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1、无线局域网培训讲义无线局域网培训讲义WLAN技术及产品培训课程（一）一无线通信简介1.1标准媒介（medium）指的是信号或数据赖以生存或传播的介质。在有线网络里信 号是以电平信号或光脉冲的形式进行传播的，常见的媒介就称为有线媒介，例 如3-5类双绞线或光纤。在无线网络中数据传输的最大特点就是不需要线路支 持，信号是以电磁波的形式在物质实体，空气或真空中传播。我们现在谈的无 线网络是狭义的，仅仅指无线局域网（Wireless Local Area Network,简称 WLAN）,无线局域网是指以无线信道作传输媒介的计算机局域网络。WIFI是 wireless Lan的别称。我们平时看到Wir

2、eless, WLAN, 802.11或是wifi,很多 时候他们都是指同一个东西，就是IEEE 802.11族所定义的用于无线局域网的系 列标准及其应用。实际上WLAN还包括其他几种规范的无线网络应用，例如蓝 牙Bluetooth HomeRF和红外IrDA,以及最新的UWB、Wimax等等。1.2IEEE 802.11IEEE 802.11 族主要的应用包括 IEEE 802.11a、IEEE 802.11b. IEEE 802.11g、IEEE 802-lln 等。1. 2.1 802.11a提供的最高数据传输速率为54Mbps,工作在5GHz频段上。 802.11a和802.11b几乎

3、是同一个时期被创建的。由于802. Ila的成本较高，所 以它主要是被应用在商业领域，而802.11b则主要被用在家庭市场。802. Ua优点一一具有较高的网络速率；信号不易被干扰。802. 1 la缺点成本较高；信号容易被障碍物阻隔。1. 2. 2 802. Ub标准支持最高UMbps的数据传输速率。工作2. 4GHz在频段, 采用直接序列扩频。802. lib优点一一成本低；信号辐射较好，不容易被阻隔。802. lib缺点一一带宽速率较低；信号容易受到干扰。1. 2. 3 802. Ug结合了 802. Ua和802. Ub二者的优点，可以说是一种混 合标准。能实现在2. 4GHz频率下提

4、供56Mbit/s数据传输率。802. 11g优点较高的网络速率；信号质量好，不容易被阻隔。802. Ug缺点成本比802. lib高；电器设备可能会影响到2. 4GHz频 段信号。1.2.4 802. lln标准是IEEE推出的最新标准。802. Un通过采用智能天线技术, 可以将WLAN的传输速率由目前802. Ila及802. 11g提供的54Mbps、108Mbps, 提供到300Mbps甚至是600Mbpso得益于将MIM0 （多入多出）与OFDM（正交频分复 用）技术相结合而应用的MIM00FDM技术，提高了无线传输质量，也使传输速率 得到极大提升。802. lln优点一一具有最快

5、的网络速率和最广的信号覆盖范围；信号干扰影响较 小。802. lln缺点标准没有被正式确定；成本较高；使用多个信号，容易干 扰附件的802. llb/g网络。L2.5以下表格是802.11族主要标准的比较:Wireless local area network standards802.11 ProtocolRelease1 】Freq.(GHz)Typ thi oughput (Mbits) citationMax net bitrate (Mbits)Modulationin. 仰)rout.(in)Jun 19972.40.92DSSS-20-100aSep 199952354OFDM3

6、5-120bSep 19992.44.311DSSS-38-140(JJun 20032.41954OFDM-38-140n Nov 20092.4513DGOO131OFDM-70-250141yNov 20083.72354OFDM-50-5000二无线一些基本原理WLAN的整个电路系统包含了射频(RF=radio frequency)及基带 (BB=baseband)两部分主要电路。无线的射频电路，是以I/Q基带信号为界, 到天线之间的电路。射频电路完成信号的接收，发射和频率变换。射频电路的 信号为连续的模拟信号。而基带电路主要是数字信号。3.3V、间n） z-()1调制和解调原理。调制

