進化するWi-Fiテクノロジー、顧客の期待の高まり、ライセンスのないワイヤレスリンクから混雑したIoTデバイスへのWi-Fiの使用の増加により、デバイスをサポートするコンポーネントにさらに圧力がかかっています。何よりも、RFが常に最初に表示されます。 CPUはデバイスの頭脳として機能し、RFは耳として機能し、そのパフォーマンスがデバイスのパフォーマンスを定義します。

802.11aから始めて、802.11ax標準に移行しました。 これにより、RFマニホールドの複雑さが増し、最適化されたソリューションを提供するには高度なエンジニアリングの専門知識が必要になります。 RF設計は、RF回路設計、コンポーネントの選択、アンテナ設計、およびテスト/検証で構成される段階的なプロセスです。 各ステップは、デバイスのパフォーマンスを最大化するために等しく重要です。 1つのブログですべてのコンポーネントを説明するだけでは不十分ですが、このブログではRF回路の重要な要素について触れています。

RF回路

ソリューションの設計に関しては、RF回路の設計が最初の最も重要なステップです。 RF回路には、回路設計、コンポーネントの選択、および問題が発生した場合の便利なデバッグが含まれています。 RF回路は広大なテーマであり、Wi-Fiソリューションを設計するには多くの研究開発と知識が必要です。 ハードウェア設計エンジニアは、Wi-Fiソリューションを設計する際に、常にいくつかの重要な基本事項を念頭に置く必要があります。

  • 信号対雑音比（SNR）：最も重要な要素の1つは、信号対雑音比（SNR）です。これは、信号がノイズの影響を受ける量を識別します。ノイズレベルは信号の品質に反比例します。ノイズは信号とうまく統合できるため、ノイズの多い信号でもオシロスコープでは問題なく表示されます。ただし、周波数に変換すると、信号レベルとノイズレベルが別々に明確に表示されます。それらの間の対数比は信号対雑音比であり、より多くのギャップはより良い信号につながります。
  • 雑音指数：雑音指数（NF）と雑音指数（F）は、信号チェーンのコンポーネントによって引き起こされる信号対雑音比（SNR）の低下の測定値です。成分雑音指数は、入力SNRと出力SNRの比率です。ただし、完全なRF回路設計は複数のステージで構成されており、図に示すように、コンポーネントが増えるとノイズが発生し、次のLNA / PAがそれを増幅します。

RFエンジニアにとって、良い回路と悪い回路の違いを生む最小または低雑音指数の最初の要素を選択することは非常に重要です。

  • 雑音指数：雑音指数（10log F> = 0dB、ここでFは雑音指数）は、設計された回路を理想的なゼロ雑音回路と比較したときのものです。言い換えれば、雑音指数は単にデシベル（dB）単位の雑音指数です。それは私たちのRF回路の健全性を定義します。雑音指数がマイナスになることはありません。つまり、出力が入力よりも優れていることはありません。全体的な考え方は、RF回路を設計するときに、NF値を最小にするか、可能な限りゼロに近づけることです。
  • 歪み：さらに、TxはRxが聞くことができる良好な信号を送信する必要があります。 Txには、歪みという非常に一般的な問題があります。これは、元の形状と信号ゲインが失われることを意味します。これは通常、FEMモジュールの非線形特性が原因で発生します。この歪みは、ハード歪みとウィーク歪みの2つのタイプに分けることができます。ハードディストーション（シグナルクランプ）は、信号の上部振幅をディストーションし、信号の元の形状を変更します。弱い歪み（倍音の生成）は、元の波の周波数の整数倍である倍音を追加します。これらの歪みは両方とも、ゲイン圧縮、ブロッキングと感度低下、および相互変調（IP2、IP3）の3つの主な原因を引き起こします。 
  • 位相ノイズ：これは通常、水晶発振器から発生するため、エンジニアはこの問題を回避するために高品質の発振器を選択する必要があります。
  • 画像反射：画像反射は、Rx側のRFICでの信号ミキシング中に発生します。これは回路に深刻な問題を引き起こし、何度も見逃される可能性があります。これは、画像の反射を拒否し、元の画像に90度シフト画像を追加することで対処できます。
  • フィルタ：表面弾性波（SAW）/バルク音波（BAW）を使用して、受信信号をフィルタリングし、対象の帯域のみを受信します。これらの「Q」は数百にのぼりますが、調整することはできません。したがって、SAWフィルタは、主要な懸念事項である帯域外周波数を除去する上で重要な役割を果たします。インバンドブロッカーは、ダウンコンバージョン後にインバンド周波数を除去するために使用されます。
  • その他の考慮事項：これとは別に、RFエンジニアは、正確な計算を行うために、インピーダンス整合、アンテナ仕様、回路損失、スイッチ（TDD）、デュプレクサ（FDD）などを考慮する必要があります。 Rxエンドと言えば、すべてのアンテナにはある程度の感度レベルがあります。これは、特定のSNRで検出できる信号の最小レベルを示します。コンポーネントと配置を選択するためのリバースエンジニアリングリファレンスを提供します。次のセクションでは、Rxのすべての主要なアーキテクチャについて説明します。

