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.中國船舶集團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，它不僅負責指導(dǎo)前端模擬電路對接收信號進行放大，還會對接收信號進行前期處理，包括將接收信號按照不同的帶寬進行濾波，去除直流分量，進行空閑信道評估(Clear Channel Assessment，CCA) 等。由于20年間WiFi系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，各類WiFi 協(xié)議設(shè)備尚在應(yīng)用當中并未淘汰，在設(shè)計中也必須考慮新舊協(xié)議的兼容性。

與WiFi RIU 設(shè)計有關(guān)的研究多集中于產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，因而報道和論文較少。本文就此問題進行了詳細論述，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)計對正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)和直接序列擴頻/補碼鍵控(Direct Sequence Spread Spectrum and Complementary Code Keying，DSSS/CCK)兩種類型的信號進行了自動增益控制和類型識別的仿真，第3 部分對本文的工作進行了總結(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，其一是對于模擬接收部件進行配置，使其以合適的增益對接收信號進行放大，稱為自動增益控制(Automatic Gain Control，AGC)；其二是將ADC 信號按照解調(diào)器的需要進行重新采樣。

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，即模擬接收信號經(jīng)過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，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，最終實現(xiàn)狀態(tài)機的跳轉(zhuǎn)，并向模擬器件提供增益配置。狀態(tài)機決定了配置模擬增益、開/關(guān)數(shù)據(jù)通路、開關(guān)解調(diào)器等操作的順序和時機。

圖2 RIU 的基本架構(gòu)

1.3 狀態(tài)機

RIU 內(nèi)部狀態(tài)機如圖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)機對模擬放大器設(shè)置一個初始增益后，打開數(shù)據(jù)和控制通路。接收信號經(jīng)數(shù)據(jù)通路后，進入控制通路的數(shù)據(jù)處理器計算數(shù)字信號功率，若功率達到觸發(fā)條件，即可進行AGC 調(diào)節(jié)及信號識別。觸發(fā)條件分為飽和與發(fā)現(xiàn)兩種類型。前者是功率超過飽和門限后的觸發(fā)，后者是功率的絕對值或相對變化量滿足一定條件導(dǎo)致觸發(fā)。飽和后需要狀態(tài)機進行一系列循環(huán)增益粗調(diào)才能將信號穩(wěn)定在非飽和狀態(tài)，而發(fā)現(xiàn)則無須進行增益粗調(diào)，直接進入精調(diào)。精調(diào)是按照ADC 的目標功率對模擬增益進行精細化計算和調(diào)整。精調(diào)后將信號與OFDM 前導(dǎo)和DSSS/CCK 前導(dǎo)進行相關(guān)。

圖3 RIU 內(nèi)部狀態(tài)機示意圖

若與OFDM 相關(guān)，則打開OFDM 解調(diào)器，它將持續(xù)解析信號內(nèi)容，并上報數(shù)字射頻前端是否發(fā)現(xiàn)SIG 字段，若未發(fā)現(xiàn)，說明信號消失，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(Green Field，GF)的HT-SIG(High Throughput Signal Field)字段，說明為WiFi4 的GF信號，它將通知RIU 按照SIG 字段定義的等待時間等待其結(jié)束。若是L-SIG(Legacy Signal Field)，說明是兼容性的802.11a/g/n/ac/ax 信號，需要進一步等待HT-SIG。解調(diào)器會根據(jù)不同協(xié)議報文在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 報文，則會按照L-SIG 規(guī)定時間進行等待；若為WiFi4 或5 的報文，則會根據(jù)HT-STF(High Throughput Short Training Field)字段或VHT-STF(Very High Throughput Short Training Field)字段對功率進行重新鎖定，并將按照規(guī)定的信號結(jié)束時間對增益進行保持。對于WiFi4，結(jié)束時間依據(jù)HT-SIG 字段獲得[2]，對于WiFi5，結(jié)束時間依據(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)有兩個重復(fù)的L-SIG 字段被發(fā)送，則判斷為WiFi6 信號[4]，并指示數(shù)字前端將等待HE-STF(High Efficiency Short Training Field)字段，然后對功率進行重新鎖定。鎖定后的WiFi6 不會簡單地等待報文結(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)分該報文是否為本設(shè)備所處的基本網(wǎng)絡(luò)(Basic Service Set，BSS)，若是，說明報文來自網(wǎng)內(nèi)成員，則繼續(xù)接收信號，否則，說明來自鄰近網(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)機會在前一個報文結(jié)束的2 μs 后打開數(shù)據(jù)和控制通路，測量20 MHz 帶內(nèi)功率是否在前一個報文功率的±10 dBm 以內(nèi)，若是，則說明為RIFS 情況，不會初始化增益，而是直接進行AGC 精調(diào)。

若與DSSS 相關(guān)，則開啟802.11b 解調(diào)器，解調(diào)器會將報文字段信息反饋到RIU，如是否收到SFD(Start Frame Delimiter)、SIG 字段等[7]，若等待相應(yīng)時間后，這些前導(dǎo)字段未收到，會導(dǎo)致狀態(tài)機的初始化。由于DSSS/CCK 信號不支持5G 頻段，當用戶設(shè)定為5G 頻段時，遇到DSSS/CCK 相關(guān)事件后，可直接回到AGC 初始化過程。

在報文解調(diào)過程中，若功率突然降低到消失門限以下，狀態(tài)機將關(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、下采樣三個模塊組成。基帶搬移的目的是將信號從基帶邊緣移至中心，原因是WiFi 信號并非固定帶寬，可能出現(xiàn)20/40/80/160 MHz等不同帶寬信號，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會分布在通帶中心頻點兩側(cè)[8]。系統(tǒng)將按照用戶設(shè)置的主信道編號對其進行搬移。數(shù)字濾波器將接收信號按照不同帶寬進行濾波。最終將信號降至與帶寬相同的頻率。

