三類WiFi濾波器淺析
來源：RF技術社區
本文來自Qorvo公眾號
盡管人們通常認為“濾波器就是濾波器”，但實際上有多種不同的濾波器可針對不同類型的用例解決不同的問題，并帶來不同的收益——當然，一般而言，其主要目的是提高數據通信的質量。無論怎樣，在設計中做出加入濾波器的任何決定之前，最好首先明確所需要的特定效果。而且由于濾波器會帶來成本，因此收益必須物有所值。
為了使這一分析更加清晰，我們首先來看看噪聲和干擾的影響。
1濾波器能解決什么問題?
一句話，濾波器解決的是噪聲問題;更確切地說，是 RF 噪聲或無線電噪聲問題。如果您有一臺老式的 FM 收音機，從一個頻道撥到另一個頻道時會聽到中間噼里啪啦的噪聲。現代 FM 收音機則可以抑制這些噼里啪啦的聲音，互聯網收音機也是如此。噪聲無處不在，而且即便“有用的無線電信號”也會在其它場合產生噪聲。消費者盼望擁有廣泛的連接性，但痛恨線纜的羈絆。所以，當考慮到人們家中使用的無線設備的數量，您會發現該噪聲問題只會隨著時間的推移而變得越來越嚴重。
在這種“嘈雜”的環境中，許多不同的無線電設備出于不同的原因在同時發射無線信號;為此，世界各地的監管機構都制定了特定的規則和法規以確保平衡。一個簡單的例子是，用于飛機起降時通信的無線電信號絕對不應受到其它無線電設備有意或無意的干擾。所以，為了飛機的安全運行和乘客的切身利益，“請您關閉手機”。
2關于濾波器
玻璃和玻璃紙我們都很熟悉。“透明”的玻璃或玻璃紙可以讓所有色光通過，也就是讓光譜中的所有顏色（即“光帶”) 都能透過；而紅色或黃色等帶有顏色的彩色玻璃或玻璃紙只讓紅光或黃光通過。光帶中的每一種顏色都可以視為為一個信道，如紅色信道或藍色信道等。一個信道是光帶/頻段的一部分，而整個光帶/頻段通常被分割成多個信道。
信道的目的是使兩個（或多個）收發器都能夠接入這一特定通道，從而發現彼此并實現通信;通常通過向在收發器之間發送能量的載波添加比特位（0 和 1）來實現。這些比特位捆綁在一起形成信息包，發送方和接收方都需要非常精確，因為我們很快就會在不同信道上同時擁有數十億比特位 (Gb/s) 穿行于空中。濾波器的一般用途是：(1) 確保該通信信道非常干凈，即，將其它信號阻擋在頻段（信道）之外；以及 (2) 防止有用的通信信號在頻段（信道）之外產生噪聲。
當傳輸路徑中出現噪聲時，數據包的某些部分會產生亂碼（破壞），迫使接收器“重新發送”。這種通信問題的檢測過程通常要花費時間，用戶則會感覺網絡“速度變慢”或認為他們的“Wi-Fi 很糟糕”。
3大氣中的噪聲從何而來？
首先，噪聲作為一種自然（熱）現象總是存在于大氣中；除此之外，電氣設備和現代無線電應用制造了更多噪聲：打開和關閉電氣設備會產生噪聲，微波爐也會產生噪聲等等。盡管無線電發射機應僅在特定的信道中工作，但實際上，它們也可以在其它頻段的其它信道中發送信號，進而在此處產生噪聲。這就是為何無線電不僅需要被準許以有限的強度發送有用的信號，而且不得在其它地方傳輸超過某些強度的信號。
無線電的世界并非黑白分明；由于噪聲水平還取決于噪聲源的強度及距離，因此時常會出現一些難以預料的狀況。茫茫荒野中的自然保護區很可能只會有自然（白）噪聲，盡管太陽活動或宇宙天文事件也會給頻譜帶來尖峰。城鎮地區的噪聲水平會有所上升，主要由于應用了多種無線電——而且無線設備的數量多年來仍一直在不斷攀升。
4干擾
干擾讓噪聲成為高性能無線數據通信系統的大敵。在允許的輸出功率水平上，噪聲尖峰或附近無線電的持續干擾會造成丟包和性能下降，從而導致大量客戶投訴與求助電話；更糟糕的是，這些問題有時很難診斷和解決（技術支持工程師可以講講關于這一話題恐怖故事！）。由于噪聲干擾，優秀的、適應能力強的產品設計可以真正發揮作用，也讓濾波器有了用武之地。
