设计工程师面对的 Wi-Fi 6 挑战及解决方案

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                                               本文来自Qorvo公众号
 
随着网络不断扩大和互连设备越来越多,对无线信号的要求也随之提高。Wi-Fi 速度也在提高,从而可通过改进使用的频率和改善数据传输来实现更多连接。蜂窝数据也由于工作范围扩大而变得更具影响力。这些变化为 Wi-Fi 创造了继续作为住宅和商业应用骨干网络的机会。
 
随着蜂窝数据速率提升,并且正向 5G 迁移,Wi-Fi 似乎不那么重要了。  即便使用 5G,蜂窝数据的容量也比家庭网络通常提供的容量小。当大量用户使用 Wi-Fi 网络时,由于网络拥塞,蜂窝数据似乎更好。Wi-Fi 6 (802.11ax) 旨在解决这一问题。
 
覆盖范围、容量、使用和设置
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图 1:Wi-Fi 6 的关键要素。数据来源:Qorvo。Wi-Fi 目前的一些限制与其覆盖范围、容量及其能够支持的用户数有关。Wi-Fi 5 数据速率适用于小型网络,但仍比有线连接慢,当多个用户使用时,会变得更慢。智能设备的持续增长将使此问题更严重。网络覆盖范围和网络运行距离是另一个问题。建筑物内部的信号无法很好地穿透墙壁,外部网络运行距离也不够远。
 
物联网 (IoT) 正在大幅增加连接到网络的设备数量。物联网设备并非一直处于通信状态,而是在需要数据时“唤醒”。有些物联网设备(如摄像头)需要更多带宽,但有些则不然,如恒温器。当前 Wi-Fi 5 系统对所有无线连接一视同仁,众多设备使网络速度变慢。室内和室外的无线使用情况通常并不相同:室内无线是近距离的,但可能需要覆盖多个房间或多个方向。室外无线必须传输更远的距离,通常在视线范围内,而 Wi-Fi 5 不能区分这些设置。
 
Wi-Fi 6 从 Wi-Fi 5 及更早版本变化而来
 
Wi-Fi 5 使用正交频分复用 (OFDM),而 Wi-Fi 6 使用考虑多用户应用而设计的正交频分多址接入 (OFDMA)。它们的不同之处在于信息包在网络中的传输方式。使用 OFDM,无论发送什么数据,数据包都有固定大小,而 OFDMA 的数据包较小,可在用户间分割。这样可以更有效地使用数据包,使设备只接收其需要的信息。
 
Wi-Fi 5 中使用的多路输入/多路输出 (MIMO) 仅允许一对无线设备同时收发多个数据流。数据通过分配与每个设备的通信时间来实现共享。MU-MIMO 是 Wi-Fi 6 中的 MIMO 多用户版本,通过允许多个设备同时收发信息流在 MIMO 上实现扩展。
 
Wi-Fi 6 中使用的正交幅度调制 (QAM) 是一种数字传输方法。从 256 到 1024 QAM,通过将 256 QAM 中使用的每个符号传输 8 位数据增加到 1024 中的 10 位数据,由此将数据容量增加了约 25%。这种增加支持理论上的 600 Mb/s 单数据流数据速率,而理论上 Wi-Fi 5 单数据流速率为 433 Mb/s。
 
预计 Wi-Fi 6 也会有新的频谱。当前 Wi-Fi 信号的工作范围为 2.4 GHz 和 5 GHz。确切的频率范围视国家/地区而异,新频谱也是如此。在欧洲,频率范围可能上升到 6.4 GHz 左右,而美国可能上升到 7 GHz。扩展的频谱将支持更多或更宽的通道,从而进一步增强传输功能。
 
适用于 Wi-Fi 6 的功率放大器和附加要求
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图 2:三重频带架构。数据来源:Qorvo。Wi-Fi 6 的增强功能需要新硬件。其中一个是放大器部分,其需要更高的线性度和更平坦的响应曲线,以及低噪声放大器 (LNA) 需要更低的噪声系数。为此需要采用精心设计的 RF 元件和滤波器。
 
另一个挑战是效率和散热考量。更先进的生产工艺和 RF 需要消耗功率并产生热量,另外构建紧凑小巧的无线设备也增加了散热管理的难度。功率效率也与此相关,这成为有限功率(如 3.3 V)和以太网供电 (POE) 系统的主要考虑因素。 
 
FEM 使用和优势
 
与各类 Wi-Fi 设备配合使用的片上系统 (SOC) 负责执行许多功能。  在 Wi-Fi 6 上,它执行所有调制、编码、解码、RF 和其他功能。SOC 在设计时就考虑了工艺因素以及适用的半导体材料。SOC 并非能够满足 Wi-Fi 6 功率放大要求和所需功率的理想 RF 器件。前端模块 (FEM) 属于专门设计的 RF 部分,可以与 SOC 集成,以高效率提供功率放大功能以及出色的 RF 性能。
 
RF 功率放大器的一个重要方面是滤波。RF 放大电路通常没有完全线性响应。滤波可以选择性地屏蔽不需要的频率,降低特定频率的功率电平,使响应更具线性。
 
设计人员无法做到始终控制设备的功率特性。对于 USB 或内部设备,电压可能是 3.3 V 或 5 V,但电流有限。与此相关的是散热问题,因为更多的功率会产生更多的热量需要耗散,而这会占用空间。理想情况下,可实现高效设计,并尽量减少功耗。这是 FEM 较有优势的领域:其材料在放大和滤波 RF 方面本身就比 SOC 放大器更有效。
 
尺寸和美观也需要结合功率和散热问题来考虑:散热器会占用空间并限制设计,而消费类设计通常需要时尚小巧的电源。集成 FEM 有助于缩减散热器尺寸,使设计更紧凑,可实现各种外观形态。
 
Qorvo
 
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图 3:可实现最大覆盖范围的 Qorvo Edgeboost™。数据来源:Qorvo。Qorvo 提供针对未来 Wi-Fi 6 和其他 RF 需求设计的 FEM。这些 FEM 使用 Qorvo 设计的体声波 (BAW) 滤波器。BAW 滤波器的性能比类似应用中常用的表面声波 (SAW) 滤波器更好。BAW 滤波器允许更平坦的响应和更好的通道分离,以便在更远的距离获得更好的信号。
 
Qorvo 提供集成式 FEM,将 BAW 滤波器、PA、LNA 和 RF 开关等多个功能集成到单个设备中。这种集成方法意味着元件数量更少,调谐元件需求和损耗减少,并且易于使用,从而能够加快上市时间。集成还提高了效率,并减少了诸如走线损耗之类产生的热量。这些都能够在与非集成设备相当的封装尺寸中实现,从而节省了宝贵的电路板空间。
 
结论
随着 RF 技术的发展和互联网中互连设备数量的增加,FEM 的需求也将随之增加。SOC 设计中包含采用 Zigbee 和 Wi-Fi 等技术的收发器,对 RF 仍有较高的性能要求。
 
Qorvo 的 iFEM 能够很好地解决这个问题。选择特定应用 FEM 时如需帮助,请联系 Qorvo(cn.qorvo.com)。
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