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1、而且，如果没有参考设计，完全由我们自主设计的时候，这颗芯片也是我们应该放在第一优先的位置去考虑，这颗芯片从根本上决定着整个设计的无线性能。这样，这一部分的设计讲解起来会比较困难，可是还是想最先讲解这里。收发器通常会有很多的管脚，在如图2-1中，我只给出了射频电路设计时会关注的管脚，可以看到，有几个电源管脚，数字地，模拟地（PLL，VCO），射频输出，功率放大器增益控制（内部AGC），功率检测，温度检测，射频输入，低噪声放大器增益控制，发射、接收切换等管脚，在接下来的内容中，我会把这些管脚分模块逐个讲解。图2-1 一般的无线收发芯片（射频电路设计相关）2.1. 无线收发器芯片的技术参数不同的设计

2、，收发器一般会很不一样，我们大多数时候都不会想着去更换它。一般我们选用收发器，会直接按照参考设计进行，尽管如此，我还是像从一个研发人的角度出发，说一说，在选择无线收发器时应该关注的一些参数（射频电路相关的参数）。2.1.1. 协议，频率，通路与传输速率在收发器的Datasheet中，一般会在开始的几段话中就指出该芯片支持哪些协议，工作在什么频率上，几条通路（也就是几发几收），我们公司目前的主打产品设计都是支持802.11n的。这三项参数的重要性想必不用我说，大家也应该体会得到，它们参数决定着最终的产品的功能。一段典型的描述如：The Atheros AR9220 is a highly int

3、egrated single-chip solution for 2.4GHz and 5GHz 802.11n-ready wireless local area network （WLANs） that enables high-performance 22 MIMO configurations for wireless stations applications demanding robust link quality and maximum throughput and range.从这段描述中，我们可以知道，AR9220支持802.11n草案（一般来说都会兼容802.11b/g）

4、。同时，AR9220也支持双频，2.4GHz和5GHz，这样，我们就可以得知，它也支持802.11a。22 MIMO说明AR9220是二发二收（2T2R）。传输速率和协议及通路密切相关，感兴趣的同事可以查阅相关资料。从AR9220的Datasheet中我们可以得知，20MHz带宽，最高传输速率可以达到130Mbps，40MHz带宽时，最高的传输速率可以达到300Mbps。2.1.2. 调制方式调制方式和传输速率是密切相关的，不同的传输速率对应着不通的调制方式。芯片支持的调制方式一般会在Datasheet的特性描述中给出。例如，AR9220支持的调制方式有BPSK，QPSK，16QAM，64QA

5、M，DBPSK，DQPSK，CCK。2.1.3. 时钟频率时钟频率，时钟频率包括两种，收发器外接晶振的频率和内部倍频后的工作频率，这项参数同样应该是我们关注的。2.1.4. 输出功率有一个现象我一直也弄不清楚，为什么在收发器的Datasheet中不给出其发射功率？这项参数对于我们RF工程师是很重要的，因为这项参数决定着后续功率放大电路的设计，我们要保证收发器的输出功率足以驱动功率放大器，这样，我们才能够设计合理有效的放大器。2.1.5. 接收灵敏度和输出功率一样，收发器接收灵敏度这项参数也不会在Datasheet中给出，在实际的设计过程中，有了这项参数，我们才能合理地设计低噪声放大器的放大倍数

6、，才能保证低噪声放大器的输出可以被收发器有效的接受。2.1.6. 射频接口这项参数关系着我们后续的射频电路的结构。一般来说，收发器应该具有的射频输入管脚包括：射频输出管脚，功率放大器增益控制管脚，功率放大器输出功率检测输入管脚，低噪声放大器增益控制管脚，切换器收发控制管脚，一般Ralink的方案还会有PA温度检测管脚。2.1.7. 供电电压与功耗从全局的角度看，供电电压与功耗同样会是我们不得不关注的技术参数，这两项参数关系着电源电路的设计和散热的设计。2.2. 差分射频信号的处理2.2.1. 收发器本身具有的管脚对于射频信号，为了增强收发器的抗干扰能力，一般会采用差分信号的处理方式，也就是说，

