双频WiFi+BT的通信复用与并发技术总结

在WiFi产品的演进过程中，2.4GHz和5GHz的双频（Dual Band）是一个非常常见和常用的术语。在通信的过程中，两个频段的通信究竟是通过分时等方式复用/切换还是能够直接实现双频并发通信，就形成了两套完全不同的工作逻辑。本文尝试从RF链路的复用和并发处理的逻辑上来解释这个问题。

典型的RF通信链路

要理解双频WiFi以及蓝牙模块在通信过程中的RF链路的复用与并发的问题，首先需要对基本的RF通信连接的组成结构有一个总体的理解。

从一个尽量简化的角度上，一个典型的RF通信链路的连接图如下所示：

RF_Transceiver_Link_Diagram_%281%29.png

如上图所示，这个简化的RF通信链路包含RFIC（也可以称为Transceiver）、射频前端FEM以及匹配电路与天线这几个部分。

在具体的通信过程中（以发送为例）：

  • 数字电路部分（也就是所谓的数字基带部分）要通过射频发送的字节流0/1信号首先通过QAM、OFDM等调制处理变成模拟低频基带信号，这个过程也就是一个数字到模拟信号（DAC）的转换过程。
  • 然后通过上图中的 TX LPF（低通滤波器）滤除 DAC 转换时所产生的高频数字噪声，以确保模拟基带信号平滑、纯净。
  • 上图中的PLL/VCO（本振）负责产生RF通信中的高频载波频率，例如2.4GHz和5GHz。Up-Mixer（上变频器）则负责把模拟低频基带信号搬运到高频载波信号的频段，所以，经过这个环节处理以后，低频基带信号的频谱被平移到了高频载波频段，这个环节输出的 RF 射频信号就是包含了低频基带信号信息的高频载波射频信号。
  • 以上RFIC环节输出的高频RF信号的功率一般比较小，所以还在在FEM的PA中进行信号功率放大，然后再通过射频开发+带通滤波电路+匹配网络的处理后，耦合到天线上发射出去。

那么，以上的整个RF链路中的各个环节，对于2.4GHz WiFi、5GHz WiFi、2.4GHz BT而言，哪些是可以在通信中是可以复用的？

主要的原则如下：

  1. 首先一点，对于 2.4GHz 和 5GHz 频段的无线通信而言，上图中的 FEM 及其无源匹配电路等，由于物理学上的频率谐振和阻抗匹配特性，是不肯能跨频段复用的。这是因为，PA 和 LNA 内部的晶体管匹配电路极其依赖频率，2.4GHz（波长约12.5cm）和5GHz（波长约6cm）的阻抗特性相差极大；而匹配网络是由电感（L）和电容（C）组成的，其电抗 $X = j\omega L + \frac{1}{j\omega C}$ 直接受角频率 $\omega$ 影响，不同频段的匹配网络参数需要独立调试。因此针对 2.4GHz和5GHz 的射频通信，在芯片外（或内部封装）必须要有独立的 2.4G 和 5G FEM及其外围匹配电路。
  2. 至于上图中的 RFIC 部分是否可以复用，则需要视情况来确定：
    1. 2.4GHz WiFI和BT之间，尽管都是2.4GHz频段，但因为两者的基带信号调制方式和协议特性的巨大差别，所以在目前主流的 WiFi/BT Combo 芯片中，RFIC 内部的各个模块（DAC、ADC、基带滤波器、混频器等）在硅片上几乎都是两套独立的物理电路，否则很难在各项物理指标上达到比较好的权衡。
    2. 而2.4GHz和5GHz WiFi两者是否可以共享RFIC，则要看设备通信的要求是双频分时通信还是双频并发通信。对于分时通信的情况，两者可以复用RFIC，此时芯片内部只有一个宽带 PLL/VCO，在切换频段时，通过改变分频比，让 PLL 从锁定 2.4GHz 跳变到锁定 5GHz，当然代价是需要几毫秒的切换锁相时间；而对于并发通信的情况，RFIC不可复用，此时必须在硅片上蚀刻两套完全独立的 PLL，一套死死锁住 2.4G，另一套死死锁住 5G，两者互不干扰。
  3. 天线部分是完全可以复用的。虽然2.4GHz和5GHz两个频段的电磁波频率不同，但在天线设计上可以使用双频谐振天线（例如包含两个不同长度振子的 PCB 倒 F 天线 PIFA），可以在 2.4G 和 5G 都呈现出良好的 50 欧姆阻抗。具体的工程实践中，可以在上图中的匹配网络之后、天线之前，插入一个 Diplexer。这个器件内部包含一个低通滤波器 (LPF, 允许 2.4G 通过)和一个高通滤波器 (HPF, 允许 5G 通过)。

