相邻信道抑制和相邻信道干扰对802.11 WLAN性能造成的影响(上)

概述

在2.4GHz与5.xGHx无许可限制的频带中，ACI问题以及改善RF接收机的Wi-Fi与WLAN技术性能的需求已倍受制造商、系统设计人员、集成商与美国联邦通信委员会(FCC)的关注。事实上，在FCC发布用于802.11 WLAN的额外250MHz频谱(起始于5.4GHz)时，它就注明了不久将要针对WLAN拥挤频谱带调整有关规定。FCC近期可能发布一个“调查通知”(NOI)，以收集有关建立在该频谱中设计射频接收机的政府标准的可能性信息。

何谓标桩？

在干扰问题解决之前，WLAN市场的未来发展将大受影响。目前，WLAN接入点设备(AP)或客户端基站将受到其它相邻WLAN AP与基站以及在同一无许可限制的频带中运行的非802.11设备的干扰。该情况与移动电话行业面临的问题类似，其使用信道频率重用解决方案使该问题得以解决。随着802.11市场的发展与WLAN技术的使用密度不断增大，该问题在如下应用中将愈演愈劣：

?公司/企业部署
?密集商务热点部署(商业街等等)
?住宅公寓楼宇部署
?高密度市内部署

许多干扰源会对WLAN的性能造成不利影响，包括以下非802.11设备：

?无绳电话(2.4或5.xGHz)
?蓝牙个人区域联网设备(2.4GHz)
?蓝牙无线耳机是特殊的情况
?脉冲雷达(美国正在研究将5.4GHz频带用于脉冲雷达)
?微波炉(在2.4GHz频带中50%的忙闲度将产生脉冲干扰。)
?低能量RF光源(2.4GHz)
?采用包括蜂窝、蓝牙与WLAN在内的多种无线技术的集成设备、手持终端与PDA中假讯号RF噪声
?满足新兴"全频段"要求的宽频带5GHz设备

干扰还可能来源于相邻的信道。在这种情况下，802.11系统的RF子系统与数字过滤的设计还可以对AP或基站的性能造成极大影响。此外，WLAN网络的物理设计可以消除带内干扰的很多反射。通常由信号干扰比率(S/I或SIR)决定WLAN的性能，该比率的定义是数据信号与干扰信号的比率。对于WLAN的性能而言，SIR通常比信噪比(SNR)更加重要。下面的图1解释了这一概念。

显然，由商用无线设备生成的信号不尽完美。的确，从802.11射频发出的信号生成超出其许可频带范围的一些能量，称之为边带发射。这种情况也会出现在其他无线设备上，如蓝牙、无绳电话以及其他与　802.11　占用相同频带的设备。虽然通过过滤可以将来自相邻信道的RF干扰降至最低，但是此干扰还会生成旁瓣能量(side lobe energy)，此能量属于802.11 WLAN信号的通频带范围内。如果ACI比802.11信号强，来自ACI的边带能量将主导信道的噪声层。如图2所示。

WLANRF接收机可以设计为带有有效的ACR，其可发送约具有802.11信号0.10带宽的窄带信号。这些窄带信号包括无绳电话以及蓝牙信号。然而，宽带ACI可生成大量进入802.11接收机通频带的边带能量。在这些条件下，链路裕度的数量或SIR的大小将对WLAN的数据吞吐量造成决定性的影响。

提供可跨越全世界无许可限制频带中所有频率的5.xGHz射频架构是无线行业的发展趋势。下图(图3)展示了这些所谓的"全频段"射频是如何从5.150GHz到5.875GHz运行的。若此波段射频含有将于2007年生效的日本分配，则该范围还可以扩展到从4.9GHz到5.875GHz。假设此频带中存在某些高功率干扰源，如雷达与导航系统，那么全频段射频还需要一些级别的信道选择性过滤才能避免由这些高功率干扰源造成的任何性能下降。

以上述内容为背景，本白皮书的其余内容将主要介绍以下内容：
?可以对干扰提供相邻信道抑制(ACR)的RF接收机设计；
?ACR过滤技术，可以在蓝牙与802.11技术共存于同一产品平台上的嵌入式应用中实施该技术。特别强调在无线耳机中遇到的问题；
?在密集的用户环境中由相邻802.11单元(cell)产生的干扰。

