將 WLAN 集成至手持設(shè)備的設(shè)計(jì)

2004年6月B版

引言

　　移動(dòng)電話、PDA 以及智能電話等高性能、多功能手持設(shè)備的需求在不斷增長(zhǎng)。其中的動(dòng)力之一是多種技術(shù)集成到一個(gè)能手持并裝進(jìn)口袋的設(shè)備中，這已經(jīng)并將繼續(xù)推動(dòng)上述需求的發(fā)展。手持設(shè)備市場(chǎng)最近的發(fā)展趨勢(shì)是上述設(shè)備開始具有彩屏顯示與照相機(jī)功能,而且 Bluetooth 無(wú)線耳機(jī)巍然風(fēng)行，這將最終消除移動(dòng)電話耳機(jī)與移動(dòng)電話主機(jī)之間的連線。顯示屏分辨率越來(lái)越高，音頻系統(tǒng)的性能也不斷改善，系統(tǒng)可用的存儲(chǔ)器容量以及 CPU 性能也在不斷提高。上述不斷發(fā)展的硬件與處理功能將推動(dòng)實(shí)現(xiàn)新式應(yīng)用，如視頻電話、企業(yè)與家庭 WLAN 上的 VoIP、高清晰度視頻流以及高速因特網(wǎng)等，同時(shí)還將實(shí)現(xiàn)無(wú)所不在的移動(dòng)電話覆蓋范圍。

設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

　　眾所周知，由于這些手持設(shè)備本身體積很小，電池的容量有限，每個(gè)子系統(tǒng)都必須很小，而且功耗要非常低。添加新技術(shù)而不增加設(shè)備體積對(duì)每一代產(chǎn)品都至關(guān)重要。在每代產(chǎn)品中，預(yù)期電池的使用壽命應(yīng)該越來(lái)越長(zhǎng)。還有一個(gè)深層問(wèn)題是隨著多種無(wú)線技術(shù)匯聚在手持設(shè)備中，會(huì)出現(xiàn)全新的各種電磁干擾問(wèn)題。除了小外形與低功耗要求外，無(wú)線子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還必須使各子系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)共存，而不致相互損害。本文將深入探討如何解決上述新要求與挑戰(zhàn)，以設(shè)計(jì)出新一代高性能、高功能的無(wú)線手持設(shè)備。

　　舉例來(lái)說(shuō)，某些新一代手持產(chǎn)品將包含 GPS、WLAN 與藍(lán)牙以及 2.5G 與 3G 蜂窩技術(shù)，這些設(shè)備可方便地在多達(dá)五至六個(gè)頻帶中進(jìn)行操作。設(shè)置上述每種標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)沒(méi)有明確接收機(jī)要求，而是假定設(shè)備處在兩至三個(gè)其它發(fā)送器的 10 厘米頻譜范圍之內(nèi)。這樣，為了使上述帶有多種無(wú)線技術(shù)的高度集成的手持設(shè)備能夠工作，設(shè)計(jì)小組必須計(jì)算傳輸頻譜功率水平的要求，以及接收機(jī)鄰信道抑制要求，從而避免手持設(shè)備的自我干擾。

手持設(shè)備中集成的無(wú)線功能

　　在討論工程設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)之前，我們必需先來(lái)回顧一下為什么要將多個(gè)無(wú)線系統(tǒng)集成至一個(gè)手持設(shè)備中。因?yàn)橄M(fèi)者已經(jīng)習(xí)慣于隨時(shí)攜帶移動(dòng)電話，而且隨時(shí)都能打電話、接電話。這種習(xí)慣和生活方式不會(huì)改變，那么蜂窩技術(shù)及其相關(guān)改進(jìn)還將繼續(xù)。在所有討論的技術(shù)中，蜂窩技術(shù)是能夠真正實(shí)現(xiàn)無(wú)所不在的覆蓋技術(shù)，它將繼續(xù)推動(dòng)隨時(shí)隨地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)連接，而且這種連接目前正從語(yǔ)音業(yè)務(wù)擴(kuò)展到因特網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