7、：把低频信号加工到高频信号上的过程。例如把低频的I/Q信号调制 到较高的发射负载波上。解调：指把调制在高频信号中的低频信号取出的过程。例如在接收中频信号 中解调出I/Q低频信号。1.1模拟信号的调制解调方法1.1.1 AM用低频调制电压去控制高频载波信号的幅度的过程称为幅度调制（或调 幅）；幅度调制在频域上是将调制信号F搬移到了载频的两边，其实质是一种 频率变换。低频调制信号独=心cosd = 谿 COS2泌高频裁波信号已调浪信号v =匕（1十 推 cosCf）cosyJAM的解调称为检波。其最常见的二极管包络线检波电路如图:1.1.2调频FM,高频载波的频率随调制信号幅度的增大而变化（增加）

8、，其载波 信号的幅度不变。FM的解调称为鉴频。鉴频的基本思路是，通过回路对调频波的载频产生适当的 失谐而起鉴频作用。将调频波送至LC谐振电路，产生失谐后的调频一调幅波, 再用幅度检波器将七中的调制信号检出。回路鉴频器：L1.3脉宽调制（PWM）：用连续的低频调制信号去调制序列脉冲的脉宽。L2数字信号的调制为了使数字信号在带通信道中传输，必须用数字信号对载波进行调制。传输 数字信号时也有三种基本调制方式：幅度键控ASK,频移键控FSK和相移键控 PSK,它们分别对应于用正弦波的幅度、频率和相位来传递数字基带信号。以上 三种调制技术所对应的波形比较如图：1.3 IQ信号。IQ信号是射频和基带之间的

9、连接信号。I： in phase同相分量；Q:quadrature phase正交分量。之所以称为IQ信号，是由于采用正交调制方式调制到射频上 再发送一一即I路乘以载频的正弦，Q路乘以载频的余弦（pi/2相差）,然后 相加发送出去。解调则是这个的反过程。1.4 OFDM现有的宽带无线接入系统IEEE 802. Ug/a/n. 802. 16d/e 802. 20 （标准正 在制定当中）以0FDM/0FDMA技术为基础。OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）艮正交频分 复用技术，实际上OFDM是MCM MultiCarrierModula

10、tion,多载波调制 的一种。FDM/FDMA （频分复用/多址）技术其实是传统的技术，将较宽的频带分 成若干较窄的子带（子载波）进行并行发送是最朴素的实现宽带传输的方法。 但是为了避免各子载波之间的干扰，不得不在相邻的子载波之间保留较大的间 隔（如图1 （a）所示）.这大大降低了频谱效率。因此，频谱效率更高的TDM/TDMA （时分复用/多址）和CDM/CDMA技术成为了无线通信的核心传输技术。但近几 年，由于数字调制技术FFT （快速傅丽叶变换）的发展，使FDM技术有了革命性 的变化。FFT允许将FDM的各个子载波重叠排列，同时保持子载波之间的正交性 （以避免子载波之间干扰）o如图1 （b

11、）所示，部分重叠的子载波排列可以大 大提高频谱效率，因为相同的带宽内可以容纳更多的子载波。OFDM的优点有： 频谱效率高，频谱资源灵活分配，实 现MIM0技术较简单2 DSSS直接序列展频技术直接序列扩频（DSSS）, （Direct seqcuence spread spectrdm）是直接利用具有 高码率的扩频码系列采用各种调制方式在发端与扩展信号的频谱，而在收端， 用相同的扩频码序去进行解码，把扩展宽的扩频信 号还原成原始的信息。它是 一种数字调制方法，具体说，就是将信源与一定的PN码（伪噪声码）进行摸二 加。例如说在发射端将”1”用11000100110,而将”0”用001100101

12、10去代替，这 个过程就实现了扩频，而在接收机处只要把收到的序列是11000100110就恢复 成”是00110010110就恢复成”0”，这就是解扩。这样使得原来较高功率、较 窄的频率变成具有较宽频的低功率频率,信源速率就被提高了 11倍，同时也使 处理增益达到10C1B以上，从而有效地提高了整机倍噪比。直扩通信速率可达11M,工作在在2.4GHZ。IEEE802.11b就用到这个技术。3阻抗匹配3.1阻抗匹配(Impedance matching)的目的是为了保证信号或能量有效地从 ”信号源传送到“负载匹配的概念，不仅仅在无线产品上面，在我们的交换 机路由器上面也存在。比如信号线串联的22

