對(duì)現(xiàn)有的無線局域網(wǎng) (WLAN) 設(shè)備和芯片組制造商而言，最近獲批準(zhǔn)的802.11n 標(biāo)準(zhǔn)草案可謂一個(gè)新市場(chǎng)的催生力量。當(dāng)這一標(biāo)準(zhǔn)完全制訂時(shí)，這些企業(yè)的大量無線互聯(lián)網(wǎng)存取產(chǎn)品將能達(dá)到更好的性能，并開創(chuàng)一個(gè)全新的音頻和視頻發(fā)送 (distribution) 市場(chǎng)。然而，多輸入多輸出 (multiple input and multiple output, MIMO) 射頻能力的實(shí)現(xiàn)，與目前產(chǎn)品尺寸不斷縮小、功耗及成本日益降低的趨勢(shì)是背道而馳的。本文將討論設(shè)計(jì)RF MIMO解決方案時(shí)所遇到的挑戰(zhàn)；總結(jié)關(guān)鍵的性能指針，并闡釋 MIMO 前端模塊如何幫助產(chǎn)品開發(fā)商解決這些設(shè)計(jì)難題。

802.11n的優(yōu)勢(shì)

與現(xiàn)有的無線數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)比較，802.11n具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。802.11n的數(shù)據(jù)傳輸率為200 到 400 Mbps，能提供一條足夠?qū)挼臄?shù)據(jù)信道，實(shí)現(xiàn)家居聯(lián)網(wǎng)和下載，以及媒體內(nèi)容發(fā)送 (media distribution)。此外，該標(biāo)準(zhǔn)還有兩項(xiàng)優(yōu)點(diǎn) (雖然兩者往往因?yàn)樗俣雀哌@一優(yōu)勢(shì)而為人所忽略)，就是其頻率范圍比現(xiàn)有802.11a/b/g 標(biāo)準(zhǔn)的增大了 20% 到 30%，并具有對(duì) 802.11a/b/g 的后向兼容性。后向兼容性能讓使用者在家居、辦公室和旅途應(yīng)用 (雖然數(shù)據(jù)傳輸率和頻率范圍可能比完整 MIMO 解決方案的小) 中使用相同的設(shè)備。802.11n客戶卡 (client card) 于所有的可能情況下都會(huì)使用802.11n；而在現(xiàn)有熱點(diǎn) (hotspot) 則退回到802.11a/b/g標(biāo)準(zhǔn)。與其它的競(jìng)爭(zhēng)方案相比，802.11n最終的優(yōu)勝之處是它使用和 802 a/b/g 標(biāo)準(zhǔn)相同的頻譜，都是2.4 和 5 GHz 。這就讓制造商能夠充分享受現(xiàn)有工藝技術(shù)、組件和供應(yīng)商所帶來的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益 (economies of scales)，使高速網(wǎng)絡(luò)的費(fèi)用更為低廉。

RF設(shè)計(jì)的技術(shù)挑戰(zhàn)

分配式誤差向量幅度 (Error Vector Magnitude, EVM) 對(duì)總吞吐量和性能是非常重要的。一個(gè)完整的前端模塊在額定輸出功率下應(yīng)該具有小于3% (-30 dB) 的分配式 EVM (contributed EVM)。在MIMO中，則要求更好的線性度。為什么呢？因?yàn)橐槿⌒诺滥Ｐ停枰幸粋€(gè)非常好的發(fā)射器。如果用作信道模型抽取的發(fā)射器的EVM很差，那么 MIMO 的性能便會(huì)大打折扣。不過，單憑 EVM 標(biāo)準(zhǔn)尚不足夠。前端模塊的 EVM 特性應(yīng)該盡可能接近如圖 1a 所示的指數(shù)曲線，而不是像圖1b 那樣有一個(gè)“最佳點(diǎn)”(sweet spot)。圖 1b 中的特性曲線有一個(gè) 1 或 2 dB的最佳點(diǎn)，功率放大器 (PA) 必須在這個(gè)點(diǎn)上工作，提供規(guī)定性能。在最佳點(diǎn)以上或以下，工作前端模塊都會(huì)產(chǎn)生額外的 EVM，并降低吞吐量。這里主要的問題在于此最佳點(diǎn)會(huì)隨工藝、電壓、匹配電路以及溫度而漂移，因此 EVM的分配會(huì)增大，而吞吐量則下降。具有這類性能的前端模塊將很難應(yīng)用在需要保證最低性能標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品中。

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此外，當(dāng)不同地區(qū)對(duì)于輸出功率限制有不同的條例標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，一個(gè)具有指數(shù)EVM特性的前端模塊就可以讓您在全球各地使用相同的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)時(shí)以用于輸出功率最高的地區(qū)為目標(biāo)，而當(dāng)該設(shè)計(jì)用于其它地區(qū)時(shí)，其性能便可以提高。不過，對(duì)具有圖1b所示 EVM 特性的前端模塊而言，情況卻并非如此。

對(duì)于 MIMO 來說，指數(shù) EVM 特性提供了類似的優(yōu)勢(shì)。某些條例機(jī)構(gòu)把這一功率定義為所有天線的總功率。所以，即使前端模塊能夠?yàn)槊織l天線提供較大的輸出功率，但輸出功率也可能需要補(bǔ)償 3-6 dB以符合條例要求。然而在同樣的產(chǎn)品中，如果使用原有 802.11 a/b/g 標(biāo)準(zhǔn)的單一天線時(shí)，使用者都希望能以最高的輸出功率進(jìn)行發(fā)射。如上所討論，在不同功率級(jí)之下以圖 1b 中特性工作將引起性能下降。