2.4GHz WiFi与BT Combo的RF复用设计

基于以上总结的RF链路的复用设计原则，下图是一个2.4GHz WiFi与BT Combo的典型RF设计链路：

Combo_RF_Architecture.png

  • 如前所述，WiFI与蓝牙之间对于基带信号的调制规范差异极大、蓝牙的跳频通信与WIFI的OFDM对于PLL的要求差异也极大，所以在RFIC层面上，Combo需要针对蓝牙和WiFi有一套各自完整独立的实现。
  • 而在 FEM 方面，2.4GHz WiFi和BT都在2.4GHz频段工作，但因为两者通信中调制方式、参数和功率的巨大差不，并不能直接复用完整的FEM模块：
    • LNA (低噪声放大器部分)：由于进入天线的都是 2.4GHz 的微弱信号，系统通常会共用同一个 LNA来放大接收到的空口信号，经过LNA放大后通过模拟开关一分为二，分别送给 WiFi 的 Down-Mixer 和 BT 的 Down-Mixer。
    • PA (功率放大器）：通常不复用，物理分离。如果让蓝牙直接使用 WiFi 的 PA 发射，会导致蓝牙功耗成倍飙升。因此，通常会在 FEM中包含一个极其小巧、省电的蓝牙专属小 PA。
    • FEM内部在WiFi和BT通信过程中共享通信链路（LNA）和天线时，就不能同时进行 WiFi 发射和蓝牙接收，此时就需要使用PTA机制来对蓝牙和WiFi的使用时隙进行调度管理。
  • RF末端的天线、匹配网络、BPF 这几个部分，则可以100% 完全复用。这是因为频段相同，阻抗特性一模一样，蓝牙完全可以直接使用 2.4GHz WiFi 调校好的 50 欧姆完美匹配网络。

2.4GHz/5GHz WiFi的RF复用设计（分时复用）

对于大部分低成本 IoT 设备、低端手机或单天线网卡而言，这类产品中的 WiFi 芯片普遍采用的是双频可选或者分时双频的机制来实现对两个频段的支持，其核心特征是：一芯双频，但同一时刻只能二选一。一旦 WIFi 芯片及其RF链路工作在 2.4 GHz，其5 GHz 链路就处于物理断电或休眠状态，反之亦然。

在硬件层面的设计师，这类双频复用的芯片为了极致削减成本，在硅片上只保留了一套 MAC、一套基带（PHY）和一套频率综合器（Synthesizer/PLL），但因为频段不同，所以FEM部分肯定是要独立分开的。

TDM_DualBand_WiFi_Architecture_Fixed.png

在上图所展示的双频 WiFi 分时复用的架构图中：

  • 因为无论是2.4GHz还是5GHz的WiFi通信，其基带信号的调整规范都是相同的，所以可以彻底共享基带，也就是说ADC/DAC 和基带滤波器只有一套。
  • 可以复用高频信号的 PLL，只保留一颗 PLL，然后需要在两个频段之间切换通信的时候，通过切换锁相频率分别为 2.4G 和 5G 混频器来提供本振信号。当然如上所述，这个切换的代价是每次切换都需要几个毫秒来达到本振信号的稳定，所以切换的频率不能太高，但是对于同一时刻在2.4GHz和5GHz二选一的WiFi通信应用而言足够了。
  • 需要两个频段独立的射频前端 FEM，在模拟高频段，2.4G 和 5G 必须拥有完全独立的 PA、LNA 和 T/R 开关。
  • 最终通过Diplexer 把两个频段的RF信号合路处理，RF信号耦合到到同一根双频天线上发射出去。

2.4GHz/5GHz WiFi的RF复用设计（DBDC）

接下来的双频并发（Dual Frequency Dual Concurrent）模式的2.4GHz和5GHz的wifi RF链路相对就比较简单了，整个RF链路能够复用的环节最少，成本最高：

DBDC_DualBand_WiFi_Architecture.png

  • 因为要双频并发，那么两个频段就无法复用PLL，因此RFIC部分就是完整的两套独立实现。
  • 而因为2.4GHz和5GHz频段的巨大差异性，因为整个FEM及其相关的BPF以及匹配电路也需要是完全独立的实现。
  • 最终两路并发的RF信号通过合路器Diplexer合并到一起，通过一条天线发射出去。当然也可以各自使用自己的独立天线发射出去。