基于相鄰信道抑制/干擾對802.11 WLAN的影響分析

隨著無線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及其他無線技術(shù)在無許可限制的同一頻譜范圍內(nèi)的迅速推廣應(yīng)用，Wi-Fi(802.11)產(chǎn)品遭受的射頻(RF)干擾與日俱增，從而嚴(yán)重影響無線局域網(wǎng)(WLAN)的數(shù)據(jù)吞吐性能。與此同時，對諸如多媒體音頻與視頻、流媒體、WLAN語音以及其他需要服務(wù)質(zhì)量(QoS)功能與較低分組誤差率的應(yīng)用等新型WLAN應(yīng)用，市場要求更高的數(shù)據(jù)吞吐速率。由于在環(huán)境中對WLAN設(shè)備的帶內(nèi)干擾與鄰帶干擾不斷增加，因此射頻與數(shù)字過濾的設(shè)計至關(guān)重要。本文分析了鄰信道干擾(ACI)的來源以及射頻設(shè)計實踐，通過此實踐可以改善WLAN的相鄰信道抑制(ACR)而全面提高其性能。

概述

在2.4GHz與5.xGHx無許可限制的頻帶中，ACI問題以及改善RF接收機(jī)的Wi-Fi與WLAN技術(shù)性能的需求已倍受制造商、系統(tǒng)設(shè)計人員、集成商與美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)的關(guān)注。事實上，在FCC發(fā)布用于802.11WLAN的額外250MHz頻譜(起始于5.4GHz)時，它就注明了不久將要針對WLAN擁擠頻譜帶調(diào)整有關(guān)規(guī)定。FCC近期可能發(fā)布一個“調(diào)查通知”(NOI)，以收集有關(guān)建立在該頻譜中設(shè)計射頻接收機(jī)的政府標(biāo)準(zhǔn)的可能性信息。

何謂標(biāo)樁?

在干擾問題解決之前，WLAN市場的未來發(fā)展將大受影響。目前，WLAN接入點設(shè)備(AP)或客戶端基站將受到其它相鄰WLANAP與基站以及在同一無許可限制的頻帶中運行的非802.11設(shè)備的干擾。該情況與移動電話行業(yè)面臨的問題類似，其使用信道頻率重用解決方案使該問題得以解決。隨著802.11市場的發(fā)展與WLAN技術(shù)的使用密度不斷增大，該問題在如下應(yīng)用中將愈演愈劣：

●公司/企業(yè)部署

●密集商務(wù)熱點部署(商業(yè)街等等)

●住宅公寓樓宇部署

●高密度市內(nèi)部署

許多干擾源會對WLAN的性能造成不利影響，包括以下非802.11設(shè)備：

●無繩電話(2.4或5.xGHz)

●藍(lán)牙個人區(qū)域聯(lián)網(wǎng)設(shè)備(2.4GHz)

●藍(lán)牙無線耳機(jī)是特殊的情況

●脈沖雷達(dá)(美國正在研究將5.4GHz頻帶用于脈沖雷達(dá))

●微波爐(在2.4GHz頻帶中50%的忙閑度將產(chǎn)生脈沖干擾)

●低能量RF光源(2.4GHz)

●采用包括蜂窩、藍(lán)牙與WLAN在內(nèi)的多種無線技術(shù)的集成設(shè)備、手持終端與PDA中假訊號RF噪聲

●滿足新興"全頻段"要求的寬頻帶5GHz設(shè)備

干擾還可能來源于相鄰的信道。在這種情況下，802.11系統(tǒng)的RF子系統(tǒng)與數(shù)字過濾的設(shè)計還可以對AP或基站的性能造成極大影響。此外，WLAN網(wǎng)絡(luò)的物理設(shè)計可以消除帶內(nèi)干擾的很多反射。通常由信號干擾比率(S/I或SIR)決定WLAN的性能，該比率的定義是數(shù)據(jù)信號與干擾信號的比率。對于WLAN的性能而言，SIR通常比信噪比(SNR)更加重要。下面的圖1解釋了這一概念。

顯然，由商用無線設(shè)備生成的信號不盡完美。的確，從802.11射頻發(fā)出的信號生成超出其許可頻帶范圍的一些能量，稱之為邊帶發(fā)射。這種情況也會出現(xiàn)在其他無線設(shè)備上，如藍(lán)牙、無繩電話以及其他與802.11占用相同頻帶的設(shè)備。雖然通過過濾可以將來自相鄰信道的RF干擾降至最低，但是此干擾還會生成旁瓣能量(sidelobeenergy)，此能量屬于802.11WLAN信號的通頻帶范圍內(nèi)。如果ACI比802.11信號強(qiáng)，來自ACI的邊帶能量將主導(dǎo)信道的噪聲層。如圖2所示。

WLANRF接收機(jī)可以設(shè)計為帶有有效的ACR，其可發(fā)送約具有802.11信號0.10帶寬的窄帶信號。這些窄帶信號包括無繩電話以及藍(lán)牙信號。然而，寬帶ACI可生成大量進(jìn)入802.11接收機(jī)通頻帶的邊帶能量。在這些條件下，鏈路裕度的數(shù)量或SIR的大小將對WLAN的數(shù)據(jù)吞吐量造成決定性的影響。

