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與IEEE 和藍牙技術(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),從而實現(xiàn)物美價廉的家庭無線互聯(lián)。
在實現(xiàn)高帶寬的家庭互聯(lián)時,“最后一里”仍是主要瓶頸。目前業(yè)界針對這一問題有多種解決方案,包括藍牙、HomePNA、HomeRF和HomePlug。最近設(shè)計人員開始將興趣轉(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)計者正努力構(gòu)建工作于聯(lián)邦通信委員會(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。
由于過去幾年里藍牙系統(tǒng)、HomeRF 系統(tǒng)、IEEE WLAN器件、無繩電話及其它設(shè)備對頻帶使用過多,從而導(dǎo)致嚴(yán)重的瓶頸,并對家用網(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頻(DSSS)和跳頻擴頻(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11Mbps。
DSSS工作原理
在IEEE 產(chǎn)品中,DSSS方案在窄帶信號傳輸前將它與一個高帶寬的偽隨機噪聲(PN)碼相乘來實現(xiàn)擴頻(圖1)。擴頻量通常稱為處理增益(GP),即擴頻后的傳輸信息帶寬與實際信息帶寬(BWInfo)的比值。通常處理增益遠大于1。
通過這種擴頻技術(shù)可以開發(fā)多接入點系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中,每個用戶的傳輸信息均會在發(fā)送端用一個不同的PN碼進行擴展,然后在同一頻帶內(nèi)發(fā)送。接收到有用信號時,再將它與對應(yīng)的PN碼相乘,從而使有用信號解擴恢復(fù)成原來的傳輸信息。而其它與PN碼不對應(yīng)的信號和噪聲則會被進一步擴大。有用信號再經(jīng)過濾波,去掉殘余的擴頻干擾信號和噪聲信號。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)獨立地收發(fā)。
然而,IEEE 
DSSS標(biāo)準(zhǔn)無法用于多個接入點。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)的信號同時傳輸。IEEE DSSS系統(tǒng)只能承受高于有用信號-3dB的干擾。而在同一信道中,一個用戶對另一用戶的干擾遠大于此。
因此,DSSS技術(shù)無法用于相同頻帶中的多信號同時傳輸。標(biāo)準(zhǔn)將同時傳輸?shù)男盘柗峙涞饺齻€不同的頻帶,每個22-MHz,從而在的頻帶中同時傳輸。
FHSS系統(tǒng)
在避免干擾的方法上,藍牙和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)其它傳輸信號的干擾。在每次跳頻時,FHSS信號表現(xiàn)為一個窄帶信號。如藍牙的窄帶信號頻寬為1MHz,每秒跳頻1,600次,跳過79個頻段。因此,FHSS信號更為靈活,不會占用某一個頻率過多時間。
FHSS系統(tǒng)所面臨的一個主要挑戰(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窄帶載波進行傳輸,數(shù)據(jù)率可達2Mbps。根據(jù)FCC最新規(guī)定,系統(tǒng)設(shè)計者可將載波信號帶寬增加到5MHz,從而使系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸率可高達10 Mbps。不過對于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)界普遍認為,DSSS和FHSS產(chǎn)品之間可能會產(chǎn)生更大的干擾。
為了評估DSSS系統(tǒng)(如IEEE )和FHSS系統(tǒng)(如藍牙)之間的相互干擾,最好的辦法是分開測試一方對另一方的干擾。
測試結(jié)果表明,窄帶FHSS系統(tǒng)對DSSS傳輸?shù)母蓴_十分嚴(yán)重,尤其是如藍牙這樣的快速傳輸信號。而寬帶DSSS系統(tǒng)對FHSS傳輸?shù)母蓴_也較為顯著。當(dāng)FHSS系統(tǒng)正好工作在一個有干擾的頻率上時,這個信號會跳到一個DSSS帶寬外的信道上。但是,信號傳輸量通常會減少。
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頻帶原來主要面對公立學(xué)校里價格低廉的計算網(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54 Mbps的信號傳輸并不成問題。因此,IEEE 標(biāo)準(zhǔn)在這一頻帶的低端200-MHz內(nèi)定義了八個此類頻段,而在高端100-MHz內(nèi)定義了四個頻段。
對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視頻點播服務(wù),這種高速數(shù)據(jù)傳輸率已綽綽有余。而藍牙、和HomeRF(甚至是FCC最近批準(zhǔn)的擴展頻譜)的數(shù)據(jù)傳輸率都不超過11 Mbps,甚至不足以攜帶HDTV信號。
