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      Wi-Fi系列:浅谈射频和毫米波前端的核心

      2021年02月19日 16:37 ? 次阅读

      1.总体介绍
      Wi-Fi(IEEE802.11)自20多年前问世以来一直在不断发展,以满足人们不断增长的对更高数据传输速率以及更多场所和室内覆盖范围的需求。最近推出的Wi-Fi6和6E–Wi-Fi6(E)–除了提高数据传输速率和覆盖范围,和5G互补实现全面的室内和室外连接,还着重于提高数据吞吐量,扩展通道容量和降低干扰,如图1所示。

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      图1.Wi-Fi6(E)和5G结合可实现充分连接

      数据吞吐量根据传输的数据类型不同来实现差异化,数据速率考虑了所有数据,包括管理和控制数据。数据吞吐量仅指用户数据–有用的有效负载。Wi-Fi6(E)优化了传输的数据包结构,因此与以前的Wi-Fi标准相比,它包含的有效负载百分比更高。

      随着世界各地的家庭和场所拥有大量的连接“物”,从婴儿监护仪到智能超高清(UHD)显示器,Wi-Fi标准的发展需要解决,以解决互连设备数量的爆炸式增长。根据[1],到2023年,公共Wi-Fi热点的数量将增加四倍,达到近6.28亿个,其中11%将是Wi-Fi6(E)。

      本篇白皮书是该系列的第二部分,同以前的Wi-Fi标准相比,将介绍一些最具创新的Wi-Fi6(E)的新特性,以及它们如何推动射频前端的发展。然后对于如何帮助解决这些挑战,提供Soitec的RF-SOI衬底的使用指导,并针对如何持续创新以更好地满足当前及未来的Wi-Fi应用中的需求,阐述我们的观点。

      2.Wi-Fi6(E)用于下一代连接
      Wi-Fi6(E)实现了具有挑战性的家庭应用场景,例如游戏UHD虚拟现实(VR)流及其与大量其他连接设备的共存,例如越来越流行的具有语音识别功能的智能助手。在办公室和大型场所,Wi-Fi6(E)通过可靠的网络连接提供无缝的体验,同时改善了移动的和分布式设备(如智能手机和笔记本电脑)的电池消耗–插入供电设备的功耗也得到了改善。

      为了兑现其承诺,Wi-Fi6(E)依赖于以下工艺和技术,例如:

      空间复用和频率共存

      广带宽上的高阶数据调制

      上行(UL)/下行(DL)正交频分复用访问(OFDMA)和多用户–多输入多输出(MU-MIMO)

      调度和目标唤醒时间(TWT)

      新的6GHz频谱

      从我们的角度来看,该列表并不完整,但代表了Wi-Fi6(E)中实现的一些最具创新性的功能。

      2.1空间复用和频率共存
      Wi-Fi是一种半双工标准,在任何给定时间,只有一个无线电信号可以在频道上进行传输。如检测到指定信道被另一无线电信号使用,则对待发送的无线电信号加入等待时间。由于可用频谱有限,许多无线电信号可能分配给同一信道,因此等待时间可能相当长。鉴于Wi-Fi网络中移动和分布式设备的数量不断增加,这可能导致频谱使用效率低以及服务质量下降。在图2的示例中,连接到热点AP-1的分布式用户将对其它希望通过热点AP-4使用信道100的用户施加等待时间。

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      图2.频率共存冲突

      为了更好地利用频谱,Wi-Fi6(E)实现了自适应信号强度阈值。在图3的示例中,当设备A检测到信号强度为-96dBm时,它将保留通道100与发出该信号的设备B进行通信-两者都将变为蓝色的一组。设备A和B将提高所需的检测信号强度水平,对尝试使用信道100的任何设备加入等待时间。在此示例中,将此信号强度提高到-96dBm和-83dBm之间的水平将允许设备C再次使用信道100,而不会与那对蓝色设备之间通信产生冲突。

      图3.用于频率共存的Wi-Fi6(E)自适应信号强度阈值

      这项技术加强了已有的对信号检测和与背景噪声区分的严格要求-系统中任何不需要的信号在此都被定义为噪声。在图4的示例中,显示了在具有数个公寓单元的居民区中Wi-Fi信道的典型用法;每个位置有31个2.4GHz和49个5GHz的热点(AP)[2]。