外形尺寸

隨著標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品尺寸日漸縮小，無線標(biāo)準(zhǔn)也變得越來越復(fù)雜，并要求具有更多的電路和更高的功耗，這實(shí)實(shí)在在地為 RF 設(shè)計(jì)人員帶來了極端的挑戰(zhàn)。

最新外形尺寸的 PCIE 迷你卡，只有目前占WLAN市場(chǎng)主導(dǎo)地位的迷你PCI卡大小的一半。迷你PCI 卡廣泛應(yīng)用于筆記本計(jì)算機(jī)、個(gè)人計(jì)算機(jī)和接入點(diǎn)。這些現(xiàn)有設(shè)計(jì)只使用了一個(gè) RF 發(fā)射鏈路和一個(gè)RF接收鏈路；但 MIMO 802.11n 應(yīng)用卻需要兩個(gè) RF 發(fā)射鏈路和兩個(gè) RF 接收鏈路，如圖2所示。考慮到組件的數(shù)量，加上為了生產(chǎn)需要而設(shè)立的禁止布線區(qū)域 (keep out areas)，若要在PCIE 迷你卡的尺寸上實(shí)現(xiàn)這些電路實(shí)在極富挑戰(zhàn)性。然而，這正是 MIMO 前端模塊的真正優(yōu)勢(shì)所在：經(jīng)過全面測(cè)試的單一 RF解決方案，集成了從收發(fā)器輸出到天線所需的全部電路。

要比較前端模塊的集成度，進(jìn)行嚴(yán)格的同模擬較是很重要的。有時(shí)，功能性(functionality) 會(huì)被 RF 功能 (輸出功率、EVM) 的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)所掩蓋，但它對(duì)成本和關(guān)鍵的電路板空間卻是非常重要的。

控制接口：控制接口是CMOS嗎？如果不是，將需要額外的電路來連接前端模塊和IC。

偏置電壓：前端模塊需要偏置電壓?jiǎn)幔咳粜枰瑒t常常需要外置調(diào)節(jié)器來提供典型范圍在 2.7 到 2.9V 之間的偏置電壓，并利用額外的晶體管電路來啟動(dòng)偏置電壓或使之失效。除了尺寸和成本外， 前端模塊 (FEM) 的性能也直接與偏置電壓相關(guān)，后者會(huì)隨溫度和電壓而變化。

電流消耗

盡管開發(fā)人員可能認(rèn)為電流消耗和外形尺寸沒有關(guān)聯(lián)，但事實(shí)上由前端模塊電流消耗所引起的三個(gè)問題中，有兩個(gè)都與外形尺寸有直接關(guān)系。

一直以來，電流消耗都和電池壽命有關(guān)。產(chǎn)品開發(fā)人員希望以最低的電流消耗獲得最高的功率，有時(shí)甚至愿意接受稍低的輸出功率，以換取延長(zhǎng)10% 的電池使用壽命。同樣的問題也存在于 MIMO 應(yīng)用中，只是情況更甚，因?yàn)檫@些應(yīng)用里有兩個(gè)完整的發(fā)射鏈路同時(shí)工作。這意味著前端模塊供應(yīng)商必須開發(fā)出更高效、更低電流消耗的模塊來滿足 MIMO 市場(chǎng)的需要。若 MIMO 進(jìn)入 PDA、手機(jī)和游戲機(jī)等電池更小的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域，這將變得更為關(guān)鍵。

雖然電池壽命很重要，但開發(fā)高效前端模塊另一個(gè)更重要的原因，是外形尺寸標(biāo)準(zhǔn)清楚限定了有多少功率提供給PCI卡。在原有的 802.11 a/b/g 標(biāo)準(zhǔn)下，這些卡所消耗的電流與這些規(guī)格所限的相距甚遠(yuǎn)。不過，隨著工藝技術(shù)不斷提高，而 MIMO系統(tǒng)具有多個(gè)信道，PCI卡所消耗的電流可能已經(jīng)很接近、甚至超過了外形尺寸標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值。由于 PA 一般來說是電流消耗最大的器件，因此前端模塊供貨商面對(duì)著更大的壓力，必須推動(dòng)技術(shù)和物理學(xué)的發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)高效解決方案。

前端模塊

本身也設(shè)計(jì) PA 和開關(guān)等組件的前端模塊制造商，能夠采用一些技術(shù)來讓匹配和偏置達(dá)到最佳化，把發(fā)射接收鏈路中的損耗減至最少。此外，他們也可以利用新的技術(shù)，以達(dá)到高集成度以實(shí)現(xiàn)這種小外形尺寸。這些技術(shù)都是目前市場(chǎng)上可見的組件所沒有的。

憑借一種經(jīng)全面測(cè)試而且能夠滿足高輸出功率、低EVM和低電流消耗要求的解決方案，單一前端模塊便可以解決前面討論過的所有系統(tǒng)問題，協(xié)助開發(fā)商加快產(chǎn)品面市的速度。由于這種前端模塊是經(jīng)過全面測(cè)試的解決方案，能夠取代約60個(gè)組件，因此終端產(chǎn)品的良率將得以提升。較之使用多個(gè)具有較低集成度的前端模塊，單一前端模塊具有更大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槊恳粋€(gè)組件都有其禁止布線區(qū)域，組件越多需要占用的電路板面積也就越多。此外，一般而言，這些前端模塊的接腳與收發(fā)器界面成鏡像化 (mirror)，故限制了設(shè)備所能提供的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益。