基于相鄰信道抑制/干擾對(duì)802.11 WLAN的影響分析

隨著無(wú)線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及其他無(wú)線(xiàn)技術(shù)在無(wú)許可限制的同一頻譜范圍內(nèi)的迅速推廣應(yīng)用，Wi-Fi(802.11)產(chǎn)品遭受的射頻(RF)干擾與日俱增，從而嚴(yán)重影響無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(WLAN)的數(shù)據(jù)吞吐性能。與此同時(shí)，對(duì)諸如多媒體音頻與視頻、流媒體、WLAN語(yǔ)音以及其他需要服務(wù)質(zhì)量(QoS)功能與較低分組誤差率的應(yīng)用等新型WLAN應(yīng)用，市場(chǎng)要求更高的數(shù)據(jù)吞吐速率。由于在環(huán)境中對(duì)WLAN設(shè)備的帶內(nèi)干擾與鄰帶干擾不斷增加，因此射頻與數(shù)字過(guò)濾的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。本文分析了鄰信道干擾(ACI)的來(lái)源以及射頻設(shè)計(jì)實(shí)踐，通過(guò)此實(shí)踐可以改善WLAN的相鄰信道抑制(ACR)而全面提高其性能。

概述

在2.4GHz與5.xGHx無(wú)許可限制的頻帶中，ACI問(wèn)題以及改善RF接收機(jī)的Wi-Fi與WLAN技術(shù)性能的需求已倍受制造商、系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員、集成商與美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)的關(guān)注。事實(shí)上，在FCC發(fā)布用于802.11WLAN的額外250MHz頻譜(起始于5.4GHz)時(shí)，它就注明了不久將要針對(duì)WLAN擁擠頻譜帶調(diào)整有關(guān)規(guī)定。FCC近期可能發(fā)布一個(gè)“調(diào)查通知”(NOI)，以收集有關(guān)建立在該頻譜中設(shè)計(jì)射頻接收機(jī)的政府標(biāo)準(zhǔn)的可能性信息。

何謂標(biāo)樁?

在干擾問(wèn)題解決之前，WLAN市場(chǎng)的未來(lái)發(fā)展將大受影響。目前，WLAN接入點(diǎn)設(shè)備(AP)或客戶(hù)端基站將受到其它相鄰WLANAP與基站以及在同一無(wú)許可限制的頻帶中運(yùn)行的非802.11設(shè)備的干擾。該情況與移動(dòng)電話(huà)行業(yè)面臨的問(wèn)題類(lèi)似，其使用信道頻率重用解決方案使該問(wèn)題得以解決。隨著802.11市場(chǎng)的發(fā)展與WLAN技術(shù)的使用密度不斷增大，該問(wèn)題在如下應(yīng)用中將愈演愈劣：

●公司/企業(yè)部署

●密集商務(wù)熱點(diǎn)部署(商業(yè)街等等)

●住宅公寓樓宇部署

●高密度市內(nèi)部署

許多干擾源會(huì)對(duì)WLAN的性能造成不利影響，包括以下非802.11設(shè)備：

●無(wú)繩電話(huà)(2.4或5.xGHz)

●藍(lán)牙個(gè)人區(qū)域聯(lián)網(wǎng)設(shè)備(2.4GHz)

●藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)耳機(jī)是特殊的情況

●脈沖雷達(dá)(美國(guó)正在研究將5.4GHz頻帶用于脈沖雷達(dá))

●微波爐(在2.4GHz頻帶中50%的忙閑度將產(chǎn)生脈沖干擾)

●低能量RF光源(2.4GHz)

●采用包括蜂窩、藍(lán)牙與WLAN在內(nèi)的多種無(wú)線(xiàn)技術(shù)的集成設(shè)備、手持終端與PDA中假訊號(hào)RF噪聲

