WLAN射频优化的解决方案设计详解

本文回顾了WLAN标准IEEE 802.11的发展历程，对其发展趋势做出了判断。结合到WLAN在智能手机中的具体应用对射频单元提出的新的要求，恩智浦半导体公司(NXP)将提供新的射频解决方案，完全满足WLAN最新标准对射频电路的要求。2010年以来，智能手机市场稳步增长。而智能手机一般都提供了无线局域网(WLAN)的连接，这为WLAN射频单元提供了广阔的市场前景。WLAN的标准自1997年发布以来，为了提升传输速率和吞吐量，对物理层协议进行了补充，对射频单元的工作频率、性能和复杂度都有新的要求。

WLAN的历史和发展趋势

无线局域网(WLAN)是基于IEEE 802.11标准、使用免费的ISM频段射频资源实现的局域网络连接。IEEE 802.11的第一个版本的标准由IEEE在1997年制定，该标准定义了媒体访问控制层和物理层。其中，物理层定义了工作频率为2.4GHz的ISM频 段，总数据传输速率为2Mb/s。

1999年，IEEE 802.11增加了两个补充版本IEEE 802.11a和IEEE 802.11b，其中IEEE 802.11a定义了5GHz上的ISM频段，数据传输速率可达54Mb/s;而IEEE 802.11b则仍工作在2.4GHz的ISM频段，但传输速率可达11Mb/s。2003年，IEEE为WLAN的物理层作补充，发布了IEEE 802.11g。该版本仍采用2.4GHz频段，但传输速率提高到54Mb/s。2009年，IEEE再次对物理层补充，推出了IEEE 802.11n。该标准支持2.4GHz和5GHz两个频段，同时可采用双倍带宽40MHz，支持多入多出(MIMO)技术。理论上，其最高的传输速率可达600Mb/s(达到该速率要同时满足64QAM调制、5/6编码速率、40MHz信道带宽、400ns的保护间隔、采用4个空间串流，以及每个串流速率为150Mb/s)。

2014 年1月，作为IEEE 802.11n的升级，新版本IEEE 802.11ac获得通过，该版本采用5GHz频段，可提供更高吞吐量(指成功接收数据的速率)的WLAN服务。IEEE 802.11ac具有更宽的射频带宽(相对于IEEE 802.11n的40MHz带宽，IEEE 802.11ac提供至少80MHz、最高160MHz的带宽)，具有更多的MIMO空间串流(最多8路)，并支持下行多用户多入多出(MU- MIMO)，以及更高级的256-QAM数字调制。因此，IEEE 802.11ac具有更高的数据传输速率，在256QAM调制、5/6编码速率、160MHz带宽、400ns保护间隔的情况下，每个串流可提供最高 866.7Mb/s的传输速率。

此外，为实现更高的数据吞吐量，2013年WiGig组织并入了WiFi联盟。WiGig致力于推广IEEE 802.11ad标准，该标准采用60GHz频段，提供最高7Gb/s传输速率的短距离无线通信服务。由于60GHz信号无法穿透障碍物，当终端设备进入 WiGig信号无法覆盖的区域时，将自动切换到更低频段，但是传输速率将大幅下降。

表1总结了IEEE 802.11标准演进的历程，从中可以看出WLAN标准的每一次升级和补充，其结果无非就是为了得到传输速率/吞吐量。为了实现这一目标，可以采用以下两 种手段。1、采用更宽的信道带宽。为实现这一目的，有时就需要提高工作频段。因此，WLAN已经从最初的2.4GHz逐步向5GHz过渡，并且已经出现了 60GHz的标准，从而可以利用更宽的频谱资源。2、采用空间复用技术。从IEEE 802.11n开始，MIMO技术被引入WLAN，并且最大空间串流也在IEEE 802.11ac中得到增加。

表1：WLAN物理层标准演进

2010年以来，全球智能手机的 出货量稳步增长。如图1的预计所示，到2017年，全球智能手机每年的出货量将接近16亿部。在智能手机中，由于工艺的差异，手机主芯片通常不会集成 WLAN的射频电路。对于主芯片，WLAN的射频电路属于外围芯片，如图2所示。WLAN标准的不断提升要求WLAN射频电路除了要支持5GHz的 IEEE 802.11ac的需求，也要对IEEE 802.11a/b/g/n作向下兼容支持，此外，还要兼顾到与2.4GHz WLAN标准同频的蓝牙(BT)的共存。

图1：全球智能手机出货量统计

图2：智能手机内部架构

为满足对智能手机WLAN连接标准不断提升的需求，恩智浦半导体即将推出两款集成开关的低噪声放大器芯片(LNA+SW)BGS8324(图3)和BGS8358(图4)。

图3：BGS8324 2.4GHz (IEEE 802.11b/g/n)前端芯片架构

图4：BGS8358 5GHz (IEEE 802.11a/n/ac) 前端芯片架构

BGS8324是工作在2.4GHz频段的WLAN接收前端芯片，支持IEEE 802.11b/g以及IEEE 802.11n的2.4GHz频段，同时兼顾蓝牙的共存。该产品采用2mm&TImes;2mm的QFN封装，无需外部匹配器件，具有体积小、功耗低、设计简单等特 点。该芯片支持2.7V到6V的电压，具有接收放大、直通、发射和蓝牙四种模式，并内置对5.8GHz共存信号的防阻塞功能。

BGS8358是工作在5GHz频段的WLAN接收前端芯片，支持IEEE 802.11a/ac以及IEEE 802.11n的5GHz频段。该芯片采用1.5mm&TImes;1.5mm的QFN封装，同样不需要外部匹配器件，具有体积小、功耗低、设计简单等特点。该芯片支 持2.7V到6V的电压，具有接收放大、直通和发射三种模式，并内置对2.4GHz共存信号的防阻塞功能。

本文回顾了WLAN的物理层标准IEEE 802.11的演进历程，分析了该标准历次修正通过工作带宽的增加以及MIMO技术的运用使得数据吞吐量大幅提高的趋势。考虑到WLAN在智能手机中的广 泛应用，为迎合最新的WLAN标准，恩智浦半导体推出了用于智能手机WLAN射频方案的BGS8324和BGS8358两款产品，以兼容IEEE 802.11a/b/g/n/ac各种标准，同时，还兼顾到2.4GHz频段蓝牙的共存。这两款产品具有体积小、功耗低、设计简单等优点，具有广阔的市场 前景。