一种高性能无线AP设计方案

这是我在2012年2月为客户编写的高性能无线AP设计方案,计划是安装在民航飞机上提供机舱内的WiFi接入。本方案是基于AMCC(已于2016年被Macom收购)的APM82181网络处理器的高性能工业级无线接入点,具有常规无线AP的基本功能,可稳定工作于-40~85℃,具有较高的EMC指标,可稳定工作于各种苛刻的环境。

硬件设计框图

CPU选用AMCC公司的高性能Power 464FP内核网络处理器APM82181,该芯片的工作主频最高为1GHz。通过APM82181自身的RGMII接口可以挂接千兆以太网交换机芯片,实现两个千兆以太网口。APM82181只有一个PCI-e接口,但是客户要求本产品需同时支持2.4GHz,5GHz频段,所以通过一个PCI-e Switch进行扩展,可以同时挂接两个IEEE 802.11n WiFi单元。

CPU的主要特征

根据调研及供应商的建议,并综合考虑各种因素,本方案采用AMCC的APM82181作为CPU,其基本特征如下:

  • Power 464FP内核,主频可达1GHz
  • 支持16/32bit DDR/DDR2内存
  • 具有1个PCI-e接口
  • 具有1个千兆以太网MAC
  • 具有1个RGMII接口
  • 具有2个UART接口
  • 具有2个SATA 2.0接口
  • 具有1个USB OTG接口
  • 支持NAND Flash
  • 具有SPI接口
  • 可在-40~105℃温度范围内正常工作

APM82181的内部结构框图下图所示。

以太网交换机

根据已有产品开发经验,以太网交换机芯片选用专业千兆以太网芯片公司Vitesse的VSC7395芯片,其基本特征如下:

  • 具有5+1个千兆以太网接口
  • 符合IEEE 802.3 (10 Base-T,100 Base-T,1000 Base-T)标准
  • 具有RGMII/GMII接口
  • 支持各种速率下的Jumbo Frame
  • 支持VLAN
  • 可在-40~100℃温度范围内正常工作

可见,VSC7395可以很好的满足本产品的要求。

WiFi芯片

考虑到本产品的高端要求,本方案采用Atheros公司的AR9390芯片作为本产品的WiFi MAC,基带与射频模块。AR9390是WiFi行业为数不多的工业级高性能MAC/BB/Radio芯片,它具有Mini PCI-e接口,可以与PCI-e Switch进行通信,其内部结构框图如下图所示。

AR9390的基本特征如下:

  • 支持IEEE 802.11 a/b/g/n
  • 具有3×3 MIMO射频链路架构,大大提高了吞吐量
  • 物理层最高速率可达到450Mbps
  • 具有PCI-e接口
  • 支持20MHz与40MHz信道带宽
  • 动态发射功率控制回路,可以大大提高射频稳定性
  • 可在-40~115℃温度范围内正常工作

射频电路设计

综合考虑各种因素及客户的实际需求,本方案对射频电路进行常规功率设计,即射频的技术指标满足常规无线AP,无线路由器的技术指标,同时,可以在40~85℃温度范围内正常工作,在此不对射频电路设计的细节进行讨论。

PCI-e Switch

根据已有产品开发经验及供应商的推荐,本方案选用IDT公司的89HPES3T3作为PCI-e Switch芯片,用于PCI-e接口的扩展。89HPES3T3常用于高速PCI-e接口扩展,其基本特征如下:

  • 3个2.5Gbps PCI-e通道
  • 1个上行接口
  • 2个下行接口
  • 可在40~85℃温度范围内正常工作
89HPES3T3的典型应用

硬件规格

主芯片AMCC APM82181,主频1GHz
内存128MB DDR2
Flash128MB NAND Flash
以太网Vitesse VSC7395
通过RGMII接口与CPU连接
无线网络MAC/BB/Radio:Atheros AR9390*2
PA/LNA/Switch:SE2595
On-board设计以提高牢固性,降低故障率
通过PCI-e总线与PCI-e Switch连接
以太网口1×LAN:10/100/1000Mbps自适应
1×WAN:10/100/1000Mbps自适应
无线网络接口同时支持IEEE 802.11 a/b/g/n
同时支持2.4GHz,5GHz双频段
支持3×3 MIMO
20MHz信道带宽下,最高速率为216.7Mbps
40MHz信道带宽,最高速率为450Mbps
发射功率:20dBm
灵敏度:-92dBm
调试接口预留1个RS232接口(DB9)
天线具有3只MMCX天线接口
硬件看门狗支持
按键预留一个硬复位按键
具有一个恢复出厂设置按键
指示灯1个电源指示灯(常亮表示供电正常,熄灭表示没有供电)
1个系统状态指示灯(常亮表示系统正常,闪烁表示系统正在启动)
2个网口状态指示灯(常亮表示已连接,闪烁表示正在传输数据)
1个无线状态指示灯(常亮表示已连接,闪烁表示正在传输数据)
供电方式采用插件方式内部供电
功率消耗TBD
工作温度范围-40℃~+85℃
环保标准符合RoHS环保标准
物理尺寸TBD
重量TBD

EMC设计考虑

方案暂定通过以下几种方式提高产品的EMC指标:

  • 做好各种防静电措施
  • 原理图设计上充分借鉴已有项目经验及客户的建议
  • PCB设计初期通过PCB SI进行仿真,保证信号完整性
  • PCB采用GND+Signal+GND+Power+Signal+GND的叠构方式
  • 所有重要信号线均走在第二层与第五层
  • 将所有射频信号限定在板子的一个固定区域,将射频信号走在表层,并将所有射频信号用较厚的屏蔽罩围起来