將 WLAN 集成至手持設備的設計

2004年6月B版

引言

　　移動(dòng)電話(huà)、PDA 以及智能電話(huà)等高性能、多功能手持設備的需求在不斷增長(cháng)。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)口袋的設備中，這已經(jīng)并將繼續推動(dòng)上述需求的發(fā)展。手持設備市場(chǎng)最近的發(fā)展趨勢是上述設備開(kāi)始具有彩屏顯示與照相機功能,而且 Bluetooth 無(wú)線(xiàn)耳機巍然風(fēng)行，這將最終消除移動(dòng)電話(huà)耳機與移動(dòng)電話(huà)主機之間的連線(xiàn)。顯示屏分辨率越來(lái)越高，音頻系統的性能也不斷改善，系統可用的存儲器容量以及 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)現新式應用，如視頻電話(huà)、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)現無(wú)所不在的移動(dòng)電話(huà)覆蓋范圍。

設計挑戰

　　眾所周知，由于這些手持設備本身體積很小，電池的容量有限，每個(gè)子系統都必須很小，而且功耗要非常低。添加新技術(shù)而不增加設備體積對每一代產(chǎn)品都至關(guān)重要。在每代產(chǎn)品中，預期電池的使用壽命應該越來(lái)越長(cháng)。還有一個(gè)深層問(wèn)題是隨著(zhù)多種無(wú)線(xiàn)技術(shù)匯聚在手持設備中，會(huì )出現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(xiàn)子系統的設計還必須使各子系統可實(shí)現共存，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，以設計出新一代高性能、高功能的無(wú)線(xiàn)手持設備。

　　舉例來(lái)說(shuō)，某些新一代手持產(chǎn)品將包含 GPS、WLAN 與藍牙以及 2.5G 與 3G 蜂窩技術(shù)，這些設備可方便地在多達五至六個(gè)頻帶中進(jìn)行操作。設置上述每種標準的標準委員會(huì )沒(méi)有明確接收機要求，而是假定設備處在兩至三個(gè)其它發(fā)送器的 10 厘米頻譜范圍之內。這樣，為了使上述帶有多種無(wú)線(xiàn)技術(shù)的高度集成的手持設備能夠工作，設計小組必須計算傳輸頻譜功率水平的要求，以及接收機鄰信道抑制要求，從而避免手持設備的自我干擾。

手持設備中集成的無(wú)線(xiàn)功能

　　在討論工程設計細節之前，我們必需先來(lái)回顧一下為什么要將多個(gè)無(wú)線(xiàn)系統集成至一個(gè)手持設備中。因為消費者已經(jīng)習慣于隨時(shí)攜帶移動(dòng)電話(huà)，而且隨時(shí)都能打電話(huà)、接電話(huà)。這種習慣和生活方式不會(huì )改變，那么蜂窩技術(shù)及其相關(guān)改進(jìn)還將繼續。在所有討論的技術(shù)中，蜂窩技術(shù)是能夠真正實(shí)現無(wú)所不在的覆蓋技術(shù)，它將繼續推動(dòng)隨時(shí)隨地實(shí)現自動(dòng)連接，而且這種連接目前正從語(yǔ)音業(yè)務(wù)擴展到因特網(wǎng)數據業(yè)務(wù)。

　　近幾年來(lái)，WLAN 技術(shù)市場(chǎng)不斷擴大，并滲透到三大關(guān)鍵領(lǐng)域：家庭、辦公室與熱點(diǎn)。熱點(diǎn)是指酒店或機場(chǎng)等用戶(hù)高度集中的地點(diǎn)。WLAN 的主要優(yōu)勢在于速度非?？?，而且在建筑物內的穿透力很強，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時(shí)收費，而且網(wǎng)絡(luò )容量目前已達數十 Mbps，將來(lái)甚至可達數百 Mbps。除消費者已經(jīng)習慣由 WLAN 實(shí)現的高速數據服務(wù)外，WLAN 有望實(shí)現高速視頻、電視會(huì )議、音頻與 VoIP等業(yè)務(wù)。

　　藍牙在上述設備中也找到用武之地，我們現在可以看到人們佩戴耳機邊走邊通話(huà)，今后藍牙將成為這種耳機無(wú)線(xiàn)技術(shù)實(shí)現的關(guān)鍵。對于無(wú)線(xiàn)鍵盤(pán)與鼠標等需要低功耗的低速設備而言，它們不需要很高的帶寬，藍牙也是一種理想的技術(shù)。

