如何实现高性能Wi-Fi

 

近几年，Wi-Fi规格迭代很快。Wi-Fi 6标准于2019年发布，最高速率由Wi-Fi 5的3.5Gbps升至9.6Gbps，2020年Wi-Fi 6E标准公布，增加了对6GHz频谱的支持。Wi-Fi 7第一版标准草案已于2021年公布，而最近又有厂商现场展示Wi-Fi 7技术，并表示支持Wi-Fi 7的终端设备将于2023年上市。从已公布出的信息来看，Wi-Fi 7（相对应的国际标准为802.11be）将支持2.4GHz、5GHz、6GHz三个频段，在Wi-Fi 6的基础上，Wi-Fi 7将带宽从160MHz拓展到320MHz，并支持4096正交幅度调制（4096-QAM）、多资源单元（Multi-RU）、多链路操作、多用户多入多出增强（MU-MIMO）、多接入点协调（Multi-AP）等技术。Wi-Fi 7的最高速率至少是Wi-Fi 6（最高速率9.6Gbps）的三倍，有望达到46Gbps。

表1：Wi-Fi 5至Wi-Fi 7主要标准参数对比

Wi-Fi是室内无线通信性能之王

 

从参数来看，Wi-Fi 6/Wi-Fi 7已经是当前主流无线通信技术传输速率的天花板，尤其是规划中的Wi-Fi 7，既可以应对4K/8K视频传输，又能支持增强现实（AR）、虚拟现实（VR）和在线游戏等对数据吞吐量和延迟性能要求很高的应用。无论是蓝牙、Zigbee还是LoRa，速率都比Wi-Fi至少低2个数量级，UWB速率虽然比蓝牙和Zigbee高，但与Wi-Fi 6或Wi-Fi 7相比并无胜算，而且普及率低，目前还没有大规模应用，短时间内无法对Wi-Fi技术的市场地位造成冲击。在通信距离与配置难易程度上，Wi-Fi也不输上述技术。

就目前时间节点来说，Wi-Fi就是室内无线通信技术的性能之王，Wi-Fi在智能家电无线连接市场竞争中的优势非常突出。

首先，如今的手机和笔记本都标配Wi-Fi，用户随时随地可以用手机或电脑管理其他设备，这是Wi-Fi技术在智能家电市场的“群众基础”。Wi-Fi的“群众基础”好，用户学习成本低，配置简单，组网容易，这是除蓝牙外其他竞争技术难以比拟的优势。

其次，在电视、投影、AR、VR等视频设备中，其他竞争技术均难以有足够速率来满足4K影像等高质量视频数据的无线传输要求，高速率传输应用是Wi-Fi技术的根据地，稳固的大后方。

第三，传统家电新产品标配Wi-Fi的越来越多，没有配置Wi-Fi的冰箱、空调、洗衣机，很难被视作智能家电，而扫地机等新兴家电产品在发展时就已经进入无线联网时代，因而这些产品从基因中就支持Wi-Fi技术。

实现高性能Wi-Fi要攻克这几道难题

 

用户基础广泛，性能指标也越来越优异，Wi-Fi技术在智能家电市场隐隐透露出一统天下的趋势。不过，性能指标越高，往往意味着终端产品开发者需要应对的挑战也更大。

以射频部分实现为例，Wi-Fi 5支持256 QAM，而Wi-Fi 6则支持1024 QAM，QAM的增加对射频部分提出更高的线性度要求，有的场景下设备商对动态误差矢量幅度（EVM）的要求设置达到-47dB，这时候就要使用针对EVM做过专门优化的射频前端模块，才能确保其最终产品能够获得认证。例如贸泽电子在售的来自制造商Qorvo的5GHz Wi-Fi射频前端模块（FEM）QPF4588，就能满足这样严苛的要求。

