（测试计量技术及仪器专业论文）基于ieee80211bg协议标准的wlan网卡的设计与实现.pdf

基于le e e 8 0 2 1 1b g 协议标准的w l a n 网卡的设计与实现 摘要 基于无线局域网( w l a n ) i e e e 8 0 2 1 l b 和i e e e 8 0 2 1 1 9 协议标准的要求，本文设 计了一种带有u s b 接口的网卡设备，并对其进行加工，电路调试，性能测试。 首先，论文进行了系统方案设计，然后对系统各个模块做了详细设计。射频电路模 块是通信设备中一个非常重要的组成部分，它把接收到的微弱信号进行放大，进行下变 频处理后输出给后端的基带信号处理电路。同时也把基带信号进行上变频处理后以最大 的发射能量发射出去。因此，射频电路是整个系统中最主要的部分。 其次，对匹配网络进行了设计，在通信系统中根据传输线理论，功率传输最大效应， 匹配电路起着很大的作用，它直接影响系统的性能。本文阻抗匹配都做5 0 欧姆，与所 有测试设备相匹配。同时从节约成本方面考虑，设计了微带天线，用仿真软件a d s 对 天线进行了仿真分析，加工后并用矢量网络分析仪( v n a ) 测试了天线的性能，经测 试该天线达到设计要求。 最后，用相应软件对接收a g c 电路与发射电路进行了调试，包括寄存器初始化配 置和信道配置。由测试结果表明该网卡达到了性能指标要求。 经实际环境中使用表明，本文设计的网卡体积小，性能稳定，支持国家安全协议标 准，也可单独用作a p 使用，符合i e e e 8 0 2 11 b i g 标准。 关键词：无线局域网( w l a n ) ，网卡，射频匹配，微带天线 d e sig na n dim pie m e n to faw l a nc ar dd e v ic eb a s e do n ie e e 8 0 2 11ba n die e e 8 0 2 11go rit erio n s a b s t r a c t ac a r di sd e s i g n e dw i t hu s bi n t e r f a c ed e v i c eb a s e do nt h er e q u i r e m e n t so fw i r e l e s s l o c a la r e an e t w o r k ( w l a n ) i e e e 8 0 2 1l ba n di e e e 8 0 2 1lgc r i t e r i o n si nt h i sp a p e r , a n d a p p l i e dt ot h ea c t u a lu s eo ft h ec l i e n te n v i r o n m e n ta f t e rt h e i rp r o c e s s i n g ，c i r c u i td e b u g g i n g a n dp e r f o r m a n c et e s t i n g a tf i r s t ，d e s i g n sas y s t e mp l a n ，a n dt h e nd o e st h ed e t a i l e dd e s i g nf o re a c hm o d u l eo ft h e s y s t e m r fm o d u l ei sav e r yi m p o r t a n tp a r to fc o m m u n i c a t i o n se q u i p m e n t i te n l a r g e st h e r e c e i v e dw e a ks i g n a l sa n da f t e rt h ed o w nf r e q u e n c yc o n v e r s i o np r o c e s s i n gs e n d st h e mt ot h e b a c k e n db a s e b a n ds i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i t a tt h es a n l et i m e ，i ta l s od o e st h et o pf r e q u e n c y c o n v e r s i o np r o c e s s i n gw i t ht h eb a s e - b a n ds i g n a l sw h i c ha r et h e nl a u n c h e db yt h el a r g e s t l a u n c he n e r g y t h e r e f o r e ，t h er fc i r c u i ti st h em o s ts i g n i f i c a n tp a r to ft h es y s t e m t h ed e s i g no fm a t c h i n gn e t w o r k s i nt h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，m