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      图4.2.4GHz和5GHzWi-Fi的利用率(捷克布拉格住宅区)

      图5显示了5G的N7(FDD)、N40(TDD)和N41(TDD)频段与Wi-Fi2.4GHz以及5G的N79(TDD)和Wi-Fi5.8GHz频段之间的接近程度,使发送时不产生干扰而接收时有足够高的灵敏度非常具有挑战性,这增加了Wi-Fi射频前端(RFFE)设计的复杂性。

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      图5.5G和Wi-Fi频段的接近度

      图6(a)显示了蜂窝射频前端(RFFE)的如何干扰相邻的Wi-Fi频段。同样,Wi-Fi射频前端(RFFE)也干扰相邻蜂窝频段,如图6(b)所示。把干扰源降低到无害水平需要精心的设计和工艺选择。

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      图6.RF-SOI可最小化(a)接收路径总的噪声系数(NF)和(b)干扰源,归因于射频前端的高线性度

      2.2广带宽上的高阶数据调制
      在Wi-Fi6(E)中,为了提高数据吞吐量,首次采用1024QAM调制方案,同时利用与前几代相同的信道带宽并有效利用新的6GHz带宽。这种方案对发送电路的动态误差矢量幅度(D–EVM)增加了新的限制,需要发送电路具有很高的线性度和抗干扰性。

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      图7.不同RF-SOI基板的串扰

      信号路径之间的隔离(抗串扰)对于防止有害信号从系统的一部分泄漏到另一部分非常重要。同样,线性度对于防止任何干扰源影响射频前端(RFFE)的正常功能也非常重要。图7显示了HR-SOI(非富陷阱SOI)和iFEM-SOI(富陷阱SOI)衬底的串扰抗扰性,两种材料都各自广泛应用于传统和现代的Wi-Fi射频前端(RFFE),我们将在2.3节中讨论线性度。

      2.3DL/ULOFDMA和MU-MIMO
      在Wi-Fi6(E)中,热点(AP)决定哪些设备用于发送/接收,何时使用什么资源以及发送多少数据,这与先前Wi-Fi版本的分权式相反。如图8所示,这可以对于不同类型设备产生的各种大小的数据包更有效地利用频谱,OFDMA可按时间和频率分配用户数据包,而OFDM仅在时域上分配用户数据包。

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      图8.OFDM和OFDMA以及传统Wi-Fi和Wi-Fi6(E)对比

      为了达到Gbps数据速率,Wi-Fi6(E)可以将OFDMA与广带宽上的高阶数据调制相关联,如2.2节所述。这会导致信号波形非常复杂,从而使Wi-Fi射频前端(RFFE)的记录具有线性。图9显示了使用Soitec的iFEM-SOI和RFeSITM衬底(均为富陷阱SOI)可以实现的线性度,并将其与HR-SOI的性能进行了比较。

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      图9.不同RF-SOI衬底的(a)二阶谐波(b)三阶谐波(c)三阶互调(IMD3)

      MU-MIMO利用热点(AP)的多个射频前端和天线,允许多个用户设备同时通信。通过更有效地利用发送时间,独特调制的多个数据帧可以同时发送。图10显示了为实现MU-MIMO功能而增加的射频前端(RFFE)的BoM。

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      图10.MU-MIMO和Wi-Fi射频前端(RFFE)BoM增加

      图11显示了与收发器中集成低噪声放大器(LNA)相比,在射频前端(RFFE)中集成LNA的优势(本案例中提高了0.9dB),在传统的Wi-Fi芯片设计中通常是这样的。RF-SOI是实现射频开关的标准技术,并且与CMOS工艺完全兼容,可直接用于噪声系数(NF)优化的LNA实现。

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      图11.射频前端(RFFE)中集成LNA的优势

      2.4调度和目标唤醒时间(TWT)
      目标唤醒时间(TWT)是Wi-Fi6(E)中引入的一种节能特性,可帮助容纳更多数量的设备连接(如IoT设备),同时与前几代Wi-Fi相比功耗相仿或更低。睡眠和唤醒时间由应用程序(如视频流)驱动,每个连接的设备都可以与AP特定的请求进行“协商”;最后一个决定是否批准或拒绝此类请求。这样,不仅可以优化功耗,还可以优化频谱资源的访问。