图1：QPF4588电气参数表

（图源：Qorvo）

从Wi-Fi 5升级到Wi-Fi 6，对接收端灵敏度要求也提高了，因而必须降低接收路径的噪声系数，而且，Wi-Fi标准演化对功耗要求也越来越高，要求在最低功耗水平下实现高性能，这都是射频部分设计所面临的难题。功耗增加意味着射频模块的热量增加，热量会降低整体系统性能，同时影响数据吞吐量、覆盖范围和抗干扰性。而且现在用以太网供电（PoE）的设备越来越多，以太网供电对设备功率限制较大，终端产品必须在PoE电源下实现射频输出功率最大化，射频前端性能最优化，因而低功耗设计非常重要。

与分立式射频前端模块相比，QPF4588这类集成式射频前端模块针对应用场景做了全面优化，可缩短线路长度，并减少使用额外的调谐组件，从而有助于减少插入损耗和系统热量。利用QPF4588，开发者可以轻松解决上述拦路虎，设计出高性能、低功耗的Wi-Fi 6产品。具体来看，QPF4588集成了5GHz功率放大器（PA）、稳压器、单刀双掷（SP2T）开关、可旁路低噪声放大器（LNA）以及耦合器。该模块还集成了射频功率检测器和直流功率检测器，可实现功率检测功能，并在5V工作电压下优化了PA，从而可降低功耗并保持高线性输出和高吞吐量。

QPF4588还集成了用于控制二次和三次谐波的滤波器，并具备双频双发（Dual Band Dual Concurrent，简称DBDC）时对2.4GHz的抑制能力。Wi-Fi 6同时支持2.4GHz频段，Qorvo也有多个2.4GHz频段射频前端模块产品可选，例如QPF4528或QPF7219，这些射频模块也均在贸泽电子有售。由于蓝牙设备、手机和微波炉等都可能会干扰到2.4GHz频段，所以Qorvo还提供专用滤波器以进一步提升射频部分抗干扰能力，保证通信质量，典型代表有贸泽电子在售的带缘滤波器885136和共存滤波器885128。

图2：Qorvo QPF4588Wi-Fi模块

（图源：贸泽电子）

Qorvo QPF4588更多信息

针对市场上Wi-Fi产品小型化的趋势，Qorvo还有升级大招。贸泽电子在售的集成射频前端模块QPF4800同时支持2.4GHz和5GHz双频，在一个尺寸仅4mmx3mm的封装中，集成了2.4GHz和5.0GHz功率放大器（PAS）、一个稳压器、两个SPDT开关、一个双工器和一个带旁路的低噪声放大器（LNA）。QPF4800射频前端的发射增益超过29dB，接收增益为14dB，噪声系数为2.6dB，工作电源电压为5.0V。

QPF4800非常适合住宅网关、机顶盒、智能音箱、语音辅助设备等对外观和尺寸有很高要求的设备，也可化解小尺寸路由器和接入点设备在于性能、尺寸与散热设计上难找平衡的窘境。

图3：Qorvo技术在Wi-Fi应用上的优势

蓝牙及其他Wi-Fi竞争技术的市场生存空间

 

虽然Wi-Fi形势一片大好，但不代表其他通信制式就没有机会了，目前在智能家居领域能和Wi-Fi并驾齐驱的就是蓝牙。蓝牙的市场地位，很大一部分也得益于手机标配。当然，相比Wi-Fi或Zigbee、LoRa，蓝牙也有明显的特点，其最大优势就是功耗低。虽然数据吞吐量不如Wi-Fi，但在功耗表现上，蓝牙技术明显好于Wi-Fi，尤其是对于一些电池供电的便携设备，例如智能音箱、体脂秤、智能手表与TWS耳机等，在这类产品中，蓝牙技术居于主导地位。

蓝牙在4.0版本时推出了低功耗蓝牙（BLE）技术，这为蓝牙进入电池供电的便携设备奠定了基础。而智能音箱和TWS耳机市场的爆发式增长，让蓝牙成为当前非专业应用无线音频市场的不二之选，在蓝牙5.2标准中，还制定了低功耗音频技术标准（LE Audio），有望进一步巩固蓝牙技术在便携式音频设备中的地位。

