射频模块解决调校和抗干扰难题

随着无线通信技术的进步，连网、数据和实时影音等无线传输的需求备受重视，而移动便捷和随时连网已成为使用者的生活之一。这一趋势不但促使产品的设计趋向“轻、薄、短、小”和多功能融合，具备高品质的无线连网功能更是成为了不可或缺的硬件开发关键。其中，微型化无线射频模块的设计正在符合如此广大的市场需求。

由于一台移动设备需要开发的部分相当多，使用无线模块的分工方式将是加快开发时间的一种好方法——它可以有效简化系统的硬件设计，降低系统厂商的开发成本。又因为2.4GHz频段使用相当拥挤，无线射频模块对双频的需求也大幅提升。在接下来的文章中，将选用一款双频MIMO射频模块的设计应用做剖析，以提供给业界相关的工程人员参考。

模块IC与板上芯片(COB)的差别

终端产品制造商往往会在选择模块IC还是COB时犹豫不决。采用COB的方式虽然乍看之下，在成本的考虑上似乎略胜过模块IC，然而，COB背后所需要的研发成本却有可能大过于使用模块IC。可以从目前最新的模块IC来做探讨。本文以AW-BJ327(参考型号)为例， 其芯片可同时支持2×2 MIMO 802.11a/b/g/n和蓝牙4.0功能。图1是AW-BJ327的系统框图。

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图1：AW-BJ327系统框图。

AW-BJ327内部包含一颗主IC、一颗晶体振荡器、两颗前端模块(FEM)和两颗双工器，整体大小为15.1mm×10.2mm。外部的电路只需要几组电源滤波电容和两组匹配电路，便可使它工作。那么试想，如果要把这些电路用分立的方式在主版上实现，将会遇到哪些问题呢？首先，主IC部分采用的将会是球栅阵列(BGA)封装，而非模块IC使用的是芯片级封装(CSP)倒装芯片。一般而言，BGA将会比CSP的封装大上10~20%不等，因此将会降低空间的利用率。

一般，如果要将CSP的IC直接组装到主版上，则都会在CSP IC上点胶，以防止在跌落试验中造成IC脱落。而这会产生一个状况——如果IC发生问题了，将会遇到无法更换的窘境。

除组装技术外，就射频的技术层面来探讨，这也是一件困难且耗费时间的事情。5GHz的信号非常敏感并且容易受到干扰，更不用说采用的双工器是结合了2.4GHz和5GHz的2×2 MIMO。射频工程师将会花费大量时间来调校匹配电路和功率放大器。主IC需要对射频功能进行校准，校准的方面包含：发射机功率、I-Q、RSSI和晶振偏移量。在测试方面将会进行发射机功率、模板、EVM和接收机灵敏度的测试。以测试而言，如果要在终端产品上对它们进行全部测试，则将会极大地增加测试成本。每节省一秒测试时间就能够实现更大的产值。

模块IC则已经把功能上的调校和所有的测试项目都已经做完。终端厂商只需要管理电源以及外部的匹配电路就可以达到相同的效果。这极大地增加了便利性，尤其是降低了复杂度。终端系统商可以采用相对较少的人力和仪器，达到同样的效果。另外，由于电信系统商对于射频的规格要求越来越高(这也更增加了COB的难度)，在这个与时间赛跑的开发时间里，采用模块IC的方式将会越来越普遍。


多重接口的弹性度

一般而言，低端的模块IC只提供了一到两个接口选择。手持式移动设备配备的接口通常会以安全数字输入输出(SDIO)接口为主，这使其在省电和传输速率上取得了平衡。具备省电优势的微型化无线模块对于移动设备而言非常重要，尤其是在省电模式和深睡眠模式下，都是以SDIO最为省电。AW-BJ327模块上也提供了省电模式和深睡眠模式相关的唤醒引脚或者掉电引脚，只要与系统CPU的GPIO引脚连接即可。这样，与SDIO接口同时使用时便能够实现更佳匹配。

图2为一高端多任务模块IC与多重接口示意图，其模块IC将不只是提供单一接口或是提供一到两个接口以供使用，而是将所有常用的基本接口全部整合在一起。如此，便可以在单一模块上实现多重接口的选择，同时也可以增加客户使用设计上的弹性。