提供可跨越全世界無許可限制頻帶中所有頻率的5.xGHz射頻架構(gòu)是無線行業(yè)的發(fā)展趨勢。下圖(圖3)展示了這些所謂的"全頻段"射頻是如何從5.150GHz到5.875GHz運行的。若此波段射頻含有將于2007年生效的日本分配，則該范圍還可以擴(kuò)展到從4.9GHz到5.875GHz。假設(shè)此頻帶中存在某些高功率干擾源，如雷達(dá)與導(dǎo)航系統(tǒng)，那么全頻段射頻還需要一些級別的信道選擇性過濾才能避免由這些高功率干擾源造成的任何性能下降。

　　以上述內(nèi)容為背景，本白皮書的其余內(nèi)容將主要介紹以下內(nèi)容：

●可以對干擾提供相鄰信道抑制(ACR)的RF接收機(jī)設(shè)計;

●ACR過濾技術(shù)，可以在藍(lán)牙與802.11技術(shù)共存于同一產(chǎn)品平臺上的嵌入式應(yīng)用中實施該技術(shù)。特別強(qiáng)調(diào)在無線耳機(jī)中遇到的問題;

●在密集的用戶環(huán)境中由相鄰802.11單元(cell)產(chǎn)生的干擾。

提供ACR的接收機(jī)設(shè)計

RF系統(tǒng)抑制源自相鄰信道干擾的能力主要取決于接收機(jī)的架構(gòu)。雖然目前可以使用幾種接收機(jī)架構(gòu)，但是由于在WLAN系統(tǒng)中普遍使用直接轉(zhuǎn)換(DC)與雙通道轉(zhuǎn)換或超外差(super-het)架構(gòu)，因此本白皮書只對這兩種架構(gòu)進(jìn)行分析。

為了在WLAN接收機(jī)的設(shè)計中融入有效的ACR功能，必須在接收機(jī)鏈路中考慮兩個要點。如下所示：

●低噪聲放大器(LNA)與IP3的輸入信號飽和度;

●在系統(tǒng)的信號基帶處理器中模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)的當(dāng)前信號級別。

在802.11系統(tǒng)中，大多數(shù)LNA的輸入信號級別在-20到-30dBm之間達(dá)到飽和。如果出現(xiàn)了超過此級別的強(qiáng)輸入信號，LNA將停止提供增益，并且實際上將抑制信號的非線性失真。精心設(shè)計的LNA能夠以高達(dá)-10至-15dBm的輸入級別進(jìn)行操作。當(dāng)輸入信號超過-10至-15dBm時，一些系統(tǒng)能夠繞過LNA。從而使輸入信號可高達(dá)+4dBm，但是折衷的結(jié)果是造成較低的接收機(jī)靈敏度。

在LNA的RF處理鏈路的另一端將輸入系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器。這些轉(zhuǎn)換器具有有限的動態(tài)范圍。因此，無法過濾出ACI，從而造成數(shù)字噪聲層在接收的信號中占據(jù)主導(dǎo)地位。假設(shè)WLAN射頻設(shè)計為至少具有20dB的數(shù)字過濾，那么ACI噪聲與802.11信號在A/D上的信號功率應(yīng)該是相同的(相等功率點)。

表1顯示了2.4GHz頻帶中干擾源的示例。此表中有效的干擾數(shù)字(第5列)解釋了LNA的飽和點之所以如此重要的原因。

表1中的大多數(shù)干擾源均為窄帶設(shè)備，如：無繩電話或藍(lán)牙產(chǎn)品等。在很多情況下，該類產(chǎn)品可以在一米之內(nèi)或WLAN客戶端設(shè)備中進(jìn)行操作。即使有傳播損失，這些干擾源仍然可以為位于802.11接收機(jī)鏈路一端的LNA提供高達(dá)0dBm。

802.11接收機(jī)架構(gòu)

圖4將超外差接收機(jī)架構(gòu)與DC接收機(jī)架構(gòu)之間的差別進(jìn)行了對比。此示例假設(shè)源自無繩電話的相鄰窄帶強(qiáng)干擾為-15dBm，并且接收的WLAN信號級別的目標(biāo)是-80dBm。也就是說在干擾與WLAN信號之間的接收功率相差將近65dBm。這種情況很容易發(fā)生，如某用戶可能一邊在與本地WLAN相連的便攜電腦上進(jìn)行工作，一邊用無繩電話聊天。

圖4顯示了超外差接收機(jī)架構(gòu)的過濾設(shè)計可以將ACI降低至可接受的級別。在至少具有20dB數(shù)字相鄰信道過濾的條件下，超外差接收機(jī)在不增加分組誤差率的情況下每秒能夠接收11兆位(Mbps)CCK或22MbpsPBCC802.11Wi-Fi信號。

如果采用DC架構(gòu)，去除了中頻(IF)上的聲表面波(SAW)濾波器，從而導(dǎo)致接收機(jī)鏈路中A/D轉(zhuǎn)換器上的干擾信號是40dB，高于可接受的程度。采用A/D上的過采樣與回遞抽取過濾(recursivedecimationfiltering)，仍然可以恢復(fù)802.11信號。例如，GSM接收機(jī)使用DC架構(gòu)，并且通過在大約26MHz上過采樣大約300KHz的帶寬GSM信號提供大約80dB的ACR。不幸的是，由于技術(shù)的局限性與電池供電產(chǎn)品的低功耗要求，過采樣所采用的信號幾乎百分之