1?濾波器能解決什么問(wèn)題？

一句話，濾波器解決的是噪聲問(wèn)題;更確切地說(shuō)，是 RF 噪聲或無(wú)線電噪聲問(wèn)題。如果您有一臺(tái)老式的 FM 收音機(jī)，從一個(gè)頻道撥到另一個(gè)頻道時(shí)會(huì)聽(tīng)到中間噼里啪啦的噪聲?，F(xiàn)代 FM 收音機(jī)則可以抑制這些噼里啪啦的聲音，互聯(lián)網(wǎng)收音機(jī)也是如此。噪聲無(wú)處不在，而且即便“有用的無(wú)線電信號(hào)”也會(huì)在其它場(chǎng)合產(chǎn)生噪聲。消費(fèi)者盼望擁有廣泛的連接性，但痛恨線纜的羈絆。所以，當(dāng)考慮到人們家中使用的無(wú)線設(shè)備的數(shù)量，您會(huì)發(fā)現(xiàn)該噪聲問(wèn)題只會(huì)隨著時(shí)間的推移而變得越來(lái)越嚴(yán)重。

在這種“嘈雜”的環(huán)境中，許多不同的無(wú)線電設(shè)備出于不同的原因在同時(shí)發(fā)射無(wú)線信號(hào);為此，世界各地的監(jiān)管機(jī)構(gòu)都制定了特定的規(guī)則和法規(guī)以確保平衡。一個(gè)簡(jiǎn)單的例子是，用于飛機(jī)起降時(shí)通信的無(wú)線電信號(hào)絕對(duì)不應(yīng)受到其它無(wú)線電設(shè)備有意或無(wú)意的干擾。所以，為了飛機(jī)的安全運(yùn)行和乘客的切身利益，“請(qǐng)您關(guān)閉手機(jī)”。

2?關(guān)于濾波器

玻璃和玻璃紙我們都很熟悉?！巴该鳌钡牟ＡЩ虿ＡЪ埧梢宰屗猩馔ㄟ^(guò)，也就是讓光譜中的所有顏色（即“光帶”） 都能透過(guò)；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(guò)。光帶中的每一種顏色都可以視為為一個(gè)信道，如紅色信道或藍(lán)色信道等。一個(gè)信道是光帶 / 頻段的一部分，而整個(gè)光帶 / 頻段通常被分割成多個(gè)信道。

不同的 Wi-Fi 頻段（915MHz、2.4GHz 和 5GHz、6GHz）也有類似的信道劃分。

圖 1. Wi-Fi 頻段和信道。

信道的目的是使兩個(gè)（或多個(gè)）收發(fā)器都能夠接入這一特定通道，從而發(fā)現(xiàn)彼此并實(shí)現(xiàn)通信;通常通過(guò)向在收發(fā)器之間發(fā)送能量的載波添加比特位（0 和 1）來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些比特位捆綁在一起形成信息包，發(fā)送方和接收方都需要非常精確，因?yàn)槲覀兒芸炀蜁?huì)在不同信道上同時(shí)擁有數(shù)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(hào)阻擋在頻段（信道）之外；以及 （2） 防止有用的通信信號(hào)在頻段（信道）之外產(chǎn)生噪聲。

當(dāng)傳輸路徑中出現(xiàn)噪聲時(shí)，數(shù)據(jù)包的某些部分會(huì)產(chǎn)生亂碼（破壞），迫使接收器“重新發(fā)送”。這種通信問(wèn)題的檢測(cè)過(guò)程通常要花費(fèi)時(shí)間，用戶則會(huì)感覺(jué)網(wǎng)絡(luò)“速度變慢”或認(rèn)為他們的“Wi-Fi 很糟糕”。

