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與IEEE 和藍(lán)牙技術(shù)相比,IEEE 被視為一種可行的家庭無線聯(lián)網(wǎng)(WLAN)方案。本文詳細(xì)描述了IEEE 所采用的正交分頻復(fù)用技術(shù)(OFDM),并介紹了如何用CMOS來構(gòu)建工作于5GHz的IEEE 系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)物美價(jià)廉的家庭無線互聯(lián)。
在實(shí)現(xiàn)高帶寬的家庭互聯(lián)時(shí),“最后一里”仍是主要瓶頸。目前業(yè)界針對(duì)這一問題有多種解決方案,包括藍(lán)牙、HomePNA、HomeRF和HomePlug。最近設(shè)計(jì)人員開始將興趣轉(zhuǎn)向采用IEEE 的無線局域網(wǎng)(WLAN)技術(shù),IEEE 工作頻率為5GHz,數(shù)據(jù)傳輸率為54Mbps。一些廠商甚至已開始構(gòu)建基于IEEE WLAN規(guī)范的系統(tǒng)。
傳輸阻塞
目前,家用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備設(shè)計(jì)者正努力構(gòu)建工作于聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)的的工業(yè)、科學(xué)及醫(yī)用(ISM)開放頻帶。不過,在這一帶寬上開發(fā)產(chǎn)品的最大問題便是容易受到干擾。
由于過去幾年里藍(lán)牙系統(tǒng)、HomeRF 系統(tǒng)、IEEE WLAN器件、無繩電話及其它設(shè)備對(duì)頻帶使用過多,從而導(dǎo)致嚴(yán)重的瓶頸,并對(duì)家用網(wǎng)絡(luò)環(huán)境產(chǎn)生干擾。
頻帶上的干擾問題主要來自多種互不兼容的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。使用這一頻帶的器件分為直接序列擴(kuò)頻(DSSS)和跳頻擴(kuò)頻(FHSS)系統(tǒng)。DSSS數(shù)據(jù)傳輸方案主要用于IEEE 系統(tǒng),其數(shù)據(jù)傳輸率可高達(dá)11Mbps。
DSSS工作原理
在IEEE 產(chǎn)品中,DSSS方案在窄帶信號(hào)傳輸前將它與一個(gè)高帶寬的偽隨機(jī)噪聲(PN)碼相乘來實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻(圖1)。擴(kuò)頻量通常稱為處理增益(GP),即擴(kuò)頻后的傳輸信息帶寬與實(shí)際信息帶寬(BWInfo)的比值。通常處理增益遠(yuǎn)大于1。
通過這種擴(kuò)頻技術(shù)可以開發(fā)多接入點(diǎn)系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中,每個(gè)用戶的傳輸信息均會(huì)在發(fā)送端用一個(gè)不同的PN碼進(jìn)行擴(kuò)展,然后在同一頻帶內(nèi)發(fā)送。接收到有用信號(hào)時(shí),再將它與對(duì)應(yīng)的PN碼相乘,從而使有用信號(hào)解擴(kuò)恢復(fù)成原來的傳輸信息。而其它與PN碼不對(duì)應(yīng)的信號(hào)和噪聲則會(huì)被進(jìn)一步擴(kuò)大。有用信號(hào)再經(jīng)過濾波,去掉殘余的擴(kuò)頻干擾信號(hào)和噪聲信號(hào)。通過這種方法,每一用戶的信息均可與其它用戶信息在相同的頻帶內(nèi)獨(dú)立地收發(fā)。
然而,IEEE 
