兼容多種WiFi 協(xié)議的數(shù)字射頻前端設(shè)計(jì)

白櫟旸 ，王 維 ，徐圣楠

(1.南京睿赫電子有限公司，江蘇 南京 210018；2.中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第八研究院，江蘇 南京 211100；3.南京理工大學(xué) 電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210094)

0 引言

數(shù)字射頻前端，又稱(chēng)數(shù)字射頻接口單元(Radio Interface Unit，RIU)，是WiFi 接收模塊的重要組成部分，它不僅負(fù)責(zé)指導(dǎo)前端模擬電路對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行放大，還會(huì)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行前期處理，包括將接收信號(hào)按照不同的帶寬進(jìn)行濾波，去除直流分量，進(jìn)行空閑信道評(píng)估(Clear Channel Assessment，CCA) 等。由于20年間WiFi系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，各類(lèi)WiFi 協(xié)議設(shè)備尚在應(yīng)用當(dāng)中并未淘汰，在設(shè)計(jì)中也必須考慮新舊協(xié)議的兼容性。

與WiFi RIU 設(shè)計(jì)有關(guān)的研究多集中于產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，因而報(bào)道和論文較少。本文就此問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)論述，具體介紹了一種可兼容現(xiàn)有全部WiFi 協(xié)議的RIU 架構(gòu)。全文分為3 部分，第1 部分介紹RIU 的位置、硬件架構(gòu)、功能和處理流程，第2 部分使用本設(shè)計(jì)對(duì)正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)和直接序列擴(kuò)頻/補(bǔ)碼鍵控(Direct Sequence Spread Spectrum and Complementary Code Keying，DSSS/CCK)兩種類(lèi)型的信號(hào)進(jìn)行了自動(dòng)增益控制和類(lèi)型識(shí)別的仿真，第3 部分對(duì)本文的工作進(jìn)行了總結(jié)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 RIU 在WiFi 電路中的位置

RIU 在WiFi 接收電路中處于模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog/Digital Converter，ADC)和基帶解調(diào)器之間，如圖1 所示。該模塊的主要作用有2 個(gè)，其一是對(duì)于模擬接收部件進(jìn)行配置，使其以合適的增益對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行放大，稱(chēng)為自動(dòng)增益控制(Automatic Gain Control，AGC)；其二是將ADC 信號(hào)按照解調(diào)器的需要進(jìn)行重新采樣。

圖1 RIU 在WiFi 接收電路中的位置

1.2 硬件架構(gòu)

RIU 設(shè)計(jì)的基本架構(gòu)如圖2 所示。它可以分為數(shù)據(jù)通路和控制通路。數(shù)據(jù)通路，即模擬接收信號(hào)經(jīng)過(guò)ADC采樣、基帶頻譜搬移、數(shù)字濾波、下采樣后，轉(zhuǎn)化為多種不同帶寬的信號(hào)，供OFDM 或DSSS/CCK 解調(diào)器選擇使用?？刂仆肥菍?shù)據(jù)通路的信息反饋到數(shù)據(jù)處理器，最終實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)的跳轉(zhuǎn)，并向模擬器件提供增益配置。狀態(tài)機(jī)決定了配置模擬增益、開(kāi)/關(guān)數(shù)據(jù)通路、開(kāi)關(guān)解調(diào)器等操作的順序和時(shí)機(jī)。

圖2 RIU 的基本架構(gòu)

1.3 狀態(tài)機(jī)

RIU 內(nèi)部狀態(tài)機(jī)如圖3 所示。在芯片上電后，數(shù)據(jù)和控制通路以及解調(diào)器都處于關(guān)閉狀態(tài)。狀態(tài)機(jī)對(duì)模擬放大器設(shè)置一個(gè)初始增益后，打開(kāi)數(shù)據(jù)和控制通路。接收信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)通路后，進(jìn)入控制通路的數(shù)據(jù)處理器計(jì)算數(shù)字信號(hào)功率，若功率達(dá)到觸發(fā)條件，即可進(jìn)行AGC 調(diào)節(jié)及信號(hào)識(shí)別。觸發(fā)條件分為飽和與發(fā)現(xiàn)兩種類(lèi)型。前者是功率超過(guò)飽和門(mén)限后的觸發(fā)，后者是功率的絕對(duì)值或相對(duì)變化量滿(mǎn)足一定條件導(dǎo)致觸發(fā)。飽和后需要狀態(tài)機(jī)進(jìn)行一系列循環(huán)增益粗調(diào)才能將信號(hào)穩(wěn)定在非飽和狀態(tài)，而發(fā)現(xiàn)則無(wú)須進(jìn)行增益粗調(diào)，直接進(jìn)入精調(diào)。精調(diào)是按照ADC 的目標(biāo)功率對(duì)模擬增益進(jìn)行精細(xì)化計(jì)算和調(diào)整。精調(diào)后將信號(hào)與OFDM 前導(dǎo)和DSSS/CCK 前導(dǎo)進(jìn)行相關(guān)。