濾波器就像前面提到的彩色玻璃或玻璃紙。它們可以確保只傳輸或接收所需的信號，并減少不需要信號的數量及強度。濾波器是相當神奇的解決方案，它們不僅可以緩解問題，還通過減少丟包對性能產生驚人的影響。然而，當在設計中加入濾波器時，需要權衡取舍，即考慮到插損的問題。再以玻璃或玻璃紙為例，過濾介質會造成一定的強度衰減；例如，當設計中包含濾波器時，接收器會損失一些靈敏度（接收微弱信號的能力）。
5濾波器的類型
無論從技術角度（本文未介紹）還是從應用角度來看——或者換句話說，依據濾波器在產品設計中試圖實現的不同目標，濾波器可分為很多類型。在某些情況下，使用一個濾波器（或多個濾波器的組合）可以帶來多重收益。
本文中，我們將專門關注 Wi-Fi 濾波器，并采用在 Qorvo 使用的術語來指定我們產品組合中的濾波器類型。下列所述的三類濾波器，都能增強整個 Wi-Fi 系統的容量，在覆蓋范圍和吞吐量方面提高系統性能，同時消除性能意外降低的風險：
edgeBoost 濾波器：在接近帶緣的信道上最大化輸出功率
bandBoost 濾波器：最大化多頻段網狀網絡中的信道隔離
6 edgeBoost 濾波器
添加到無線發射鏈路中的 edgeBoost 濾波器有助于打造更佳的性能，尤其是在接近帶緣的信道范圍內。這個概念相當簡單，即無線電不允許在頻段外產生噪聲，但是當接近帶緣的信道以全功率運行時，它們會在頻段外“泄漏噪聲”。通常的做法是顯著限制這些信道靠近帶緣的輸出功率，由此達到無線認證的要求。這種方式很好，但這也意味著大大減少了使用這些邊緣頻段的用戶覆蓋范圍，并且會影響系統的總容量。具體來說，它迫使更多的用戶擠占頻段中間的信道，造成頻段擁堵，并明顯降低了網絡中所有用戶的互聯網連接速度。
edgeBoost 濾波器將針對以上問題發揮作用。此種濾波器減少了頻段外無線信號的泄漏，因此無線信號可以在邊緣信道中以最大功率進行傳輸，避免了這些信道的覆蓋范圍縮小，最終減少流量擁塞并提高了總體容量。
讓我們看一個實際的例子。在 2.4GHz 頻段，Wi-Fi的頻譜范圍為 2412 MHz 到 2484 MHz。在此頻段內，您可以在 11 個定義的 Wi-Fi 信道上進行發送和接收。當您在頻率范圍中心的某個信道上進行傳輸時（例如信道 6），在頻段外（低于 2412 MHz 或高于 2484 MHz）產生噪聲的可能性非常低。
然而，如果您在最低的信道（信道 1）上進行傳輸，則在 2412 MHz 以下產生干擾的可能性很高；同樣也適用于在通道 11 上傳輸并在高于 2484 MHz 的頻段產生干擾的情況。如果您在頻段外的干擾過高會怎樣？監管機構和認證實驗室將要求您降低發射功率，直到符合要求為止，此舉對 Wi-Fi 路由器用戶的影響是覆蓋范圍減小。但是，通過使用 edgeBoost 濾波器，可減少頻段外的噪聲，以獲得更高的輸出功率和更佳的覆蓋范圍。
edgeBoost 濾波器的價值在于能夠在整個頻段內的所有信道上實現全功率傳輸，以最大限度地擴大覆蓋范圍。傳統上，對于外部信道，功率甚至會降低至容量的四分之一，以致于失去傳輸距離和覆蓋范圍。借助 edgeBoost 濾波器，可以在整個頻段上保持最大吞吐量，并以最高的水平支持整個住宅的全覆蓋。
7 bandBoost 濾波器
Qorvo 的 bandBoost 濾波器是一種頻段隔離濾波器，能夠同時對特定類型的無線連接（如 Wi-Fi）進行多波段操作，從而為每個分頻成倍增加網絡容量和吞吐量。在多頻段 Wi-Fi 6 和 Wi-Fi 6E 網絡的示例中，它們有助于將 5 和 6 GHz 頻段分割成不同的子頻段，因此這些頻段中使用的信道可以在最大功率下繼續并發使用，而不會相互泄露信號，避免造成不同信道間的（Wi-Fi）自干擾。
