般為MIPS內(nèi)核，也有少部分采用ARM內(nèi)核；物理層采用硬件邏輯實(shí)現(xiàn)。

　　第三種為全軟型，這種芯片采用高速DSP，MAC和Phy全部由軟件實(shí)現(xiàn)。

　　這幾種類(lèi)型各有優(yōu)缺點(diǎn)，市面上都有。一般來(lái)說(shuō)，第一種全硬件型設(shè)計(jì)難度相對(duì)大些，處理速度相對(duì)快些。而且因?yàn)闆](méi)有處理器，成本會(huì)相對(duì)低些。第三種全軟件型，可以靈活配置和升級(jí)，隨著DSP的高速、小面積和低功耗發(fā)展，全軟件型設(shè)計(jì)的比重會(huì)逐漸增加。

　　SCI基帶芯片介紹

　　S901芯片結(jié)構(gòu)：本文介紹的Wi-Fi基帶芯片是SCI的第1代Wi-Fi基帶芯片， 工藝為0.18微米CMOS，接口為USB 2.0接口。屬于前面說(shuō)到的第一種全硬件類(lèi)型，芯片內(nèi)部的MAC和PHY全部由硬件實(shí)現(xiàn)。芯片結(jié)構(gòu)如圖1所示：整個(gè)基帶芯片分為USB接口部分、MCU、MAC、PHY、ADC/DAC。內(nèi)置MCU執(zhí)行USB固件程序。

　　圖1： SCI第一代基帶芯片S901結(jié)構(gòu)圖

　　開(kāi)發(fā)流程：整個(gè)設(shè)計(jì)采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法，先設(shè)計(jì)芯片的架構(gòu)，將芯片分為驅(qū)動(dòng)、MAC、Phy三個(gè)主要部分。驅(qū)動(dòng)部分的設(shè)計(jì)采用軟件工程的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行；因?yàn)轵?qū)動(dòng)運(yùn)行在PC端，要和硬件（網(wǎng)卡）進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，所以，首先要制定通信報(bào)文。MAC部分的設(shè)計(jì)在分析協(xié)議后，進(jìn)行軟硬件劃分，確定那些由硬件完成，那些由軟件完成。物理層涉及較多的通信算法，如幀同步算法、頻率同步（粗頻率同步，細(xì)頻率同步）、信道估計(jì)、編碼解碼、調(diào)制解調(diào)等，需要先進(jìn)行仿真確定算法。整個(gè)物理層的開(kāi)發(fā)流程如圖2所示。

　　圖2： 物理層開(kāi)發(fā)流程

　　仿真：開(kāi)發(fā)過(guò)程中，物理層的算法都經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的仿真，仿真結(jié)果滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)后才開(kāi)始進(jìn)行HDL設(shè)計(jì)。下圖3是OFDM調(diào)制解調(diào)54Mbps仿真結(jié)果。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定 ：PER《10% ，SNR》25@54Mbps。

　　圖3： OFDM 54Mbps仿真結(jié)果。

　　技術(shù)特點(diǎn)：基帶部分不采用處理器，減小芯片面積和提高處理速度；片內(nèi)MCU負(fù)責(zé)執(zhí)行USB的固件程序和執(zhí)行MAC層及物理層的配置；物理層核心算法采用自主專(zhuān)利算法；支持WAPI、IEEE802.11i加密標(biāo)準(zhǔn)，多種加密方式無(wú)縫集成；MAC實(shí)時(shí)性要求不高的部分由軟件實(shí)現(xiàn)，便于升級(jí)和維護(hù)。

　　芯片面積：芯片的邏輯單元為：863K gates（MAC+PHY+USB+MCU） MEMORY大小為：271Kbits。在0.18um下的Die size為：23mm2（包括ADC/DAC/LDO等模擬部分）。S901芯片版圖如圖4所示。

　　圖4： S901芯片版圖。

　　芯片功耗：整個(gè)基帶包括內(nèi)部ADC/DAC的功耗如表1所示。

　　表1： S901功耗表。

　　基于SCI Wi-Fi基帶芯片的無(wú)線網(wǎng)卡設(shè)計(jì)