a t c h i n gc i r c u i t p l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l eb a s e do nt r a n s m i s s i o nl i n et h e o r ya n dt h em a x i m u me f f e c to f p o w e rt r a n s m i s s i o n i td i r e c t l ya f f e c t st h ep e r f o r m a n c eo f t h es y s t e m t h i sp a p e rh a sd o n e t om a t c h5 0o h mm a t c h ，w i t ha l lt e s te q u i p m e n t st om a t c h f r o mac o s t - s a v i n gp o i n to fv i e w , am i c r os t r i pa n t e n n ai sd e s i g n e d ，t h es i m u l a t i o no fa n t e n n aa n a l y s i su s i n ga d ss i m u l a t i o n s o f t w a r ei sd o n ea n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h ea n t e n n ai st e s t e db yt h ev e c t o rn e t w o r ka n a l y z e r ( v n a ) a tl a s t ，t h er e c e i v e ra g cc i r c u i t sa n dt r a n s m i t t i n gc i r c u i t sa r ed e b u g g e db y c o r r e s p o n d i n gs o f t w a r e ，a n dr e g i s t e r si n i t i a l i z a t i o nc o n f i g u r a t i o na r ed o n e ，i n c l u d i n gc h a n n e l c o n f i g u r a t i o n a c c o r d i n gt ot h ep e r f o r m a n c et e s t i n go fl a ne q u i p m e n t ，r e s u l t ss h o w st h a ti t f i t st h e t a r g e tr e q u i r e m e n t s t h ed e s i g no ft h ec a r d i nt h i sp a p e rh a sas m a l ls i z e ，p e r f o r m a n c e s t a b i l i t y , a n ds u p p o r t st h en a t i o n a ls e c u r i t yp r o t o c o ls t a n d a r d s ，b u ta l s oas e p a r a t ea pf o r u s i n gw i t ht h ei e e e 8 0 2 1l b g c r i t e r i o n s k e yw o r d s ：w i r e l e s sl a n ( w l a n ) ，l a nc a r d ，r fm a t c h i n g ，m i c r os t r i pa n t e n n a 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名： 筮蠢盎 e 11 t i l ： 笙翌3 ，6 ：三 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括： 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可 以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学 位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位 论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容( 保密学位论文在解密 后遵守此规定) 。 中北大学学位论文 1 绪论 信息技术的飞速发展，使人们对计算机的依赖也迅速增加，用户需要互连的计算机 数量更多，类型也更为复杂。随着通信和网络技术的发展，人们可以根据不同要求选择 不同的网络方案，但是传统的有线网络由于受设计或环境条件的制约，在地理、资金方 面普遍存在着一系列的问题，特别是当涉及网络移动和重新布局时。所以发展一种可行 的无线通信网络技术作为现有数据连接的扩充己成为一种需要。