Wi-Fi基帶芯片和Wi-Fi無線網卡設計方案

　　1999年工業界成立了Wi-Fi聯盟，致力解決符合802.11標準的產品的生產和設備兼容性問題。

　　Wi-Fi不僅應用于目前銷售的幾乎每一部智能手機中，而且幾乎應用于所有的掌上游戲機、平板電腦、筆記本電腦中。在涉及汽車、數碼相機、電子書閱讀器、藍光設備和個人視頻錄像機以及每一種設備的大量新應用中都有Wi-Fi芯片組。因此，市場研究公司In-Stat預測2012年Wi-Fi芯片組的年出貨量將超過10億套。

　　目前Wi-Fi芯片的發展趨勢除了最高速率54Mbps的IEEE 802.11b/g基帶芯片外，有下面幾種發展趨勢：

　　趨勢一： 高速率方向發展。這類芯片支持最低支持1 x 1的802.11n標準，最高速率可達150Mbps。采用MIMO技術的802.11n芯片最高速率達300Mbps或以上，主要用于高清圖像的傳輸; 值得關注的是，高速率芯片的支持標準將從IEEE 802.11n過渡到IEEE 802.11ac（6GHz以下頻段，最大速率可達1Gbps）和IEEE 802.11ad（60GHz工作頻段，最大速率可達7Gbps）。

　　趨勢二： 低功耗、低速率方向發展。這類芯片強調低功耗，對速率要求低，最大速率可以為2Mbps，只需支持IEEE 802.11b標準即可，在工業應用、物聯網應用中有很大的市場。

　　趨勢三： 和其他網絡的融合， 如和3G以及未來4G網絡的融合。

　　Wi-Fi基帶芯片的架構根據是否采用處理器來區分的話，一般有以下幾種：

　　第一種為全硬件型，不采用處理器，整個芯片的MAC（Medium Access Control，媒體訪問控制）層和Phy（Physical layer， 物理層）全部由硬件邏輯實現。

　　第二種為半軟半硬型，在MAC層采用處理器，一般為MIPS內核，也有少部分采用ARM內核；物理層采用硬件邏輯實現。

　　第三種為全軟型，這種芯片采用高速DSP，MAC和Phy全部由軟件實現。

　　這幾種類型各有優缺點，市面上都有。一般來說，第一種全硬件型設計難度相對大些，處理速度相對快些。而且因為沒有處理器，成本會相對低些。第三種全軟件型，可以靈活配置和升級，隨著DSP的高速、小面積和低功耗發展，全軟件型設計的比重會逐漸增加。

　　SCI基帶芯片介紹

　　S901芯片結構：本文介紹的Wi-Fi基帶芯片是SCI的第1代Wi-Fi基帶芯片， 工藝為0.18微米CMOS，接口為USB 2.0接口。屬于前面說到的第一種全硬件類型，芯片內部的MAC和PHY全部由硬件實現。芯片結構如圖1所示：整個基帶芯片分為USB接口部分、MCU、MAC、PHY、ADC/DAC。內置MCU執行USB固件程序。

　　圖1： SCI第一代基帶芯片S901結構圖

　　開發流程：整個設計采用自頂向下的設計方法，先設計芯片的架構，將芯片分為驅動、MAC、Phy三個主要部分。驅動部分的設計采用軟件工程的設計方法進行；因為驅動運行在PC端，要和硬件（網卡）進行數據交互，所以，首先要制定通信報文。MAC部分的設計在分析協議后，進行軟硬件劃分，確定那些由硬件完成，那些由軟件完成。物理層涉及較多的通信算法，如幀同步算法、頻率同步（粗頻率同步，細頻率同步）、信道估計、編碼解碼、調制解調等，需要先進行仿真確定算法。整個物理層的開發流程如圖2所示。

　　圖2： 物理層開發流程

　　仿真：開發過程中，物理層的算法都經過嚴格的仿真，仿真結果滿足設計指標后才開始進行HDL設計。下圖3是OFDM調制解調54Mbps仿真結果。標準規定 ：PER《10% ，SNR》25@54Mbps。

