將 WLAN 集成至手持設備的設計

2004年6月B版

引言

　　移動電話、PDA 以及智能電話等高性能、多功能手持設備的需求在不斷增長。其中的動力之一是多種技術集成到一個能手持并裝進口袋的設備中，這已經(jīng)并將繼續(xù)推動上述需求的發(fā)展。手持設備市場最近的發(fā)展趨勢是上述設備開始具有彩屏顯示與照相機功能,而且 Bluetooth 無線耳機巍然風行，這將最終消除移動電話耳機與移動電話主機之間的連線。顯示屏分辨率越來越高，音頻系統(tǒng)的性能也不斷改善，系統(tǒng)可用的存儲器容量以及 CPU 性能也在不斷提高。上述不斷發(fā)展的硬件與處理功能將推動實現(xiàn)新式應用，如視頻電話、企業(yè)與家庭 WLAN 上的 VoIP、高清晰度視頻流以及高速因特網(wǎng)等，同時還將實現(xiàn)無所不在的移動電話覆蓋范圍。

設計挑戰(zhàn)

　　眾所周知，由于這些手持設備本身體積很小，電池的容量有限，每個子系統(tǒng)都必須很小，而且功耗要非常低。添加新技術而不增加設備體積對每一代產(chǎn)品都至關重要。在每代產(chǎn)品中，預期電池的使用壽命應該越來越長。還有一個深層問題是隨著多種無線技術匯聚在手持設備中，會出現(xiàn)全新的各種電磁干擾問題。除了小外形與低功耗要求外，無線子系統(tǒng)的設計還必須使各子系統(tǒng)可實現(xiàn)共存，而不致相互損害。本文將深入探討如何解決上述新要求與挑戰(zhàn)，以設計出新一代高性能、高功能的無線手持設備。

　　舉例來說，某些新一代手持產(chǎn)品將包含 GPS、WLAN 與藍牙以及 2.5G 與 3G 蜂窩技術，這些設備可方便地在多達五至六個頻帶中進行操作。設置上述每種標準的標準委員會沒有明確接收機要求，而是假定設備處在兩至三個其它發(fā)送器的 10 厘米頻譜范圍之內(nèi)。這樣，為了使上述帶有多種無線技術的高度集成的手持設備能夠工作，設計小組必須計算傳輸頻譜功率水平的要求，以及接收機鄰信道抑制要求，從而避免手持設備的自我干擾。

手持設備中集成的無線功能

　　在討論工程設計細節(jié)之前，我們必需先來回顧一下為什么要將多個無線系統(tǒng)集成至一個手持設備中。因為消費者已經(jīng)習慣于隨時攜帶移動電話，而且隨時都能打電話、接電話。這種習慣和生活方式不會改變，那么蜂窩技術及其相關改進還將繼續(xù)。在所有討論的技術中，蜂窩技術是能夠真正實現(xiàn)無所不在的覆蓋技術，它將繼續(xù)推動隨時隨地實現(xiàn)自動連接，而且這種連接目前正從語音業(yè)務擴展到因特網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務。

　　近幾年來，WLAN 技術市場不斷擴大，并滲透到三大關鍵領域：家庭、辦公室與熱點。熱點是指酒店或機場等用戶高度集中的地點。WLAN 的主要優(yōu)勢在于速度非?？?，而且在建筑物內(nèi)的穿透力很強，這使其成為辦公室環(huán)境下的自然之選。WLAN 的服務成本往往不是按每分鐘計時收費，而且網(wǎng)絡容量目前已達數(shù)十 Mbps，將來甚至可達數(shù)百 Mbps。除消費者已經(jīng)習慣由 WLAN 實現(xiàn)的高速數(shù)據(jù)服務外，WLAN 有望實現(xiàn)高速視頻、電視會議、音頻與 VoIP等業(yè)務。

　　藍牙在上述設備中也找到用武之地，我們現(xiàn)在可以看到人們佩戴耳機邊走邊通話，今后藍牙將成為這種耳機無線技術實現(xiàn)的關鍵。對于無線鍵盤與鼠標等需要低功耗的低速設備而言，它們不需要很高的帶寬，藍牙也是一種理想的技術。

　　GPS 即全球定位系統(tǒng)不再是飛機的專利。隨著 GPS 子系統(tǒng)成本的降低，該技術已經(jīng)出現(xiàn)在手持終端中，可實現(xiàn)導航設備以及具有突發(fā)事件定位業(yè)務。

手持設備中的WLAN設計

　　具有上述所有無線系統(tǒng)的產(chǎn)品設計會面臨多方面 (multidimensional) 的問題。每個系統(tǒng)都有各自的傳輸頻譜特性，并需要各自定制接收機的鄰信道抑制功能。我們將從 WLAN 子系統(tǒng)的角度來討論該問題，盡管新一代系統(tǒng)將以 IEEE 802.11g (54Mbps) 為基礎，為簡單起見，我們將專門探討 IEEE 802.11b (11Mbps)。