13、R、33R电阻就是一个例子。无线通信系统最主要的一个阻抗要求是50欧姆传输线，RF部分的芯片、滤 波器等都是50欧姆输入输出阻抗的。所以TX、RX信号都是要求匹配到50欧 姆。在处理RF系统的实际应用问题时，一般情况下需要进行匹配的电路包括天 线与低噪声放大器(LNA)之间的匹配、功率放大器输出(RFOUT)与天线之间 的匹配、LNA/VC。输出与混频器输入之间的匹配。普通的LC匹配网络如图：带有带通滤波器(BPF)的匹配网络。两个网络原理是一样的，但是相对LC 匹配电路，用BPF的匹配电路，调试更简单快捷。要使信号源传送到负载的功率最大，信号源阻抗必须等于负载的共貌阻抗, 即：Rs + jX

14、s = Rl - jXL在这个条件下，从信号源到负载传输的能量最大。另外，为有效传输功率，满 足这个条件可以避免能量从负载反射到信号源，尤其是在诸如视频传输、RF或 微波网络的高频应用环境更是如此。3.2最大功率传输定理电路的最大功率传输定理：当有源二端网络的开路电压UOC和等效电阻Ri为 常数时，若负载电阻火乙与等效电阻m相等，负载能从电源获得最大功率。一个有源二端网络的等效电路RL=Ri是负载获得最大功率的条件，也称为功率匹配。在功率匹配时，负载获 得的最大功率为：1/2 p =u巨 f 4R负载获得最大功率时，功率的传输效率为H = 50%/2 (Rl + R)提问:效率为50%,是否浪

15、费?在测量、电子与信息工程中，常常着眼于从微弱信号中获得最大功率，而 不看重效率的高低。但是电力系统要求尽可能提高效率，以便更充分的利用能 源，不能采用功率匹配条件。3.3阻抗匹配的方法：在高频端，寄生元件（比如连线上的电感、板层之间的电容和导体的电阻）对 匹配网络具有明显的、不可预知的影响。频率在数十兆赫兹以上时，理论计算 和仿真己经远远不能满足要求，为了得到适当的最终结果，还必须考虑在实验 室中进行的RF测试、并进行适当调谐。需要用计算值确定电路的结构类型和相 应的目标元件值。常用的方法有：计算机仿真，根据经验调试和使用史密斯圆 图等。其调试方法在此暂不讨论。三产品整体介绍我司无线产品包括

16、MINI.PCI,PCI.E,USB,和模块类，以及无线路由器/AP。以RALINK方案为主简单介绍下。Ralink Wi-Fi解决方案列表802. llb/g解决方案(2. 4G):方案芯片组接口TX/RX物理速孝备注我司采用;:RT2501RT2561+RT2527 PCI/inPCI/CB 54/54Mbps1T1RPCI1RT2501URT2571+RT2528 USB/PCI-E54/54Mbps1T1R4USB, PCI-E:RT2600RT2661+RT2529PCI/mPCI/CB54/54Mbps1T2R MINO瓯而技术111：802. llb/g/n解决方案(2. 4G)

17、1 11方案芯片组接口TX/RX物理速孝备注111RT2700PRT2760+RT2720 PCI/mPCI/CB150/300Mbps1T2R MlWObilit/PCI :i:RT2700URT2770+RT2720USB150/300Mbps1T2R MimObility 术-1USE1:RT2700ERT2790RT2720PCIe150/300Mbps1T2R 旭 Mobility 彼术1111：xP/Router RT2780RT2720AP/Router150400Mbps1T2R1 1RT2800PRT2860十RT2820PCI/niPCI/CBgW300Mbps_2T3R

18、MIHObility 技术PCI :RT2800URT23704-RT2820USB300/300Mbps2T2R MINObility 技术1 1 11 :RT2800ERT2290RT2220PCIe300/300Mbps2T3R MIHObility 技术11 1AP/Rout erRT2820-RT2220AP/Router300/300Mbps2T3R MIMObility 技术 1AP：USB Dongl RT3070USB150/150Mbps1T1R lln技术规格1USB :! AP/RouterRT3052A.P./Router200/300Mbpg2T2R MINObil