3?大氣中的噪聲從何而來(lái)？

首先，噪聲作為一種自然（熱）現(xiàn)象總是存在于大氣中；除此之外，電氣設(shè)備和現(xiàn)代無(wú)線電應(yīng)用制造了更多噪聲：打開(kāi)和關(guān)閉電氣設(shè)備會(huì)產(chǎn)生噪聲，微波爐也會(huì)產(chǎn)生噪聲等等。盡管無(wú)線電發(fā)射機(jī)應(yīng)僅在特定的信道中工作，但實(shí)際上，它們也可以在其它頻段的其它信道中發(fā)送信號(hào)，進(jìn)而在此處產(chǎn)生噪聲。這就是為何無(wú)線電不僅需要被準(zhǔn)許以有限的強(qiáng)度發(fā)送有用的信號(hào)，而且不得在其它地方傳輸超過(guò)某些強(qiáng)度的信號(hào)。

無(wú)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(qiáng)度及距離，因此時(shí)常會(huì)出現(xiàn)一些難以預(yù)料的狀況。茫?；囊爸械淖匀槐Ｗo(hù)區(qū)很可能只會(huì)有自然（白）噪聲，盡管太陽(yáng)活動(dòng)或宇宙天文事件也會(huì)給頻譜帶來(lái)尖峰。城鎮(zhèn)地區(qū)的噪聲水平會(huì)有所上升，主要由于應(yīng)用了多種無(wú)線電——而且無(wú)線設(shè)備的數(shù)量多年來(lái)仍一直在不斷攀升。

4?干擾

干擾讓噪聲成為高性能無(wú)線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的大敵。在允許的輸出功率水平上，噪聲尖峰或附近無(wú)線電的持續(xù)干擾會(huì)造成丟包和性能下降，從而導(dǎo)致大量客戶投訴與求助電話；更糟糕的是，這些問(wèn)題有時(shí)很難診斷和解決（技術(shù)支持工程師可以講講關(guān)于這一話題恐怖故事?。?。由于噪聲干擾，優(yōu)秀的、適應(yīng)能力強(qiáng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)可以真正發(fā)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(hào)，并減少不需要信號(hào)的數(shù)量及強(qiáng)度。濾波器是相當(dāng)神奇的解決方案，它們不僅可以緩解問(wèn)題，還通過(guò)減少丟包對(duì)性能產(chǎn)生驚人的影響。然而，當(dāng)在設(shè)計(jì)中加入濾波器時(shí)，需要權(quán)衡取舍，即考慮到插損的問(wèn)題。再以玻璃或玻璃紙為例，過(guò)濾介質(zhì)會(huì)造成一定的強(qiáng)度衰減；例如，當(dāng)設(shè)計(jì)中包含濾波器時(shí)，接收器會(huì)損失一些靈敏度（接收微弱信號(hào)的能力）。

5?濾波器類型

無(wú)論從技術(shù)角度（本文未介紹）還是從應(yīng)用角度來(lái)看——或者換句話說(shuō)，依據(jù)濾波器在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中試圖實(shí)現(xiàn)的不同目標(biāo)，濾波器可分為很多類型。在某些情況下，使用一個(gè)濾波器（或多個(gè)濾波器的組合）可以帶來(lái)多重收益。

本文中，我們將專門(mén)關(guān)注 Wi-Fi 濾波器，并采用在 Qorvo 使用的術(shù)語(yǔ)來(lái)指定我們產(chǎn)品組合中的濾波器類型。下列所述的三類濾波器，都能增強(qiáng)整個(gè) Wi-Fi 系統(tǒng)的容量，在覆蓋范圍和吞吐量方面提高系統(tǒng)性能，同時(shí)消除性能意外降低的風(fēng)險(xiǎn)：