圖3 RIU 內(nèi)部狀態(tài)機(jī)示意圖

若與OFDM 相關(guān)，則打開(kāi)OFDM 解調(diào)器，它將持續(xù)解析信號(hào)內(nèi)容，并上報(bào)數(shù)字射頻前端是否發(fā)現(xiàn)SIG 字段，若未發(fā)現(xiàn)，說(shuō)明信號(hào)消失，回到初始態(tài)等待再次觸發(fā)。若發(fā)現(xiàn)是綠野模式信號(hào)(Green Field，GF)的HT-SIG(High Throughput Signal Field)字段，說(shuō)明為WiFi4 的GF信號(hào)，它將通知RIU 按照SIG 字段定義的等待時(shí)間等待其結(jié)束。若是L-SIG(Legacy Signal Field)，說(shuō)明是兼容性的802.11a/g/n/ac/ax 信號(hào)，需要進(jìn)一步等待HT-SIG。解調(diào)器會(huì)根據(jù)不同協(xié)議報(bào)文在SIG 字段的相位旋轉(zhuǎn)情況區(qū)分802.11a/g/n/ac[1]。若為802.11a/g 報(bào)文，則會(huì)按照L-SIG 規(guī)定時(shí)間進(jìn)行等待；若為WiFi4 或5 的報(bào)文，則會(huì)根據(jù)HT-STF(High Throughput Short Training Field)字段或VHT-STF(Very High Throughput Short Training Field)字段對(duì)功率進(jìn)行重新鎖定，并將按照規(guī)定的信號(hào)結(jié)束時(shí)間對(duì)增益進(jìn)行保持。對(duì)于WiFi4，結(jié)束時(shí)間依據(jù)HT-SIG 字段獲得[2]，對(duì)于WiFi5，結(jié)束時(shí)間依據(jù)L-SIG 字段規(guī)定的字節(jié)和速率反推獲得[3]。若解調(diào)器發(fā)現(xiàn)有兩個(gè)重復(fù)的L-SIG 字段被發(fā)送，則判斷為WiFi6 信號(hào)[4]，并指示數(shù)字前端將等待HE-STF(High Efficiency Short Training Field)字段，然后對(duì)功率進(jìn)行重新鎖定。鎖定后的WiFi6 不會(huì)簡(jiǎn)單地等待報(bào)文結(jié)束，而是從解調(diào)器處調(diào)用HE-SIGA(High Efficiency Signal A)字段中的顏色信息[5]，區(qū)分該報(bào)文是否為本設(shè)備所處的基本網(wǎng)絡(luò)(Basic Service Set，BSS)，若是，說(shuō)明報(bào)文來(lái)自網(wǎng)內(nèi)成員，則繼續(xù)接收信號(hào)，否則，說(shuō)明來(lái)自鄰近網(wǎng)絡(luò)干擾，則將根據(jù)設(shè)定的重疊網(wǎng)絡(luò)(Overlapping Basic Service Set,OBSS)功率門(mén)限，決定是否結(jié)束接收。若為WiFi4，還應(yīng)考慮協(xié)議規(guī)定的RIFS(Reduced Inter-Frame Space)情況[6]，即，以2 μs 間隔 連續(xù)發(fā)包的情況。狀態(tài)機(jī)會(huì)在前一個(gè)報(bào)文結(jié)束的2 μs 后打開(kāi)數(shù)據(jù)和控制通路，測(cè)量20 MHz 帶內(nèi)功率是否在前一個(gè)報(bào)文功率的±10 dBm 以?xún)?nèi)，若是，則說(shuō)明為RIFS 情況，不會(huì)初始化增益，而是直接進(jìn)行AGC 精調(diào)。