DSSS標(biāo)準(zhǔn)無法用于多個(gè)接入點(diǎn)。換言之,有用的處理增益和位能量與噪聲之比(Eb/N0)不允許其它具有相同能量(但PN碼不同)的信號(hào)同時(shí)傳輸。IEEE DSSS系統(tǒng)只能承受高于有用信號(hào)-3dB的干擾。而在同一信道中,一個(gè)用戶對(duì)另一用戶的干擾遠(yuǎn)大于此。
因此,DSSS技術(shù)無法用于相同頻帶中的多信號(hào)同時(shí)傳輸。標(biāo)準(zhǔn)將同時(shí)傳輸?shù)男盘?hào)分配到三個(gè)不同的頻帶,每個(gè)22-MHz,從而在的頻帶中同時(shí)傳輸。
FHSS系統(tǒng)
在避免干擾的方法上,藍(lán)牙和HomeRF等FHSS系統(tǒng)與DSSS系統(tǒng)不一樣。FHSS系統(tǒng)通過在若干不同頻段之間跳轉(zhuǎn)來避免相同頻帶內(nèi)其它傳輸信號(hào)的干擾。在每次跳頻時(shí),FHSS信號(hào)表現(xiàn)為一個(gè)窄帶信號(hào)。如藍(lán)牙的窄帶信號(hào)頻寬為1MHz,每秒跳頻1,600次,跳過79個(gè)頻段。因此,FHSS信號(hào)更為靈活,不會(huì)占用某一個(gè)頻率過多時(shí)間。
FHSS系統(tǒng)所面臨的一個(gè)主要挑戰(zhàn)便是數(shù)據(jù)傳輸速率。就目前情形而言,FHSS系統(tǒng)使用1MHz窄帶載波進(jìn)行傳輸,數(shù)據(jù)率可達(dá)2Mbps。根據(jù)FCC最新規(guī)定,系統(tǒng)設(shè)計(jì)者可將載波信號(hào)帶寬增加到5MHz,從而使系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸率可高達(dá)10 Mbps。不過對(duì)于FHSS系統(tǒng)來說,要超越10Mbps的傳輸速率并不容易,從而限制了它在家庭網(wǎng)絡(luò)中的使用。
干擾問題
FHSS和DSSS面臨的另一個(gè)關(guān)鍵問題是干擾。目前FHSS的載波帶寬更大,因此業(yè)界普遍認(rèn)為,DSSS和FHSS產(chǎn)品之間可能會(huì)產(chǎn)生更大的干擾。
為了評(píng)估DSSS系統(tǒng)(如IEEE )和FHSS系統(tǒng)(如藍(lán)牙)之間的相互干擾,最好的辦法是分開測試一方對(duì)另一方的干擾。
測試結(jié)果表明,窄帶FHSS系統(tǒng)對(duì)DSSS傳輸?shù)母蓴_十分嚴(yán)重,尤其是如藍(lán)牙這樣的快速傳輸信號(hào)。而寬帶DSSS系統(tǒng)對(duì)FHSS傳輸?shù)母蓴_也較為顯著。當(dāng)FHSS系統(tǒng)正好工作在一個(gè)有干擾的頻率上時(shí),這個(gè)信號(hào)會(huì)跳到一個(gè)DSSS帶寬外的信道上。但是,信號(hào)傳輸量通常會(huì)減少。
5GHz高速帶寬
相比之下,IEEE 使用的5GHz頻帶并沒有干擾問題存在。在美國,U-NII頻帶原來主要面對(duì)公立學(xué)校里價(jià)格低廉的計(jì)算網(wǎng)絡(luò)。由于目前沒有其它設(shè)備工作在U-NII頻帶(和 GHz),在20MHz的頻段內(nèi)提供高達(dá)54 Mbps的信號(hào)傳輸并不成問題。因此,IEEE 標(biāo)準(zhǔn)在這一頻帶的低端200-MHz內(nèi)定義了八個(gè)此類頻段,而在高端100-MHz內(nèi)定義了四個(gè)頻段。
對(duì)于目前和將來的家用網(wǎng)絡(luò)傳輸,如多媒體MP3音頻數(shù)據(jù)流和VoIP電話、因特網(wǎng)接入、數(shù)字電視、MPEG-2 DVD流甚至MPEG-4視頻點(diǎn)播服務(wù),這種高速數(shù)據(jù)傳輸率已綽綽有余。而藍(lán)牙、和HomeRF(甚至是FCC最近批準(zhǔn)的擴(kuò)展頻譜)的數(shù)據(jù)傳輸率都不超過11 Mbps,甚至不足以攜帶HDTV信號(hào)。
OFDM的優(yōu)勢(shì)