7、收发器会以差分形式将信号发送出去，同时外部电路也必须为收发器提供差分射频信号的输入。如图2-2所示，红色方框内的四只管脚就是这个收发器的差分射频信号的输入，输出管脚，也是最重要的射频信号管脚。图2-2 收发器的射频输入与输出管脚这里必须指出的是，Atheros的收发器一般会同时对输入与输出做差分处理。但是Ralink一般要求外部输入的信号是差分的，而自身输出的射频信号则不是差分的。图2-3和图2-4分别给出了RT3052（Ralink）和AR9220（Atheros）的主要射频信号管脚。不难发现，Atheros的设计相比Ralink要更加细腻，不只是收发器芯片，在后续电路的设计中，也会发现，A

8、theros考虑的问题很周全，我想，这也是我们作为研发人应该具备的一种精神。图2-3 RT3052的主要射频信号管脚图2-4 AR9220的主要射频信号管脚2.2.2. 收发器发送的差分信号收发器发送的差分信号，我们要想办法把他们合二为一。为什么要这样做，收发器送出的信号是要给功率放大电路的，功率放大电路处理的是单端信号。平衡器通常用来处理差分信号的问题，除此之外，我们知道，电感和电容都能够改变信号的相位，从差分信号到单端信号，基本的方法就是用电感和电容组成两条不同的通路，这样，经过处理电路的两路信号就在相位上相差了180，从而可以使原本相位相差180的差分信号同相，得到单端信号。相反，使单端

9、信号通过两条不同的通路，就得到了差分信号。下面让我们来分别看一下这两种方法的电路形式。方法一，使用平衡器。原本相位相差180的差分信号经过平衡器（Balun，俗称巴伦），就可以得到合二为一的单端射频信号。如图2-5所示，图中的F1就是一个平衡器，差分信号RFOUT_P和RFOUT_N经过F1得到单端信号RF_OUT。图2-5 典型的平衡电路方法二，使用分立元件。典型的使用分立元件的处理电路如图2-6所示。图2-6 典型的分立元件处理电路2.2.3. 平衡器的参数与选择在Atheros的方案中，平衡器往往使用的很多，我在这里给出平衡器的主要参数和简要的选型指南。如前所述，在我们的Wi-Fi产品中

10、，平衡器常用于处理差分信号，其主要的参数如下： 不平衡阻抗 平衡阻抗 工作频率 不平衡端口回波损耗 相位变化 插入损耗 例如，常用的平衡器HHM1711D1典型参数如图2-7所示。这样我们在设计是就可以根据我们的需求选择合适的平衡器了。图2-7 HHM1711D1的典型参数2.2.4. 收发器接收的差分信号收发器接收的信号来自于前端的低噪声放大器，和功率放大器一样，低噪声放大器处理的也是单端射频信号，这样，我们必须将低噪声放大器输出的信号进行转换。同样，对于低噪声放大器的输出信号同样有两种处理方式：使用平衡器和使用分立元件。Atheros的方案中，有些使用平衡器；Ralink的方案中，至今还没

11、有使用过。其实大家也一定想到了，收发器接收信号和收发器发送信号差不多就是互为逆过程，因此电路的结构也差不多是相反的。没错，看了下面的实际电路图就知道了。先来介绍使用平衡器的方案。在某实际案例中，采用了如图2-8所示的平衡器电路。单端信号RF_IN经过平衡器F5后得到差分的射频信号RFIN_P和RFIN_N。图2-8 某案例采用的平衡器电路再来看看采用分立元件实现的方法，图2-9是Ralink惯用的方式，图2-10是Atheros常用的处理方式。可以看出，这两种设计方法大同小异。图2-9Ralink常用的分立元件信号处理方式图2-10 Atheros常用的分立元件信号处理方式2.3. 收发器的电