同时随着个人数据通信 的发展，人们对无线网络通信的需求也不断提高，希望打破地域或客观条件的制约，能 够“实现任何人在任何时候的任何地方与任何人进行任何方式的通信。”这进一步要求 传统的计算机网络由有线向无线，由固定向移动，由单一业务向多媒体业务发展。作为 个人通信的一个重要组成部分，无线局域网已经掀起了移动通信的新浪潮，在现实及未 来社会中将得到广泛的应用【l 】【2 1 。 1 1 无线局域网简介 从频率、频宽、范围、应用方式等要素来划分无线通信技术【3 】，主要分为如图1 1 所示四类：无线个人区域网( w p a n ) 、无线局域网( w l a n ) 、无线城域n ( w m a n ) 、无 线广域网 佩，a n ) 。目前的无线局域网络以i e e e8 0 2 1 1 标准为基础，称为w i f i 网络钔。 8 0 2 1 58 0 2 1 18 0 2 1 68 0 2 2 0 图1 1 无线通信技术分类 无线局域网是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。通俗点说，无线局域网 1 中北大学学位论文 ( w i r e l e s sl o c a l a r e an e t w o r k ，w l a n ) 就是在不采用传统电缆线的同时，提供传统有线 局域网的所有功能，网络所需的基础设施不需要再埋在地下或隐藏在墙里，网络却能够 随着实际需要移动或变化。无线局域网技术具有传统局域网无法比拟的灵活性，其通信 范围不受环境条件的限制，网络的传输范围大大拓宽，最大传输范围可达到几十公里。 相对于有线网络，无线局域网的组建、配置和维护较为容易，一般计算机工作人员都可 以胜任网络的管理工作。无线局域网的基础还是传统的有线局域网，是有线局域网的扩 展和补充。它只是在有线局域网的基础上通过无线集线器、无线访问节点、无线网桥、 无线网卡等设备使无线通信得以实现。与有线网络一样，无线局域网同样也需要传送介 质。只是无线局域网采用的传输媒体不是双绞线或者光纤，而是红外线或者无线电波， 以后者使用居多【5 】。无线局域网( w l a n ) 的特点主要从以下三方面介绍。 1 传输方式 w l a n 的传输方式包括w l a n 采用的传输媒介、选择的频段及调制方式。目前 w l a n 采用的传输媒介主要有两种，即微波与红外线。采用微波作为传输媒介的w l a n 技术根据调制方式不同，又可分为扩频方式与窄带调制方式。 在扩频方式中，数据基带信号的频谱被扩展至几倍至几十倍之后再被挪移至射频前 端发射出去。这一做法虽然牺牲了频带带宽，却提高了通信系统的抗干扰能力和安全性。 由于单位频带内的功率降低，对其他电子设备的干扰相对减小。采用扩频方式的w l a n 一般选择所谓的i s m 频段，这里的i s m 分别取自i n d u s t r i a l ( i 业的) 、s c i e n t i f i c ( 科研的) 及m e d i c a l ( 医疗的) 的第一个字母。许多工业、科研和医疗设备都使用该频段。欧、美、 日等国家的无线管理机构分别设置了各自的i s m 频段。i s m 频段由9 0 2 m h z 9 2 8 m h z ， 2 4 g h z - 2 4 8 4g h z 和5 7 2 5g h z - 5 8 5 0g h z 三个频段组成。如果发送功率及带外辐射 满足美国联邦通讯委员会( f c c ) 的要求，则无须向f c c 提出专门的申请即可使用这 些i s m 频段。 在窄带调制方式中，数据基带信号的频谱不做任何扩展即被直接搬移到射频前端发 射出去。与扩频方式相比，窄带调制方式占用频带少，频带利用率高。采用窄带调制方 式的w l a n 一般选用专用频段，需要经过国家无线电管理部门的许可方可使用。当然， 也可选用i s m 频段，这样可免去向无线电管理委员会申请。但带来的问题是，当临近 的仪器设备或通信设备也在使用这一频段时，会严重影响通信质量，通信的可靠性无法 2 ， 中北大学学位论文 得到保证。 基于红外线的传输技术最近几年有了很大发展。目前广泛使用的家电遥控器几乎都 是采用红外线传输技术。作为w l a n 的传输方式，红外线方式的最大优点是这种传输 方式不受无线电干扰，且红外线的使用不受国家无线管理委员会的限制。然而，红外线 对透明物体的透过性极差，这导致传输距离受限制。 2 无线组网特点 通信可靠。具有理想的接收灵敏度，全向天线能够提供强大的、可靠的无线传 输。 成本低。使用w l a n 可以避免安装线缆的高成本、租用线路的月租费用以及当 设备需要移动而增加的相关费用。 灵活性。由于没有线缆的限制，用户可以随心所欲地增加工作站或重新配置工 作站。 移动性。w l a n 设置允许用户在任何时间、任何地点访问网络数据，不需要指 定明确的访问地点，因此用户可以在网络中漫游。 高吞吐量。w l a n 可以实现5 4 m b s 的数据传输速率。 安全性等同于有线。在无线通信领域，安全性是人们一直关注的一个问题， w l a n 通过使用额外的安全机制使其安全性等同于有线系统的安全性。