Wi-Fi基带芯片和Wi-Fi无线网卡设计方案

作者：苏州灵芯集成有限公司 肖宛昂，张正浪，方治，鄂松昙，石寅

1999年工业界成立了Wi-Fi联盟，致力解决符合802.11标准的产品的生产和设备兼容性问题。

Wi-Fi不仅应用于目前销售的几乎每一部智能手机中，而且几乎应用于所有的掌上游戏机、平板电脑、笔记本电脑中。在涉及汽车、数码相机、电子书阅读器、蓝光设备和个人视频录像机以及每一种设备的大量新应用中都有Wi-Fi芯片组。因此，市场研究公司In-Stat预测2012年Wi-Fi芯片组的年出货量将超过10亿套。

目前Wi-Fi芯片的发展趋势除了最高速率54Mbps的IEEE 802.11b/g基带芯片外，有下面几种发展趋势:

趋势一: 高速率方向发展。这类芯片支持最低支持1 x 1的802.11n标准，最高速率可达150Mbps。采用MIMO技术的802.11n芯片最高速率达300Mbps或以上,主要用于高清图像的传输; 值得关注的是，高速率芯片的支持标准将从IEEE 802.11n过渡到IEEE 802.11ac(6GHz以下频段，最大速率可达1Gbps)和IEEE 802.11ad(60GHz工作频段，最大速率可达7Gbps)。

趋势二: 低功耗、低速率方向发展。这类芯片强调低功耗，对速率要求低，最大速率可以为2Mbps，只需支持IEEE 802.11b标准即可，在工业应用、物联网应用中有很大的市场。

趋势三: 和其他网络的融合, 如和3G以及未来4G网络的融合。

Wi-Fi基带芯片的架构根据是否采用处理器来区分的话，一般有以下几种：

第一种为全硬件型，不采用处理器，整个芯片的MAC(Medium Access Control，媒体访问控制)层和Phy(Physical layer, 物理层)全部由硬件逻辑实现。

第二种为半软半硬型，在MAC层采用处理器，一般为MIPS内核，也有少部分采用ARM内核；物理层采用硬件逻辑实现。

第三种为全软型，这种芯片采用高速DSP，MAC和Phy全部由软件实现。

这几种类型各有优缺点，市面上都有。一般来说，第一种全硬件型设计难度相对大些，处理速度相对快些。而且因为没有处理器，成本会相对低些。第三种全软件型，可以灵活配置和升级，随着DSP的高速、小面积和低功耗发展，全软件型设计的比重会逐渐增加。

SCI基带芯片介绍

S901芯片结构：本文介绍的Wi-Fi基带芯片是SCI的第1代Wi-Fi基带芯片, 工艺为0.18微米CMOS,接口为USB 2.0接口。属于前面说到的第一种全硬件类型，芯片内部的MAC和PHY全部由硬件实现。芯片结构如图1所示：整个基带芯片分为USB接口部分、MCU、MAC、PHY、ADC/DAC。内置MCU执行USB固件程序。


图1: SCI第一代基带芯片S901结构图

开发流程：整个设计采用自顶向下的设计方法，先设计芯片的架构，将芯片分为驱动、MAC、Phy三个主要部分。驱动部分的设计采用软件工程的设计方法进行；因为驱动运行在PC端，要和硬件(网卡)进行数据交互，所以，首先要制定通信报文。MAC部分的设计在分析协议后，进行软硬件划分，确定那些由硬件完成，那些由软件完成。物理层涉及较多的通信算法，如帧同步算法、频率同步(粗频率同步，细频率同步)、信道估计、编码解码、调制解调等，需要先进行仿真确定算法。整个物理层的开发流程如图2所示。


图2: 物理层开发流程

仿真：开发过程中，物理层的算法都经过严格的仿真，仿真结果满足设计指标后才开始进行HDL设计。下图3是OFDM调制解调54Mbps仿真结果。标准规定 ：PER<10% ，SNR>25@54Mbps。


图3: OFDM 54Mbps仿真结果。

技术特点：基带部分不采用处理器，减小芯片面积和提高处理速度；片内MCU负责执行USB的固件程序和执行MAC层及物理层的配置；物理层核心算法采用自主专利算法；支持WAPI、IEEE802.11i加密标准，多种加密方式无缝集成；MAC实时性要求不高的部分由软件实现，便于升级和维护。

芯片面积：芯片的逻辑单元为：863K gates(MAC+PHY+USB+MCU) MEMORY大小为：271Kbits。在0.18um下的Die size为：23mm2(包括ADC/DAC/LDO等模拟部分)。S901芯片版图如图4所示。


图4: S901芯片版图。

芯片功耗：整个基带包括内部ADC/DAC的功耗如表1所示。



基于SCI Wi-Fi基带芯片的无线网卡设计

SWM9001 Wi-Fi无线网卡的结构和主要技术指标

SWM9001是基于苏州中科半导体集成技术研发中心有限公司(灵芯集成)具有自主知识产权的射频芯片S103和基带芯片S901设计的Wi-Fi无线模组, 该产品在2011年9月30日获得Wi-Fi联盟的产品认证,认证号为WFA12939。该无线模组是国内第一家利用自主知识产权Wi-Fi芯片设计而获得认证的产品。 下图5是网卡的结构图，图6是网卡外形图。


图5: SWM9001网卡构成。


图6: SWM9001外形。

SWM9001网卡的主要指标特性如下:

* 符合IEEE802.11b/g/e/h/i标准，同时支持WAPI加密标准;

* 加密标准: 64/128/152bitWEP, WPA/WPA2/WPA-PSK/WPA2-PSK, WAPI；

* 接口:USB2.0;

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

* 调制方式: BPSK/QPSK/16QAM/64QAM@11g;

DQPSK/DBPSK/DSSS/ CCK@802.11b；

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

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

* 传输距离:室内100米,室外:300米。

应用范围：灵芯集成为该参考设计提供完整的解决方案(原理图，PCB, BOM表，驱动程序)，产品设计充分考虑了功耗、稳定性、易用性和可扩充性。性能在同类产品中处于领先地位, 价格具有相当的竞争优势。

该Wi-Fi无线模组可以应用于PC机无线网卡，无线视频传输，家庭无线网关，工业数据无线传输等场合。

SWM9001无线网卡的设计技巧和注意事项

无线网卡的电路主要包括射频前段模块(FEM)、射频模块(RF)、基带芯片和电源部分。设计中需要注意的事项主要是射频前段模块(FEM)、射频模块(RF)的电磁兼容和干扰问题：

1) FEM的滤波电容100uF; 因为FEM的PA部分工作电流所占比重大，需要大容量的滤波电容；

2) Wi-Fi射频单元的电源输入需串入一个磁珠，用来抑制电源线上的高频噪声和尖峰干扰，提高发射精度；

3) 有源晶振(40MHz)时钟线宽不得小于8mil，最好在顶层(Top layer)或底层(Bottom layer)走线；不得在内电层走40MHz时钟，时钟线越短越好，如需穿孔，推荐孔大小为外径30mil，内径15mil；

4) 在四层PCB上推荐的50ohm阻抗线宽为12mil；射频部分必须保留完整的地平面；

5) PCB布局时，DC-DC最好靠近USB接口；时钟线离50ohm阻抗线越远越好。