Wi-Fi基带芯片和Wi-Fi无线网卡设计方案
2013-09-09 22:05
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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。
表1: S901功耗表。
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。
表1: S901功耗表。
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