若與DSSS 相關(guān)，則開(kāi)啟802.11b 解調(diào)器，解調(diào)器會(huì)將報(bào)文字段信息反饋到RIU，如是否收到SFD(Start Frame Delimiter)、SIG 字段等[7]，若等待相應(yīng)時(shí)間后，這些前導(dǎo)字段未收到，會(huì)導(dǎo)致?tīng)顟B(tài)機(jī)的初始化。由于DSSS/CCK 信號(hào)不支持5G 頻段，當(dāng)用戶(hù)設(shè)定為5G 頻段時(shí)，遇到DSSS/CCK 相關(guān)事件后，可直接回到AGC 初始化過(guò)程。

在報(bào)文解調(diào)過(guò)程中，若功率突然降低到消失門(mén)限以下，狀態(tài)機(jī)將關(guān)閉解調(diào)器和數(shù)據(jù)/控制通路，初始化AGC。

1.4 數(shù)據(jù)通路

數(shù)據(jù)通路由基帶搬移、數(shù)字濾波、下采樣三個(gè)模塊組成?；鶐О嵋频哪康氖菍⑿盘?hào)從基帶邊緣移至中心，原因是WiFi 信號(hào)并非固定帶寬，可能出現(xiàn)20/40/80/160 MHz等不同帶寬信號(hào)，而模擬低通濾波器需要支持最大帶寬160 MHz，因而小于此帶寬的信號(hào)會(huì)分布在通帶中心頻點(diǎn)兩側(cè)[8]。系統(tǒng)將按照用戶(hù)設(shè)置的主信道編號(hào)對(duì)其進(jìn)行搬移。數(shù)字濾波器將接收信號(hào)按照不同帶寬進(jìn)行濾波。最終將信號(hào)降至與帶寬相同的頻率。

數(shù)據(jù)通路為同時(shí)輸出20～160 MHz 的主/副頻帶信號(hào)，采用分級(jí)濾波方式，如圖4 所示。之所以需要產(chǎn)生多種帶寬信號(hào)，是因?yàn)榻邮諜C(jī)無(wú)法預(yù)知信號(hào)帶寬，需要解調(diào)器解出HT-SIG、VHT-SIGA(Very High Throughput Signal Field A)或HE-SIGA 中的帶寬信息。

圖4 數(shù)據(jù)通路中不同帶寬信號(hào)的產(chǎn)生

解析的信息中，有20 MHz 副信道信息，有助于解調(diào)器進(jìn)行信號(hào)帶寬的初始識(shí)別，該識(shí)別主要針對(duì)WiFi4 GF 信號(hào)。由 于802.11a/g，WiFi4～6 的兼容 格式都包含一段公共前導(dǎo)，允許接收機(jī)對(duì)其進(jìn)行識(shí)別，接收機(jī)只需要使用20 MHz 采樣即可獲得這些前導(dǎo)信息。但WiFi4 GF信號(hào)不兼容其他報(bào)文格式[9]，如圖5 所示，其帶寬有20/40 MHz 兩種。若使用40 MHz 帶寬，接收機(jī)使用20 MHz采樣無(wú)法獲取信息。因而要求接收機(jī)必須在報(bào)文開(kāi)始的STF(Short Training Field)階段就盡早獲知其帶寬，并按帶寬采樣解析。由于GF 信號(hào)最多只有40 MHz[10]，因而只需要使用20 MHz 主/副通道信號(hào)，而其他帶寬的副通道信號(hào)將用于CCA 的識(shí)別，不輸出到解調(diào)器。

圖5 GF 報(bào)文與兼容性報(bào)文對(duì)照

1.5 控制通路

控制通路由數(shù)據(jù)處理器、事件判斷器、射頻增益計(jì)算器、CCA 判決器組成。

河北省地理位置十分優(yōu)越，以特色農(nóng)產(chǎn)品為著力點(diǎn)，重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域特色農(nóng)業(yè)。特色農(nóng)產(chǎn)品是指具有一定地域特色的農(nóng)業(yè)產(chǎn)品。由產(chǎn)品特色、工藝特色、營(yíng)銷(xiāo)特色、售后特色等組成。特色農(nóng)產(chǎn)品也可以體現(xiàn)地方與區(qū)域特色。

數(shù)據(jù)處理器基于數(shù)據(jù)通路輸出，計(jì)算ADC 信號(hào)功率和濾波后信號(hào)功率(包括各帶寬下的主/副信道功率)。

