如何透過硬體設計改善WIFI與Bluetooth coexistence

現今的物聯網設備通常會同時擁有一種以上的無線傳輸技術,例如Bluetooth & Wi-Fi,Bluetooth是一種用於無線個人區域網(WPAN)中的設備之間進行短距離無線連接,適合小資料量的應用;802.11的Wi-Fi技術可連接無線區域網(WLAN)中的設備和基礎設施,適合大資料量的應用。但是Bluetooth和802.11b/g/n Wi-Fi兼容設備在相同的2.4 GHz頻帶上運行,所以它們是相互干擾的。
channel list

                                                                                                                           圖一 Zigbee/Bluetooth/Wi-Fi Channel list
 
當訊號互相干擾時,會導致訊號雜訊過大,使接收機無法解出正確訊號,比如說當Bluetooth 透過A2DP profile在傳遞音樂到個人裝置上時,會因為Wi-Fi信號的干擾讓使用者在收聽音樂會有雜訊音。所以本文將從硬體設計的角度來降低WIFI與Bluetooth的互相干擾。以下提出兩種方法來降低信號干擾

  1.  透過邏輯電路降低Wi-Fi & Bluetooth信號干擾
            要了解此種方法的原理必須先知道Wi-Fi發射機的基礎架構與傳輸控制協定

  • Wi-Fi發射機硬體架構
           Wi-Fi發射機硬體架構如下圖,紅框處為Wi-Fi IC內部訊號處理,處理完後的高頻(RF)信號經由功率放大器(Power Amplifier)放大後由天線發射到空氣中傳遞。

發射機架構
                                                                                                                                                            圖二 發射機架構




  • Wi-Fi傳輸控制協定
    一般Wi-Fi在傳遞資料的時候都是依循傳輸控制協定(TCP)來傳遞簡單的說,TCP為了保證不發生丟包(Loss Packet),就給每個包一個序號,同時序號也保證了傳送x到接收端實體的包的按序接收。然後接收端實體對已成功收到的包發回一個相應的確認資訊(ACK);如果傳送端實體在合理的往返時延(RTT)內未收到確認,那麼對應的封包就被假設為已遺失並進行重傳。
         
了解了上述兩個項目後,我們接者介紹透過邏輯電路降低Wi-Fi & Bluetooth/Zigbee 信號干擾的原理,當我們在設計硬體線路時可以設計一個邏輯電路如下圖,此邏輯電路是設計當Bluetooth/Zigbee在傳遞資              料時邏輯電路會關掉Wi-Fi發射機的功率放大器來降低Wi-Fi信號強度,進而降低Wi-Fi對Bluetooth/Zigbee 的信號干擾,通常功率放大器關閉後最少可以降低20dB以上的Wi-Fi信號強度,且若關掉Wi-Fi Power              amplifier造成的小量丟包可以透過TCP的機制重傳,使Wi-Fi資料不因此邏輯電路造成丟包的現象

                                                                                                                                               圖三 WIFI & Bluetooth coexistence logic circuit

       2. 增加Wi-Fi & Bluetooth天線隔離度
           另一個改善方法是增加Wi-Fi & Bluetooth天線隔離度,我們的經驗是Bluetooth和Wi-Fi的天線必須有25dB以上的隔離度,使Bluetooth和Wi-Fi的訊號會經過25dB以上的衰減後才影響到彼此,進而降低訊                     號干擾,通常要增加天線間的隔離度主要透過兩種方法
  • 兩支天線的極化方向不同
  • 兩支天線的擺放距離拉遠

結論,現今無線裝置的種類及數量越來越多,在使用上難免會遇到同頻干擾的問題,除了透過通訊IC內部的數位電路改善外,另一個方式就是透過類比硬體設計來改善,本文提出兩個改善方法都是已經實際應用過且有效的方法,對於Wi-Fi & Bluetooth信號干擾有者顯著的改善。

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