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與IEEE 和藍牙技術相比,IEEE 被視為一種可行的家庭無線聯網(WLAN)方案。本文詳細描述了IEEE 所采用的正交分頻復用技術(OFDM),并介紹了如何用CMOS來構建工作于5GHz的IEEE 系統,從而實現物美價廉的家庭無線互聯。
在實現高帶寬的家庭互聯時,“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。最近設計人員開始將興趣轉向采用IEEE 的無線局域網(WLAN)技術,IEEE 工作頻率為5GHz,數據傳輸率為54Mbps。一些廠商甚至已開始構建基于IEEE WLAN規(guī)范的系統。
傳輸阻塞
目前,家用網絡設備設計者正努力構建工作于聯邦通信委員會(FCC)的的工業(yè)、科學及醫(yī)用(ISM)開放頻帶。不過,在這一帶寬上開發(fā)產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、HomeRF 系統、IEEE WLAN器件、無繩電話及其它設備對頻帶使用過多,從而導致嚴重的瓶頸,并對家用網絡環(huán)境產生干擾。
頻帶上的干擾問題主要來自多種互不兼容的數據傳輸技術。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。DSSS數據傳輸方案主要用于IEEE 系統,其數據傳輸率可高達11Mbps。
DSSS工作原理
在IEEE 產品中,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。
通過這種擴頻技術可以開發(fā)多接入點系統。在這種系統中,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,然后在同一頻帶內發(fā)送。接收到有用信號時,再將它與對應的PN碼相乘,從而使有用信號解擴恢復成原來的傳輸信息。而其它與PN碼不對應的信號和噪聲則會被進一步擴大。有用信號再經過濾波,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獨立地收發(fā)。
然而,IEEE 
DSSS標準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技術無法用于相同頻帶中的多信號同時傳輸。標準將同時傳輸的信號分配到三個不同的頻帶,每個22-MHz,從而在的頻帶中同時傳輸。
FHSS系統
在避免干擾的方法上,藍牙和HomeRF等FHSS系統與DSSS系統不一樣。FHSS系統通過在若干不同頻段之間跳轉來避免相同頻帶內其它傳輸信號的干擾。在每次跳頻時,FHSS信號表現為一個窄帶信號。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系統所面臨的一個主要挑戰(zhàn)便是數據傳輸速率。就目前情形而言,FHSS系統使用1MHz窄帶載波進行傳輸,數據率可達2Mbps。根據FCC最新規(guī)定,系統設計者可將載波信號帶寬增加到5MHz,從而使系統數據傳輸率可高達10 Mbps。不過對于FHSS系統來說,要超越10Mbps的傳輸速率并不容易,從而限制了它在家庭網絡中的使用。
干擾問題
FHSS和DSSS面臨的另一個關鍵問題是干擾。目前FHSS的載波帶寬更大,因此業(yè)界普遍認為,DSSS和FHSS產品之間可能會產生更大的干擾。
為了評估DSSS系統(如IEEE )和FHSS系統(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。
測試結果表明,窄帶FHSS系統對DSSS傳輸的干擾十分嚴重,尤其是如藍牙這樣的快速傳輸信號。而寬帶DSSS系統對FHSS傳輸的干擾也較為顯著。當FHSS系統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校里價格低廉的計算網絡。由于目前沒有其它設備工作在U-NII頻帶(和 GHz),在20MHz的頻段內提供高達54 Mbps的信號傳輸并不成問題。因此,IEEE 標準在這一頻帶的低端200-MHz內定義了八個此類頻段,而在高端100-MHz內定義了四個頻段。
對于目前和將來的家用網絡傳輸,如多媒體MP3音頻數據流和VoIP電話、因特網接入、數字電視、MPEG-2 DVD流甚至MPEG-4視頻點播服務,這種高速數據傳輸率已綽綽有余。而藍牙、和HomeRF(甚至是FCC最近批準的擴展頻譜)的數據傳輸率都不超過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準干擾外,使用5GHz的IEEE 等國際標準在設計上也具備更好的傳輸性能。這主要歸功于這一標準采用了正交分頻復用技術(OFDM)作為其調制技術,從而可避免在家庭聯網中的多徑效應。
當傳輸信號在墻壁、家俱及其它室內物體上進行反射時會產生多徑效應。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,而是經過了多個不同路徑。信號從發(fā)射器到接收器所經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),并假設在每個時間間隔T內發(fā)送器發(fā)送一個離散數據塊(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的實現成本很高。
支路延遲是一種環(huán)境效應,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,與高速傳輸的宗旨背道而馳。
OFDM可滿足兩方面要求:它不是在一個時間間隔內用一個頻率(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據傳輸率降低為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 系統的子載波數為52。
OFDM是當前一種效率極高的數據傳輸技術。它可在一個給定頻帶內傳輸大量的數據。
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,便會產生一種稱為互載波干擾(ICI)的效應,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據。
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,每個均攜帶有調制信號。三個子載波組成一個OFDM碼,然后發(fā)送到信道內。在實際的OFDM系統中,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系來實現的。在一個OFDM系統中,在給定的時間間隔T內,每個子載波頻率都是基頻的一個整數倍(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,而在此頻率的整數倍時振幅為零。由于在每個函數振幅達到峰值時,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54Mbps WLAN連接。
用CMOS構建
關于5 GHz的商業(yè)應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。
然而事實并非如此。CMOS是一種適用范圍極廣的技術,并且經過多次成功改進。由于CMOS的工藝尺寸不斷縮小,現在可用于構建高頻集成電路。
在評估一種技術的速度時,大家公認的一個標準是ft或電流增益定點頻率。這一頻率所對應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的比較。對于門長度為微米的CMOS技術而言,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技術可將這一數值翻番達到70-100GHz,但當前的主流CMOS用于實現5GHz WLAN已綽綽有余。
除了速度外,某種技術是否易于實現生產也是一個重要考慮因素。從這方面來看,CMOS技術也比其它技術更具優(yōu)勢,它經過了長達35年的工藝改進,現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
由于硅材料可實現自保護,這使CMOS生產工藝更具優(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反應。而SiGe和GaAs則不具備這一特性。
此外,由于沒有會產生缺陷的高能量工藝步驟,CMOS的可生產性也大大提高。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,這一技術使得晶圓的缺陷率達到100/平方厘米,與批量生產的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200mm和300mm硅晶圓時的彎曲和擠壓應力,它的尺寸通常限制在75mm,從而在價格上也要比CMOS產品更為昂貴。
作者:
James C. Chen
產品經理
Atheros Communications公司
Email:jamesc@