12、源管脚收发器一般会有很多个电源管脚，可以大概分为几类，从图2-2也可以看出来，一般会具有主电源管脚，核电压电源管脚，IO电源管脚，锁相环（Phase Lock Loop，PLL）电源管脚等。在射频电路设计中，我们一般会比较关注的是模拟电源。对于射频电路的供电，如果让我在线性稳压电源（LDO）和开关电源（DC/DC）之间选择，那么我会毫不犹豫的选择线性电源。对于收发器的电源管脚，通常的处理方法就是在每个电源的管脚处都放置一个0.1uF的电容，耗电比较大的管脚旁，需要放置更大容量的电容，1-10uF或者更大。注：收发器的模拟电源供电和数字电源供电要用电感或者磁珠隔开，并且一定要在电感或磁珠后放置容

13、量比较大的电容，如果条件允许的话，最好放置电解电容，会对电源的性能起到很大的提升作用，同时并联几个容量比较小的瓷片电容，就可以滤除不同频率的交流成分。2.4. 收发器完整的外围电路设计回想一下，我们在前面的叙述中讲解了如何选择收发器，收发器相关的差分信号处理，收发器的电源供给，这三方面的内容基本上较完整的覆盖了收发器射频电路设计的内容，也就是说，把这三部分弄清楚，基本上就完成了这部分的设计。想必大家应该比较清楚那三部分的结构了，好，让我们来试一下，在图2-2那个芯片的外围放置一些器件，再连上几条线，完成无线收发器及其外围电路设计。在这里，我们对收发器输出的差分信号用平衡器处理得到单端信号RFO

14、UT，来自低噪声放大器的接收信号RFIN用分立元件处理得到差分信号RFIN_P，RFIN_N。这样，就得到了如图2-11所示的原理图。图2-11 完整设计的无线收发器外围电路第3章. 功率放大器功率放大器，Power Amplifier，俗称PA，主要的作用就是将无线收发器（Radio Transceiver）送来的射频信号进行功率放大，保证有足够大的输出功率满足设计需求。功率放大器的设计是一个十分专业的话题，也有很多人，很多高级的射频工程师在这方面进行过十分深入的研究，我在这里只针对我们的Wi-Fi产品的常用的设计方法进行讨论。我们的产品中，功率放大器的组成无非就是一颗芯片配上几颗外围的器件

15、，但是在大功率的场合，几乎不会有人用集成电路去做功率放大，一般都是用分立元件设计出来的，晶体管或场效应管。在我们目前的所有设计中，功率放大器都是用集成电路来实现的。如图3-1所示，是通常的功率放大器的设计框图。图3-1 功率放大器的框图功率放大器的设计会考虑很多参数，但主要分为三类：增益，噪声，非线性。增益，和最终的输出功率有关，噪声和非线性关系着信号质量。我在这里把功率放大器（在本章的以下内容中简称功放）分为以下几个部分进行讨论：功放芯片的选择，功放芯片的供电，输入回路，输出回路，功率检测，增益控制，温度检测。3.1.1. 功放芯片的管脚功放芯片属于微波功率器件的范畴，图3-2给出了一个典型

16、的功放芯片的原理图符号，包括以下管脚：VCC 主电源供电管脚VC1 一级功率放大供电管脚VC2 二级功率放大供电管脚RFIN 射频信号输入管脚RFOUT 射频信号输出管脚GAIN_1 增益控制管脚之一GAIN_2 增益控制管脚之二POWER_DETECT 内建功率检测输出管脚图3-2 典型的功放芯片值得注意的是，GAIN_1和GAIN_2是来自收发器（Transceiver）的控制信号，是直流电压，POWER_DETECT是功放芯片输出的发射功率检测值，也是直流电压，而RFIN和RFOUT是最重要的射频信号管脚。3.1.2. 功放芯片的主要厂商在市场上的产品中，功放芯片的供应商基本上就是这四家