除了高速傳輸和免受同頻帶中的其它標(biāo)準(zhǔn)干擾外,使用5GHz的IEEE 等國際標(biāo)準(zhǔn)在設(shè)計(jì)上也具備更好的傳輸性能。這主要?dú)w功于這一標(biāo)準(zhǔn)采用了正交分頻復(fù)用技術(shù)(OFDM)作為其調(diào)制技術(shù),從而可避免在家庭聯(lián)網(wǎng)中的多徑效應(yīng)。
當(dāng)傳輸信號(hào)在墻壁、家俱及其它室內(nèi)物體上進(jìn)行反射時(shí)會(huì)產(chǎn)生多徑效應(yīng)。在這種情況下,傳輸信號(hào)并非通過單一的直接路徑到達(dá)接收器,而是經(jīng)過了多個(gè)不同路徑。信號(hào)從發(fā)射器到接收器所經(jīng)過的每條路徑長度都不同,因此每個(gè)信號(hào)的延遲都有所不同。最終接收到的信號(hào)實(shí)際上是個(gè)多次迭加而產(chǎn)生的信號(hào),每個(gè)迭加信號(hào)都在不同時(shí)刻到達(dá)接收器,每個(gè)迭加信號(hào)的強(qiáng)度均不相同。
假設(shè)最初與最末到達(dá)接收器的兩個(gè)信號(hào)之間的最大延遲為Tmax(稱為支路延遲),并假設(shè)在每個(gè)時(shí)間間隔T內(nèi)發(fā)送器發(fā)送一個(gè)離散數(shù)據(jù)塊(一個(gè)碼)。在這種情況下,每個(gè)接收到的碼便可能被混迭了多達(dá)Tmax/T次(圖2)。這種效應(yīng)通常稱為碼間干擾(ISI)。對(duì)接收器來說,糾正一個(gè)較大的Tmax/T的實(shí)現(xiàn)成本很高。
支路延遲是一種環(huán)境效應(yīng),無法通過接收器來改變,唯一的方法便是增加傳輸碼的間隔時(shí)間T。但這樣會(huì)降低傳輸速率,與高速傳輸?shù)淖谥急车蓝Y。
OFDM可滿足兩方面要求:它不是在一個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)用一個(gè)頻率(或載波)來傳輸信息,而是將傳輸信息分配到N個(gè)子載波傳輸,每個(gè)子載波的時(shí)間間隔增加了N倍(或傳輸信息減少為1/N)。因此,盡管每個(gè)單獨(dú)的子載波的數(shù)據(jù)傳輸率降低為1/N,但由于有N個(gè)不同的通道并行傳輸,因此系統(tǒng)總的傳輸率是一樣的。此外,由于分成了N個(gè)子載波,Tmax/T率也下降為Tmax/(T×N)。這意味著每個(gè)子載波所能承受的多路徑和ISI為原來的N倍。IEEE 系統(tǒng)的子載波數(shù)為52。
OFDM是當(dāng)前一種效率極高的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。它可在一個(gè)給定頻帶內(nèi)傳輸大量的數(shù)據(jù)。
OFDM并非將52個(gè)子載波用保護(hù)間隔來進(jìn)行劃分,而是將其交迭。如果處理不當(dāng),便會(huì)產(chǎn)生一種稱為互載波干擾(ICI)的效應(yīng),即無法清楚地區(qū)分每個(gè)子載波與相鄰子載波中的傳輸數(shù)據(jù)。
OFDM通過確保子載波之間相互正交來解決這一問題,圖3解釋了正交方法。圖中有三個(gè)子載波,每個(gè)均攜帶有調(diào)制信號(hào)。三個(gè)子載波組成一個(gè)OFDM碼,然后發(fā)送到信道內(nèi)。在實(shí)際的OFDM系統(tǒng)中,由于每個(gè)波形分別采用不同的相移鍵控(PSK)和正交幅度調(diào)制(QAM),這些波形的相位或振幅將有所不同。為了方便描述,此處所顯示的波形相位與振幅都一致。
正交性
OFDM的正交性是通過組成OFDM碼的子載波間的精確關(guān)系來實(shí)現(xiàn)的。在一個(gè)OFDM系統(tǒng)中,在給定的時(shí)間間隔T內(nèi),每個(gè)子載波頻率都是基頻的一個(gè)整數(shù)倍(即,f1 = f0, f2 = 2×f0, f3 =3×f0,以此類推)。這一特性使得每個(gè)子載波可以分別獨(dú)立地從其它相鄰子載波中檢波。