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(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中的信道隔離

coexBoost 濾波器：最優(yōu)化同一頻段（LTE、IoT 等）中不同無(wú)線協(xié)議間的共存

6?edgeBoost 濾波器

添加到無(wú)線發(fā)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(nèi)。這個(gè)概念相當(dāng)簡(jiǎn)單，即無(wú)線電不允許在頻段外產(chǎn)生噪聲，但是當(dāng)接近帶緣的信道以全功率運(yùn)行時(shí)，它們會(huì)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(dá)到無(wú)線認(rèn)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(huì)影響系統(tǒng)的總?cè)萘?。具體來(lái)說(shuō)，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(wǎng)絡(luò)中所有用戶的互聯(lián)網(wǎng)連接速度。

edgeBoost 濾波器將針對(duì)以上問(wèn)題發(fā)揮作用。此種濾波器減少了頻段外無(wú)線信號(hào)的泄漏，因此無(wú)線信號(hào)可以在邊緣信道中以最大功率進(jìn)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。

圖 2. edgeBoost 濾波器如何改善覆蓋范圍（以及容量）

讓我們看一個(gè)實(shí)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(nèi)，您可以在 11 個(gè)定義的 Wi-Fi 信道上進(jìn)行發(fā)送和接收。當(dāng)您在頻率范圍中心的某個(gè)信道上進(jìn)行傳輸時(shí)（例如信道 6），在頻段外（低于 2412 MHz 或高于 2484 MHz）產(chǎn)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(jìn)行傳輸，則在 2412 MHz 以下產(chǎn)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(chǎn)生干擾的情況。如果您在頻段外的干擾過(guò)高會(huì)怎樣？監(jiān)管機(jī)構(gòu)和認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室將要求您降低發(fā)射功率，直到符合要求為止，此舉對(duì) Wi-Fi 路由器用戶的影響是覆蓋范圍減小。但是，通過(guò)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(jià)值在于能夠在整個(gè)頻段內(nèi)的所有信道上實(shí)現(xiàn)全功率傳輸，以最大限度地?cái)U(kuò)大覆蓋范圍。傳統(tǒng)上，對(duì)于外部信道，功率甚至?xí)档椭寥萘康乃姆种唬灾掠谑鬏斁嚯x和覆蓋范圍。借助 edgeBoost 濾波器，可以在整個(gè)頻段上保持最大吞吐量，并以最高的水平支持整個(gè)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(shí)對(duì)特定類型的無(wú)線連接（如 Wi-Fi）進(jìn)行多波段操作，從而為每個(gè)分頻成倍增加網(wǎng)絡(luò)容量和吞吐量。在多頻段 Wi-Fi 6 和 Wi-Fi 6E 網(wǎng)絡(luò)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(xù)并發(fā)使用，而不會(huì)相互泄露信號(hào)，避免造成不同信道間的（Wi-Fi）自干擾。

圖 3. SMR BAW 的功率與熱量處理。

bandBoost 濾波器對(duì)于提高 Wi-Fi 多用戶 MIMO 網(wǎng)絡(luò)的容量非常有用，因?yàn)槠浔举|(zhì)上創(chuàng)建了多個(gè) Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)區(qū)域，在同一空間的不同信道上同時(shí)支持不同用戶。通過(guò)將頻段分割成子頻段，可以最大程度地減小這些網(wǎng)絡(luò)之間的干擾，同時(shí)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(huì)互相干擾。bandBoost 濾波器可以與頻段管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)配合，了解如何隔離不同的子頻段，并確保不同用戶 / 應(yīng)用的正確信道分配。

再來(lái)看一個(gè)例子。此類濾波器可以讓信道同時(shí)獲得有效利用，因此在當(dāng)今的三頻 Wi-Fi 系統(tǒng)（2.4/5L/5H GHz 配置）中得到了顯著的應(yīng)用，以提高系統(tǒng)容量。例如，將 5 GHz 頻譜分為并發(fā)運(yùn)行的上頻段和下頻段，以便在一個(gè)信道上啟用整個(gè)家庭網(wǎng)絡(luò)中的專用回程鏈路，同時(shí)在另一信道啟動(dòng)客戶端通信鏈路（移動(dòng)設(shè)備、筆記本電腦、游戲機(jī)、恒溫器等）。在未來(lái)的 Wi-Fi 6E 系統(tǒng)中也有類似的潛力，例如在 6 GHz 頻率上專門(mén)執(zhí)行回程傳輸，并在 5 GHz 頻譜內(nèi)進(jìn)行客戶端通信。在日益擁擠的無(wú)線環(huán)境中，此舉將有效提升容量——更多的用戶同時(shí)使用更多的設(shè)備，提供大量信道可供無(wú)線信號(hào)進(jìn)行選擇。