      供应商可以实现专有算法来优化功耗和频谱访问(以及最终数据速率),从而在竞争非常激烈的Wi-Fi市场中保持优势。

      为了实现更智能的Wi-Fi6(E),还需要数字内容、控制、存储器和其他支持功能,CMOSRF-SOI可以有效集成这些支持功能,从而使干扰最小化。图12展示了不同类型衬底中的数字噪声[3]。

      2.5新的6GHz频谱
      前几代Wi-Fi一直在2.4至5.8GHz之间划分的约400MHz频谱上运行。从2020年开始,美国联邦通信委员会批准在美国的6GHz频段中额外使用1200MHz,并且据报道其它国家将在短期内采取类似方案[4][5]。

      基于新的可用频谱,几个高达160MHz的信道可以用于实现多Gbps数据速率传输。此外,这种额外的频谱资源将有助于最小化信号干扰。

      由于兼容CMOS工艺,RF-SOI技术提供了一个良好的平台,可实现多用户多频段Wi-Fi射频前端(RFFE)更高度的集成。完全集成的Wi-Fi射频前端(RFFE)[6]简化了2x2、4x4甚至8x8MIMO射频前端(RFFE)的实现,从而降低复杂性并改善芯片面积,因为连接的设备,不论移动设备、分布式设备还是固定设备变得越来越受尺寸限制,参见图10。此外,在某些情况下,这种集成还可以降低功耗,因为射频前端(RFFE)中可以集成更多节能技术。

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      图12.RF-SOI衬底的数字噪声减少

      3.用于Wi-Fi的RF-SOI衬底创新
      由于每年依赖Wi-Fi连接的无线应用的显著增加,我们不难看到来自射频前端(RFFE)功耗、性能和集成度方面的压力共同增加,总拥有成本(TCO)对于射频前端(RFFE)也是不可忽略的限制,因为大多数的Wi-Fi的最终应用都是各类消费者应用。Soitec推出了一种创新的衬底,可在射频前端(RFFE)的线性性能和成本之间取得一种最佳的权衡。Soitec的iFEM-SOI与RFeSITM类似,是一种富陷阱的衬底,它在隔离和抗噪声方面具有与富陷阱SOI技术相同的固有优势,并具有优化成本下的适当的线性性能。

      图7、9和12显示了Soitec的iFEM-SOI与传统的非富陷阱HR-SOI衬底相比,具有明显的性能优势。这与所期望的富陷阱RF-SOI衬底如RFeSITM衬底的性能一致,它是高性能低成本Wi-Fi应用中的绝佳替代品。

      4.结论
      随着Wi-Fi不断发展,为满足现在应用中对更大的容量,更高的数据吞吐量和最小延迟的需求,前几代Wi-Fi射频前端(RFFE)中使用的晶圆上的CMOS或SiGe等半导体工艺正达到其性能极限。

      Wi-Fi6(E)可以依靠先进的射频前端(RFFE)半导体工艺以及数十年来不断完善的技术。这些工艺是研发人员、材料提供商、晶圆代工厂、设计公司无、封测厂商、智能手机制造商、运营商和许多其它机构多年密切合作的结果。RF-SOI优化衬底上的CMOS就是其中一种技术,Soitec的HR-SOI,iFEM-SOI和RFeSITM系列产品在RF-SOI优化衬底成为先进射频前端(RFFE)的行业标准过程中做出了巨大贡献。

      Soitec的iFEM-SOI对Wi-Fi射频前端(RFFE)而言,是RFeSITM系列产品的绝佳补充,这些选择使射频前端(RFFE)设计人员和集成商可以在合适的射频性能和成本之间取得均衡。

      5.参考书目

      [1]Cisco,“CiscoAnnualReport(2018-2023),”February2020

      [2]Axiros,“ThecaseforWiFiopTImizaTIon,”https://www.axiros.com/the-case-for-wifi-opTImizaTIonavailableonlineasJune02,2020

      [3]K.BenAli,C.RodaNeve,A.GharsallahandJ.P.Raskin,"RFSOICMOStechnologyoncommercialtrap-richhighresistivitySOIwafer,"2012IEEEInternationalSOIConference(SOI),NAPA,CA,2012,pp.1-2.