19、ity 技术AP：i：AP/Rout er RT3051AP Pouter150/300Mbps1T2R MlWObility 技术i1 l1! AP/Rout er RT3050AP/Router150/300Mbps1T1R MIMObility 技术AP :以RT2571方案PCI-E为例3.1 主芯片 RT2571VV3.1.1MAC and Baseband processor3.1.2HOST USB1.1/USB2.03.1.3Block Diagram：Functional Block Diagram3.2 TRANSCEIVERTransceiver在射频领域成为无线电收发器

20、，它既有发射机transmitter,也有接 收机receiver。两者的共享了很大一部分的电路，用于信号的调制解调，以及其 他收发的控制。以下为RT2528的内部框图。LNA是低噪音放大器；LNA的输入其实是差分双端输入的，所以我们在原理 图看到的RX通道是有两条信号线的。目的是利用差分传输的防干扰特性，得到 稳定的射频信号。几个RX通道的电路如图：VGA是增益可控放大器，AMP是内部发射通道的功率放大器。RFVCO：射频压控振荡器，它是本振，用于产生调制解调用的载波信号。下图是一个手机里面用到的transceiver。很明显可以看到每个频段的LNA都是 两个信号输入，即是差分输入的。U10

21、6IQ信号:RX BB Q-瞅* 叮， | rx_bb J2+RX DEi I-RX BB 1+TX_BB_Q.TX BB Q-n ：txZbbj- TX BB 1+TX_9B_ tzZbbZq-*- txZbbj- 优日日一1+出现找不到网络时，我们可以通过测量接收机解调电路输出的接收RXI/Q信号, 可以快速的断定出是射频接电路故障还是基带单元有故障。在TXI/Q端，只有 在启动发射的时候才有IQ信号出来。IQ信号属于中频信号，频率一般在几十 MHZ,用示波器是可以很容易看到的。3功率放大器PAoPA全称是power amplifier,如AVVU501G的PA结构框图如下:VREFVRE

22、FVCCb从框图看，这是一个带有两级(two stage)放大功能的放大器电路。每级有 各自的供电和偏置电路。PA的参数主要有：3.1增益gain用dB衡量。在选择芯片的时候，其增益是越大越好。但是增 益大的PA,其价格也会高，所以需要衡量性价比选择。3.2输出功率PldB。IdB压缩点(PldB)是输出功率的性能参数。压缩点越 高意味着输出功率越高。放大器有一个线性动态范围，在这个范围内，放大器 的输出功率随输入功率线性增加。这种放大器称之为线性放大器，这两个功率 之比就是功率增益Go随着输入功率的继续增大，放大器进入非线性区，其输 出功率不再随输入功率的增加而线性增加，也就是说，其输出功率

23、低于小信号 增益所预计的值。通常把增益下降到比线性增益低IdB时的输出功率值定义为 输出功率的IdB压缩点。3.3 EVM： error vector magnitude误差向量大小。蜂窝技术规范通常用百分 比来表示某些量，而在WLAN领域则一般用分贝数来表示EVM的大小。EVM 是要求越小越好。四关键器件：1PCB之所以提到PCB,主要是因为涉及阻抗控制的问题，以及不同供应商的制程 能力问题。往往会导致无线性能的降低，以及影响焊接质量等。这里暂且不谈制程问题，仅仅对阻抗控制进行探讨。阻抗控制是为了阻抗匹 配而做出的要求，前后批次的pcb阻抗控制不一致，那么在射频端必须重新调 整匹配网络，会造

24、成人力物力的浪费；情况严重的甚至是无法调整回来，产品 报废。良好的阻抗控制是我们产品质量的保证之一，所以这个是要注意的。通常的pcb材质有很多：FR-4即玻璃纤维板；CEM-1或者CEM-3即半玻 璃纤维板；FR即纸板。FR.4是用的比较多的一种材质，如果是双层以上的板 子一般都用FR-4的材质。FR4类板材的相对空气的介电常数是3.647,每个 PCB厂家会有一点差异。如中京用的PCB是4.2；而兴森快捷的则是3.9。这个 介电常数是会随温度变化的，在070度的温度范围内，其最大变化范围可以达 到20% o介电常数的变化会导致线路延时10%的变化，温度越高，延时越大。 介电常数还会随信号频率

