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Wi-Fi基带芯片和Wi-Fi无线网卡设计方案

来源:http://www.scruodian.com/news412670.html时间:2018-12-14 00:00:00

Wi-Fi基带芯片和Wi-Fi无线网卡设计方案

     1999年产业界成立了Wi-Fi同盟,致力解决符合802.11标准的产品的出产和设备兼容性题目。

      Wi-Fi不仅应用于目前销售的几乎每一部智能手机中,而且几乎应用于所有的掌上游戏机、平板电脑、笔记本电脑中。在涉及汽车、数码相机、电子书阅读器、蓝光设备和个人视频录像机以及每一种设备的大量新应用中都有Wi-Fi芯片组。因此,市场研究公司In-Stat猜测2012年Wi-Fi芯片组的年出货量将超过10亿套。

      目前Wi-Fi芯片的发展趋势除了最高速率54Mbps的IEEE 802.11b/g基带芯片外,有下面几种发展趋势:

      趋势一: 高速率方向发展。这类芯片支持最低支持1 x 1的802.11n标准,最高速率可达150Mbps。采用MIMO技术的802.11n芯片最高速率达300Mbps或以上,主要用于高清图像的传输; 值得关注的是,高速率芯片的支持标准将从IEEE 802.11n过渡到IEEE 802.11ac(6GHz以下频段,最大速率可达1Gbps)和IEEE 802.11ad(60GHz工作频段,最大速率可达7Gbps)。

      趋势二: 低功耗、低速率方向发展。这类芯片夸大低功耗,对速率要求低,最大速率可认为2Mbps,只需支持IEEE 802.11b尺度即可,在产业应用、物联网应用中有很大的市场。

      趋势三: 和其他网络的融合, 如和3G以及未来4G网络的融合。

      Wi-Fi基带芯片的架构根据是否采用处理器来区分的话,一般有以下几种:

      第一种为全硬件型,不采用处理器,整个芯片的MAC(Medium Access Control,媒体访问控制)层和Phy(Physical layer, 物理层)全部由硬件逻辑实现。

      第二种为半软半硬型,在MAC层采用处理器,一般为MIPS内核,也有少部门采用ARM内核;物理层采用硬件逻辑实现。

      第三种为全软型,这种芯片采用高速DSP,MAC和Phy全部由软件实现。

      这几种类型各有优缺点,市道市情上都有。一般来说,第一种全硬件型设计难度相对大些,处理速度相对快些。而且由于没有处理器,本钱会相对低些。第三种全软件型,可以灵活配置和进级,跟着DSP的高速、小面积和低功耗发展,全软件型设计的比重会逐渐增加。

      SCI基带芯片先容

      S901芯片结构:本文先容的Wi-Fi基带芯片是SCI的第1代Wi-Fi基带芯片, 工艺为0.18微米CMOS,接口为USB 2.0接口。属于前面说到的第一种全硬件类型,芯片内部的MAC和PHY全部由硬件实现。芯片结构如图1所示:整个基带芯片分为USB接口部门、MCU、MAC、PHY、ADC/DAC。内置MCU执行USB固件程序。


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图1: SCI第一代基带芯片S901结构图


      开发流程:整个设计采用自顶向下的设计方法,先设计芯片的架构,将芯片分为驱动、MAC、Phy三个主要部门。驱动部门的设计采用软件工程的设计方法进行;由于驱动运行在PC端,要和硬件(网卡)进行数据交互,所以,首先要制定通讯报文。MAC部门的设计在分析协议后,进行软硬件划分,确定那些由硬件完成,那些由软件完成。物理层涉及较多的通讯算法,如帧同步算法、频率同步(粗频率同步,细频率同步)、信道估计、编码解码、调制解调等,需要提高前辈行仿真确定算法。整个物理层的开发流程如图2所示。

无线WiFi传输方案


图2: 物理层开发流程


      仿真:开发过程中,物理层的算法都经由严格的仿真,仿真结果知足设计指标后才开始进行HDL设计。下图3是OFDM调制解调54Mbps仿真结果。标准划定 :PER<10% ,SNR>25@54Mbps。