      [4]ClausHetting,“Europe’sprocesstorelease6GHzspectrumtoWi-Fiontrack,expertsays,”Wi-FiNow,availableonlineasJune,2020

      [5]ClausHetting,“SouthKoreacouldbecomeAsia’sfirst6GHzWi-Fination,”Wi-FiNow,availableonlineasJune,2020

      [6]pSemi,PE561221monolithicSOIWi-FiFrontEndModulehttps://www.psemi.com/products/wi-fi-front-end-modules/pe561221,availableonlineasJuly,2020
      编辑:hfy

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      谁才是WiFi最强手机?

      具有WiFi的百像素柔性PCB球设计

      Flexball基于一个灵活的PCB,它配备了100个WS2812 2020可寻址led。它由ESP....
      发表于 2021-01-27 15:01? 353次阅读
      具有WiFi的百像素柔性PCB球设计

      AP6398S蓝牙WIFI(2.4G和5G):一...

      AP6398S蓝牙WIFI(2.4G和5G)原理图PCB用AD软件设计,可将此方案移植到各种嵌入式开....
      发表于 2021-01-27 14:26? 485次阅读
      AP6398S蓝牙WIFI(2.4G和5G):一...

      基于STM32的WiFi网络授时时钟方案设计

      本设计采用的是MCU+AT指令的形式开发,硬件由时钟电路、WiFi???、MCU最小系统、OLED显示....
      发表于 2021-01-27 14:07? 314次阅读
      基于STM32的WiFi网络授时时钟方案设计

      恒大旗下星络家居发布智能家居产品

      在5G时代,随着物联网等技术的迭代,智能家居呈现蓬勃发展之势,华为、小米、腾讯等一众互联网巨头都纷纷....
      发表于 2021-01-25 11:37? 314次阅读
      恒大旗下星络家居发布智能家居产品

      e5561加密射频识别器的内部结构、工作原理及电...

      射频识别(RFID)是无线电频率识别的简称,即通过无限电波进行识别处理。射频识别系统通常由读卡器(阅....
      发表于 2021-01-25 10:07? 819次阅读
      e5561加密射频识别器的内部结构、工作原理及电...

      Wi-Fi 6E与Wi-Fi的区别及应用

      去年9月2日,话说ROG发布了一款高端电竞路由器,配备了2.5Gbps的LAN口以及功率放大器,使其....
      发表于 2021-01-25 09:12? 347次阅读
      Wi-Fi 6E与Wi-Fi的区别及应用

      工信部通报157款APP未完成整改

      1月22日,工信部通报今年首批157款侵害用户权益行为APP。
      发表于 2021-01-25 09:07? 894次阅读
      工信部通报157款APP未完成整改

      蓝牙测试的简介如何才能延长蓝牙耳机的寿命

      对于蓝牙,想必大家都已经十分了解了。上篇文章中,小编对蓝牙的配对连接过程以及蓝牙的发展史有所阐述。为....
      发表于 2021-01-23 09:59? 133次阅读
      蓝牙测试的简介如何才能延长蓝牙耳机的寿命

      三星S21 Ultra将配备S Pen手写笔

      在说明三星Galaxy S21 Ultra支持S Pen之后,FCC网站还展示了一部分这款手机的配置....
      发表于 2021-01-23 09:58? 913次阅读
      三星S21 Ultra将配备S Pen手写笔

      小米手机再次官宣两大重磅“首发”

      据悉,WiFi 6不到一年时间再次换代,这次的WiFi 6增强版,增强的不是一点点:频宽比上一代高1....
      发表于 2021-01-23 09:50? 529次阅读
      小米手机再次官宣两大重磅“首发”

      华为路由AX3系列性能深度评测

      此前有调查数据显示,消费者选购家用无线路由器时,对WiFi 6路由器的关注比例达到了51.09%,这....
      发表于 2021-01-22 11:12? 1391次阅读
      华为路由AX3系列性能深度评测

      三星Galaxy M62平板电脑再获Wi-Fi认...

      继获得美国联邦通讯委员会(FCC)的认证之后,配备 7000 mAh 电池、支持 25W 快充的三星....
      发表于 2021-01-21 16:29? 890次阅读
      三星Galaxy M62平板电脑再获Wi-Fi认...