圖3的頻域等效圖如圖4所示。圖中每個(gè)子載波的頻譜由一個(gè)正弦函數(shù)表示,其特性是:在中央頻率時(shí)振幅達(dá)到峰值,而在此頻率的整數(shù)倍時(shí)振幅為零。由于在每個(gè)函數(shù)振幅達(dá)到峰值時(shí),其它子載波對(duì)它的影響為零,因此OFDM接收器能有效地將每個(gè)子載波進(jìn)行檢波。正是由于這種正交性使得子載波可以緊密交迭從而有效地利用頻譜,最終實(shí)現(xiàn)54Mbps WLAN連接。
用CMOS構(gòu)建
關(guān)于5 GHz的商業(yè)應(yīng)用的一個(gè)錯(cuò)誤概念便是它所需成本極高。由于前端RF收發(fā)器工作頻率高同時(shí)要求噪聲小,人們常認(rèn)為它必須采用鍺化硅(SiGe)、砷化鎵(GaAs)或其它更為先進(jìn)而昂貴的技術(shù)。
然而事實(shí)并非如此。CMOS是一種適用范圍極廣的技術(shù),并且經(jīng)過多次成功改進(jìn)。由于CMOS的工藝尺寸不斷縮小,現(xiàn)在可用于構(gòu)建高頻集成電路。
在評(píng)估一種技術(shù)的速度時(shí),大家公認(rèn)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是ft或電流增益定點(diǎn)頻率。這一頻率所對(duì)應(yīng)的晶體管測量電流增益為1(輸出與輸入電流值相等,即無增益)。在絕大多數(shù)情況下,隨著CMOS器件門長度的不斷減小,這一定點(diǎn)頻率將不斷增加。
圖5是CMOS的ft值與其它非主流技術(shù)的比較。對(duì)于門長度為微米的CMOS技術(shù)而言,ft值在20-30GHz之間,而對(duì)于微米的CMOS則為30-60GHz。盡管采用GaAs和SiGe技術(shù)可將這一數(shù)值翻番達(dá)到70-100GHz,但當(dāng)前的主流CMOS用于實(shí)現(xiàn)5GHz WLAN已綽綽有余。
除了速度外,某種技術(shù)是否易于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)也是一個(gè)重要考慮因素。從這方面來看,CMOS技術(shù)也比其它技術(shù)更具優(yōu)勢(shì),它經(jīng)過了長達(dá)35年的工藝改進(jìn),現(xiàn)在人們可以精確地控制CMOS晶體管的溝道長度和氧化門厚度要求,其厚度精確度可調(diào)整到接近1-2個(gè)原子層的厚度。
材料優(yōu)勢(shì)
由于硅材料可實(shí)現(xiàn)自保護(hù),這使CMOS生產(chǎn)工藝更具優(yōu)勢(shì)。硅可自已形成一層氧化硅,以保護(hù)其免受微粒污染和化學(xué)反應(yīng)。而SiGe和GaAs則不具備這一特性。
此外,由于沒有會(huì)產(chǎn)生缺陷的高能量工藝步驟,CMOS的可生產(chǎn)性也大大提高。在先進(jìn)的SiGe處理過程中,為了獲得精確的尺寸而采用了分子束外延(MBE)技術(shù),這一技術(shù)使得晶圓的缺陷率達(dá)到100/平方厘米,與批量生產(chǎn)的200mm CMOS硅晶圓相比高出100-1000倍。
實(shí)際上,CMOS與其它新型材料在生產(chǎn)率上是不具備可比性的。最主要一點(diǎn)是新型非硅材料襯底的機(jī)械和化學(xué)特性均不如CMOS中所用的硅襯底。因此,由于GaAs晶圓無法承受目前量產(chǎn)200mm和300mm硅晶圓時(shí)的彎曲和擠壓應(yīng)力,它的尺寸通常限制在75mm,從而在價(jià)格上也要比CMOS產(chǎn)品更為昂貴。
作者:
James C. Chen
產(chǎn)品經(jīng)理
Atheros Communications公司
Email:jamesc@
