三类 Wi-Fi 滤波器浅析

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                                               本文来自Qorvo公众号
 
如今的 Wi-Fi 设计通常都包含滤波器。本文论述了滤波器的类型与用途。
 
尽管人们通常认为“滤波器就是滤波器”,但实际上有多种不同的滤波器可针对不同类型的用例解决不同的问题,并带来不同的收益——当然,一般而言,其主要目的是提高数据通信的质量。无论怎样,在设计中做出加入滤波器的任何决定之前,最好首先明确所需要的特定效果。而且由于滤波器会带来成本,因此收益必须物有所值。
 
为了使这一分析更加清晰,我们首先来看看噪声和干扰的影响。
 
1滤波器能解决什么问题?
 
一句话,滤波器解决的是噪声问题;更确切地说,是 RF 噪声或无线电噪声问题。如果您有一台老式的 FM 收音机,从一个频道拨到另一个频道时会听到中间噼里啪啦的噪声。现代 FM 收音机则可以抑制这些噼里啪啦的声音,互联网收音机也是如此。噪声无处不在,而且即便“有用的无线电信号”也会在其它场合产生噪声。消费者盼望拥有广泛的连接性,但痛恨线缆的羁绊。所以,当考虑到人们家中使用的无线设备的数量,您会发现该噪声问题只会随着时间的推移而变得越来越严重。
 
在这种“嘈杂”的环境中,许多不同的无线电设备出于不同的原因在同时发射无线信号;为此,世界各地的监管机构都制定了特定的规则和法规以确保平衡。一个简单的例子是,用于飞机起降时通信的无线电信号绝对不应受到其它无线电设备有意或无意的干扰。所以,为了飞机的安全运行和乘客的切身利益,“请您关闭手机”。
 
 
2关于滤波器
 
玻璃和玻璃纸我们都很熟悉。“透明”的玻璃或玻璃纸可以让所有色光通过,也就是让光谱中的所有颜色(即“光带”) 都能透过;而红色或黄色等带有颜色的彩色玻璃或玻璃纸只让红光或黄光通过。光带中的每一种颜色都可以视为为一个信道,如红色信道或蓝色信道等。一个信道是光带/频段的一部分,而整个光带/频段通常被分割成多个信道。
 
不同的 Wi-Fi 频段(915MHz、2.4GHz 和 5GHz、6GHz)也有类似的信道划分。
 
 
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图 1. Wi-Fi 频段和信道。
 
信道的目的是使两个(或多个)收发器都能够接入这一特定通道,从而发现彼此并实现通信;通常通过向在收发器之间发送能量的载波添加比特位(0 和 1)来实现。这些比特位捆绑在一起形成信息包,发送方和接收方都需要非常精确,因为我们很快就会在不同信道上同时拥有数十亿比特位 (Gb/s) 穿行于空中。滤波器的一般用途是:(1) 确保该通信信道非常干净,即,将其它信号阻挡在频段(信道)之外;以及 (2) 防止有用的通信信号在频段(信道)之外产生噪声。
 
当传输路径中出现噪声时,数据包的某些部分会产生乱码(破坏),迫使接收器“重新发送”。这种通信问题的检测过程通常要花费时间,用户则会感觉网络“速度变慢”或认为他们的“Wi-Fi 很糟糕”。
 
3大气中的噪声从何而来?
 
首先,噪声作为一种自然(热)现象总是存在于大气中;除此之外,电气设备和现代无线电应用制造了更多噪声:打开和关闭电气设备会产生噪声,微波炉也会产生噪声等等。尽管无线电发射机应仅在特定的信道中工作,但实际上,它们也可以在其它频段的其它信道中发送信号,进而在此处产生噪声。这就是为何无线电不仅需要被准许以有限的强度发送有用的信号,而且不得在其它地方传输超过某些强度的信号。
 
无线电的世界并非黑白分明;由于噪声水平还取决于噪声源的强度及距离,因此时常会出现一些难以预料的状况。茫茫荒野中的自然保护区很可能只会有自然(白)噪声,尽管太阳活动或宇宙天文事件也会给频谱带来尖峰。城镇地区的噪声水平会有所上升,主要由于应用了多种无线电——而且无线设备的数量多年来仍一直在不断攀升。
 