アーキテクチャ

上記の重要な考慮事項のいくつかを通過した後、実際には、スーパーヘテロダイン、低IF、直接変換、直接サンプリング、RFサンプリングなど、帯域外の長所と短所を持つアーキテクチャはほとんどありません。 Wi-Fiドメインで使用されるアーキテクチャの概要を説明します。

  • スーパーヘテロダインは、一般的に優れた感度を提供し、低周波数での処理が容易なレガシーアーキテクチャです。 また、下図のように2段階のアーキテクチャです。 ここで、IRフィルター（画像除去）、Lo1およびIFフィルター（中間周波数）は信号の可能な限り最良のフィルタリングを提供し、LO2は処理のために信号をベースバンド信号に再生成するのに役立ちます

スーパーヘテロダインの欠点は、必要なコンポーネントの数であり、コストのかかるソリューションになります。 これにより、回路内の局部発振器と非線形成分によるスプリアスの可能性が高まります。

  • 直接サンプリングは、特にWi-Fi回線で、最近最も広く使用されているアーキテクチャです。 平均して、Wi-Fi回路の70〜80％は直接サンプリングアーキテクチャを使用して構築されています。 消費電力が少なく、IFチェーンのスペース要件が少なく、画像周波数除去が優れているため、人気のある選択肢となっています。 このアーキテクチャでは、信号はフィルタを通過し、次にアナログIQ復調器を通過します。 アナログIQ復調器は、信号をLOから生成された90度シフトされた信号と混合します。 これは画像信号の除去に役立ちますが、一部のDCコンポーネントはベースバンド信号を回避し、後で複雑なアナログベースバンドフィルターを使用して除去できます。

しかし、このアーキテクチャの問題は、コンデンサなどを介した信号の漏れによる、ミキサーを介したLO信号の自己混合です。 このミキシングはDC信号を生成し、増幅されたプロセッサに大きな問題を引き起こします。 したがって、この問題を解消するために、単純なコンデンサを使用して混合フェーズ後にDCコンポーネントをブロックし、高レベルのシールドを使用してRF回路を相互に分離することができます。 自動ゲインキャリブレーションは、将来の5Gテクノロジーで必要となる一部の設計で使用されます。

  • RFサンプリングアーキテクチャは、信号のミキシングとフィルタリングがデジタルドメインで行われる比較的新しい概念です。 これは、アナログドメインで同じ手順を実行する直接サンプリングの反対です。 ここでは、必要なコンポーネントははるかに少なくなりますが、コストは直接サンプリングよりもはるかに高くなります。 このアーキテクチャは、多くの高周波アーキテクチャが必要になる今後数年間で普及する可能性があります。

リンク予算分析

上記とは別に、リンクバジェットの計算により、信号を送信できる距離とスループットが得られます。 実際の展開シナリオでは、利用可能で許容可能な出力電力、アンテナゲイン、利用可能な帯域幅、受信機の感度、ワイヤレステクノロジー、環境条件など、いくつかの要因がワイヤレスシステムのパフォーマンスに影響を与えます。 信号強度を計算するための簡単な式は次のとおりです。

受信電力（dBm）=送信電力（dBm）+ゲイン（dB）-損失（dB）

推定受信電力がRx感度（リンクマージン）と比較して十分に高い場合、リンクバジェットはデータを送信するのに十分であると見なされます。実際の展開シナリオで発生する主な損失は次のとおりです。

  • 自由空間経路損失：湿度や温度などの環境要因による信号強度の損失。
  • マルチパス損失：波が異なるパスに沿って移動し、不要な干渉を引き起こし、信号がRx端で位相がずれて、互いに打ち消し合う場合。
  • ケーブル損失：ケーブルの長さ全体にわたる電力損失の量を指します。
  • RFコネクタの損失：コネクタの材質またはコネクタの緩みによる損失  

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