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图2：高端多任务模块IC与多重接口示意图。

以高端模块AW-BJ327而言，它便提供了多重接口让客户选择——客户可以选择最方便的接口来做硬件设计。除了移动设备之外，AW-BJ327也可应用于多媒体播放器或是机顶盒等数字家庭影音设备之中。而这类应用的处理器不一定有SDIO接口，对功耗要求相对较不敏感，在这种状况下，系统商则可使用USB或者是HSIC(高速芯片间)接口，使其设计使用更为简单化。综合以上各点，新一代多功能无线模块除集合了多种不同的无线功能，还可以提供更多不同的接口选择供灵活选用。这可以缩短开发周期，取得最佳的平衡点。

不过，相同模块支持不同接口唯一所需要做的就是在软件上进行调校。因为终端客户所选择的平台和操作系统都会影响到所搭配的接口和软件，所以不管是信道吞吐量还是省电睡眠模式都需要跟软件工程师一起合作，调校出系统的最佳状态。图3为无线模块供货商所提供的软件服务。不论用户的系统是使用Linux、Android、Chrome、Windows Embedded抑或是其它针对小众市场的实时操作系统，无线模块供货商在软件方面都必须能够提供对应的技术支持，让无线模块在移动设备上真正发挥出1+1＞2的协同作用。

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图3：无线模块供货商所提供的软件服务。

为什么选择使用MIMO+双频带设计？
在AW-BJ327模块IC里，我们选择了MIMO SoC作为解决方案，其目的是为了达到更高的数据吞吐量。MIMO是多入多出的缩写(如图4所示)，其原理是使用不同的信道响应互相补偿——既可以用双天线弥补单一天线的死角，也可以用补偿的方式增加接收灵敏度。若通过2根天线同时在不同的信道传输，则可以增加一倍的传输量。若是站在射频硬件设计者的角度，只是单看最小接收器灵敏度，那么，相较于单入单出(SISO)的产品，AW-BJ327可以提供至少3dB的额外接收器灵敏度增益。

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图4：AW-BJ327 MIMO操作简易示意图。

除MIMO功能外，AW-BJ327 所提供的双频带的设计可以避免在现今2.4G频段的滥用环境中受到干扰。举例来说，2.4GHz频段除了WiFi和蓝牙(BT)以外，许多无线设备(如耳机、键盘等)都使用2.4GHz无线跳频。另外，在LTE的频段上也包含2.3GHz和2.5GHz频率。虽然中心频率没有直接重叠到，但是频带两边重叠的部分难免也会受到干扰。在这样的环境中，AW-BJ327会自动调整使用频段至没有干扰的5GHz，借由更高品质的信道效应，提供任何时候都高传输量的使用需求。

MIMO的SoC在设计上也有很大的好处。在AW-BJ327中，我们使用了两组完全相同的FEM和天线分离滤波器。这意味着，在RF线路匹配设计上，我们几乎可以将一组同样的PCB走线和匹配电路套用在两条线路上。如此一来，也可以节省一半的开发时间。

在MIMO理论上，MIMO产品的两根天线最好互相正交(可以对信道响应做最高效率的补偿)，并且最好相隔15cm以上以确保有好的隔离。一般而言，使用MIMO不仅可以提高信号覆盖率，发射机信号和接收机信号也都将可以提高3dBm。因此，对于终端厂商来说，只需要注意两根天线的配置，便能达到最好的传输效果。


AW-BJ327能提供的应用
AW-BJ327是一颗双入双出(2I2O)的Wi-Fi双频带模块，这代表其理论最高吞吐量可以达到300Mbps。AW-BJ327的实测数据约可以达到95~110Mbps之间，也就是说，若将AW-BJ327当做无线AP使用，则可以几乎毫无损失地将100M的光纤有线网络转换成无线网络；亦即AW-BJ327可以让无线网络使用者同时进行串流1080p HD视频影音、VoIP网络电话或者其它需求频宽较高的网络应用。从AW-BJ327来看，MIMO WiFi双频带模块不论是大小还是功能，都可以充分满足现今智能移动设备高传输量的需求。因此，不论在智能移动电话或是平板电脑中都可以发挥AW-BJ327的价值。并且由于其接口的多元性，它也支持在智能电视或是各式智能机顶盒的使用。因为AW-BJ327能切换至接入点(AP)模式，同时最高可以提供给10个使用者联机，所以若使用在小型的移动AP中，它也可以担任WiFi无线AP的角色。

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