提高無線路由器信號穩(wěn)定性的方法研究

蘇巧君　何明華

摘要：隨著智能手機的普及，SOHO無線路由器的使用也越來越多，在使用時經(jīng)常會遇到WIFI信號不穩(wěn)定的情況。該文通過對無線路由器RF原理的分析，在原有的生產(chǎn)校準(zhǔn)技術(shù)基礎(chǔ)上加入了新的功率補償策略。參照PA的特性參數(shù)通過新的算法對功率進行實時補償，降低用戶環(huán)境下SOC芯片工作溫度的變化對RF輸出功率的影響，保證在不同使用環(huán)境下RF信號覆蓋的有效性。最后通過實驗驗證對比，檢驗新的方法對無線路由器信號穩(wěn)定性的改善程度。

關(guān)鍵詞： 無線路由器；PA；功率；算法；HT20

中圖分類號：TP393 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）13-0022-02

Abstract： With the popularity of smart phones， the use of SOHO wireless router is also more and more frequently encountered in the use of WIFI signal instability. Through the analysis of the RF principle of the wireless router， this paper adds a new power compensation strategy based on the original production calibration technology. According to characteristic parameters of PA with a new algorithm for the real time compensation of the power， reduce the effect of the changes of SOC chip operating temperature under user environment of the RF output power and ensure the effectiveness in different use environments RF signal coverage. Finally， the new method is tested to improve the signal stability of the wireless router by experiments.

Key words： wireless router；PA； power；algorithm；HT20

隨著芯片制程工藝的改進芯片的集成度越來越高，SOHO無線路由器一般采用SOC的芯片方案，除了RAM與ROM的存儲采用外置的獨立芯片，其它模塊都與處理器內(nèi)核集成到同一芯片上。接入級無線路由器中用于放大WIFI信號的PA與基帶也多數(shù)一起集成到CPU里面。雖然可以有效降低設(shè)備的設(shè)計難度與成本，但芯片高度集成會引起溫度的波及引起無線信號的不穩(wěn)定。本文主要是從產(chǎn)品設(shè)計的角度引入了新的方法，通過實驗室模擬實際使用的環(huán)境檢驗新方法對信號穩(wěn)定性的改善程度。

1 PA的特性

在早期大多數(shù)無線路由器PA一般都采用GaAs和InGaP兩種材料，并采用了PA與基帶分開封裝在不同的芯片中。在單芯片方案上為了提高集成度很多PA的設(shè)計也采用了SiGe技術(shù)，這樣的好處主要是在于可以在功率放大器的周圍集成更多的器件，從而更節(jié)省空間[1]。

無線路由器芯片主要的發(fā)熱量來至于MIPS核心跟網(wǎng)口控制器，這兩大模塊占據(jù)了了60%以上的功耗，因此集成在同一塊芯片上的PA的工作溫度會跟著受到影響。

2 實現(xiàn)原理

802.11n技術(shù)中2.4Ghz頻段從2412Mhz-2484Mhz總共有14個信道，一般情況下頻率越高PA的放大能力就會下降。另外路由器主板上從PA到天線端還需要加入低通濾波器、阻抗匹配與倫巴電路等，由于PCB布局與器件參數(shù)的差異也會影響輸出功率的平坦度[2]。為了保證用戶在選擇不同的信道時都可以有相同的功率信號輸出，在設(shè)計上對不同的信道的增益設(shè)置成可以獨立調(diào)整的。在芯片中共設(shè)置了14個寄存器，寄存器的寫入值可以從0到最大值FF，寫入的寄存器的值每增加1理論上PA的輸出的功率就會提高0.25dBm，因此通過修改芯片的寄存器可以實現(xiàn)輸出功率的動態(tài)調(diào)節(jié)。

在無線路由器出廠時會根據(jù)當(dāng)時的環(huán)境溫度通過儀器校準(zhǔn)后寫入一組合適的寄存器值，但設(shè)備在長時間使用時環(huán)境溫度都是時刻在變化，不同用戶數(shù)接入跟工作模式都會影響整機的功耗，接入數(shù)越多CPU的占用率就越高，路由器的芯片溫度也會越高。WIFI的輸出功率會因為PA的溫度變化而變化，導(dǎo)致了路由器的WIFI信號不穩(wěn)定，這也是影響用戶體驗不可避免的內(nèi)在因數(shù)[3]。因此對信號覆蓋進行動態(tài)調(diào)節(jié)就顯得尤為重要，在本文中通過在路由器上增加溫度采集與補償算法實現(xiàn)無線路由器信號覆蓋的智能化。

