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摘要：随着智能手机的普及，SOHO无线路由器的使用也越来越多，在使用时经常会遇到WIFI信号不稳定的情况。该文通过对无线路由器RF原理的分析，在原有的生产校准技术基础上加入了新的功率补偿策略。参照PA的特性参数通过新的算法对功率进行实时补偿，降低用户环境下SOC芯片工作温度的变化对RF输出功率的影响，保证在不同使用环境下RF信号覆盖的有效性。最后通过实验验证对比，检验新的方法对无线路由器信号稳定性的改善程度。
关键词： 无线路由器；PA；功率；算法；HT20
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：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
随着芯片制程工艺的改进芯片的集成度越来越高，SOHO无线路由器一般采用SOC的芯片方案，除了RAM与ROM的存储采用外置的独立芯片，其它模块都与处理器内核集成到同一芯片上。接入级无线路由器中用于放大WIFI信号的PA与基带也多数一起集成到CPU里面。虽然可以有效降低设备的设计难度与成本，但芯片高度集成会引起温度的波及引起无线信号的不稳定。本文主要是从产品设计的角度引入了新的方法，通过实验室模拟实际使用的环境检验新方法对信号稳定性的改善程度。
1 PA的特性
在早期大多数无线路由器PA一般都采用GaAs和InGaP两种材料，并采用了PA与基带分开封装在不同的芯片中。在单芯片方案上为了提高集成度很多PA的设计也采用了SiGe技术，这样的好处主要是在于可以在功率放大器的周围集成更多的器件，从而更节省空间[1]。
无线路由器芯片主要的发热量来至于MIPS核心跟网口控制器，这两大模块占据了了60%以上的功耗，因此集成在同一块芯片上的PA的工作温度会跟着受到影响。
2 实现原理
802.11n技术中2.4Ghz频段从2412Mhz-2484Mhz总共有14个信道，一般情况下频率越高PA的放大能力就会下降。另外路由器主板上从PA到天线端还需要加入低通滤波器、阻抗匹配与伦巴电路等，由于PCB布局与器件参数的差异也会影响输出功率的平坦度[2]。为了保证用户在选择不同的信道时都可以有相同的功率信号输出，在设计上对不同的信道的增益设置成可以独立调整的。在芯片中共设置了14个寄存器，寄存器的写入值可以从0到最大值FF，写入的寄存器的值每增加1理论上PA的输出的功率就会提高0.25dBm，因此通过修改芯片的寄存器可以实现输出功率的动态调节。
在无线路由器出厂时会根据当时的环境温度通过仪器校准后写入一组合适的寄存器值，但设备在长时间使用时环境温度都是时刻在变化，不同用户数接入跟工作模式都会影响整机的功耗，接入数越多CPU的占用率就越高，路由器的芯片温度也会越高。WIFI的输出功率会因为PA的温度变化而变化，导致了路由器的WIFI信号不稳定，这也是影响用户体验不可避免的内在因数[3]。因此对信号覆盖进行动态调节就显得尤为重要，在本文中通过在路由器上增加温度采集与补偿算法实现无线路由器信号覆盖的智能化。
3 硬件与程序设计
3.1温度采集
实现功率智能控制需要在主板上增加温度采集，搜集CPU的表面温度变化，然后由CPU读取后经过补偿算法计算出新的寄存器值回写入到PA中。设计中选用美国国家半导体公司LM75CIMX-3设计温度采集模块。LM75采用3.3V的工作电压，温度采集范围从-25℃-100℃，采用IIC作为读写的接口，具有温度采集范围广、设计接口简单等优点[4]。
3.2 硬件设计
基于LM75设计的温度采集模块电路如图1所示，通过IIC接口与SOC芯片连接，其中连接在A0、A1、A2的上拉与下拉电阻用来配置总线地址，另外在CPU_I2C_SCL上串接33欧姆电阻，在PCB设计时要靠近CPU端放置，降低时钟信号的过冲幅度。