　　圖3： OFDM 54Mbps仿真結果。

　　技術特點：基帶部分不采用處理器，減小芯片面積和提高處理速度；片內MCU負責執行USB的固件程序和執行MAC層及物理層的配置；物理層核心算法采用自主專利算法；支持WAPI、IEEE802.11i加密標準，多種加密方式無縫集成；MAC實時性要求不高的部分由軟件實現，便于升級和維護。

　　芯片面積：芯片的邏輯單元為：863K gates（MAC+PHY+USB+MCU） MEMORY大小為：271Kbits。在0.18um下的Die size為：23mm2（包括ADC/DAC/LDO等模擬部分）。S901芯片版圖如圖4所示。

　　圖4： S901芯片版圖。

　　芯片功耗：整個基帶包括內部ADC/DAC的功耗如表1所示。

　　表1： S901功耗表。

　　基于SCI Wi-Fi基帶芯片的無線網卡設計

　　SWM9001 Wi-Fi無線網卡的結構和主要技術指標

　　SWM9001是基于蘇州中科半導體集成技術研發中心有限公司（靈芯集成）具有自主知識產權的射頻芯片S103和基帶芯片S901設計的Wi-Fi無線模組， 該產品在2011年9月30日獲得Wi-Fi聯盟的產品認證，認證號為WFA12939。該無線模組是國內第一家利用自主知識產權Wi-Fi芯片設計而獲得認證的產品。 下圖5是網卡的結構圖，圖6是網卡外形圖。

　　圖5： SWM9001網卡構成。

　　圖6： SWM9001外形。

　　SWM9001網卡的主要指標特性如下：

　　* 符合IEEE802.11b/g/e/h/i標準，同時支持WAPI加密標準;

　　* 加密標準： 64/128/152bitWEP， WPA/WPA2/WPA-PSK/WPA2-PSK， WAPI；

　　* 接口：USB2.0;

　　* 傳輸速率：6/9/12/18/24/36/48/54Mbps@ 802.11g; 1/2/5.5/11Mbps @802.11b；

　　* 調制方式： BPSK/QPSK/16QAM/64QAM@11g;

　　DQPSK/DBPSK/DSSS/ CCK@802.11b；

　　* 接收靈敏度：-71dBm@11g， 54M; -90dBm @11b， 11M;

　　* 驅動：Window ME/SE/XP/2000/Vista/Win7， Linux 2.6.28and Android 2.1/2.2/2/3;

　　* 傳輸距離：室內100米，室外：300米。

　　應用范圍：靈芯集成為該參考設計提供完整的解決方案（原理圖，PCB， BOM表，驅動程序），產品設計充分考慮了功耗、穩定性、易用性和可擴充性。性能在同類產品中處于領先地位， 價格具有相當的競爭優勢。

　　該Wi-Fi無線模組可以應用于PC機無線網卡，無線視頻傳輸，家庭無線網關，工業數據無線傳輸等場合。

　　SWM9001無線網卡的設計技巧和注意事項

　　無線網卡的電路主要包括射頻前段模塊（FEM）、射頻模塊（RF）、基帶芯片和電源部分。設計中需要注意的事項主要是射頻前段模塊（FEM）、射頻模塊（RF）的電磁兼容和干擾問題：

　　1） FEM的濾波電容100uF; 因為FEM的PA部分工作電流所占比重大，需要大容量的濾波電容；

　　2） Wi-Fi射頻單元的電源輸入需串入一個磁珠，用來抑制電源線上的高頻噪聲和尖峰干擾，提高發射精度；

　　3） 有源晶振（40MHz）時鐘線寬不得小于8mil，最好在頂層（Top layer）或底層（Bottom layer）走線；不得在內電層走40MHz時鐘，時鐘線越短越好，如需穿孔，推薦孔大小為外徑30mil，內徑15mil；

　　4） 在四層PCB上推薦的50ohm阻抗線寬為12mil；射頻部分必須保留完整的地平面；

　　5） PCB布局時，DC-DC最好靠近USB接口；時鐘線離50ohm阻抗線越遠越好。