将 WLAN 集成至手持设备的设计

引言

移动电话、PDA 以及智能电话等高性能、多功能手持设备的需求在不断增长。其中的动力之一是多种技术集成到一个能手持并装进口袋的设备中，这已经并将继续推动上述需求的发展。手持设备市场最近的发展趋势是上述设备开始具有彩屏显示与照相机功能,而且 Bluetooth 无线耳机巍然风行，这将最终消除移动电话耳机与移动电话主机之间的连线。显示屏分辨率越来越高，音频系统的性能也不断改善，系统可用的存储器容量以及 CPU 性能也在不断提高。上述不断发展的硬件与处理功能将推动实现新式应用，如视频电话、企业与家庭 WLAN 上的 VoIP、高清晰度视频流以及高速因特网等，同时还将实现无所不在的移动电话覆盖范围。

图1 越来越多的手持设备具有蓝牙、WLAN、GSM、GPRS 功能

图2  功率频谱分布曲线，75%处于带宽之外

图3  不同无线技术的发射功率

 

设计挑战

众所周知，由于这些手持设备本身体积很小，电池的容量有限，每个子系统都必须很小，而且功耗要非常低。添加新技术而不增加设备体积对每一代产品都至关重要。在每代产品中，预期电池的使用寿命应该越来越长。还有一个深层问题是随着多种无线技术汇聚在手持设备中，会出现全新的各种电磁干扰问题。除了小外形与低功耗要求外，无线子系统的设计还必须使各子系统可实现共存，而不致相互损害。本文将深入探讨如何解决上述新要求与挑战，以设计出新一代高性能、高功能的无线手持设备。

举例来说，某些新一代手持产品将包含 GPS、WLAN 与蓝牙以及 2.5G 与 3G 蜂窝技术，这些设备可方便地在多达五至六个频带中进行操作。设置上述每种标准的标准委员会没有明确接收机要求，而是假定设备处在两至三个其它发送器的 10 厘米频谱范围之内。这样，为了使上述带有多种无线技术的高度集成的手持设备能够工作，设计小组必须计算传输频谱功率水平的要求，以及接收机邻信道抑制要求，从而避免手持设备的自我干扰。

 

手持设备中集成的无线功能

在讨论工程设计细节之前，我们必需先来回顾一下为什么要将多个无线系统集成至一个手持设备中。因为消费者已经习惯于随时携带移动电话，而且随时都能打电话、接电话。这种习惯和生活方式不会改变，那么蜂窝技术及其相关改进还将继续。在所有讨论的技术中，蜂窝技术是能够真正实现无所不在的覆盖技术，它将继续推动随时随地实现自动连接，而且这种连接目前正从语音业务扩展到因特网数据业务。

近几年来，WLAN 技术市场不断扩大，并渗透到三大关键领域：家庭、办公室与热点。热点是指酒店或机场等用户高度集中的地点。WLAN 的主要优势在于速度非常快，而且在建筑物内的穿透力很强，这使其成为办公室环境下的自然之选。WLAN 的服务成本往往不是按每分钟计时收费，而且网络容量目前已达数十 Mbps，将来甚至可达数百 Mbps。除消费者已经习惯由 WLAN 实现的高速数据服务外，WLAN 有望实现高速视频、电视会议、音频与 VoIP等业务。

蓝牙在上述设备中也找到用武之地，我们现在可以看到人们佩戴耳机边走边通话，今后蓝牙将成为这种耳机无线技术实现的关键。对于无线键盘与鼠标等需要低功耗的低速设备而言，它们不需要很高的带宽，蓝牙也是一种理想的技术。

GPS 即全球定位系统不再是飞机的专利。随着 GPS 子系统成本的降低，该技术已经出现在手持终端中，可实现导航设备以及具有突发事件定位业务。

 

手持设备中的WLAN设计

具有上述所有无线系统的产品设计会面临多方面 (multidimensional) 的问题。每个系统都有各自的传输频谱特性，并需要各自定制接收机的邻信道抑制功能。我们将从 WLAN 子系统的角度来讨论该问题，尽管新一代系统将以 IEEE 802.11g (54Mbps) 为基础，为简单起见，我们将专门探讨 IEEE 802.11b (11Mbps)。