　　近幾年來(lái)，WLAN 技術(shù)市場(chǎng)不斷擴(kuò)大，并滲透到三大關(guān)鍵領(lǐng)域：家庭、辦公室與熱點(diǎn)。熱點(diǎn)是指酒店或機(jī)場(chǎng)等用戶高度集中的地點(diǎn)。WLAN 的主要優(yōu)勢(shì)在于速度非常快，而且在建筑物內(nèi)的穿透力很強(qiáng)，這使其成為辦公室環(huán)境下的自然之選。WLAN 的服務(wù)成本往往不是按每分鐘計(jì)時(shí)收費(fèi)，而且網(wǎng)絡(luò)容量目前已達(dá)數(shù)十 Mbps，將來(lái)甚至可達(dá)數(shù)百 Mbps。除消費(fèi)者已經(jīng)習(xí)慣由 WLAN 實(shí)現(xiàn)的高速數(shù)據(jù)服務(wù)外，WLAN 有望實(shí)現(xiàn)高速視頻、電視會(huì)議、音頻與 VoIP等業(yè)務(wù)。

　　藍(lán)牙在上述設(shè)備中也找到用武之地，我們現(xiàn)在可以看到人們佩戴耳機(jī)邊走邊通話，今后藍(lán)牙將成為這種耳機(jī)無(wú)線技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。對(duì)于無(wú)線鍵盤與鼠標(biāo)等需要低功耗的低速設(shè)備而言，它們不需要很高的帶寬，藍(lán)牙也是一種理想的技術(shù)。

　　GPS 即全球定位系統(tǒng)不再是飛機(jī)的專利。隨著 GPS 子系統(tǒng)成本的降低，該技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)在手持終端中，可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航設(shè)備以及具有突發(fā)事件定位業(yè)務(wù)。

手持設(shè)備中的WLAN設(shè)計(jì)

　　具有上述所有無(wú)線系統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)會(huì)面臨多方面 (multidimensional) 的問(wèn)題。每個(gè)系統(tǒng)都有各自的傳輸頻譜特性，并需要各自定制接收機(jī)的鄰信道抑制功能。我們將從 WLAN 子系統(tǒng)的角度來(lái)討論該問(wèn)題，盡管新一代系統(tǒng)將以 IEEE 802.11g (54Mbps) 為基礎(chǔ)，為簡(jiǎn)單起見，我們將專門探討 IEEE 802.11b (11Mbps)。

　　每個(gè)無(wú)線子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)哲學(xué)必須遵循“不損害”原則以及“抗干擾穩(wěn)健性”原則。第一部分“不損害”原則是指發(fā)射頻譜掩碼不得大幅提高其他無(wú)線系統(tǒng)帶通中的噪聲下限。當(dāng)然，所謂其他無(wú)線系統(tǒng)是在相同手持終端設(shè)備中的系統(tǒng)，因此我們可以假定最多在 20 dB 天線間進(jìn)行隔離。就熱噪聲下限值為-114 dBm/MHz 而言，WLAN 系統(tǒng)在其他器件帶通中最好傳輸不超過(guò)-94 dBm/MHz。實(shí)際情況中，上述要求會(huì)加上一些裕度，不會(huì)對(duì)其他系統(tǒng)造成很大影響。還有一種方法就是限制帶外發(fā)射功率，這樣其他無(wú)線系統(tǒng)敏感度衰減的影響就不會(huì)超過(guò)一個(gè)給定值。

　　802.11b 標(biāo)準(zhǔn)確定，頻率超過(guò)中央頻率 22 MHz 以上時(shí)，發(fā)射頻譜應(yīng)比通帶中的功率下降 50 dB。通帶中最大發(fā)射功率通常為 12 dBm/MHz，因此，上述要求就會(huì)需要通帶外為-38 dBm/MHz，這與“不損害”相距甚遠(yuǎn)。管理機(jī)構(gòu)可能會(huì)對(duì)帶外發(fā)射功率給出進(jìn)一步限制，但即便這些額外的限制可能也不足以保證達(dá)到足夠的性能。本例清楚地顯示，WLAN 子系統(tǒng)要求更多規(guī)范，以確保其不損害其他無(wú)線子系統(tǒng)。