这些安全 机制包括：b s s s 扩频技术，f h s s 跳频技术，在单个工作站一级实现访问控制， 使用网络标识和一种基于r c 4 加密技术的可选加密机制等。 3 w l a n 的应用 w l a n 的应用范围非常广泛，主要分为室内和室外两种应用。室内应用包括大型 办公室、高级住宅区、酒店、车间、智能仓库、临时办公室、会议室和证券市场等；室 外应用包括城市建筑群间通信、学校校园网络、工矿企业厂区自动化控制与管理网络、 银行金融证券城域网、矿山、水利、油田、港头、码头、江河湖坝、野外勘测实验、军 事移动网和公安移动网等。 在难于布线的室外环境下，w l a n 可充分发挥其高速率、组网灵活之优点。尤其 在公共通信网不发达的状态下，w l a n 可作为区域网( 覆盖范围几十千米) 使用。 3 中北大学学位论文 1 2w i _ a n 的现状与发展 在中国，w l a n 应用市场开始于2 0 0 0 年，真正启动却是2 0 0 1 年下半年。随之中 国电信、中国网通开始在全国展开，中国网通在2 0 0 2 年中已经在北京、上海、广州、 深圳四个城市的4 5 个商务中心地区铺设了无线局域网。中国移动则从2 0 0 2 年底开始在 全国大规模地建设w l a n ，中国联通也在2 0 0 3 年c d m a 网络中引入w l a n 技术来配 合使用。 纵览国内w l a n 设备市场，海外供给商在网络系统解决方案的提供方面起步较早， 可以为运营商提供无线访问接入点、无线路由器和无线网桥等系统设备。国内厂商也纷 纷开始看好w l a n 市场，华为、中兴、大唐等设备厂商都开发了自己的网络产品，从 网络系统的解决方案到内置的无线网卡等。此外，国内的笔记本电脑厂商也积极涉足 w l a n 市场，纷纷与国内的运营商结成w l a n 服务的战略合作关系。 在中国市场上，无线网络客户规模持续成长，技术不断开发创新，应用也趋于多元 化，将成为w l a n 产业发展的新动力。w l a n 设备的可移动性带来了使用上的方便和 较高的用户接入速率，随着a p 、n i c 等w l a n 设备价格的下降，中国w l a n 的用户 数量将迅速增加，迎来发展新高潮。w l a n 的终端设备范围将涵盖笔记本电脑、台式 机、p d a 及打印机等办公设备，而w l a n 无线网卡将成为笔记本电脑的必备配置。 w l a n 网络也广泛应用在高级住宅区、酒店等公共场合。 无线局域网的应用主要集中在公众服务、企业用户、校园网、政府机构、家庭及个 人用户等领域，但随着应用的逐渐深入，市场重心会从公众服务应用渐渐过渡到企业应 用及家庭应用上。按照国外的发展经验，无线局域网应用最初的重点是高层商务人士， 因此中国网通定位在四星、五星级酒店宾馆等高级场所。但无线应用的最终方向是逐渐 趋于大众化，所以企业用户及家庭用户是未来两年无线局域网最大的潜在用户群，因此 中国电信定位于家庭用户，将无线网卡、网关打包销售，价格面向普通大众。w l a n 公众运营市场保持高速增长。同时，行业用户w l a n 建设应用也持续增长，促进中国 w l a n 设备市场全面、快速增长。w l a n 设备市场的发展在中国市场中目前已具备相 当规模。 从发展趋势来看，随着产品价格和技术方面日渐成熟，校园网对w l a n 应用会增 4 中北大学学位论文 长迅速，尤其是高等教育和科研机构对w l a n 的需求不断增加，将为w l a n 创造广阔 的空间。同时，在金融、旅游、医护、库管、会展等领域，无线网络有着广阔的应用前 景。可以预见，随着开放办公的流行和手持设备的普及，人们对移动性访问和存储信息 的需求愈来愈多，无线局域网的市场已经成熟。 ( 1 ) 与移动通信网结合。因为w l a n 覆盖范围有限，而现有的移动通信网络可以提 供广域覆盖面，因此，移动运营商可以将移动通信网的漫游功能和w l a n 结合，提高 用户无线上网的覆盖范围。 ( 2 ) 与固网结合。在机场、酒店、办公楼和咖啡厅等商务密集地区，采用w l a n 提 供公共移动服务的成本很低，可满足大量用户的移动上网需求，w l a n 可快速地为用 户提供数据服务。对于中国网通和中国电信而言，可将w l a n 与a d s l 业务互为补充， 打破宽带接入的瓶颈，提高服务质量。 ( 3 ) 来自终端厂商的支持。目前，h p 、i b m 等厂商已经开始把w l a n 作为其笔记本 电脑的一项重要配置，而且还提出了从产品到销售的一整套解决方案。随着p d a 、笔 记本电脑和其他个人设备的普及，w l a n 的移动性和高速率将使其渐渐变得更为实用。 但是目前w l a n 也存在的缺陷。首先，无线局域网的传输距离有限，受干扰的可 能性比较大，因此没有有线网稳定可靠；其次，w l a n 安全也成为一大问题。 1 3w l a n 协议标准 无线接入技术区别于有线接入的特点之一是标准不统一，不同的标准有不同的应 用。最早的w l a n 产品运行在9 0 0 m h z 的频段上，速度大约只有1 m b p s 2 m b p s 。1 9 9 2 年，工作在2 4 g h z 频段上的w l a n 产品问世，之后的大多数w l a n 产品也都在此频 段上运行。