事件判斷器基于ADC 信號(hào)功率及濾波后信號(hào)功率，來(lái)判斷功率是否溢出、是否發(fā)現(xiàn)信號(hào)、信號(hào)是否消失、接收信號(hào)是否與OFDM 或DSSS/CCK 信號(hào)相關(guān)，最終輸出各類(lèi)判斷信號(hào)，稱(chēng)為“事件”。狀態(tài)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)便是以事件和解調(diào)器的反饋為依據(jù)的。信號(hào)的飽和、發(fā)現(xiàn)、消失以ADC 信號(hào)功率門(mén)限作為衡量標(biāo)準(zhǔn)。飽和門(mén)限應(yīng)設(shè)為解調(diào)器最優(yōu)設(shè)計(jì)性能的上限。發(fā)現(xiàn)事件有2 種判決方式，一種是絕對(duì)功率門(mén)限，另一種是相對(duì)功率增強(qiáng)門(mén)限。兩者都以20 MHz 主信道信號(hào)功率為基礎(chǔ)。相對(duì)門(mén)限為未達(dá)到最優(yōu)功率的信號(hào)提供了被發(fā)現(xiàn)的機(jī)會(huì)，當(dāng)間隔4 μs的兩個(gè)采樣點(diǎn)，其功率提升了數(shù)倍，達(dá)到相對(duì)門(mén)限時(shí)，亦將觸發(fā)發(fā)現(xiàn)事件，因而即使功率接近接收靈敏度的弱信號(hào)，仍可被發(fā)現(xiàn)并解析。消失事件將在20 MHz 主信道功率低于靈敏度門(mén)限時(shí)被觸發(fā)，它會(huì)導(dǎo)致?tīng)顟B(tài)機(jī)初始化。信號(hào)與OFDM、DSSS/CCK 的相關(guān)性判斷，均使用自相關(guān)、互相關(guān)雙重衡量標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)兩種信號(hào)的不同特征，自相關(guān)分別采用0.8 μs 和1 μs 的延遲積分窗口[11]，需要注意的是DSSS 不具備嚴(yán)格的周期性[12]，因而其自相關(guān)結(jié)果不會(huì)像OFDM 前導(dǎo)一樣形成平臺(tái)，只會(huì)形成一系列尖峰，通過(guò)測(cè)量這些尖峰的高度，決定相關(guān)與否。

射頻增益計(jì)算器用于計(jì)算并配置模擬接收器件的放大增益，是AGC 環(huán)的重要組成部分，可分為粗調(diào)和精調(diào)。粗調(diào)的目的是找到一個(gè)合適的增益范圍，保證信號(hào)不會(huì)飽和。精調(diào)的目的是根據(jù)ADC 的目標(biāo)功率，精準(zhǔn)鎖定增益。通常，WiFi 接收機(jī)的接收功率范圍是-90～10 dBm[13]，需要用迭代嘗試的策略來(lái)確定合適的增益。在此范圍內(nèi)確定4 個(gè)放大增益擋，分別針對(duì)空口功率為-70/-40/-10/5 dBm 的信號(hào)，對(duì)應(yīng)遠(yuǎn)/中/近/超近距離的情況。根據(jù)ADC 的目標(biāo)功率，可以確定這4 種情況的粗調(diào)增益。當(dāng)接收機(jī)啟動(dòng)或完成了一次接收后，需要將其初始化到遠(yuǎn)距離增益擋。開(kāi)啟接收，后若發(fā)現(xiàn)飽和，則按4 個(gè)擋位逐步降低增益。粗調(diào)后或發(fā)現(xiàn)事件后，若不再發(fā)生飽和，則進(jìn)入精調(diào)，此階段將具體計(jì)算模擬電路提供的最佳增益，以及數(shù)字電路上用于彌補(bǔ)濾波損失所需的乘性系數(shù)。模擬電路精調(diào)增益的計(jì)算過(guò)程為ρ′=Ta-Ca+ρ，其 中，ρ 為上次設(shè)置的模擬電路增益，Ta為ADC 信號(hào)目標(biāo)功率，Ca為數(shù)據(jù)處理器計(jì)算得到的當(dāng)前ADC 信號(hào)功率。

數(shù)字電路乘性補(bǔ)償系數(shù)的計(jì)算過(guò)程為θ=Td-Cd-(ρ′-ρ)，其中，Td為濾波后信號(hào)目標(biāo)功率，Cd為數(shù)據(jù)處理器計(jì)算得到的當(dāng)前濾波后信號(hào)功率。濾波后信號(hào)功率均以20 MHz主信道信號(hào)為對(duì)象，θ 亦為20 MHz 帶寬下的數(shù)字乘性系數(shù)，用于40 MHz 和80 MHz 時(shí)須在θ 基礎(chǔ)上分別增加3 dB 和6 dB。

