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作者：蘇州靈芯集成有限公司 肖宛昂，張正浪，方治，鄂松曇，石寅 1999年工業(yè)界成立了Wi-Fi聯(lián)盟，致力解決符合802.11標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品的生產(chǎn)和設(shè)備兼容性問題。 Wi-Fi不僅應(yīng)用于目前銷售的幾乎每一部智能手機中，而且?guī)缀鯌?yīng)用于所有的掌上游戲機、平板電腦、筆記本電腦中。在涉及汽車、數(shù)碼相機、電子書閱讀器、藍光設(shè)備和個人視頻錄像機以及每一種設(shè)備的大量新應(yīng)用中都有Wi-Fi芯片組。因此，市場研究公司In-Stat預(yù)測2012年Wi-Fi芯片組的年出貨量將超過10億套。 目前Wi-Fi芯片的發(fā)展趨勢除了最高速率54Mbps的IEEE 802.11b/g基帶芯片外，有下面幾種發(fā)展趨勢: 趨勢一: 高速率方向發(fā)展。這類芯片支持最低支持1 x 1的802.11n標(biāo)準(zhǔn)，最高速率可達150Mbps。采用MIMO技術(shù)的802.11n芯片最高速率達300Mbps或以上,主要用于高清圖像的傳輸; 值得關(guān)注的是，高速率芯片的支持標(biāo)準(zhǔn)將從IEEE 802.11n過渡到IEEE 802.11ac(6GHz以下頻段，最大速率可達1Gbps)和IEEE 802.11ad(60GHz工作頻段，最大速率可達7Gbps)。 趨勢二: 低功耗、低速率方向發(fā)展。這類芯片強調(diào)低功耗，對速率要求低，最大速率可以為2Mbps，只需支持IEEE 802.11b標(biāo)準(zhǔn)即可，在工業(yè)應(yīng)用、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中有很大的市場。 趨勢三: 和其他網(wǎng)絡(luò)的融合, 如和3G以及未來4G網(wǎng)絡(luò)的融合。 Wi-Fi基帶芯片的架構(gòu)根據(jù)是否采用處理器來區(qū)分的話，一般有以下幾種： 第一種為全硬件型，不采用處理器，整個芯片的MAC(Medium Access Control，媒體訪問控制)層和Phy(Physical layer, 物理層)全部由硬件邏輯實現(xiàn)。 第二種為半軟半硬型，在MAC層采用處理器，一般為MIPS內(nèi)核，也有少部分采用ARM內(nèi)核；物理層采用硬件邏輯實現(xiàn)。 第三種為全軟型，這種芯片采用高速DSP，MAC和Phy全部由軟件實現(xiàn)。 這幾種類型各有優(yōu)缺點，市面上都有。一般來說，第一種全硬件型設(shè)計難度相對大些，處理速度相對快些。而且因為沒有處理器，成本會相對低些。第三種全軟件型，可以靈活配置和升級，隨著DSP的高速、小面積和低功耗發(fā)展，全軟件型設(shè)計的比重會逐漸增加。 SCI基帶芯片介紹 S901芯片結(jié)構(gòu)：本文介紹的Wi-Fi基帶芯片是SCI的第1代Wi-Fi基帶芯片, 工藝為0.18微米CMOS,接口為USB 2.0接口。屬于前面說到的第一種全硬件類型，芯片內(nèi)部的MAC和PHY全部由硬件實現(xiàn)。芯片結(jié)構(gòu)如圖1所示：整個基帶芯片分為USB接口部分、MCU、MAC、PHY、ADC/DAC。內(nèi)置MCU執(zhí)行USB固件程序。 
圖1: SCI第一代基帶芯片S901結(jié)構(gòu)圖 開發(fā)流程：整個設(shè)計采用自頂向下的設(shè)計方法，先設(shè)計芯片的架構(gòu)，將芯片分為驅(qū)動、MAC、Phy三個主要部分。驅(qū)動部分的設(shè)計采用軟件工程的設(shè)計方法進行；因為驅(qū)動運行在PC端，要和硬件(網(wǎng)卡)進行數(shù)據(jù)交互，所以，首先要制定通信報文。MAC部分的設(shè)計在分析協(xié)議后，進行軟硬件劃分，確定那些由硬件完成，那些由軟件完成。物理層涉及較多的通信算法，如幀同步算法、頻率同步(粗頻率同步，細頻率同步)、信道估計、編碼解碼、調(diào)制解調(diào)等，需要先進行仿真確定算法。整個物理層的開發(fā)流程如圖2所示。
圖2: 物理層開發(fā)流程 仿真：開發(fā)過程中，物理層的算法都經(jīng)過嚴(yán)格的仿真，仿真結(jié)果滿足設(shè)計指標(biāo)后才開始進行HDL設(shè)計。下圖3是OFDM調(diào)制解調(diào)54Mbps仿真結(jié)果。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定 ：PER<10% ，SNR>25@54Mbps。
