濾波器的類型與用途介紹

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?，F(xiàn)代 FM 收音機則可以抑制這些噼里啪啦的聲音，互聯(lián)網(wǎng)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(chǎn)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(dāng)考慮到人們家中使用的無線設(shè)備的數(shù)量，您會發(fā)現(xiàn)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(huán)境中，許多不同的無線電設(shè)備出于不同的原因在同時發(fā)射無線信號;為此，世界各地的監(jiān)管機構(gòu)都制定了特定的規(guī)則和法規(guī)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(yīng)受到其它無線電設(shè)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(guān)閉手機”。

2?關(guān)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。

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（或多個）收發(fā)器都能夠接入這一特定通道，從而發(fā)現(xiàn)彼此并實現(xiàn)通信;通常通過向在收發(fā)器之間發(fā)送能量的載波添加比特位（0 和 1）來實現(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，因為我們很快就會在不同信道上同時擁有數(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(chǎn)生噪聲。

當(dāng)傳輸路徑中出現(xiàn)噪聲時，數(shù)據(jù)包的某些部分會產(chǎn)生亂碼（破壞），迫使接收器“重新發(fā)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(wǎng)絡(luò)“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(xiàn)象總是存在于大氣中；除此之外，電氣設(shè)備和現(xiàn)代無線電應(yīng)用制造了更多噪聲：打開和關(guān)閉電氣設(shè)備會產(chǎn)生噪聲，微波爐也會產(chǎn)生噪聲等等。盡管無線電發(fā)射機應(yīng)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(fā)送信號，進而在此處產(chǎn)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(fā)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(xiàn)一些難以預(yù)料的狀況。茫茫荒野中的自然保護區(qū)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(zhèn)地區(qū)的噪聲水平會有所上升，主要由于應(yīng)用了多種無線電——而且無線設(shè)備的數(shù)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(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的大敵。在允許的輸出功率水平上，噪聲尖峰或附近無線電的持續(xù)干擾會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，這些問題有時很難診斷和解決（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)能力強的產(chǎn)品設(shè)計可以真正發(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，并減少不需要信號的數(shù)量及強度。濾波器是相當(dāng)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(chǎn)生驚人的影響。然而，當(dāng)在設(shè)計中加入濾波器時，需要權(quán)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(zhì)會造成一定的強度衰減；例如，當(dāng)設(shè)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?濾波器類型

無論從技術(shù)角度（本文未介紹）還是從應(yīng)用角度來看——或者換句話說，依據(jù)濾波器在產(chǎn)品設(shè)計中試圖實現(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(guān)注 Wi-Fi 濾波器，并采用在 Qorvo 使用的術(shù)語來指定我們產(chǎn)品組合中的濾波器類型。下列所述的三類濾波器，都能增強整個 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，同時消除性能意外降低的風(fēng)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(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）中不同無線協(xié)議間的共存

6?edgeBoost 濾波器

添加到無線發(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)。這個概念相當(dāng)簡單，即無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(tǒng)的總?cè)萘俊＞唧w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(wǎng)絡(luò)中所有用戶的互聯(lián)網(wǎng)連接速度。

edgeBoost 濾波器將針對以上問題發(fā)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。

圖 2. edgeBoost 濾波器如何改善覆蓋范圍（以及容量）

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(nèi)，您可以在 11 個定義的 Wi-Fi 信道上進行發(fā)送和接收。當(dāng)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(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高會怎樣？監(jiān)管機構(gòu)和認證實驗室將要求您降低發(fā)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(nèi)的所有信道上實現(xiàn)全功率傳輸，以最大限度地擴大覆蓋范圍。傳統(tǒng)上，對于外部信道，功率甚至?xí)档椭寥萘康乃姆种?，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(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，而不會相互泄露信號，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 濾波器對于提高 Wi-Fi 多用戶 MIMO 網(wǎng)絡(luò)的容量非常有用，因為其本質(zhì)上創(chuàng)建了多個 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)區(qū)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(wǎng)絡(luò)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(tǒng)實現(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(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)運行的上頻段和下頻段，以便在一個信道上啟用整個家庭網(wǎng)絡(luò)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(shè)備、筆記本電腦、游戲機、恒溫器等）。在未來的 Wi-Fi 6E 系統(tǒng)中也有類似的潛力，例如在 6 GHz 頻率上專門執(zhí)行回程傳輸，并在 5 GHz 頻譜內(nèi)進行客戶端通信。在日益擁擠的無線環(huán)境中，此舉將有效提升容量——更多的用戶同時使用更多的設(shè)備，提供大量信道可供無線信號進行選擇。

圖 4. bandBoost 濾波器如何通過創(chuàng)建多個區(qū)域來增加住宅 Wi-Fi 容量。

8?coexBoost

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

移動電話或熱點設(shè)備便是典型案例，其包含多種無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)、GPS、Wi-Fi、藍牙——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。今天的無線路由器、增程器和接入點設(shè)備亦是如此，它們整合了 Wi-Fi、物聯(lián)網(wǎng)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(shù)，均能以最小的延遲提供無縫的用戶體驗。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)準無線 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，都存在多種無線信號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 信號保持在 Wi-Fi 頻段之外。

越來越小的產(chǎn)品尺寸已成為行業(yè)的普遍發(fā)展趨勢，而這無助于產(chǎn)品設(shè)計人員的工作，因為他們將面對更大挑戰(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造成的阻礙。此類用戶體驗的一個例子是上網(wǎng)時的數(shù)據(jù)速度變慢，以及觸摸無線照明開關(guān)感到的明顯延遲從而出現(xiàn)過長的開燈 / 關(guān)燈等待時間。coexBoost 濾波器幫助設(shè)計人員在更小的空間內(nèi)容納更多無線信號，讓外形美觀的產(chǎn)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。