CCA 判決器用于告知主控處理器信道是否空閑，若空閑且主控有發(fā)射需求，則會(huì)進(jìn)入隨機(jī)退避繼而命令發(fā)射機(jī)發(fā)送調(diào)制信號(hào)。CCA 的判斷包括功率判斷和信號(hào)類(lèi)型判斷兩種。協(xié)議中對(duì)CCA 的判斷標(biāo)準(zhǔn)已有明確規(guī)定[14]，但在具體實(shí)現(xiàn)方面，本架構(gòu)做了如下改進(jìn)：協(xié)議中僅規(guī)定了接收不同類(lèi)型的信號(hào)，其功率未達(dá)到某門(mén)限時(shí)，可以允許RIU 在尚未完成接收的情況下發(fā)送數(shù)據(jù)。這一規(guī)定的前提是已確認(rèn)該信號(hào)的接收對(duì)象不是本機(jī)。因此，本系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)上，對(duì)于未能識(shí)別的信號(hào)(噪聲及干擾)，將按照規(guī)定的20 MHz 帶寬內(nèi)-62 dBm 門(mén)限[15]進(jìn)行退避，但對(duì)于可識(shí)別的信號(hào)，則須等待報(bào)文解析到可獲知其接收對(duì)象的程度才進(jìn)一步判斷其功率是否符合CCA 標(biāo)準(zhǔn)。信號(hào)的功率是以4 μs 為窗長(zhǎng)，使用劃窗累積法連續(xù)計(jì)算的，其計(jì)算值由于使用環(huán)境的原因可能出現(xiàn)波動(dòng)，若在門(mén)限附近波動(dòng)則會(huì)導(dǎo)致CCA 的頻繁變化。因此，僅使用協(xié)議中的單一門(mén)限是不夠的。為CCA 設(shè)置回差，即，聲明信道忙時(shí)，以協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)為門(mén)限，而判斷信道由忙轉(zhuǎn)閑的標(biāo)準(zhǔn)則是在標(biāo)準(zhǔn)門(mén)限基礎(chǔ)上降低3 dB，如此可以避免CCA 的頻繁波動(dòng)。

2 性能驗(yàn)證

2.1 OFDM 信號(hào)的檢測(cè)驗(yàn)證

圖6 為WiFi5 OFDM 信號(hào)的功率鎖定過(guò)程。圖中虛線為功率調(diào)節(jié)過(guò)程，報(bào)文開(kāi)始時(shí)為強(qiáng)增益，觸發(fā)飽和后下調(diào)增益，在VHT-STF 字段的中間(50 μs 位置)會(huì)重新檢測(cè)功率并微調(diào)增益，當(dāng)報(bào)文結(jié)束后，增益解鎖，恢復(fù)到初始的強(qiáng)增益。圖中“*”囊括區(qū)域?yàn)楣β舒i定區(qū)域，亦為OFDM 解調(diào)器的使能時(shí)段。從報(bào)文開(kāi)始到功率鎖定耗時(shí)4.8 μs，仍在L-STF 字段內(nèi)，剩 余3.2 μs 目的是給解調(diào)器以同步和粗頻偏估計(jì)的時(shí)間。

圖6 WiFi5 OFDM 信號(hào)AGC 過(guò)程

2.2 DSSS/CCK 信號(hào)的檢測(cè)驗(yàn)證

圖7 DSSS/CCK 信號(hào)AGC 過(guò)程

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種向下兼容現(xiàn)有多種WiFi 協(xié)議的RIU設(shè)計(jì)架構(gòu)。該架構(gòu)通過(guò)狀態(tài)機(jī)控制內(nèi)部數(shù)據(jù)和控制通路，可完成對(duì)模擬射頻接收器件的自動(dòng)增益控制、報(bào)文類(lèi)型識(shí)別、標(biāo)識(shí)信道忙閑，以及對(duì)信號(hào)進(jìn)行不同帶寬下的信號(hào)搬移、濾波和重采樣等工作?？勺R(shí)別2.4 GHz 和5 GHz 射頻信道下的802.11a/b/g/n/ac/ax 信號(hào)，以及特殊的WiFi4 GF 信號(hào)和RIFS 連續(xù)重傳機(jī)制。對(duì)于新一代WiFi6 集成電路的研制，具有一定參考和應(yīng)用價(jià)值。