无线WiFi传输方案
图3: OFDM 54Mbps仿真结果。


      技术特点:基带部门不采用处理器,减小芯片面积和进步处理速度;片内MCU负责执行USB的固件程序和执行MAC层及物理层的配置;物理层核心算法采用自主专利算法;支持WAPI、IEEE802.11i加密尺度,多种加密方式无缝集成;MAC实时性要求不高的部门由软件实现,便于进级和维护。

      芯片面积:芯片的逻辑单元为:863K gates(MAC+PHY+USB+MCU) MEMORY大小为:271Kbits。在0.18um下的Die size为:23mm2(包括ADC/DAC/LDO等模拟部门)。S901芯片版图如图4所示。


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图4: S901芯片版图


     芯片功耗:整个基带包括内部ADC/DAC的功耗如表1所示。


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      基于SCI Wi-Fi基带芯片的无线网卡设计

      SWM9001 Wi-Fi无线网卡的结构和主要技术指标

      SWM9001是基于姑苏中科半导体集成技术研发中央有限公司(灵芯集成)具有自主知识产权的射频芯片S103和基带芯片S901设计的Wi-Fi无线模组, 该产品在2011年9月30日获得Wi-Fi同盟的产品认证,认证号为WFA12939。该无线模组是海内第一家利用自主知识产权Wi-Fi芯片设计而获得认证的产品。 下图5是网卡的结构图,图6是网卡形状图。


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      图5: SWM9001网卡构成。



      图6: SWM9001形状。

      SWM9001网卡的主要指标特性如下:

      * 符合IEEE802.11b/g/e/h/i尺度,同时支持WAPI加密尺度;

      * 加密尺度: 64/128/152bitWEP, WPA/WPA2/WPA-PSK/WPA2-PSK, WAPI;

      * 接口:USB2.0;

      * 传输速率:6/9/12/18/24/36/48/54Mbps@ 802.11g; 1/2/5.5/11Mbps @802.11b;

      * 调制方式: BPSK/QPSK/16QAM/64QAM@11g;

      DQPSK/DBPSK/DSSS/ CCK@802.11b

      * 接收敏捷度:-71dBm@11g, 54M; -90dBm @11b, 11M;

      * 驱动:Window ME/SE/XP/2000/Vista/Win7, Linux 2.6.28and Android 2.1/2.2/2/3;

      * 传输间隔:室内100米,室外:300米。

      应用范围:灵芯集成为该参考设计提供完整的解决方案(原理图,PCB, BOM表,驱动程序),产品设计充分考虑了功耗、不乱性、易用性和可扩充性。机能在同类产品中处于领先地位, 价格具有相称的竞争上风。

      该Wi-Fi无线模组可以应用于PC机无线网卡,无线视频传输,家庭无线网关,产业数据无线传输等场合。

      SWM9001无线网卡的设计技巧和留意事项

      无线网卡的电路主要包括射频前段模块(FEM)、射频模块(RF)、基带芯片和电源部门。设计中需要留意的事项主要是射频前段模块(FEM)、射频模块(RF)的电磁兼容和干扰题目:

      1) FEM的滤波电容100uF; 由于FEM的PA部门工作电流所占比重大,需要大容量的滤波电容;

      2) Wi-Fi射频单元的电源输入需串入一个磁珠,用来按捺电源线上的高频噪声和尖峰干扰,进步发射精度;

      3) 有源晶振(40MHz)时钟线宽不得小于8mil,最好在顶层(Top layer)或底层(Bottom layer)走线;不得在内电层走40MHz时钟,时钟线越短越好,如需穿孔,推荐孔大小为外径30mil,内径15mil;

      4) 在四层PCB上推荐的50ohm阻抗线宽为12mil;射频部门必需留存完整的地平面;

      5) PCB布局时,DC-DC最好靠近USB接口;时钟线离50ohm阻抗线越远越好。

      

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