OFDM的優(yōu)勢
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)計上也具備更好的傳輸性能。這主要歸功于這一標(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)傳輸信號在墻壁、家俱及其它室內(nèi)物體上進行反射時會產(chǎn)生多徑效應(yīng)。在這種情況下,傳輸信號并非通過單一的直接路徑到達接收器,而是經(jīng)過了多個不同路徑。信號從發(fā)射器到接收器所經(jīng)過的每條路徑長度都不同,因此每個信號的延遲都有所不同。最終接收到的信號實際上是個多次迭加而產(chǎn)生的信號,每個迭加信號都在不同時刻到達接收器,每個迭加信號的強度均不相同。
假設(shè)最初與最末到達接收器的兩個信號之間的最大延遲為Tmax(稱為支路延遲),并假設(shè)在每個時間間隔T內(nèi)發(fā)送器發(fā)送一個離散數(shù)據(jù)塊(一個碼)。在這種情況下,每個接收到的碼便可能被混迭了多達Tmax/T次(圖2)。這種效應(yīng)通常稱為碼間干擾(ISI)。對接收器來說,糾正一個較大的Tmax/T的實現(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間T。但這樣會降低傳輸速率,與高速傳輸?shù)淖谥急车蓝Y。
OFDM可滿足兩方面要求:它不是在一個時間間隔內(nèi)用一個頻率(或載波)來傳輸信息,而是將傳輸信息分配到N個子載波傳輸,每個子載波的時間間隔增加了N倍(或傳輸信息減少為1/N)。因此,盡管每個單獨的子載波的數(shù)據(jù)傳輸率降低為1/N,但由于有N個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個子載波,Tmax/T率也下降為Tmax/(T×N)。這意味著每個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)。它可在一個給定頻帶內(nèi)傳輸大量的數(shù)據(jù)。
OFDM并非將52個子載波用保護間隔來進行劃分,而是將其交迭。如果處理不當(dāng),便會產(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。圖中有三個子載波,每個均攜帶有調(diào)制信號。三個子載波組成一個OFDM碼,然后發(fā)送到信道內(nèi)。在實際的OFDM系統(tǒng)中,由于每個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)系來實現(xiàn)的。在一個OFDM系統(tǒng)中,在給定的時間間隔T內(nèi),每個子載波頻率都是基頻的一個整數(shù)倍(即,f1 = f0, f2 = 2×f0, f3 =3×f0,以此類推)。這一特性使得每個子載波可以分別獨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。圖中每個子載波的頻譜由一個正弦函數(shù)表示,其特性是:在中央頻率時振幅達到峰值,而在此頻率的整數(shù)倍時振幅為零。由于在每個函數(shù)振幅達到峰值時,其它子載波對它的影響為零,因此OFDM接收器能有效地將每個子載波進行檢波。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)用的一個錯誤概念便是它所需成本極高。由于前端RF收發(fā)器工作頻率高同時要求噪聲小,人們常認為它必須采用鍺化硅(SiGe)、砷化鎵(GaAs)或其它更為先進而昂貴的技術(shù)。
然而事實并非如此。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。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。
在評估一種技術(shù)的速度時,大家公認的一個標(biāo)準(zhǔn)是ft或電流增益定點頻率。這一頻率所對應(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。對于門長度為微米的CMOS技術(shù)而言,ft值在20-30GHz之間,而對于微米的CMOS則為30-60GHz。盡管采用GaAs和SiGe技術(shù)可將這一數(shù)值翻番達到70-100GHz,但當(dāng)前的主流CMOS用于實現(xiàn)5GHz WLAN已綽綽有余。
除了速度外,某種技術(shù)是否易于實現(xiàn)生產(chǎn)也是一個重要考慮因素。從這方面來看,CMOS技術(shù)也比其它技術(shù)更具優(yōu)勢,它經(jīng)過了長達35年的工藝改進,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個原子層的厚度。
材料優(yōu)勢
由于硅材料可實現(xiàn)自保護,這使CMOS生產(chǎn)工藝更具優(yōu)勢。硅可自已形成一層氧化硅,以保護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。最主要一點是新型非硅材料襯底的機械和化學(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硅晶圓時的彎曲和擠壓應(yīng)力,它的尺寸通常限制在75mm,從而在價格上也要比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@