17、：SiGe，SST，Microsemi，Richwave，表3-1，表3-2给出了几个实际项目中所采用的功放芯片的型号。表3-1 Atheros的设计中采用的功放芯片表3-2 Ralink的设计中采用的功放芯片通过以上表格，我们很容易发现，Atheros很喜欢Microsemi的芯片，而Ralink则比较喜欢Richwave和SST的，在BCM4323这个项目中，使用的功放芯片是SiGe的，在AP96现在的设计中，使用的也是SiGe的Frontend Module。3.1.3. 功放芯片的主要参数功放芯片的选择是一个复杂的过程，在实际的选择过程中，我们一般会考虑如下的几项参数： 小信号增益 最

18、大线性输出功率 1dB压缩点输出功率 误差向量幅度（EVM） 相邻信道功率比（ACPR） 噪声系数 是否内建功率检测功能 是否内建增益控制功能 供电电压 消耗的电流 以上的这些参数，并不是在每颗功放芯片的Datasheet中都会完整给出，有些Datasheet只能给出部分参数。各项参数的意义想必大家都很清楚，我在这里就不做过多的解释了。一个典型的功放芯片的Datasheet（片段）如下：2.3-2.5GHz OperationSingle Positive Supply Voltage Vcc = 3.3VPower Gain 27dBQuiescent Current 90mAEVM -30

19、dB at Pout = +19dBmTotal Current 150mA for Pout = +19dBmPout +26dBm for 11g OFDM Mask ComplianceTotal Current 220mA for Pout = +23dBm 1 Mbps DSSSOn-Chip Input MatchSimple Output MatchRobust RF Input Tolerance +5dBmSmall & Low-Cost 3x3x0.9mm3 MLP PackageCost Reduction over LX5510, LX5510B从以上的叙述中我们了解到

20、，这颗功放芯片的工作频率是2.3-2.5GHz，采用3.3V单电源供电，静态工作电流是90mA，19dBm功率输出时，EVM的值是-30dB，等等。功放芯片的性能很重要，当然，在满足性能的前提下，我们会选择最便宜的3.2. 功放芯片的供电图3-2展示的一般功放芯片有三个电源管脚，分别是VCC，VC1，VC2，其中的VCC是主电源供电，VC1是芯片内部第一级放大的供电，VC2是芯片内部第二级放大的供电。这里有个很重要的问题需要注意，VC1和VC2 不是简单的供电管脚，这两个管脚通常不会直接连接到电源上，一般会串联一个电感（或者电阻）再连接到电源上，为什么呢？这是因为这是为芯片内的功率晶体管（或场

21、效应管）供电的管脚，通常在分离元件组成的功率放大电路中，我们都会看到在晶体管的集电极（或者场效应管的漏极）上都串有电感，而电感是不容易集成到芯片中的，这样，就需要在芯片的外部放置电感，这样，就得到了典型的功放芯片的供电方式，如图3-3所示。图3-3 典型的功放芯片供电方式除了上面提到的电感的问题，另一个值得注意的就是，功放电路处理的模拟信号，是正统的模拟电路，因此需要尤其注意其电源要与数字电路的电源分开。另一个极为重要的问题是，如图3-3所示，在每个电源管脚处，都需要放置一个滤波电容组合，例如VCC管脚处放置的是100pF和1000pF的滤波电容组合，VC1管脚处是10pF的电容。滤波电容的组

22、合形式是这样的，对于主电源管脚VCC，需要尽量多地放置不同容量的电容，而且这些电容的容量最好是不同数量级的，例如可以这样组合：10uF+1uF+0.1uF+1000pF+100pF+10pF，不同容量的电容用于滤除不同频率成分的扰动。对于VC1和VC2这两个管脚，要注意，放置的滤波电容容量要较小，通常在1-10pF。3.3. 输入回路功放电路的输入回路一般包括两个部分，一个是带通滤波器（Band Pass Filter，BPF），一个是型匹配网络，我们分开两部分来讲。3.3.1. 带通滤波器我们知道，2.4GHz频段的子载波有13个，频率从2.412GHz到2.437GHz，相邻两信道之间的频

