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

     1999年產(chǎn)業(yè)界成立了Wi-Fi同盟，致力解決符合802.11標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品的出產(chǎn)和設(shè)備兼容性題目。

      Wi-Fi不僅應(yīng)用于目前銷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、數(shù)碼相機(jī)、電子書閱讀器、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猜測(cè)2012年Wi-Fi芯片組的年出貨量將超過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。這類芯片夸大低功耗，對(duì)速率要求低，最大速率可認(rèn)為2Mbps，只需支持IEEE 802.11b尺度即可，在產(chǎn)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，也有少部門采用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)。

      這幾種類型各有優(yōu)缺點(diǎn)，市道市情上都有。一般來說，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。而且由于沒有處理器，本錢會(huì)相對(duì)低些。第三種全軟件型，可以靈活配置和進(jìn)級(jí)，跟著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基帶芯片先容

      S901芯片結(jié)構(gòu)：本文先容的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。屬于前面說到的第一種全硬件類型，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接口部門、MCU、MAC、PHY、ADC/DAC。內(nèi)置MCU執(zhí)行USB固件程序。

   

      開發(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)主要部門。驅(qū)動(dòng)部門的設(shè)計(jì)采用軟件工程的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行；由于驅(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，首先要制定通訊報(bào)文。MAC部門的設(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訊算法，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，需要提高前輩行仿真確定算法。整個(gè)物理層的開發(fā)流程如圖2所示。

      仿真：開發(fā)過程中，物理層的算法都經(jīng)由嚴(yán)格的仿真，仿真結(jié)果知足設(shè)計(jì)指標(biāo)后才開始進(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)劃定 ：PER<10% ，SNR>25@54Mbps。

      技術(shù)特點(diǎn)：基帶部門不采用處理器，減小芯片面積和進(jìn)步處理速度；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利算法；支持WAPI、IEEE802.11i加密尺度，多種加密方式無縫集成；MAC實(shí)時(shí)性要求不高的部門由軟件實(shí)現(xiàn)，便于進(jìn)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等模擬部門)。S901芯片版圖如圖4所示。

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

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

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

      SWM9001是基于姑蘇中科半導(dǎo)體集成技術(shù)研發(fā)中央有限公司(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無線模組, 該產(chǎn)品在2011年9月30日獲得Wi-Fi同盟的產(chǎn)品認(rèn)證,認(rèn)證號(hào)為WFA12939。該無線模組是海內(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)卡形狀圖。

      圖5: SWM9001網(wǎng)卡構(gòu)成。

      圖6: SWM9001形狀。

      SWM9001網(wǎng)卡的主要指標(biāo)特性如下:

      * 符合IEEE802.11b/g/e/h/i尺度，同時(shí)支持WAPI加密尺度;

      * 加密尺度: 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；

      * 接收敏捷度:-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;

      * 傳輸間隔: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、不亂性、易用性和可擴(kuò)充性。機(jī)能在同類產(chǎn)品中處于領(lǐng)先地位, 價(jià)格具有相稱的競(jìng)爭(zhēng)上風(fēng)。

      該Wi-Fi無線模組可以應(yīng)用于PC機(jī)無線網(wǎng)卡，無線視頻傳輸，家庭無線網(wǎng)關(guān)，產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)葓?chǎng)合。

      SWM9001無線網(wǎng)卡的設(shè)計(jì)技巧和留意事項(xiàng)

      無線網(wǎng)卡的電路主要包括射頻前段模塊(FEM)、射頻模塊(RF)、基帶芯片和電源部門。設(shè)計(jì)中需要留意的事項(xiàng)主要是射頻前段模塊(FEM)、射頻模塊(RF)的電磁兼容和干擾題目：

      1) FEM的濾波電容100uF; 由于FEM的PA部門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，用來按捺電源線上的高頻噪聲和尖峰干擾，進(jìn)步發(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；射頻部門必需留存完整的地平面；

      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。

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