目前的w l a n 产品所采用的技术标准包括：i e e e 8 0 2 1l a 、i e e e 8 0 2 1 1 b 、 i e e e 8 0 2 1 l g 、h o m e r f ( 家庭网络) 、i r d a 和蓝牙【6 】。表1 1 列出了现有各无线局域网的 性能比较。 5 中北大学学位论文 表1 1 几种无线局域网的比较 8 0 2 1 1 a8 0 2 1 l b 8 0 2 1 l g b l u e t o o t hh o m e r f 频率( g h z ) 52 42 42 42 4 最高速率( m b p s ) 5 41 15 412 d s s s ，c c k 调制方式o f d m d s s s ，c c k g f s k f s k ( f h s s ) p b c c ，o p d m 距离( m ) 5 0 1 0 01 0 01 0 01 0 1 0 01 0 0 业务数据数据，图像数据、图像语音，数据语音，数据 1 3 1 le e e 8 0 2 11 协议 表1 2 列出了无线网络技术整体发展及系统规格比较【7 1 。 表1 2 无线网络技术整体发展及系统规格比较 标准调制技术传输速率传输使用频段制定团体推出 距离时间 8 0 2 1 1f h s s d s s s 2 m b p s 1 0 0 m2 4 g h zi e e e1 9 9 7 8 0 2 1 l ao f d m5 4m b p s5 0 m5g h zi e e e1 9 9 9 8 0 2 1 1 bd s s s1 1m b p s1 0 0 m2 4g h zi e e e1 9 9 9 8 0 2 1 1 c | l|i e e e2 0 0 1 8 0 2 1 1 d| |i e e e2 0 0 1 8 0 2 1 l e| |i e e e2 0 0 5 8 0 2 1 1 f|i e e e 2 0 0 3 8 0 2 1 l g o f d m 伊b c c5 4m b p s1 0 0 m2 4 5g h zi e e e2 0 0 3 8 0 2 1 l h|l e e e2 0 0 3 8 0 2 1 1 i|i e e e2 0 0 4 8 0 2 1 i n0 f d m m i m o3 0 0m b p s6 0 0 m2 4 5g h zi e e en a h i p e r l a n 1o f d m2 4m b p s5 0 m5g h ze t s i2 0 0 1 h i p e r l a n 2o f d m 5 4m b p s3 0 m5g h ze t s i2 0 0 2 h o m e r f lf h s s2m b p s1 0 0 m2 4g h zh o m e r fw g2 0 0 1 h o m e r f 2w b f h 1 0m b p s5 0 m2 4g h zh o m e r fw g2 0 0 1 b l u e t o o t hf h s s1 - - 4m b p s1 0 m2 4g h zb l u e t o o t hs i g2 0 0 1 z i g b e e d s s s2 0 4 0 2 5 0l0 - - , 7 5 m0 8 6 8 0 9 1 z i g b e e n a k b p s 5 2 4g h za l l i a n c e u w bo f d m c d m al10 2 2 0 4 8 01 0 m3 1 1 0 6i e e e n a m b p s g h z 删a x n a 7 叽1 2 05 0 k m 2 1 1g h zi e e e2 0 0 3 m b p s 6 中北大学学位论文 1 9 9 7 年6 月，i e e e 推出了第l 代w l a n 标准- - i e e e 8 0 2 1 1 ( 1 9 9 7 版) ，随后在1 9 9 9 年推出了新的i e e e 8 0 2 1 1 ( 1 9 9 9 版) 。该标准定义了物理层和媒介访问控制子层( m a c ) 的技术规范，允许w l a n 及无线设备制造商在一定范围内建立互操作网络设备。任何 l a n 应用、网络操作系统或协议( 包括t c p i p 和n o v d ln e t w a r e ) 在遵守i e e e 8 0 2 11 标准的无线l a n 上运行时，就像它们运行在以太网上一样容别引。 i e e e 8 0 2 11 在物理层定义了数据传输的信号特征和调制方法【9 】，定义了两种无线电 射频( r f ) 传输方式和一种红外线传输方式。其中r f 传输标准包括直接序列扩频技术 ( d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ，d s s s ) 和跳频扩频技术( f r e q u e n c yh o p p i n gs p r e a d s p e c t r u m ，f h s s ) 。d s s s 采用一个长度为l i 比特的b a r k e r 序列来对以无线方式发送的 数据进行编码。