3.3 程序设计 CPU通过IIC接口读取LM75采集到温度信息，然后通过比对无线路由器在生产时仪器校准记录下的环境温度，如果温度超过了一定的偏差范围就调用补偿算法程序。校准程序流程图如图2所示，首先计算出当前温度与预设温度的差值，然后通过查找数据库找到温度差异区需要增加多少档的功率补偿；接着读取存储在EERPOM文件中固化的寄存器的值，在原值的寄存器与差值做加减法，得到一组新数值；最后将得到的新值回写到路由器的PA寄存器中，完成了一次的动态功率校准。由于寄存器的最大值允许值是FF如果超过了范围就用最大值来替代。如果读取到的当前温度在初始温度的偏差范围内就取消校准程序的调用。
4 实验验证
4.1 高低温测试环境
将路由器放置在高低温箱中，环境温度设置在-10℃到40℃之间变化，使用无线测试仪IQ flex测试路由器的发送功率并记录，IQ FLEX仪器需要通过网线连接到控制台，实验环境如图3所示。
4.2 实验结果与分析
在实验中选用了基于RT3352方案无线路由器作为实验的样机，分别记录普通模式与智能功率控制两种模式下HT20输出功率与温度的变化，实验数据如图4所示。为了保证实验的可靠性采用多次测试取平均的方法。从实验结果可以看出打开智能功率控制后输出功率的稳定性由提高了很多，特别是在高温环境下，普通模式输出功率衰减严重，开启智能模式后基本控制在±1dBm，这对设备在不同的气候环境下使用WIFI信号的稳定性提供了可靠的保障。在低温的环境下路由器的输出功率已接近20dBm，此时信号的EVM严重下降，无线有效带宽也会跟着降低，影响移动设备的WIFI接入体验。
5 结束语
无线路由器内部PA特性决定了输出功率与信号的EVM是相互对立的，功率过低会降低信号的覆盖面跟穿墙效果，过高的输出功率会导致信号EVM的下降，误码率提高了数据吞吐率也跟着降低。通过实际的使用测量直观的体现了智能补偿对用户使用的改善程度，对路由器产品的开发设计起到了指导性的作用。
参考文献：
[1] 李春雷，郭裕顺.射频集成电路的模拟技术[J].微电子学与计算机，2003（9）：20-27.
[2] 陈彦辉.高速无线局域网主要技术[J].中兴通讯技术，2006.
[3] 陈邦媛.射频通信电路[M].北京：科学出版社，2002.
[4] 倪晓军.基于LM75的多点温度控制系统的设计[J].中国新通信，2009（9）：84-88.
关键词： 无线路由器；PA；功率；算法；HT20
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：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
随着芯片制程工艺的改进芯片的集成度越来越高，SOHO无线路由器一般采用SOC的芯片方案，除了RAM与ROM的存储采用外置的独立芯片，其它模块都与处理器内核集成到同一芯片上。接入级无线路由器中用于放大WIFI信号的PA与基带也多数一起集成到CPU里面。虽然可以有效降低设备的设计难度与成本，但芯片高度集成会引起温度的波及引起无线信号的不稳定。本文主要是从产品设计的角度引入了新的方法，通过实验室模拟实际使用的环境检验新方法对信号稳定性的改善程度。
1 PA的特性
在早期大多数无线路由器PA一般都采用GaAs和InGaP两种材料，并采用了PA与基带分开封装在不同的芯片中。在单芯片方案上为了提高集成度很多PA的设计也采用了SiGe技术，这样的好处主要是在于可以在功率放大器的周围集成更多的器件，从而更节省空间[1]。
无线路由器芯片主要的发热量来至于MIPS核心跟网口控制器，这两大模块占据了了60%以上的功耗，因此集成在同一块芯片上的PA的工作温度会跟着受到影响。
2 实现原理
802.11n技术中2.4Ghz频段从2412Mhz-2484Mhz总共有14个信道，一般情况下频率越高PA的放大能力就会下降。另外路由器主板上从PA到天线端还需要加入低通滤波器、阻抗匹配与伦巴电路等，由于PCB布局与器件参数的差异也会影响输出功率的平坦度[2]。为了保证用户在选择不同的信道时都可以有相同的功率信号输出，在设计上对不同的信道的增益设置成可以独立调整的。在芯片中共设置了14个寄存器，寄存器的写入值可以从0到最大值FF，写入的寄存器的值每增加1理论上PA的输出的功率就会提高0.25dBm，因此通过修改芯片的寄存器可以实现输出功率的动态调节。