3 硬件與程序設(shè)計

3.1溫度采集

實現(xiàn)功率智能控制需要在主板上增加溫度采集，搜集CPU的表面溫度變化，然后由CPU讀取后經(jīng)過補償算法計算出新的寄存器值回寫入到PA中。設(shè)計中選用美國國家半導(dǎo)體公司LM75CIMX-3設(shè)計溫度采集模塊。LM75采用3.3V的工作電壓，溫度采集范圍從-25℃-100℃，采用IIC作為讀寫的接口，具有溫度采集范圍廣、設(shè)計接口簡單等優(yōu)點[4]。

3.2 硬件設(shè)計

基于LM75設(shè)計的溫度采集模塊電路如圖1所示，通過IIC接口與SOC芯片連接，其中連接在A0、A1、A2的上拉與下拉電阻用來配置總線地址，另外在CPU_I2C_SCL上串接33歐姆電阻，在PCB設(shè)計時要靠近CPU端放置，降低時鐘信號的過沖幅度。

3.3 程序設(shè)計

CPU通過IIC接口讀取LM75采集到溫度信息，然后通過比對無線路由器在生產(chǎn)時儀器校準(zhǔn)記錄下的環(huán)境溫度，如果溫度超過了一定的偏差范圍就調(diào)用補償算法程序。校準(zhǔn)程序流程圖如圖2所示，首先計算出當(dāng)前溫度與預(yù)設(shè)溫度的差值，然后通過查找數(shù)據(jù)庫找到溫度差異區(qū)需要增加多少檔的功率補償；接著讀取存儲在EERPOM文件中固化的寄存器的值，在原值的寄存器與差值做加減法，得到一組新數(shù)值；最后將得到的新值回寫到路由器的PA寄存器中，完成了一次的動態(tài)功率校準(zhǔn)。由于寄存器的最大值允許值是FF如果超過了范圍就用最大值來替代。如果讀取到的當(dāng)前溫度在初始溫度的偏差范圍內(nèi)就取消校準(zhǔn)程序的調(diào)用。

4 實驗驗證

4.1 高低溫測試環(huán)境

將路由器放置在高低溫箱中，環(huán)境溫度設(shè)置在-10℃到40℃之間變化，使用無線測試儀IQ flex測試路由器的發(fā)送功率并記錄，IQ FLEX儀器需要通過網(wǎng)線連接到控制臺，實驗環(huán)境如圖3所示。

4.2 實驗結(jié)果與分析

在實驗中選用了基于RT3352方案無線路由器作為實驗的樣機，分別記錄普通模式與智能功率控制兩種模式下HT20輸出功率與溫度的變化，實驗數(shù)據(jù)如圖4所示。為了保證實驗的可靠性采用多次測試取平均的方法。從實驗結(jié)果可以看出打開智能功率控制后輸出功率的穩(wěn)定性由提高了很多，特別是在高溫環(huán)境下，普通模式輸出功率衰減嚴(yán)重，開啟智能模式后基本控制在±1dBm，這對設(shè)備在不同的氣候環(huán)境下使用WIFI信號的穩(wěn)定性提供了可靠的保障。在低溫的環(huán)境下路由器的輸出功率已接近20dBm，此時信號的EVM嚴(yán)重下降，無線有效帶寬也會跟著降低，影響移動設(shè)備的WIFI接入體驗。

5 結(jié)束語

無線路由器內(nèi)部PA特性決定了輸出功率與信號的EVM是相互對立的，功率過低會降低信號的覆蓋面跟穿墻效果，過高的輸出功率會導(dǎo)致信號EVM的下降，誤碼率提高了數(shù)據(jù)吞吐率也跟著降低。通過實際的使用測量直觀的體現(xiàn)了智能補償對用戶使用的改善程度，對路由器產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計起到了指導(dǎo)性的作用。

參考文獻：

[1] 李春雷，郭裕順.射頻集成電路的模擬技術(shù)[J].微電子學(xué)與計算機，2003（9）：20-27.

[2] 陳彥輝.高速無線局域網(wǎng)主要技術(shù)[J].中興通訊技術(shù)，2006.

[3] 陳邦媛.射頻通信電路[M].北京：科學(xué)出版社，2002.

[4] 倪曉軍.基于LM75的多點溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].中國新通信，2009（9）：84-88.