Monthly Archives: January 2014

Note20140127

无线通讯技术的极限

目前wifi使用的是2.4GHz的通讯频率，波长可以简单的算出为3e11mm / 2.4e9 = 125mm 大概一分米多一点，所以wifi的信号穿墙是衰减很大的。2.4GHz理论的极限的通讯速度是2.4G / 8 = 300MB/s, 但是无线信号被干扰的很厉害，需要加大量的检错码，一般实际的极限只有1/6的速度，就是50MB/s ＝ 400Mb/s。大家购买的路由器300Mb/s就很快了。同时，速度和距离也有很大关系，距离越远由于干扰和信号衰减，速度会以非常快的速度下降。

未来的无限技术

我认为可以使用多频技术并且提高信号频率

多频的意思就是2.41G, 2.42G, 2.43G …同时工作 -> 每多一路，功率加一，处理的芯片加一。

提高信号频率就是用5G, 6G等更高频来传输数据 -> 但是频率越高功率越大，且越容易被遮挡。

而我的期待是可以通过无线传输两路HDMI，这样的速度大概是30GHz，通过占用10个3G通道应该可以实现，但是这样的设备小型化就比较难了，功耗也很难控制，相当等于12个2.4G的wifi芯片同时工作。理论上是可以实现的，我的无线路由做完后着手做一个这样模型，希望可以实现HDMI数据的传输。 一般wifi发射功率是100mW，距离也就是在80平米的房间里勉强覆盖，如果家里都是混凝土浇筑的估计信号衰减的会很厉害。 现在的电力线传输技术倒是可以解决一部分，但是电力线只有一根，像这样的超高频不使用差分信号且电力线都很长，就是一根接干扰的天线，现在的HiFi基本速度就极限了。 而这样的速度还是无法实现4K的传输的，那需要4个HDMI的速度。

过孔大小和走线长度在高频下对信号的影响

在低频下，那就不用说了，只要不长到绕地球一周，几乎没有影响。高频则不同。走线和过孔都存在等效的电容和电感。电感会阻碍高频信号，所以对高频信号来说，导线的电阻也许微不足道，但产生的阻抗却是无法忽略的。

假如1ohm是阻抗的分界线，那么根据电感阻抗计算公式

X = 2 * PI * F * L

假设F=166MHz，标准的SDRAM的工作频率，这样可以算出1ohm的阻抗恰好是1nH

若F=2.4GHz，那么1ohm的阻抗是66pH

网上找的经验公式L=5.08h[ln(4h/d)+1]，一个4层1.6mm的板子上打10mil的过孔，那么L=1.35nH, 这样10mil的过孔就是1.4ohm的等效电阻。在2.4G的高频下，电阻相当于21ohm

计算过孔的寄生电容

C=1.41εTD1/(D2-D1)

这样我的过孔是10mil孔焊盘16mil,厚度T是1.6mm

C=1.41 * 4.4 * 64 * 10 / 6 = 0.66pF

这个在2.4GHz频率下等效电阻为X=1 / (2 * PI * f * C)=0.01,很小，可以忽略

在166MHz下等效电阻为0.15,也不大，过孔的寄生电容对高频影响并不大，只是在信号上下沿会导致延时，因为信号保持时过孔电压一样，就不存在电容了。

根据电容引起的上升时间变化通过公式计算大概在30ps左右，2.4GHz上升时间为416ps / 10 = 41.6ps，这个电容还是有一定影响的，所以高频到2.4GHz，导线必须尽量等长，这样大家都一样延时这么多时间就和谐了。

再算一下导线的寄生电容，

C=εS/4πkd=εLw/4πkd

走线厚度，w一般是1oz 35um。L走线长度假设1000mil=0.0254mm*1000=26mm=0.026m, ε基板介电常数，常用的是FR-4，大概4.4, d是间距，5mil布线间距=0.13mm=0.00013m,k是静电力常数9e9Nm^2/C^2,都换算成标准单位带进去算一下

C=4.4*0.026*35e-6/4/3.14/9e9/0.00013=2.72e-13F=0.27pF

这样对应的阻抗就是

X = 1 / (2 * PI * f * C)

在166MHz的高频下，等于这两根导线间接了一个X= 3.5k ohm的电阻.在2.4G的高频下等于接了一个240ohm的电阻。

继续计算导线的寄生电感

L = 0.01 * D * N * N / (L / D + 0.44) 网上的无敌经验公式

L单位是mH,D线圈直径cm,N线圈数，我们的是导线，此为1，L线圈长度，单位cm。

这样1000mil的导线假设围成1圈，电感为

L = 0.01 * 0.9cm / (2 * 3.14 + 0.44) = 1.3nH

假设我们的PCB板打了两个个过孔，在166MHz下相当于增加了3ohm的电阻，导线长度1000mil(25.4mm)相当于3000ohm，那么很容易算出我们有1/1000的分压，就是说3.3V的电压会感应出3.3mV，貌似不是很多，若旁边有10条平行线的话，大概是0.01V~0.02V的感应电压，这样的噪声在1%以内，理论上可以接受。