每个b a r k e r 序列表示一个二进制数据位( 1 或o ) ，并被转换成可以通 过无线方式发送的波形信号。这些波形信号如果使用二进制相移键控( b p s k ) 调制技 术，可以以1 m b s 的速率进行发射；如果使用正教相移键控( q p s k ) 调制技术，发射 速率可以达到2 m b p s 。f h s s 利用g f s k 二进制或四进制调制方式可以达到2 m b n 工作 速率。 1 i e e e 8 0 2 1l b t l 0 1 由于现行的以太网技术可以实现1 0 m b p s ，1 0 0m b p s 乃至1 0 0 0m b p s 等不同速率， 要实现与以太网络之间的兼容，能支持更高的数据传输速率，i e e e 于1 9 9 9 年9 月批准 了i e e e 8 0 2 1 1 b 标准。i e e e 8 0 2 1 1 b 标准对i e e e 8 0 2 1 1 标准进行了修改和补充，其中最 重要的改进就是在i e e e 8 0 2 1 1 的基础上增加了两种更高的通信速率5 5m b p s 和1 1 m b p s 。因此有了i e e e 8 0 2 1 i b 标准之后，移动用户将可以得到以太网级的网络性能、 速率和可用性，管理者也可以无缝地将多种l a n 技术集成起来，形成一种能够最大限 度地满足用户需求的网络。i e e e 8 0 2 1 1 b 的基本结构、特性和服务仍然由最初的 i e e e 8 0 2 1 1 标准定义。i e e e 8 0 2 1 i b 技术规范只影响i e e e 8 0 2 1 1 标准的物理层，它提 供了更高的数据传输速率和更牢固的连接性。 i e e e 8 0 2 1 l b 可以支持两种速率_ 5 5 m b p s 和1 m b p s 。而要做到这一点，就需要选 择d s s s 作为该标准的唯一物理层技术，因为，目前在不违反f c c 规定的前提下，采 用跳频扩频技术无法支持更高的速率。这意味着i e e e 8 0 2 1 i b 系统可以与速率为1 m b p s 和2m b p s 的i e e e 8 0 2 1 l d s s s 系统兼容，但却无法与速率为lm b p s 和2m b p s 的 7 中北大学学位论文 i e e e 8 0 2 1 1 f h s s 系统兼容。 为了增加数据通信速率，i e e e 8 0 2 1 l b 标准不是使用1 1 比特长的b a r k e r 序列，而是 采用了补充编码键控( c c k ) ，c c k 由6 4 个8 比特长的码字组成。作为一个整体，这 些码字具有自己独特的数据特性，即使在出现严重噪声和多径干扰的情况下，接收方也 能够正确地予以区别。i e e e 8 0 2 1 l b 规定在速率为5 5 m b p s 时使用c c k ，对每个载波进 行4 比特编码；而当速率为1 1 m b s 时，对每个载波进行8 比特编码。这两种速率都使 用q p s k 作为调制技术。 2 i e e e 8 0 2 1la 1 1 】 i e e e 8 0 2 1 1 a 标准是已在办公室、家庭、宾馆和机场等众多场合得到广泛应用的 i e e e 8 0 2 1 l b 无线组网标准的后续标准。i e e e 8 0 2 1 l a 使用正交频分复接( o f d m ) 为调 制技术，工作频段在5 g h z ，可以取得6 、9 、1 2 、1 8 、2 4 、3 6 、4 8 和5 4 m b s 的速率， 支持语音、数据和图像业务。 3 i e e e 8 0 2 1lg t 1 2 】 在2 0 0 0 年初，i e e e 8 0 2 1 l g 的工作组棘手了一项开发高速、向下兼容非常成功 的i e e e 8 0 2 1 l b 物理层标准的工作，新增的i e e e 8 0 2 1 l g 标准将兼容i e e e 8 0 2 1 l b 的 m a c ，实现所有i e e e 8 0 2 1 l b 所必备功能并保证兼容、可交互，同时包括至少2 0 m b p s 的速度，还包括2 4 g h z 5 g h z 波段的融合，从而在2 4 g h z 频段获得更高的速度。 i e e e 8 0 2 1 l g 草案采用了i e e e 8 0 2 1 1 b 标准的要求，在2 4 g h z 频段速度可扩展至 5 4 m b p s 。i e e e 8 0 2 1 l g 的最重要的方面是向后兼容i e e e 8 0 2 1 l b 。i e e e 8 0 2 1 l b 中的可 选的5 5 m b p s 数据包二进制卷积码在i e e e 8 0 2 1 l g 中被扩展到2 2 m b p s 和3 3 m b p s 。 为取得5 4m b p s 的速率，i e e e 8 0 2 1 l g 草案借用了i e e e 8 0 2 1 l a 。i e e e 8 0 2 1 l a 在5 g h z 频段采用了正交频分复用( o f d m ) ，可以取得6 、9 、1 2 、1 8 、2 4 、3 6 、4 8 和5 4 m b s 的速率。