　　每個無線子系統(tǒng)的設計哲學必須遵循“不損害”原則以及“抗干擾穩(wěn)健性”原則。第一部分“不損害”原則是指發(fā)射頻譜掩碼不得大幅提高其他無線系統(tǒng)帶通中的噪聲下限。當然，所謂其他無線系統(tǒng)是在相同手持終端設備中的系統(tǒng)，因此我們可以假定最多在 20 dB 天線間進行隔離。就熱噪聲下限值為-114 dBm/MHz 而言，WLAN 系統(tǒng)在其他器件帶通中最好傳輸不超過-94 dBm/MHz。實際情況中，上述要求會加上一些裕度，不會對其他系統(tǒng)造成很大影響。還有一種方法就是限制帶外發(fā)射功率，這樣其他無線系統(tǒng)敏感度衰減的影響就不會超過一個給定值。

　　802.11b 標準確定，頻率超過中央頻率 22 MHz 以上時，發(fā)射頻譜應比通帶中的功率下降 50 dB。通帶中最大發(fā)射功率通常為 12 dBm/MHz，因此，上述要求就會需要通帶外為-38 dBm/MHz，這與“不損害”相距甚遠。管理機構(gòu)可能會對帶外發(fā)射功率給出進一步限制，但即便這些額外的限制可能也不足以保證達到足夠的性能。本例清楚地顯示，WLAN 子系統(tǒng)要求更多規(guī)范，以確保其不損害其他無線子系統(tǒng)。

　　同樣，WLAN 子系統(tǒng)還必須具有“抗干擾穩(wěn)健性”。在手持終端設備中，這一點具有全新的含義。就具備 WLAN 功能的筆記本電腦而言，到其他無線發(fā)送器的距離以米乃至數(shù)十米來計量，而手持終端中的距離則要以厘米計量。必須容忍的干擾源數(shù)量根據(jù)傳輸功率從 0 dBm 至 30 dBm 不等，根據(jù)距離 WLAN 系統(tǒng) 0 至 1600 MHz 而不同。圖3給出了一些例子。

　　802.11b 標準確定，據(jù)接收機中央頻率 25 MHz時，相鄰信道抑制必須至少為 35 dB。相鄰信道抑制規(guī)范沒有進一步的要求。舉例而言，壓縮點就沒有相關規(guī)范。此外，802.11b 標準指定抑制應相對于另一 802.11b 波形進行測試。我們可預期到這一點，它當然也是需要的，但就某些目的而言，它又是不夠的。舉例來說，該規(guī)范根本不能保證接收機在 5 厘米外從天線傳輸 PCS 且傳輸噪聲為 30 dBm 的情況下能夠正常工作。還必須添加額外的設計要求，以保證 WLAN、藍牙與其他無線系統(tǒng)能夠在上述近距離環(huán)境中工作。

　　一個很難解決的問題就是藍牙與WLAN在手持設備中如何共存。該問題在手持終端設備中尤其難以解決，這還是因為藍牙與WLAN天線之間的隔離非常有限，容易形成互相干擾。藍牙與 WLAN 之所以難以共存，是由于二者都運行在 2.4 GHz ISM 頻帶中。因此，兩個系統(tǒng)的設計通常都帶有信道預選擇濾波器，占據(jù)整個 2.4 GHz 頻帶。這使去除干擾信號尤其困難。但是，我們針對這一問題擁有多種解決方案。一個解決方案是采用時分多路算法以避免系統(tǒng)間干擾，此外，藍牙 1.2 解決方案中的自適應跳頻進行了標準化。不過，即便有了上述改進，如果不采用發(fā)射功率控制等技術，WLAN與藍牙仍然難以同時工作 。WLAN 與藍牙共存問題雖然很難解決，但我們還是找到了解決途徑，因此用戶能夠同時實現(xiàn)WLAN與藍牙操作，藍牙語音等主要應用也未受影響。

　　智能電話、移動電話、PDA等設備中WLAN器件對于相鄰信道有關要求、發(fā)射頻譜要求、尺寸要求以及功耗要求都具有獨特性。并非每個WLAN系統(tǒng)都能滿足上述環(huán)境所需的性能要求。此外，系統(tǒng)設計人員必須選擇那些專門為滿足上述要求進行設計的產(chǎn)品，否則相應產(chǎn)品的性能將難以令人滿意。但幸運的是，上述要求并非不可以實現(xiàn)，在今天最先進的 WLAN 系統(tǒng)以及在用于 PDA 的參考設計中這些功能已經(jīng)被成功實現(xiàn)?！?BR>