圖3: OFDM 54Mbps仿真結(jié)果。 技術(shù)特點：基帶部分不采用處理器，減小芯片面積和提高處理速度；片內(nèi)MCU負(fù)責(zé)執(zhí)行USB的固件程序和執(zhí)行MAC層及物理層的配置；物理層核心算法采用自主專利算法；支持WAPI、IEEE802.11i加密標(biāo)準(zhǔn)，多種加密方式無縫集成；MAC實時性要求不高的部分由軟件實現(xiàn)，便于升級和維護。 芯片面積：芯片的邏輯單元為：863K gates(MAC+PHY+USB+MCU) MEMORY大小為：271Kbits。在0.18um下的Die size為：23mm2(包括ADC/DAC/LDO等模擬部分)。S901芯片版圖如圖4所示。
圖4: S901芯片版圖。 芯片功耗：整個基帶包括內(nèi)部ADC/DAC的功耗如表1所示。
基于SCI Wi-Fi基帶芯片的無線網(wǎng)卡設(shè)計 SWM9001 Wi-Fi無線網(wǎng)卡的結(jié)構(gòu)和主要技術(shù)指標(biāo) SWM9001是基于蘇州中科半導(dǎo)體集成技術(shù)研發(fā)中心有限公司(靈芯集成)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的射頻芯片S103和基帶芯片S901設(shè)計的Wi-Fi無線模組, 該產(chǎn)品在2011年9月30日獲得Wi-Fi聯(lián)盟的產(chǎn)品認(rèn)證,認(rèn)證號為WFA12939。該無線模組是國內(nèi)第一家利用自主知識產(chǎn)權(quán)Wi-Fi芯片設(shè)計而獲得認(rèn)證的產(chǎn)品。 下圖5是網(wǎng)卡的結(jié)構(gòu)圖，圖6是網(wǎng)卡外形圖。
圖5: SWM9001網(wǎng)卡構(gòu)成。
圖6: SWM9001外形。 SWM9001網(wǎng)卡的主要指標(biāo)特性如下: * 符合IEEE802.11b/g/e/h/i標(biāo)準(zhǔn)，同時支持WAPI加密標(biāo)準(zhǔn); * 加密標(biāo)準(zhǔn): 64/128/152bitWEP, WPA/WPA2/WPA-PSK/WPA2-PSK, WAPI； * 接口:USB2.0; * 傳輸速率:6/9/12/18/24/36/48/54Mbps@ 802.11g; 1/2/5.5/11Mbps @802.11b； * 調(diào)制方式: BPSK/QPSK/16QAM/64QAM@11g; DQPSK/DBPSK/DSSS/ CCK@802.11b； * 接收靈敏度:-71dBm@11g, 54M; -90dBm @11b, 11M; * 驅(qū)動:Window ME/SE/XP/2000/Vista/Win7, Linux 2.6.28and Android 2.1/2.2/2/3; * 傳輸距離:室內(nèi)100米,室外:300米。 應(yīng)用范圍：靈芯集成為該參考設(shè)計提供完整的解決方案(原理圖，PCB, BOM表，驅(qū)動程序)，產(chǎn)品設(shè)計充分考慮了功耗、穩(wěn)定性、易用性和可擴充性。性能在同類產(chǎn)品中處于領(lǐng)先地位, 價格具有相當(dāng)?shù)母偁巸?yōu)勢。 該Wi-Fi無線模組可以應(yīng)用于PC機無線網(wǎng)卡，無線視頻傳輸，家庭無線網(wǎng)關(guān)，工業(yè)數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)葓龊稀?br /> SWM9001無線網(wǎng)卡的設(shè)計技巧和注意事項 無線網(wǎng)卡的電路主要包括射頻前段模塊(FEM)、射頻模塊(RF)、基帶芯片和電源部分。設(shè)計中需要注意的事項主要是射頻前段模塊(FEM)、射頻模塊(RF)的電磁兼容和干擾問題： 1) FEM的濾波電容100uF; 因為FEM的PA部分工作電流所占比重大，需要大容量的濾波電容； 2) Wi-Fi射頻單元的電源輸入需串入一個磁珠，用來抑制電源線上的高頻噪聲和尖峰干擾，提高發(fā)射精度； 3) 有源晶振(40MHz)時鐘線寬不得小于8mil，最好在頂層(Top layer)或底層(Bottom layer)走線；不得在內(nèi)電層走40MHz時鐘，時鐘線越短越好，如需穿孔，推薦孔大小為外徑30mil，內(nèi)徑15mil； 4) 在四層PCB上推薦的50ohm阻抗線寬為12mil；射頻部分必須保留完整的地平面； 5) PCB布局時，DC-DC最好靠近USB接口；時鐘線離50ohm阻抗線越遠越好。 |