　　SWM9001 Wi-Fi無(wú)線網(wǎng)卡的結(jié)構(gòu)和主要技術(shù)指標(biāo)

　　SWM9001是基于蘇州中科半導(dǎo)體集成技術(shù)研發(fā)中心有限公司（靈芯集成）具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的射頻芯片S103和基帶芯片S901設(shè)計(jì)的Wi-Fi無(wú)線模組， 該產(chǎn)品在2011年9月30日獲得Wi-Fi聯(lián)盟的產(chǎn)品認(rèn)證，認(rèn)證號(hào)為WFA12939。該無(wú)線模組是國(guó)內(nèi)第一家利用自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)Wi-Fi芯片設(shè)計(jì)而獲得認(rèn)證的產(chǎn)品。 下圖5是網(wǎng)卡的結(jié)構(gòu)圖，圖6是網(wǎng)卡外形圖。

　　圖5： SWM9001網(wǎng)卡構(gòu)成。

　　圖6： SWM9001外形。

　　SWM9001網(wǎng)卡的主要指標(biāo)特性如下：

　　* 符合IEEE802.11b/g/e/h/i標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)支持WAPI加密標(biāo)準(zhǔn);

　　* 加密標(biāo)準(zhǔn)： 64/128/152bitWEP， WPA/WPA2/WPA-PSK/WPA2-PSK， WAPI；

　　* 接口：USB2.0;

　　* 傳輸速率：6/9/12/18/24/36/48/54Mbps@ 802.11g; 1/2/5.5/11Mbps @802.11b；

　　* 調(diào)制方式： BPSK/QPSK/16QAM/64QAM@11g;

　　DQPSK/DBPSK/DSSS/ CCK@802.11b；

　　* 接收靈敏度：-71dBm@11g， 54M; -90dBm @11b， 11M;

　　* 驅(qū)動(dòng)：Window ME/SE/XP/2000/Vista/Win7， Linux 2.6.28and Android 2.1/2.2/2/3;

　　* 傳輸距離：室內(nèi)100米，室外：300米。

　　應(yīng)用范圍：靈芯集成為該參考設(shè)計(jì)提供完整的解決方案（原理圖，PCB， BOM表，驅(qū)動(dòng)程序），產(chǎn)品設(shè)計(jì)充分考慮了功耗、穩(wěn)定性、易用性和可擴(kuò)充性。性能在同類(lèi)產(chǎn)品中處于領(lǐng)先地位， 價(jià)格具有相當(dāng)?shù)母?jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

　　該Wi-Fi無(wú)線模組可以應(yīng)用于PC機(jī)無(wú)線網(wǎng)卡，無(wú)線視頻傳輸，家庭無(wú)線網(wǎng)關(guān)，工業(yè)數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸等場(chǎng)合。

　　SWM9001無(wú)線網(wǎng)卡的設(shè)計(jì)技巧和注意事項(xiàng)

　　無(wú)線網(wǎng)卡的電路主要包括射頻前段模塊（FEM）、射頻模塊（RF）、基帶芯片和電源部分。設(shè)計(jì)中需要注意的事項(xiàng)主要是射頻前段模塊（FEM）、射頻模塊（RF）的電磁兼容和干擾問(wèn)題：

　　1） FEM的濾波電容100uF; 因?yàn)镕EM的PA部分工作電流所占比重大，需要大容量的濾波電容；

　　2） Wi-Fi射頻單元的電源輸入需串入一個(gè)磁珠，用來(lái)抑制電源線上的高頻噪聲和尖峰干擾，提高發(fā)射精度；

　　3） 有源晶振（40MHz）時(shí)鐘線寬不得小于8mil，最好在頂層（Top layer）或底層（Bottom layer）走線；不得在內(nèi)電層走40MHz時(shí)鐘，時(shí)鐘線越短越好，如需穿孔，推薦孔大小為外徑30mil，內(nèi)徑15mil；

　　4） 在四層PCB上推薦的50ohm阻抗線寬為12mil；射頻部分必須保留完整的地平面；

　　5） PCB布局時(shí)，DC-DC最好靠近USB接口；時(shí)鐘線離50ohm阻抗線越遠(yuǎn)越好。