●滿(mǎn)足新興"全頻段"要求的寬頻帶5GHz設(shè)備

干擾還可能來(lái)源于相鄰的信道。在這種情況下，802.11系統(tǒng)的RF子系統(tǒng)與數(shù)字過(guò)濾的設(shè)計(jì)還可以對(duì)AP或基站的性能造成極大影響。此外，WLAN網(wǎng)絡(luò)的物理設(shè)計(jì)可以消除帶內(nèi)干擾的很多反射。通常由信號(hào)干擾比率(S/I或SIR)決定WLAN的性能，該比率的定義是數(shù)據(jù)信號(hào)與干擾信號(hào)的比率。對(duì)于WLAN的性能而言，SIR通常比信噪比(SNR)更加重要。下面的圖1解釋了這一概念。

顯然，由商用無(wú)線(xiàn)設(shè)備生成的信號(hào)不盡完美。的確，從802.11射頻發(fā)出的信號(hào)生成超出其許可頻帶范圍的一些能量，稱(chēng)之為邊帶發(fā)射。這種情況也會(huì)出現(xiàn)在其他無(wú)線(xiàn)設(shè)備上，如藍(lán)牙、無(wú)繩電話(huà)以及其他與802.11占用相同頻帶的設(shè)備。雖然通過(guò)過(guò)濾可以將來(lái)自相鄰信道的RF干擾降至最低，但是此干擾還會(huì)生成旁瓣能量(sidelobeenergy)，此能量屬于802.11WLAN信號(hào)的通頻帶范圍內(nèi)。如果ACI比802.11信號(hào)強(qiáng)，來(lái)自ACI的邊帶能量將主導(dǎo)信道的噪聲層。如圖2所示。

WLANRF接收機(jī)可以設(shè)計(jì)為帶有有效的ACR，其可發(fā)送約具有802.11信號(hào)0.10帶寬的窄帶信號(hào)。這些窄帶信號(hào)包括無(wú)繩電話(huà)以及藍(lán)牙信號(hào)。然而，寬帶ACI可生成大量進(jìn)入802.11接收機(jī)通頻帶的邊帶能量。在這些條件下，鏈路裕度的數(shù)量或SIR的大小將對(duì)WLAN的數(shù)據(jù)吞吐量造成決定性的影響。

提供可跨越全世界無(wú)許可限制頻帶中所有頻率的5.xGHz射頻架構(gòu)是無(wú)線(xiàn)行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。下圖(圖3)展示了這些所謂的"全頻段"射頻是如何從5.150GHz到5.875GHz運(yùn)行的。若此波段射頻含有將于2007年生效的日本分配，則該范圍還可以擴(kuò)展到從4.9GHz到5.875GHz。假設(shè)此頻帶中存在某些高功率干擾源，如雷達(dá)與導(dǎo)航系統(tǒng)，那么全頻段射頻還需要一些級(jí)別的信道選擇性過(guò)濾才能避免由這些高功率干擾源造成的任何性能下降。

　　以上述內(nèi)容為背景，本白皮書(shū)的其余內(nèi)容將主要介紹以下內(nèi)容：

●可以對(duì)干擾提供相鄰信道抑制(ACR)的RF接收機(jī)設(shè)計(jì);

●ACR過(guò)濾技術(shù)，可以在藍(lán)牙與802.11技術(shù)共存于同一產(chǎn)品平臺(tái)上的嵌入式應(yīng)用中實(shí)施該技術(shù)。特別強(qiáng)調(diào)在無(wú)線(xiàn)耳機(jī)中遇到的問(wèn)題;

●在密集的用戶(hù)環(huán)境中由相鄰802.11單元(cell)產(chǎn)生的干擾。

提供ACR的接收機(jī)設(shè)計(jì)

RF系統(tǒng)抑制源自相鄰信道干擾的能力主要取決于接收機(jī)的架構(gòu)。雖然目前可以使用幾種接收機(jī)架構(gòu)，但是由于在WLAN系統(tǒng)中普遍使用直接轉(zhuǎn)換(DC)與雙通道轉(zhuǎn)換或超外差(super-het)架構(gòu)，因此本白皮書(shū)只對(duì)這兩種架構(gòu)進(jìn)行分析。

為了在WLAN接收機(jī)的設(shè)計(jì)中融入有效的ACR功能，必須在接收機(jī)鏈路中考慮兩個(gè)要點(diǎn)。如下所示：

●低噪聲放大器(LNA)與IP3的輸入信號(hào)飽和度;