每个无线子系统的设计哲学必须遵循“不损害”原则以及“抗干扰稳健性”原则。第一部分“不损害”原则是指发射频谱掩码不得大幅提高其他无线系统带通中的噪声下限。当然，所谓其他无线系统是在相同手持终端设备中的系统，因此我们可以假定最多在 20 dB 天线间进行隔离。就热噪声下限值为-114 dBm/MHz 而言，WLAN 系统在其他器件带通中最好传输不超过-94 dBm/MHz。实际情况中，上述要求会加上一些裕度，不会对其他系统造成很大影响。还有一种方法就是限制带外发射功率，这样其他无线系统敏感度衰减的影响就不会超过一个给定值。

802.11b 标准确定，频率超过中央频率 22 MHz 以上时，发射频谱应比通带中的功率下降 50 dB。通带中最大发射功率通常为 12 dBm/MHz，因此，上述要求就会需要通带外为-38 dBm/MHz，这与“不损害”相距甚远。管理机构可能会对带外发射功率给出进一步限制，但即便这些额外的限制可能也不足以保证达到足够的性能。本例清楚地显示，WLAN 子系统要求更多规范，以确保其不损害其他无线子系统。

同样，WLAN 子系统还必须具有“抗干扰稳健性”。在手持终端设备中，这一点具有全新的含义。就具备 WLAN 功能的笔记本电脑而言，到其他无线发送器的距离以米乃至数十米来计量，而手持终端中的距离则要以厘米计量。必须容忍的干扰源数量根据传输功率从 0 dBm 至 30 dBm 不等，根据距离 WLAN 系统 0 至 1600 MHz 而不同。图3给出了一些例子。

802.11b 标准确定，据接收机中央频率 25 MHz时，相邻信道抑制必须至少为 35 dB。相邻信道抑制规范没有进一步的要求。举例而言，压缩点就没有相关规范。此外，802.11b 标准指定抑制应相对于另一 802.11b 波形进行测试。我们可预期到这一点，它当然也是需要的，但就某些目的而言，它又是不够的。举例来说，该规范根本不能保证接收机在 5 厘米外从天线传输 PCS 且传输噪声为 30 dBm 的情况下能够正常工作。还必须添加额外的设计要求，以保证 WLAN、蓝牙与其他无线系统能够在上述近距离环境中工作。

一个很难解决的问题就是蓝牙与WLAN在手持设备中如何共存。该问题在手持终端设备中尤其难以解决，这还是因为蓝牙与WLAN天线之间的隔离非常有限，容易形成互相干扰。蓝牙与 WLAN 之所以难以共存，是由于二者都运行在 2.4 GHz ISM 频带中。因此，两个系统的设计通常都带有信道预选择滤波器，占据整个 2.4 GHz 频带。这使去除干扰信号尤其困难。但是，我们针对这一问题拥有多种解决方案。一个解决方案是采用时分多路算法以避免系统间干扰，此外，蓝牙 1.2 解决方案中的自适应跳频进行了标准化。不过，即便有了上述改进，如果不采用发射功率控制等技术，WLAN与蓝牙仍然难以同时工作 。WLAN 与蓝牙共存问题虽然很难解决，但我们还是找到了解决途径，因此用户能够同时实现WLAN与蓝牙操作，蓝牙语音等主要应用也未受影响。

智能电话、移动电话、PDA等设备中WLAN器件对于相邻信道有关要求、发射频谱要求、尺寸要求以及功耗要求都具有独特性。并非每个WLAN系统都能满足上述环境所需的性能要求。此外，系统设计人员必须选择那些专门为满足上述要求进行设计的产品，否则相应产品的性能将难以令人满意。但幸运的是，上述要求并非不可以实现，在今天最先进的 WLAN 系统以及在用于 PDA 的参考设计中这些功能已经被成功实现。