蓝牙技术功耗优势，从贸泽电子在售的北欧厂商Nordic所开发的系统级芯片nRF52811可见一斑。Wi-Fi芯片发射/接收时电流一般在百毫安以上，而nRF52811的发射端功率在0dBm时电流为4.6毫安，接收端在1Mbps速率时电流也是4.6毫安，在2Mbps速率时为5.2毫安，而且可以看出这颗芯片集成的MCU也很省电，在系统唤醒状态电流也仅有1.1μA，超低功耗表现，无疑是电池供电便携设备的首选通信制式。

图4：Nordic Semiconductor nRF52811

传统蓝牙信标产品通过信号强度来定位，精度一般在数米左右，蓝牙5.1标准中支持利用信号方位角来对设备位置进行定位，通过计算接收信号到达角（AoA）与发射信号出发角（AoD），可以将蓝牙设备定位精度提高到厘米级，nRF52811就支持信号方位角定位功能。

图5：Nordic Semiconductor nRF52811定位方法示意图

（图源：贸泽电子）

新蓝牙标准在室内定位和组网（MESH）方面的突破，将为蓝牙在智能家居应用上拓展更多想象空间。

其他适用于智能家居的主流无线连接协议标准还有Zigbee、LoRa等，也各有特色。以Zigbee为例，功耗低、覆盖广、容量大、自组网能力强、协议简单是其优点，Zigbee的协议比蓝牙更简单，功耗也低。不过，Zigbee等技术不被手机支持，配置相对复杂，而且需要独立网关才能连入互联网，因而用户学习成本高，这些缺点是阻碍其普及的关键。虽然Zigbee在智能家居领域布局较早，但其原有市场份额，正不断被Wi-Fi和蓝牙蚕食。在工业应用等专业领域，由于比较封闭，Zigbee的市场份额还比较稳固。

兼容并包

当然，不同制式之间并不是你死我活的关系，相互匹配则可能为用户提供更好的使用体验。比如，Wi-Fi配置还是比蓝牙要复杂一点，有些设备就同时集成了蓝牙和Wi-Fi功能，用蓝牙来配网以及负责低速率数据传输，既便捷又省电，用Wi-Fi负责高速率数据传输，则快捷高效。

蓝牙和Zigbee二合一的芯片也如此，蓝牙用于快速配置，Zigbee用于规模连接。nRF52811支持蓝牙协议和Zigbee，但是由于存储限制，nRF52811仅有192KB闪存，在应用时只能支持其中一种协议，不能同时支持蓝牙和Zigbee。要同时支持蓝牙和Zigbee，需要选用Nordic另外一款芯片nRF52840，这款芯片也可在贸泽电子官网购买。

图6：Nordic Semiconductor nRF52811

不支持多协议同时工作

（图源：Nordic）

nRF52840是一款超低功耗、高度灵活的单芯片解决方案。支持Bluetooth 5和Thread或Zigbee无线连接同时工作，由于这些协议都工作在2.4GHz频段，nRF52840的动态多协议特性实现了射频通道在不同协议间共享，使用一种协议发送和接收数据不会干扰并发支持期间的其他链路。

图7：Nordic Semiconductor nRF52840应用框图

（图源：贸泽电子）

总结

 

无线连接是智能家居智能化的基础技术之一，也是很多芯片厂商非常重视的市场方向。Wi-Fi和蓝牙技术近年来迭代很快，不断改善性能或增加功能，再加上拥有巨大的用户基础，因而在智能家居市场的优势越来越明显，Zigbee等其他非运营商专有无线通信制式还有一定的市场空间，且不同制式之间并非完全竞争关系，多制式兼容的芯片在当前市场也颇受欢迎。

原文标题：Wi-Fi 7来了，智能家电接入方式走向大一统？

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      审核编辑：彭静