●在系統(tǒng)的信號(hào)基帶處理器中模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)的當(dāng)前信號(hào)級(jí)別。

在802.11系統(tǒng)中，大多數(shù)LNA的輸入信號(hào)級(jí)別在-20到-30dBm之間達(dá)到飽和。如果出現(xiàn)了超過(guò)此級(jí)別的強(qiáng)輸入信號(hào)，LNA將停止提供增益，并且實(shí)際上將抑制信號(hào)的非線(xiàn)性失真。精心設(shè)計(jì)的LNA能夠以高達(dá)-10至-15dBm的輸入級(jí)別進(jìn)行操作。當(dāng)輸入信號(hào)超過(guò)-10至-15dBm時(shí)，一些系統(tǒng)能夠繞過(guò)LNA。從而使輸入信號(hào)可高達(dá)+4dBm，但是折衷的結(jié)果是造成較低的接收機(jī)靈敏度。

在LNA的RF處理鏈路的另一端將輸入系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器。這些轉(zhuǎn)換器具有有限的動(dòng)態(tài)范圍。因此，無(wú)法過(guò)濾出ACI，從而造成數(shù)字噪聲層在接收的信號(hào)中占據(jù)主導(dǎo)地位。假設(shè)WLAN射頻設(shè)計(jì)為至少具有20dB的數(shù)字過(guò)濾，那么ACI噪聲與802.11信號(hào)在A/D上的信號(hào)功率應(yīng)該是相同的(相等功率點(diǎn))。

表1顯示了2.4GHz頻帶中干擾源的示例。此表中有效的干擾數(shù)字(第5列)解釋了LNA的飽和點(diǎn)之所以如此重要的原因。

表1中的大多數(shù)干擾源均為窄帶設(shè)備，如：無(wú)繩電話(huà)或藍(lán)牙產(chǎn)品等。在很多情況下，該類(lèi)產(chǎn)品可以在一米之內(nèi)或WLAN客戶(hù)端設(shè)備中進(jìn)行操作。即使有傳播損失，這些干擾源仍然可以為位于802.11接收機(jī)鏈路一端的LNA提供高達(dá)0dBm。

802.11接收機(jī)架構(gòu)

圖4將超外差接收機(jī)架構(gòu)與DC接收機(jī)架構(gòu)之間的差別進(jìn)行了對(duì)比。此示例假設(shè)源自無(wú)繩電話(huà)的相鄰窄帶強(qiáng)干擾為-15dBm，并且接收的WLAN信號(hào)級(jí)別的目標(biāo)是-80dBm。也就是說(shuō)在干擾與WLAN信號(hào)之間的接收功率相差將近65dBm。這種情況很容易發(fā)生，如某用戶(hù)可能一邊在與本地WLAN相連的便攜電腦上進(jìn)行工作，一邊用無(wú)繩電話(huà)聊天。

圖4顯示了超外差接收機(jī)架構(gòu)的過(guò)濾設(shè)計(jì)可以將ACI降低至可接受的級(jí)別。在至少具有20dB數(shù)字相鄰信道過(guò)濾的條件下，超外差接收機(jī)在不增加分組誤差率的情況下每秒能夠接收11兆位(Mbps)CCK或22MbpsPBCC802.11Wi-Fi信號(hào)。

如果采用DC架構(gòu)，去除了中頻(IF)上的聲表面波(SAW)濾波器，從而導(dǎo)致接收機(jī)鏈路中A/D轉(zhuǎn)換器上的干擾信號(hào)是40dB，高于可接受的程度。采用A/D上的過(guò)采樣與回遞抽取過(guò)濾(recursivedecimationfiltering)，仍然可以恢復(fù)802.11信號(hào)。例如，GSM接收機(jī)使用DC架構(gòu)，并且通過(guò)在大約26MHz上過(guò)采樣大約300KHz的帶寬GSM信號(hào)提供大約80dB的ACR。不幸的是，由于技術(shù)的局限性與電池供電產(chǎn)品的低功耗要求，過(guò)采樣所采用的信號(hào)幾乎百分之