25、变化，频率越高介电常数越小。100M以下可以用4.5 计算阻抗、板间电容以及延时。而我们设计的无线产品，工作频率主要在2.4GHZ （后期可能有到5GHZ的）。此时其介电常数会降低到4.2,甚至3.9以下。这将对信号线的阻抗产生5%左右的误差。如图，线宽12mil的走线，在不同介电常数时候表现的阻抗Zo对比： 介电常数为偏高的4.7,阻抗为48.73欧姆。T olerance M inimum M aximumHI | 7.0000 +? | 0.0000 | 7.00001 7.0000 Calculate! |EH I 4.7000 | 0.0000 | 4.7000 | 4.7000 C

26、alculate | 12.0000 | 0.0000 I 12.0000 | 12.0000W2 12.0000 + 0.0000 | 12.0000 | 12.0000 喝好上 |D1 f 20.0000 +A | 0.0000 | 20.0000 | 20.0000 Calculate | P 1.4000 +A | 0.0000 1 1.4000 | 1.4000 Celc曲怡 |Z。|4873 |4873 |4873 |!顷娅 |介电常数为偏低的3.6,阻抗为54.65欧姆。T oleranc e M inimum M a xim umH1 | 7.0000 P0.0000 | 7.

27、0000 1 7.0000 Calculate |En | 3.6000 十/ P0.0000 I 3.6000 | 3.6000 如cul&e | 12.0000 f PO.OOOO| 12.0000 | 12.0000W2 | 12.0000 0.0000 | 12.0000 | 12.0000 Calculate |DI I 20.0000 +卜 | 0.0000 | 20.0000 | 20.0000 Calculate | | 1.4000 +卜 | 0.0000 | 1.4000 | 1.4000 Calculate |Z。|5465 |5465 |5465 R顷顼噩More.可以

28、看到计算得到的阻抗前后相差达到了 6欧姆，已经超出了对阻抗误差的要 求。我们对于阻抗的公差要求10%,对于50欧姆的阻抗控制，允许误差为5 欧。所以在设计前端就要求硬件工程师根据阻抗要求，计算好每个信号线的线 宽线距，以期实现最佳的阻抗匹配。同时，针对pcb厂家的制程能力，需要管控好PCB线路的公差，过大的公差同 样会导致阻抗的不一致性。这个公差我们现在的要求是10%。2晶体晶体振荡器主要是为芯片工作提供一个参考频率。频率稳定度高的晶体，在相 同的芯片方案下，其无线性能会好很多。晶体的频率误差用PPM表示，如土 20PPM。晶体的频率不稳定，会影响到RF信号的频偏、EVM差.spectrum

29、masko另外，基带处理器所使用的时钟来自transceiver的缓冲输出，所以40MHZ晶 体也会影响到数字信号的处理，比如IQ信号的数模转换精度。3匹配网络。3.1天线与低噪声放大器(LNA)之间的匹配。其匹配有两种方法：用BALUN或者LC电路。BALUN (音译：巴伦)的作用是：1,是用来实现阻抗匹配；2,是信号平衡。 比如在设计WLAN的时候遇到的是天线进入LNA的时候因LNA输入端是差分 输入.需要两个信号，所以用BALUN加上丸 又能实现阻抗匹配。BALUN也 可以用LC来实现了，可以节省成本了。BALUN的输入输出关系：使用BALUN的接收电路:使用LC的接收电路:GND3.2

30、功率放大器输出(RFOUT)与天线之间的匹配。LC匹配网络：带通滤波器匹配4 RF端的电容电感。在射频端，要求电容电感的精度，高频稳定性够好。在RXTX通路上面的 匹配网络元件尤其重要。如电感用高精度、高Q的绕线电感；电容用误差小、 NPO材质的瓷片电容。5 PAPA是另外一个主要器件。直接影响输出功率的大小，输出信号的质量。以 USB网卡为例，我们对PA的输出要求是在EVM大于25dB的时候，输出功率 1517dBm。在PA选型的时候，在增益达到要求的情况下，综合考虑性价比。6 TRANSCEIVER 无线电收发机。因为transceiver处理的主要是IQ到RF端的信号，所以其工作是否正常会直 接影响到射频的性能，输出功率，EVM值，接收灵敏度等。它的主要问题在于 晶体的正确选型以及焊接效果。