bandBoost 濾波器對于提高 Wi-Fi 多用戶 MIMO 網絡的容量非常有用，因為其本質上創建了多個 Wi-Fi 網絡區域，在同一空間的不同信道上同時支持不同用戶。通過將頻段分割成子頻段，可以最大程度地減小這些網絡之間的干擾，同時最大程度地利用輸出功率。就好像不同的用戶使用不同的 Wi-Fi“顏色”，而不同顏色的用戶間不會互相干擾。bandBoost 濾波器可以與頻段管理系統實現最優配合，了解如何隔離不同的子頻段，并確保不同用戶/應用的正確信道分配。
再來看一個例子。此類濾波器可以讓信道同時獲得有效利用，因此在當今的三頻 Wi-Fi 系統（2.4/5L/5H GHz 配置）中得到了顯著的應用，以提高系統容量。例如，將 5 GHz 頻譜分為并發運行的上頻段和下頻段，以便在一個信道上啟用整個家庭網絡中的專用回程鏈路，同時在另一信道啟動客戶端通信鏈路（移動設備、筆記本電腦、游戲機、恒溫器等）。在未來的 Wi-Fi 6E 系統中也有類似的潛力，例如在 6 GHz 頻率上專門執行回程傳輸，并在 5 GHz 頻譜內進行客戶端通信。在日益擁擠的無線環境中，此舉將有效提升容量——更多的用戶同時使用更多的設備，提供大量信道可供無線信號進行選擇。
8 coexBoost
將 coexBoost 濾波器添加至無線發射或接收鏈路，以允許同時使用不同的無線連接技術。當通過這些濾波器進行傳輸時，可以防止系統對相鄰無線信號的干擾；同樣，在接收時則保護系統免受同一相鄰無線信號的干擾，為不同的無線連接創造同步、無干擾的共存環境。
移動電話或熱點設備便是典型案例，其包含多種無線蜂窩網絡、GPS、Wi-Fi、藍牙——全部融合在一部非常小巧的產品中，因而這些類型的濾波器也經常發揮關鍵性的作用。今天的無線路由器、增程器和接入點設備亦是如此，它們整合了 Wi-Fi、物聯網和藍牙，并輻射出盡可能多的功率，以便讓所有無線信號均獲得最佳的覆蓋范圍與性能;且無論采用何種無線技術，均能以最小的延遲提供無縫的用戶體驗。一些服務提供商依靠 3G/LTE/5G 為家庭或企業提供寬帶互聯網接入，其通過一部調制解調器向室內接入 LTE（以及即將推出的 5G），并帶有用于連接標準無線 Wi-Fi 路由器的以太網端口（假定該路由器位于調制解調器近旁）；或者也可以采用在同一個產品中集成所有三種功能的網關。在所有情況下，都存在多種無線信號在彼此相鄰的信道中執行發送和接收。
越來越小的產品尺寸已成為行業的普遍發展趨勢，而這無助于產品設計人員的工作，因為他們將面對更大挑戰，需要避免因數據通信數據包的干擾和相互破壞給用戶體驗造成的阻礙。此類用戶體驗的一個例子是上網時的數據速度變慢，以及觸摸無線照明開關感到的明顯延遲從而出現過長的開燈/關燈等待時間。coexBoost 濾波器幫助設計人員在更小的空間內容納更多無線信號，讓外形美觀的產品具備出色的性能和無縫的交互，使這些問題得到完美解決。
總結
很明顯，當前優秀的 Wi-Fi 設計必須包含卓越的濾波功能，以帶來 Wi-Fi 6 和 6E 標準所設計的預期覆蓋范圍與吞吐量性能。然而，可能最重要的是，具備良好的濾波功能需要避免意外和間歇的性能下降，進而產生大量求助電話和主要客戶的不滿。對于基于 Qorvo 的 Wi-Fi 產品來說，濾波是最大限度提升用戶體驗質量與性能，并確保不間斷且高性能連接的關鍵技術之一。
審核編輯黃昊宇
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