提供ACR的接收机设计

RF系统抑制源自相邻信道干扰的能力主要取决于接收机的架构。虽然目前可以使用几种接收机架构，但是由于在WLAN系统中普遍使用直接转换(DC)与双通道转换或超外差(super-het)架构，因此本白皮书只对这两种架构进行分析。

为了在WLAN接收机的设计中融入有效的ACR功能，必须在接收机链路中考虑两个要点。如下所示：
?低噪声放大器(LNA)与IP3的输入信号饱和度；
?在系统的信号基带处理器中模数转换器(A/D)的当前信号级别。

在802.11系统中，大多数LNA的输入信号级别在-20到-30dBm之间达到饱和。如果出现了超过此级别的强输入信号，LNA将停止提供增益，并且实际上将抑制信号的非线性失真。精心设计的LNA能够以高达-10至-15dBm的输入级别进行操作。当输入信号超过-10至-15dBm时，一些系统能够绕过LNA。从而使输入信号可高达+4dBm，但是折衷的结果是造成较低的接收机灵敏度。

在LNA的RF处理链路的另一端将输入系统的A/D转换器。这些转换器具有有限的动态范围。因此，无法过滤出ACI，从而造成数字噪声层在接收的信号中占据主导地位。假设WLAN射频设计为至少具有20dB的数字过滤，那么ACI噪声与802.11信号在A/D上的信号功率应该是相同的(相等功率点)。

表1显示了2.4GHz频带中干扰源的示例。此表中有效的干扰数字(第5列)解释了LNA的饱和点之所以如此重要的原因。

表1中的大多数干扰源均为窄带设备，如：无绳电话或蓝牙产品等。在很多情况下，该类产品可以在一米之内或WLAN客户端设备中进行操作。即使有传播损失，这些干扰源仍然可以为位于802.11接收机链路一端的LNA提供高达0dBm。

802.11接收机架构

图4将超外差接收机架构与DC接收机架构之间的差别进行了对比。此示例假设源自无绳电话的相邻窄带强干扰为-15dBm，并且接收的WLAN信号级别的目标是-80dBm。也就是说在干扰与WLAN信号之间的接收功率相差将近65dBm。这种情况很容易发生，如某用户可能一边在与本地WLAN相连的便携电脑上进行工作，一边用无绳电话聊天。

图4显示了超外差接收机架构的过滤设计可以将ACI降低至可接受的级别。在至少具有20dB数字相邻信道过滤的条件下，超外差接收机在不增加分组误差率的情况下每秒能够接收11兆位(Mbps)CCK或22Mbps PBCC 802.11 Wi-Fi信号。

如果采用DC架构，去除了中频(IF)上的声表面波(SAW)滤波器，从而导致接收机链路中A/D转换器上的干扰信号是40dB，高于可接受的程度。采用A/D上的过采样与回递抽取过滤(recursive decimation filtering)，仍然可以恢复802.11信号。例如，GSM接收机使用DC架构，并且通过在大约26MHz上过采样大约300KHz的带宽GSM信号提供大约80dB的ACR。不幸的是，由于技术的局限性与电池供电产品的低功耗要求，过采样所采用的信号几乎百分之百都是像GSM信号这样的窄带信号，不可能是像802.11信号那样的宽带信号。

下面的图5显示了在A/D转换器上强ACI的效果。高级别的ACI导致产生在802.11信道的SIR中占据主导地位的噪声层，从而由于造成要处理大气噪声与量化而削弱了WLAN信号的强度。

对于已经实施OFDM调制方案的WLAN来说，从一个频率接收器到另一个频率接收器的往返传输过程中，接收机链路中的快速傅里叶变换(FFT)已经有所损耗。从而导致带外抑制层平均大约为25dB。图6解释了每个FFT接收器的SinX/X响应。

接收机

虽然已经超出了本白皮书探讨的范围，但是值得一提的是802.11接收机链路中的ACR过滤可以降低功耗，因为基带处理器中A／D的采样速率会有所下降。为了满足防混淆的要求，将加重其他模拟过滤的负担，而不是以更高的速率进行采样。在5GHz频带所谓的全频段射频中，这种防混淆的问题尤为关键，因为这些射频的前端是将近1GHz频宽的信号。这就意味着为接收机链路中的A／D转换器提供数百兆赫的频谱。包含在此信号中的可以是高功率脉冲雷达信号，该信号将在接收机链路中占据主导地位。

本文由德州仪器提供