 
4干扰
 
干扰让噪声成为高性能无线数据通信系统的大敌。在允许的输出功率水平上,噪声尖峰或附近无线电的持续干扰会造成丢包和性能下降,从而导致大量客户投诉与求助电话;更糟糕的是,这些问题有时很难诊断和解决(技术支持工程师可以讲讲关于这一话题恐怖故事!)。由于噪声干扰,优秀的、适应能力强的产品设计可以真正发挥作用,也让滤波器有了用武之地。
 
滤波器就像前面提到的彩色玻璃或玻璃纸。它们可以确保只传输或接收所需的信号,并减少不需要信号的数量及强度。滤波器是相当神奇的解决方案,它们不仅可以缓解问题,还通过减少丢包对性能产生惊人的影响。然而,当在设计中加入滤波器时,需要权衡取舍,即考虑到插损的问题。再以玻璃或玻璃纸为例,过滤介质会造成一定的强度衰减;例如,当设计中包含滤波器时,接收器会损失一些灵敏度(接收微弱信号的能力)。
 
 
5滤波器的类型
 
无论从技术角度(本文未介绍)还是从应用角度来看——或者换句话说,依据滤波器在产品设计中试图实现的不同目标,滤波器可分为很多类型。在某些情况下,使用一个滤波器(或多个滤波器的组合)可以带来多重收益。
 
本文中,我们将专门关注 Wi-Fi 滤波器,并采用在 Qorvo 使用的术语来指定我们产品组合中的滤波器类型。下列所述的三类滤波器,都能增强整个 Wi-Fi 系统的容量,在覆盖范围和吞吐量方面提高系统性能,同时消除性能意外降低的风险:
 
edgeBoost 滤波器:在接近带缘的信道上最大化输出功率
bandBoost 滤波器:最大化多频段网状网络中的信道隔离
coexBoost 滤波器:最优化同一频段(LTE、IoT等)中不同无线协议间的共存
 
 
6 edgeBoost 滤波器
 
添加到无线发射链路中的 edgeBoost 滤波器有助于打造更佳的性能,尤其是在接近带缘的信道范围内。这个概念相当简单,即无线电不允许在频段外产生噪声,但是当接近带缘的信道以全功率运行时,它们会在频段外“泄漏噪声”。通常的做法是显著限制这些信道靠近带缘的输出功率,由此达到无线认证的要求。这种方式很好,但这也意味着大大减少了使用这些边缘频段的用户覆盖范围,并且会影响系统的总容量。具体来说,它迫使更多的用户挤占频段中间的信道,造成频段拥堵,并明显降低了网络中所有用户的互联网连接速度。
 
edgeBoost 滤波器将针对以上问题发挥作用。此种滤波器减少了频段外无线信号的泄漏,因此无线信号可以在边缘信道中以最大功率进行传输,避免了这些信道的覆盖范围缩小,最终减少流量拥塞并提高了总体容量。
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图 2. edgeBoost 滤波器如何改善覆盖范围(以及容量)
 
让我们看一个实际的例子。在 2.4GHz 频段,Wi-Fi的频谱范围为 2412 MHz 到 2484 MHz。在此频段内,您可以在 11 个定义的 Wi-Fi 信道上进行发送和接收。当您在频率范围中心的某个信道上进行传输时(例如信道 6),在频段外(低于 2412 MHz 或高于 2484 MHz)产生噪声的可能性非常低。
 
然而,如果您在最低的信道(信道 1)上进行传输,则在 2412 MHz 以下产生干扰的可能性很高;同样也适用于在通道 11 上传输并在高于 2484 MHz 的频段产生干扰的情况。如果您在频段外的干扰过高会怎样?监管机构和认证实验室将要求您降低发射功率,直到符合要求为止,此举对 Wi-Fi 路由器用户的影响是覆盖范围减小。但是,通过使用 edgeBoost 滤波器,可减少频段外的噪声,以获得更高的输出功率和更佳的覆盖范围。
 
edgeBoost 滤波器的价值在于能够在整个频段内的所有信道上实现全功率传输,以最大限度地扩大覆盖范围。传统上,对于外部信道,功率甚至会降低至容量的四分之一,以致于失去传输距离和覆盖范围。借助 edgeBoost 滤波器,可以在整个频段上保持最大吞吐量,并以最高的水平支持整个住宅的全覆盖。
 
 
 
7 bandBoost 滤波器
 
Qorvo 的 bandBoost 滤波器是一种频段隔离滤波器,能够同时对特定类型的无线连接(如 Wi-Fi)进行多波段操作,从而为每个分频成倍增加网络容量和吞吐量。在多频段 Wi-Fi 6 和 Wi-Fi 6E 网络的示例中,它们有助于将 5 和 6 GHz 频段分割成不同的子频段,因此这些频段中使用的信道可以在最大功率下继续并发使用,而不会相互泄露信号,避免造成不同信道间的(Wi-Fi)自干扰。
 