23、率间隔是5MHz，很容易理解，从收发器（Transceiver）输出的信号包括了从2.412GHz到2.472GHz这样的一个频率带，因此，为了能够使有用的信号顺利地进入功放芯片，无用的杂乱信号被滤除，一般会在功放芯片的输入回路上放置一个带通滤波器。带通滤波器有三种实现方法，一种是使用已经设计好的专用带通滤波器，这在Ralink的方案中使用的很多；一种是使用分立元件组成的带通滤波器，这种方法用的不是很多；第三种方法几乎是Atheros专有的，就是印制带通滤波器，这种滤波器最突出的优点就是没有成本，最突出的缺点是占用的空间比较大，而且还需要净空区，在AP51中就使用了这种滤波器。用分立元件设计带

24、通滤波器需要复杂的计算过程，也需要较强的数学功底，我们在这里不进行过多的研究。接下来我们主要讨论如何选择一款已经设计好的带通滤波器。带通滤波器的参数并不多，主要有： 输入阻抗 输出阻抗 通频带 通频带内的衰减 通频带以外的衰减 通常情况下，成品的带通滤波器，输入和输出阻抗都会控制在50欧姆的标称值，对于通频带相关特性，一张图表足以反映出来。如图3-4给出了我们常用的HMD845H的S21参数与频率之间的关系。很明显，该带通滤波器的通频带为2.4GHz-2.5GHz，对于通频带以外的频率，衰落的很快。图3-4 HMD845H的S21参数3.3.2. 型匹配网络匹配，这件事在射频设计中是极其重要的

25、，很多时候，我们设计或者调试射频电路，都是在解决匹配的问题，永远记住这样一条经典的准则：共轭匹配传输功率最大。型匹配网络一般直接放在功放芯片的输入端，也就是放在RFIN这个管脚处，通常芯片的管脚不会匹配到50欧姆，我们也不会知道管脚的输入特性，这样的话，型匹配网络的必要性就可想而知了。型匹配网络，顾名思义，形状很像字母，我们来看一下实际的型匹配网络。图3-5给出的是Ralink常用的一种型匹配网络。图3-5 Ralink常用的型匹配网络3.3.3. 完整设计的输入回路以上我们讨论了功放电路的输入回路的两个组成部分，带通滤波器和型匹配网络，有了这两个部分，我们就可以设计一个完整的输入回路了。如图

26、3-6所示，就是一个设计完整的功放电路输入回路。图中的U9就是一款成品的带通滤波器，而C108，C109和L14就组成了一个型匹配网络。图3-6 完整设计的功放电路的输入回路3.4. 输出回路在输出回路中，最重要的组成部分（在很多设计中也是唯一的组成部分）就是低通滤波器，这时可能有人会问，为什么这里要用低通滤波器，而不是像输入回路那样使用带通滤波器？原因很简单，这里的低通滤波器要解决的主要问题时由于功放引起的高次谐波，如二次谐波，三次谐波甚至更高次数的谐波，当然，低通滤波器还要解决的问题就是匹配问题。其实，在射频电路的设计中，匹配的这个问题会一直伴随着我们。滤波器的设计需要很复杂的计算，在这里

27、我不想探讨过多的理论知识，所以，我就不给出如何计算的方法，只给出一般的低通滤波器的形式。这里需要指出的是，Atheros的设计一般会使用三个元件，而Ralink一般会使用五个元件。如图3-7所示，是Ralink常用的滤波器形式。在图中，C112，C111，C113，C110和C114就组成了一个低通滤波器，来自功放芯片的信号PA_OUT经过滤波器后得到LPF_OUT这信号送至后续电路。图3-7 Ralink常用的低通滤波器这时，我们就可以把功放芯片的输出端与低通滤波器相连接，就得到了一般射频功率放大电路的完整的输出回路，如图3-8所示。图3-8 完整设计的功率放大器输出回路3.5. 功率检测功率检测功能在我们的很多设计中都可以找到，这项功能可以使无线收发器（Radio Transceiver）时刻监视着功放电路的输出功率，这样，当功放的输出功率改变时，无线收发器就可以调整自身的输出功率或者改变功放电路的增益，使功放电路的输出功率稳定在一个固定的值。功率检测电路输出的是直流电压值，这个电压值送给无线收发器之后，无线