i e e e 8 0 2 1 l g 在2 4 g h z 频段采用了同样的编码格式取得了同样的速率，规定 o f d m 速率为6 、1 2 和2 4 m b p s 。 8 中北大学学位论文 1 3 2 蓝牙技术 蓝牙( i e e e 8 0 2 1 5 ) 标准比i e e e 8 0 2 1 1 标准出现的晚，对于i e e e 8 0 2 1 1 来说，它 的出现不是为了竞争而是相互补充。“蓝牙 是一种较先进的大容量近距离无线数字通 信的技术标准，其目标是实现最高数据传输速度1 m b p s ( 有效传输速率为7 2 1 k b p s ) ， 传输距离为1 0 - - 一1 0 0 米。蓝牙成本低、体积小，可用于更多的设备，“蓝牙 最大的优 势还在于，在更新网络骨干时，如果搭配“蓝牙 结构进行，使用整体网络的成本肯定 比铺设线缆低。 1 3 3 家庭网络的h o m e r f 标准 h o m e r f 主要为家庭网络设计，是i e e e 8 0 2 1 1 与数字无绳电话标准的结合，旨在 降低语音数据成本。h o m e r f 也采用了扩频技术，工作在2 4 g h z 频带，能同步支持4 条高质量语音信道。但目前h o m e r f 的传输速率只有1 m 2 m b p s ，美国联邦通信委员 会建议增加到1 0m b p s 。 1 4 本课题研究的主要内容 本文主要是应用北京中电华大电子设计有限责任公司( h e d ) 自主研发设计的具备 u s b 接口功能的无线网卡芯片h e d 0 8 w 0 4 s u a ，基于无线局域网( w u 蝌) i e e e 8 0 2 1 1 b 和i e e e 8 0 2 1 l g 标准的要求设计的一种可以工作在2 4 g h z 频段的无线局域网网卡设备， 并对其进行加工，电路调试，性能测试后将其应用在客户实际使用环境中。 1 先进行系统方案设计，然后对系统各个模块做详细设计。射频电路模块是通信 设备中一个非常重要的组成部分，它把接收到的微弱信号进行放大进行下变频处理后输 出给后端的基带信号处理电路。同时也把基带信号进行上变频处理后以最大的发射能量 发射出去。因此，射频电路是整个系统中最主要的部分。 2 对匹配网络的设计，在通信系统中根据传输线理论，功率传输最大效应，匹配 电路起着很大的作用，它直接影响系统的性能。本文阻抗匹配都做5 0 欧姆，与所有测 试设备相匹配。 9 中北大学学位论文 3 从节约成本方面考虑，设计了微带天线，用仿真软件a d s 对天线进行仿真分析， 并用矢网分析仪测试天线的性能。 4 对系统电路进行详细设计，深入研究射频电路的特性并进行p c b 设计。 5 用相应软件对接收a g c 电路与发射电路进行了调试，包括寄存器初始化配置和 信道配置。 ， 6 对网卡设备进行性能测试，达到了指标要求。 10 中北大学学位论文 2 1 课题研究的背景 2w l a n 无线网卡的设计 w l a n 典型应用场景从组网方面主要三方面b s s 组网、 b s s 组网、点对点无线网 桥。其设各种类丰要为无线网卡、无线接入点a p 、路由器、无线网桥。从图2 1 可以 直观的看出其应用特点 ”1 1 i , q 。 i 一i b s s 组网 参零。 毽当豳， b s s 组网 点对点无线网桥 图21w l a n 典型应用场景及设备种类 无线网络设各的构成主要为介质访问控制( m a c ) 和物理层( p h y ) ，其中p h y 包括基带处理器( b b p ) 及射频( r f ) ，r f 又包括接收机( t r a n c c i v 盯) 、功率放大器 ( p a ) 、低噪放( l n a ) 。无线设备的技术要求包括1 天线技术；2 射频技术；3 接口 技术；4 集成技术( 成本、体积、功耗) ；5 整机产品化技术；6 软件开发技术。 中北大学学位论文 本文设计的网卡设备，是北京中电华大电子设计有限公司设计的w l a n 网卡芯片 h e d 0 8 w 0 4 s u a 的典型应用，除了用作无线局域网网卡设备，还可用于芯片设计过程的 验证测试环境。 h e d 0 8 w 0 4 s u a 芯片是一款支持国家w a p i 安全标准，具有u s b 2 0 接口的s t a 芯 片。它是北京中电华大电子设计有限责任公司a i r q u i c k 系列产品之一【j5 1 。它符合g b 1 5 6 2 9 1 1 2 0 0 3 、g b1 5 6 2 9 1 1 0 1 2 0 0 3 、g b1 5 6 2 9 1 1 0 2 2 0 0 3 、g b1 5 6 2 9 1 1 0 4 2 0 0 6 、 i e e e 8 0 2 11 a b g i 标准和公众无线局域网( p w l a n ) 系列通信行业标准。它支持d s s s ( 直接序列扩频) 以及o f d m ( 正交频分复用) 调制模式，具备数据解扰能力，支持 多种不同的数据传输速率。它可工作在2 4 g h z 、5 8 g h z 两个频段，最高物理层数据 率可达5 4 m b p s 。