 
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图 3. SMR BAW 的功率与热量处理。
 
bandBoost 滤波器对于提高 Wi-Fi 多用户 MIMO 网络的容量非常有用,因为其本质上创建了多个 Wi-Fi 网络区域,在同一空间的不同信道上同时支持不同用户。通过将频段分割成子频段,可以最大程度地减小这些网络之间的干扰,同时最大程度地利用输出功率。就好像不同的用户使用不同的 Wi-Fi“颜色”,而不同颜色的用户间不会互相干扰。bandBoost 滤波器可以与频段管理系统实现最优配合,了解如何隔离不同的子频段,并确保不同用户/应用的正确信道分配。
 
再来看一个例子。此类滤波器可以让信道同时获得有效利用,因此在当今的三频 Wi-Fi 系统(2.4/5L/5H GHz 配置)中得到了显著的应用,以提高系统容量。例如,将 5 GHz 频谱分为并发运行的上频段和下频段,以便在一个信道上启用整个家庭网络中的专用回程链路,同时在另一信道启动客户端通信链路(移动设备、笔记本电脑、游戏机、恒温器等)。在未来的 Wi-Fi 6E 系统中也有类似的潜力,例如在 6 GHz 频率上专门执行回程传输,并在 5 GHz 频谱内进行客户端通信。在日益拥挤的无线环境中,此举将有效提升容量——更多的用户同时使用更多的设备,提供大量信道可供无线信号进行选择。
 
 
 
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图 4. bandBoost 滤波器如何通过创建多个区域来增加住宅 Wi-Fi 容量。
 
 
8 coexBoost
 
将 coexBoost 滤波器添加至无线发射或接收链路,以允许同时使用不同的无线连接技术。当通过这些滤波器进行传输时,可以防止系统对相邻无线信号的干扰;同样,在接收时则保护系统免受同一相邻无线信号的干扰,为不同的无线连接创造同步、无干扰的共存环境。
 
移动电话或热点设备便是典型案例,其包含多种无线蜂窝网络、GPS、Wi-Fi、蓝牙——全部融合在一部非常小巧的产品中,因而这些类型的滤波器也经常发挥关键性的作用。今天的无线路由器、增程器和接入点设备亦是如此,它们整合了 Wi-Fi、物联网和蓝牙,并辐射出尽可能多的功率,以便让所有无线信号均获得最佳的覆盖范围与性能;且无论采用何种无线技术,均能以最小的延迟提供无缝的用户体验。一些服务提供商依靠 3G/LTE/5G 为家庭或企业提供宽带互联网接入,其通过一部调制解调器向室内接入 LTE(以及即将推出的 5G),并带有用于连接标准无线 Wi-Fi 路由器的以太网端口(假定该路由器位于调制解调器近旁);或者也可以采用在同一个产品中集成所有三种功能的网关。在所有情况下,都存在多种无线信号在彼此相邻的信道中执行发送和接收。
 
 
 
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图 5. coexBoost 滤波器如何将 FTE 信号保持在 Wi-Fi 频段之外。
 
越来越小的产品尺寸已成为行业的普遍发展趋势,而这无助于产品设计人员的工作,因为他们将面对更大挑战,需要避免因数据通信数据包的干扰和相互破坏给用户体验造成的阻碍。此类用户体验的一个例子是上网时的数据速度变慢,以及触摸无线照明开关感到的明显延迟从而出现过长的开灯/关灯等待时间。coexBoost 滤波器帮助设计人员在更小的空间内容纳更多无线信号,让外形美观的产品具备出色的性能和无缝的交互,使这些问题得到完美解决。
 
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图 6. coexBoost 如何实现最大容量与吞吐量
 
总结
 
很明显,当前优秀的 Wi-Fi 设计必须包含卓越的滤波功能,以带来 Wi-Fi 6 和 6E 标准所设计的预期覆盖范围与吞吐量性能。然而,可能最重要的是,具备良好的滤波功能需要避免意外和间歇的性能下降,进而产生大量求助电话和主要客户的不满。对于基于 Qorvo 的 Wi-Fi 产品来说,滤波是最大限度提升用户体验质量与性能,并确保不间断且高性能连接的关键技术之一。
 

 

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