但是2.4GHz下情况就不同了，我们等于线之间只有240ohm阻抗而过孔电感和导线的电感产生的阻抗却有40～60ohm，3.3V产生的分压达到了1/5，如果边上还有高频导线干扰甚至可以达到1/2，如果考虑到环境电磁噪声，这样的线路板必然无法正常工作。

VoCore v0.1 BOM 

[Capacitance]
|1   |17  | C9,C16,C43,C92,C98,C104,  | 0402, 0.1uF, 10V, X5R, +/-10%
|    |    | C108,C113,C114,C387,C388, |
|    |    | C389,C390,C391,C414,C422, |
|    |    | C110                      |
|2   |4   | C48,C50,C77,C79           | 0402, 1.2nF, 50V, X7R, +/-10%
|3   |3   | C36,C40,C409              | 0402, 1.2pF, 50V, NPO, +/-20%
|4   |1   | C105                      | 0402, 1.5nF, 50V, X7R, +/-10%
|5   |2   | C7,C10                    | 0402, 100pF, 50V, NPO, +/-5%
|6   |1   | C4                        | 0402, 10nF, 16V, X7R, +/-10%
|7   |4   | C6,C17,C278,C443          | 0402, 10pF, 50V, NPO, +/-5%
|8   |3   | C8,C14,C111               | 0402, 1uF, 6.3V, X5R, +/-10%
|9   |2   | C35,C38                   | 0402, 2.7pF, 50V, NPO, +/-10%
|10  |1   | C18                       | 0402, 22nF, 25V, X7R, +/-10%
|11  |1   | C15                       | 0402, 27pF, 50V, NPO, +/-5%
|12  |7   | C2,C42,C84,C93,C109,C112, | 0402, 4.7uF, 6.3V, X5R, +/-20%
|    |    | C251                      |
|13  |1   | C161                      | 0402, 470pF, 50V, NPO, +/-5%
|14  |2   | C105,C106                 | 0603, 22uF, 10V, X7R, +/-20%
[Inductance]
|1   |1   | L11                       | 0402, 2.2nH, +/-10%
|2   |1   | L12                       | 0402, 2.7nH, +/-10%
|3   |1   | L444                      | 0402, 3.3nH, +/-10%
|4   |1   | L14                       | 0805, 4.7uH, +/-20%, 1100mA
[Resistance]
|1   |1   | R1                        | 0402, 12k, +/-1%
|3   |1   | SR1                       | 0402, 22, +/-1%
|5   |1   | R212                      | 0402, 300, +/-5%
|4   |1   | R67                       | 0402, 330k, +/-1%
|7   |1   | R68                       | 0402, 680k, +/-1%
|6   |15  | R71,R94,R95,R107,R118,    | 0402, 4.7k, +/-5%
|    |    | R119,R142,R144,R150,R154, |
|    |    | R192,R293,R308,R318,SR2   |
|8   |8   | R26,R27,R28,R29,R55,R56,  | 0402, 49.9, +/-1%
|    |    | R57,R58                   | 
|9   |1   | R300                      | 0402, 51, +/-5%
|10  |1   | R8                        | 0402, 8.2k, +/-1%
|11  |1   | R50                       | 0402, 9.1k, +/-1%
[Chip]
|1   |1   | MT3410L                   | SOT23-5
|2   |1   | RT5350F                   | TFBGA-196B
|3   |1   | EM63A165TS                | TSOP-54
|4   |1   | W25Q64FV                  | SOIC 208mil
[Other]
|1   |1   | CRYSTAL 20MHz             | 3225
|2   |1   | U.FL IPEX/IPX, SMT        | 3225

过孔和过线的宽度和电流关系

铜厚度1oz，线宽单位mil。

上升10摄氏度
6mil 0.2A
8mil 0.55A
12mil 0.8A
16mil 1.1A

设计时需要小于该值的一半考虑。
过孔的对应的导线宽度为焊盘边缘宽度，即10mil的孔，16mil的焊盘外径则对应6mil的导线。

RT5350F全开时电流为280mA，约为3.3V * 0.28A = 0.924W
其中天线发射功率为100mW,大概40mA的电流，用6mil的导线就够了。
接地过孔必须可以承受约0.5A的电流，所以16mil的过孔至少要6个，越多越好。