h e d 0 8 w 0 4 s u a 芯片主要包括b b p 和m a c 两部分，外部支持多款r f 芯片( 如m a x i m 2 8 2 7 ，2 8 2 9 ，a i r o h a2 2 3 0 s ，7 2 3 0 ，2 2 3 6 等) 。 h e d 0 8 w 0 4 s u a 芯片在安全方面，不仅支持国家标准的w p i 加密，还支持国际标准 w e p 、t k i p 、c c m p 加密，这些硬件组件使得基于该芯片的数据传输系统在进行保 密通信时仍然能够获得与非加密通信时相近的数据传输性能。 2 2 设计方案 本设计主要包括电源模块、时钟模块、射频收发器模块、基带处理器模块、接口 模块、天线部分六部分【1 6 】【1 7 1 。系统设计结构方案如图2 2 所示。 图2 2 系统设计方案结构框图 1 2 中北大学学位论文 接收通道包含的主要功能分解为： 2 4 g h zl n a 和混频器( a l 2 2 3 0 s 片内集成) 基带l p f 和v g a ( a l 2 2 3 0 s 片内集成) i qa d c ( h e d 0 8 w 0 4 s u a 片内集成) a g c ( 自动增益控制a u t og a i nc o n t r 0 1 ) 算法( h e d 0 8 w 0 4 s u a 片内集成) m a c b b p ( h e d 0 8 w 0 4 s u a 片内集成) 发射通道包含的主要功能分解为： l p f ( a l 2 2 3 0 s 片内集成) 调制器( a l 2 2 3 0 s 片内集成) v g a ( a l 2 2 3 0 s 片内集成) p a ( p o w e ra m p l i f i e r ) ( a l 2 2 3 0 s 片内集成) i qd a c ( h e d 0 8 w 0 4 s u a 片内集成) m a c b b p ( h e d 0 8 w 0 4 s u a 片内集成) 主要结构功能分为两部分：接收链路部分与发射链路部分。在接收链路部分，天线 接收到空中信号，先经过带通滤波器后，通过低噪放大器，把信号放大，用单端转差分 的分路器把信号分为相位相差9 0 度的i 、q 正交信号，通过混频器及可变增益放大器把 信号下变频到中频适合基带解调的幅度。在发射链路部分，基带信号经d a 转变为r f 需要的模拟信号，通过混频器上变频为载波频率，经过可调增益放大器及功率放大器把 信号放大到一定程度，经由天线发射出去。 2 2 1 设计技术指标要求参数 工作在2 4 g h z 频段，主机取电5 v 。传输速率要求支持i e e e 8 0 2 1lb g 标准协议， 最高物理层数据率可达5 4 m b p s 。支持国家国家w a p i 安全标准，符合g b1 5 6 2 9 11 - 2 0 0 3 、 g b1 5 6 2 9 1 1 0 1 2 0 0 3 、g b1 5 6 2 9 1 1 0 2 2 0 0 3 、g b1 5 6 2 9 1 1 0 4 2 0 0 6 、i e e e 8 0 2 1 l a b g i 标 准和公众无线局域网( p w l a n ) 系列通信行业标准。发射模块要求达到1 1 b 下最大 1 7 d b m ，ll g 下最大2 0 d b m 发射功率，接收模块要求5 4 m b p s 下6 5 d b m ，1 m b p s 下一7 6 d b m 接收灵敏度。u s b 接口，支持u s b 2 0 ，向下兼容u s b l 1 。天线采用微带线设计。传输 距离要求：室外无遮挡无干扰环境通信距离1 0 0 m 。 13 中北大学学位论文 表2 1 技术指标要求参数 主要质量属性详细要求 工作频段2 4 g h z 频段 射频带宽 2 0 m h z 工作电压 5 v 9 功耗 m a x ：5 v 2 5 0 m a 速率，支持i e e e8 0 2 1l b g 发射功率 m a x - 1 7 d b m ll b ；2 0 d b m ll g 一6 5 d b m 5 4 m b p s 接收灵敏度 一7 6 d b m l m b p s 工作温度工作温度一4 0 8 0 工作湿度工作湿度：5 , - - - 9 0 ( 无凝结) 接口 u s b 2 2 2 链路预算分析 进行硬件设计之前，必须进行链路预算分析。通过分析，可预知在特定b e r 和s n r 下，为达到设计要求，接收机所需要的n f 、增益和发射机的输出功率等。通过对基本 链路预算分析，可计算出最终的s n r 以及无线电接收机输出端的信号强度。整个链路包 括信号从发射机发出、通过发送路径、被接收机接收的全过程l l 引。 大气衰落和多径衰落会引起无线电通信难以预测的变化，为确保即使在天气恶劣的 情况下，链路仍能在一定时间内维持通信，需要有一定的衰落裕量。衰落裕量是指，当 每年的故障时间在所允许的范围内( 几秒) 时，为确保无线电通信可靠进行，链路预算 中所需考虑的接收机的n f 和增益、发射机功率或天线增益的安全容限。知道通信链路 可靠发送信息的射程后，需要计算自由空间路径损耗。自由空间路径损耗是射频信号以 特定频率、通过特定射程引起的损耗，但这不会引起任何设备损伤。为增加衰