在无线路由器出厂时会根据当时的环境温度通过仪器校准后写入一组合适的寄存器值，但设备在长时间使用时环境温度都是时刻在变化，不同用户数接入跟工作模式都会影响整机的功耗，接入数越多CPU的占用率就越高，路由器的芯片温度也会越高。WIFI的输出功率会因为PA的温度变化而变化，导致了路由器的WIFI信号不稳定，这也是影响用户体验不可避免的内在因数[3]。因此对信号覆盖进行动态调节就显得尤为重要，在本文中通过在路由器上增加温度采集与补偿算法实现无线路由器信号覆盖的智能化。
3 硬件与程序设计
3.1温度采集
实现功率智能控制需要在主板上增加温度采集，搜集CPU的表面温度变化，然后由CPU读取后经过补偿算法计算出新的寄存器值回写入到PA中。设计中选用美国国家半导体公司LM75CIMX-3设计温度采集模块。LM75采用3.3V的工作电压，温度采集范围从-25℃-100℃，采用IIC作为读写的接口，具有温度采集范围广、设计接口简单等优点[4]。
3.2 硬件设计
基于LM75设计的温度采集模块电路如图1所示，通过IIC接口与SOC芯片连接，其中连接在A0、A1、A2的上拉与下拉电阻用来配置总线地址，另外在CPU_I2C_SCL上串接33欧姆电阻，在PCB设计时要靠近CPU端放置，降低时钟信号的过冲幅度。
3.3 程序设计 CPU通过IIC接口读取LM75采集到温度信息，然后通过比对无线路由器在生产时仪器校准记录下的环境温度，如果温度超过了一定的偏差范围就调用补偿算法程序。校准程序流程图如图2所示，首先计算出当前温度与预设温度的差值，然后通过查找数据库找到温度差异区需要增加多少档的功率补偿；接着读取存储在EERPOM文件中固化的寄存器的值，在原值的寄存器与差值做加减法，得到一组新数值；最后将得到的新值回写到路由器的PA寄存器中，完成了一次的动态功率校准。由于寄存器的最大值允许值是FF如果超过了范围就用最大值来替代。如果读取到的当前温度在初始温度的偏差范围内就取消校准程序的调用。
4 实验验证
4.1 高低温测试环境
将路由器放置在高低温箱中，环境温度设置在-10℃到40℃之间变化，使用无线测试仪IQ flex测试路由器的发送功率并记录，IQ FLEX仪器需要通过网线连接到控制台，实验环境如图3所示。
4.2 实验结果与分析
在实验中选用了基于RT3352方案无线路由器作为实验的样机，分别记录普通模式与智能功率控制两种模式下HT20输出功率与温度的变化，实验数据如图4所示。为了保证实验的可靠性采用多次测试取平均的方法。从实验结果可以看出打开智能功率控制后输出功率的稳定性由提高了很多，特别是在高温环境下，普通模式输出功率衰减严重，开启智能模式后基本控制在±1dBm，这对设备在不同的气候环境下使用WIFI信号的稳定性提供了可靠的保障。在低温的环境下路由器的输出功率已接近20dBm，此时信号的EVM严重下降，无线有效带宽也会跟着降低，影响移动设备的WIFI接入体验。
5 结束语
无线路由器内部PA特性决定了输出功率与信号的EVM是相互对立的，功率过低会降低信号的覆盖面跟穿墙效果，过高的输出功率会导致信号EVM的下降，误码率提高了数据吞吐率也跟着降低。通过实际的使用测量直观的体现了智能补偿对用户使用的改善程度，对路由器产品的开发设计起到了指导性的作用。
参考文献：
[1] 李春雷，郭裕顺.射频集成电路的模拟技术[J].微电子学与计算机，2003（9）：20-27.
[2] 陈彦辉.高速无线局域网主要技术[J].中兴通讯技术，2006.
[3] 陈邦媛.射频通信电路[M].北京：科学出版社，2002.
[4] 倪晓军.基于LM75的多点温度控制系统的设计[J].中国新通信，2009（9）：84-88.