圖 4. bandBoost 濾波器如何通過(guò)創(chuàng)建多個(gè)區(qū)域來(lái)增加住宅 Wi-Fi 容量。

8?coexBoost

將 coexBoost 濾波器添加至無(wú)線發(fā)射或接收鏈路，以允許同時(shí)使用不同的無(wú)線連接技術(shù)。當(dāng)通過(guò)這些濾波器進(jìn)行傳輸時(shí)，可以防止系統(tǒng)對(duì)相鄰無(wú)線信號(hào)的干擾；同樣，在接收時(shí)則保護(hù)系統(tǒng)免受同一相鄰無(wú)線信號(hào)的干擾，為不同的無(wú)線連接創(chuàng)造同步、無(wú)干擾的共存環(huán)境。

移動(dòng)電話或熱點(diǎn)設(shè)備便是典型案例，其包含多種無(wú)線蜂窩網(wǎng)絡(luò)、GPS、Wi-Fi、藍(lán)牙——全部融合在一部非常小巧的產(chǎn)品中，因而這些類型的濾波器也經(jīng)常發(fā)揮關(guān)鍵性的作用。今天的無(wú)線路由器、增程器和接入點(diǎn)設(shè)備亦是如此，它們整合了 Wi-Fi、物聯(lián)網(wǎng)和藍(lán)牙，并輻射出盡可能多的功率，以便讓所有無(wú)線信號(hào)均獲得最佳的覆蓋范圍與性能;且無(wú)論采用何種無(wú)線技術(shù)，均能以最小的延遲提供無(wú)縫的用戶體驗(yàn)。一些服務(wù)提供商依靠 3G/LTE/5G 為家庭或企業(yè)提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入，其通過(guò)一部調(diào)制解調(diào)器向室內(nèi)接入 LTE（以及即將推出的 5G），并帶有用于連接標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線 Wi-Fi 路由器的以太網(wǎng)端口（假定該路由器位于調(diào)制解調(diào)器近旁）；或者也可以采用在同一個(gè)產(chǎn)品中集成所有三種功能的網(wǎng)關(guān)。在所有情況下，都存在多種無(wú)線信號(hào)在彼此相鄰的信道中執(zhí)行發(fā)送和接收。

圖 5. coexBoost 濾波器如何將 FTE 信號(hào)保持在 Wi-Fi 頻段之外。

越來(lái)越小的產(chǎn)品尺寸已成為行業(yè)的普遍發(fā)展趨勢(shì)，而這無(wú)助于產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員的工作，因?yàn)樗麄儗⒚鎸?duì)更大挑戰(zhàn)，需要避免因數(shù)據(jù)通信數(shù)據(jù)包的干擾和相互破壞給用戶體驗(yàn)造成的阻礙。此類用戶體驗(yàn)的一個(gè)例子是上網(wǎng)時(shí)的數(shù)據(jù)速度變慢，以及觸摸無(wú)線照明開(kāi)關(guān)感到的明顯延遲從而出現(xiàn)過(guò)長(zhǎng)的開(kāi)燈 / 關(guān)燈等待時(shí)間。coexBoost 濾波器幫助設(shè)計(jì)人員在更小的空間內(nèi)容納更多無(wú)線信號(hào)，讓外形美觀的產(chǎn)品具備出色的性能和無(wú)縫的交互，使這些問(wèn)題得到完美解決。