　　同樣，WLAN 子系統(tǒng)還必須具有“抗干擾穩(wěn)健性”。在手持終端設(shè)備中，這一點(diǎn)具有全新的含義。就具備 WLAN 功能的筆記本電腦而言，到其他無(wú)線發(fā)送器的距離以米乃至數(shù)十米來(lái)計(jì)量，而手持終端中的距離則要以厘米計(jì)量。必須容忍的干擾源數(shù)量根據(jù)傳輸功率從 0 dBm 至 30 dBm 不等，根據(jù)距離 WLAN 系統(tǒng) 0 至 1600 MHz 而不同。圖3給出了一些例子。

　　802.11b 標(biāo)準(zhǔn)確定，據(jù)接收機(jī)中央頻率 25 MHz時(shí)，相鄰信道抑制必須至少為 35 dB。相鄰信道抑制規(guī)范沒(méi)有進(jìn)一步的要求。舉例而言，壓縮點(diǎn)就沒(méi)有相關(guān)規(guī)范。此外，802.11b 標(biāo)準(zhǔn)指定抑制應(yīng)相對(duì)于另一 802.11b 波形進(jìn)行測(cè)試。我們可預(yù)期到這一點(diǎn)，它當(dāng)然也是需要的，但就某些目的而言，它又是不夠的。舉例來(lái)說(shuō)，該規(guī)范根本不能保證接收機(jī)在 5 厘米外從天線傳輸 PCS 且傳輸噪聲為 30 dBm 的情況下能夠正常工作。還必須添加額外的設(shè)計(jì)要求，以保證 WLAN、藍(lán)牙與其他無(wú)線系統(tǒng)能夠在上述近距離環(huán)境中工作。

　　一個(gè)很難解決的問(wèn)題就是藍(lán)牙與WLAN在手持設(shè)備中如何共存。該問(wèn)題在手持終端設(shè)備中尤其難以解決，這還是因?yàn)樗{(lán)牙與WLAN天線之間的隔離非常有限，容易形成互相干擾。藍(lán)牙與 WLAN 之所以難以共存，是由于二者都運(yùn)行在 2.4 GHz ISM 頻帶中。因此，兩個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通常都帶有信道預(yù)選擇濾波器，占據(jù)整個(gè) 2.4 GHz 頻帶。這使去除干擾信號(hào)尤其困難。但是，我們針對(duì)這一問(wèn)題擁有多種解決方案。一個(gè)解決方案是采用時(shí)分多路算法以避免系統(tǒng)間干擾，此外，藍(lán)牙 1.2 解決方案中的自適應(yīng)跳頻進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。不過(guò)，即便有了上述改進(jìn)，如果不采用發(fā)射功率控制等技術(shù)，WLAN與藍(lán)牙仍然難以同時(shí)工作 。WLAN 與藍(lán)牙共存問(wèn)題雖然很難解決，但我們還是找到了解決途徑，因此用戶能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)WLAN與藍(lán)牙操作，藍(lán)牙語(yǔ)音等主要應(yīng)用也未受影響。

　　智能電話、移動(dòng)電話、PDA等設(shè)備中WLAN器件對(duì)于相鄰信道有關(guān)要求、發(fā)射頻譜要求、尺寸要求以及功耗要求都具有獨(dú)特性。并非每個(gè)WLAN系統(tǒng)都能滿足上述環(huán)境所需的性能要求。此外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須選擇那些專門為滿足上述要求進(jìn)行設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，否則相應(yīng)產(chǎn)品的性能將難以令人滿意。但幸運(yùn)的是，上述要求并非不可以實(shí)現(xiàn)，在今天最先進(jìn)的 WLAN 系統(tǒng)以及在用于 PDA 的參考設(shè)計(jì)中這些功能已經(jīng)被成功實(shí)現(xiàn)?！?BR>