      WiFi 6路由器正在快速普及

      前不久在小米11新产品发布会上,小米公司带来了新一代的高端路由器AX6000,这款新品被看作是“Wi....
      发表于 2021-01-21 13:58? 618次阅读
      WiFi 6路由器正在快速普及

      2.4G板载天线/TI板载天线设计 -附尺寸图及pcb文件资料

      声明: 本文章内容收集于网络,仅供学习讨论用途。作品/产品/软件之权益归属于对应之权益人,请勿侵权。...
      发表于 2021-01-21 12:49? 202次阅读
      2.4G板载天线/TI板载天线设计 -附尺寸图及pcb文件资料

      WiFi 6路由器在拼多多平台上新“百亿补贴”活...

      随着疫情居家办公、WiFi 6产品市场普及,以华为、小米、腾达、TP-Link等品牌为代表的WiFi....
      发表于 2021-01-21 11:31? 1003次阅读
      WiFi 6路由器在拼多多平台上新“百亿补贴”活...

      三星Galaxy Tab M62通过WiFi联盟...

      稍早前,一个来自三星大野田工厂的内部信息显示,让我们知道这家韩国公司正在准备一款名为Galaxy T....
      发表于 2021-01-21 10:46? 858次阅读
      三星Galaxy Tab M62通过WiFi联盟...

      今年苹果新机或将会命名“iPhone 12s”

      据外媒消息,苹果今年不会发布iPhone 13,这并不是说明今年苹果不会发布下一代iPhone,而是....
      发表于 2021-01-21 10:35? 822次阅读
      今年苹果新机或将会命名“iPhone 12s”

      Qorvo?产品荣获2020年ASPENCORE...

      Qorvo 的获奖产品 QM28014 MHB、GNSS 和 2.4 GHz Wi-Fi 天线复用器....
      发表于 2021-01-21 10:27? 708次阅读
      Qorvo?产品荣获2020年ASPENCORE...

      Android 12 有望允许用户通过 “附近分...

      1 月 20 日消息 我们知道,使用 Android 10 系统用户可以轻松地以二维码的形式分享 W....
      发表于 2021-01-20 16:15? 294次阅读
      Android 12 有望允许用户通过 “附近分...

      请问我要做一个产品,有串口+4g+wifi AP +移动电源,思路是怎样的?

      请问我要做一个产品,有串口+4g+wifi AP +移动电源,如下图的,这个圆形串口,可以接收RS232数据,然后它自己带电池...
      发表于 2021-01-20 14:35? 443次阅读
      请问我要做一个产品,有串口+4g+wifi AP +移动电源,思路是怎样的?

      【HarmonyOS HiSpark Wi-Fi IoT 套件试用连载】wifi-iot板连接家庭wifi并实现tcp通讯

      1,首先要获得hisi3861芯片的wifi开发的相关接口和文档: 这里就有相关的资料 2.liteos_m文档库里面也有好多资料,在do...
      发表于 2021-01-17 14:28? 202次阅读
      【HarmonyOS HiSpark Wi-Fi IoT 套件试用连载】wifi-iot板连接家庭wifi并实现tcp通讯

      AP6356S 芯片 不能搜索到wifi信号应该检查哪里?

      我检测了供电正常。
      发表于 2021-01-13 17:39? 314次阅读
      AP6356S 芯片  不能搜索到wifi信号应该检查哪里?

      Hi3861 WLAN模组开发板烧录程序时错误“Error: Cannot find module '..\%UPLOAD_SCRIPT%'”

      Hi3861 WLAN模组开发板在烧录程序时出现如图错误提示是什么原因呢?...
      发表于 2021-01-12 15:40? 202次阅读
      Hi3861 WLAN模组开发板烧录程序时错误“Error: Cannot find module '..\%UPLOAD_SCRIPT%'”

      【开源资料】WIFI??匚藿哟ヅ渌托〕担ㄔ硗?amp;源代码)

      无接触配送小车(WIFI??兀? 用途:无接触配送物品;应用场景:生化污染或其它高危场景:配送物品(医药、食物...
      发表于 2021-01-04 17:41? 2444次阅读
      【开源资料】WIFI??匚藿哟ヅ渌托〕担ㄔ硗?amp;源代码)
      星鱼娱乐,星鱼平台,星鱼娱乐平台 <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <文本链> <文本链> <文本链> <文本链> <文本链> <文本链>