　　GPS 即全球定位系統不再是飛機的專(zhuān)利。隨著(zhù) GPS 子系統成本的降低，該技術(shù)已經(jīng)出現在手持終端中，可實(shí)現導航設備以及具有突發(fā)事件定位業(yè)務(wù)。

手持設備中的WLAN設計

　　具有上述所有無(wú)線(xiàn)系統的產(chǎn)品設計會(huì )面臨多方面 (multidimensional) 的問(wèn)題。每個(gè)系統都有各自的傳輸頻譜特性，并需要各自定制接收機的鄰信道抑制功能。我們將從 WLAN 子系統的角度來(lái)討論該問(wèn)題，盡管新一代系統將以 IEEE 802.11g (54Mbps) 為基礎，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我們將專(zhuān)門(mén)探討 IEEE 802.11b (11Mbps)。

　　每個(gè)無(wú)線(xiàn)子系統的設計哲學(xué)必須遵循“不損害”原則以及“抗干擾穩健性”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(xiàn)系統帶通中的噪聲下限。當然，所謂其他無(wú)線(xiàn)系統是在相同手持終端設備中的系統，因此我們可以假定最多在 20 dB 天線(xiàn)間進(jìn)行隔離。就熱噪聲下限值為-114 dBm/MHz 而言，WLAN 系統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 )對其他系統造成很大影響。還有一種方法就是限制帶外發(fā)射功率，這樣其他無(wú)線(xiàn)系統敏感度衰減的影響就不會(huì )超過(guò)一個(gè)給定值。

　　802.11b 標準確定，頻率超過(guò)中央頻率 22 MHz 以上時(shí)，發(fā)射頻譜應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。管理機構可能會(huì )對帶外發(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到足夠的性能。本例清楚地顯示，WLAN 子系統要求更多規范，以確保其不損害其他無(wú)線(xiàn)子系統。

　　同樣，WLAN 子系統還必須具有“抗干擾穩健性”。在手持終端設備中，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(xiàn)發(fā)送器的距離以米乃至數十米來(lái)計量，而手持終端中的距離則要以厘米計量。必須容忍的干擾源數量根據傳輸功率從 0 dBm 至 30 dBm 不等，根據距離 WLAN 系統 0 至 1600 MHz 而不同。圖3給出了一些例子。

　　802.11b 標準確定，據接收機中央頻率 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)規范。此外，802.11b 標準指定抑制應相對于另一 802.11b 波形進(jìn)行測試。我們可預期到這一點(diǎn)，它當然也是需要的，但就某些目的而言，它又是不夠的。舉例來(lái)說(shuō)，該規范根本不能保證接收機在 5 厘米外從天線(xiàn)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計要求，以保證 WLAN、藍牙與其他無(wú)線(xiàn)系統能夠在上述近距離環(huán)境中工作。

　　一個(gè)很難解決的問(wèn)題就是藍牙與WLAN在手持設備中如何共存。該問(wèn)題在手持終端設備中尤其難以解決，這還是因為藍牙與WLAN天線(xiàn)之間的隔離非常有限，容易形成互相干擾。藍牙與 WLAN 之所以難以共存，是由于二者都運行在 2.4 GHz ISM 頻帶中。因此，兩個(gè)系統的設計通常都帶有信道預選擇濾波器，占據整個(gè) 2.4 GHz 頻帶。這使去除干擾信號尤其困難。但是，我們針對這一問(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間干擾，此外，藍牙 1.2 解決方案中的自適應跳頻進(jìn)行了標準化。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與藍牙仍然難以同時(shí)工作 。WLAN 與藍牙共存問(wèn)題雖然很難解決，但我們還是找到了解決途徑，因此用戶(hù)能夠同時(shí)實(shí)現WLAN與藍牙操作，藍牙語(yǔ)音等主要應用也未受影響。

　　智能電話(huà)、移動(dòng)電話(huà)、PDA等設備中WLAN器件對于相鄰信道有關(guān)要求、發(fā)射頻譜要求、尺寸要求以及功耗要求都具有獨特性。并非每個(gè)WLAN系統都能滿(mǎn)足上述環(huán)境所需的性能要求。此外，系統設計人員必須選擇那些專(zhuān)門(mén)為滿(mǎn)足上述要求進(jìn)行設計的產(chǎn)品，否則相應產(chǎn)品的性能將難以令人滿(mǎn)意。但幸運的是，上述要求并非不可以實(shí)現，在今天最先進(jìn)的 WLAN 系統以及在用于 PDA 的參考設計中這些功能已經(jīng)被成功實(shí)現?！?BR>