數(shù)據(jù)通路為同時輸出20～160 MHz 的主/副頻帶信號，采用分級濾波方式，如圖4 所示。之所以需要產(chǎn)生多種帶寬信號，是因為接收機無法預(yù)知信號帶寬，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)器進行信號帶寬的初始識別，該識別主要針對WiFi4 GF 信號。由 于802.11a/g，WiFi4～6 的兼容 格式都包含一段公共前導(dǎo)，允許接收機對其進行識別，接收機只需要使用20 MHz 采樣即可獲得這些前導(dǎo)信息。但WiFi4 GF信號不兼容其他報文格式[9]，如圖5 所示，其帶寬有20/40 MHz 兩種。若使用40 MHz 帶寬，接收機使用20 MHz采樣無法獲取信息。因而要求接收機必須在報文開始的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 信號最多只有40 MHz[10]，因而只需要使用20 MHz 主/副通道信號，而其他帶寬的副通道信號將用于CCA 的識別，不輸出到解調(diào)器。

圖5 GF 報文與兼容性報文對照

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，重點發(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、營銷特色、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，計算ADC 信號功率和濾波后信號功率(包括各帶寬下的主/副信道功率)。

事件判斷器基于ADC 信號功率及濾波后信號功率，來判斷功率是否溢出、是否發(fā)現(xiàn)信號、信號是否消失、接收信號是否與OFDM 或DSSS/CCK 信號相關(guān)，最終輸出各類判斷信號，稱為“事件”。狀態(tài)機的運轉(zhuǎn)便是以事件和解調(diào)器的反饋為依據(jù)的。信號的飽和、發(fā)現(xiàn)、消失以ADC 信號功率門限作為衡量標準。飽和門限應(yīng)設(shè)為解調(diào)器最優(yōu)設(shè)計性能的上限。發(fā)現(xiàn)事件有2 種判決方式，一種是絕對功率門限，另一種是相對功率增強門限。兩者都以20 MHz 主信道信號功率為基礎(chǔ)。相對門限為未達到最優(yōu)功率的信號提供了被發(fā)現(xiàn)的機會，當間隔4 μs的兩個采樣點，其功率提升了數(shù)倍，達到相對門限時，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，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限時被觸發(fā)，它會導(dǎo)致狀態(tài)機初始化。信號與OFDM、DSSS/CCK 的相關(guān)性判斷，均使用自相關(guān)、互相關(guān)雙重衡量標準。根據(jù)兩種信號的不同特征，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 不具備嚴格的周期性[12]，因而其自相關(guān)結(jié)果不會像OFDM 前導(dǎo)一樣形成平臺，只會形成一系列尖峰，通過測量這些尖峰的高度，決定相關(guān)與否。

射頻增益計算器用于計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)的目的是找到一個合適的增益范圍，保證信號不會飽和。精調(diào)的目的是根據(jù)ADC 的目標功率，精準鎖定增益。通常，WiFi 接收機的接收功率范圍是-90～10 dBm[13]，需要用迭代嘗試的策略來確定合適的增益。在此范圍內(nèi)確定4 個放大增益擋，分別針對空口功率為-70/-40/-10/5 dBm 的信號，對應(yīng)遠/中/近/超近距離的情況。根據(jù)ADC 的目標功率，可以確定這4 種情況的粗調(diào)增益。當接收機啟動或完成了一次接收后，需要將其初始化到遠距離增益擋。開啟接收，后若發(fā)現(xiàn)飽和，則按4 個擋位逐步降低增益。粗調(diào)后或發(fā)現(xiàn)事件后，若不再發(fā)生飽和，則進入精調(diào)，此階段將具體計算模擬電路提供的最佳增益，以及數(shù)字電路上用于彌補濾波損失所需的乘性系數(shù)。模擬電路精調(diào)增益的計算過程為ρ′=Ta-Ca+ρ，其 中，ρ 為上次設(shè)置的模擬電路增益，Ta為ADC 信號目標功率，Ca為數(shù)據(jù)處理器計算得到的當前ADC 信號功率。

數(shù)字電路乘性補償系數(shù)的計算過程為θ=Td-Cd-(ρ′-ρ)，其中，Td為濾波后信號目標功率，Cd為數(shù)據(jù)處理器計算得到的當前濾波后信號功率。濾波后信號功率均以20 MHz主信道信號為對象，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，則會進入隨機退避繼而命令發(fā)射機發(fā)送調(diào)制信號。CCA 的判斷包括功率判斷和信號類型判斷兩種。協(xié)議中對CCA 的判斷標準已有明確規(guī)定[14]，但在具體實現(xiàn)方面，本架構(gòu)做了如下改進：協(xié)議中僅規(guī)定了接收不同類型的信號，其功率未達到某門限時，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)定的前提是已確認該信號的接收對象不是本機。因此，本系統(tǒng)在實現(xiàn)上，對于未能識別的信號(噪聲及干擾)，將按照規(guī)定的20 MHz 帶寬內(nèi)-62 dBm 門限[15]進行退避，但對于可識別的信號，則須等待報文解析到可獲知其接收對象的程度才進一步判斷其功率是否符合CCA 標準。信號的功率是以4 μs 為窗長，使用劃窗累積法連續(xù)計算的，其計算值由于使用環(huán)境的原因可能出現(xiàn)波動，若在門限附近波動則會導(dǎo)致CCA 的頻繁變化。因此，僅使用協(xié)議中的單一門限是不夠的。為CCA 設(shè)置回差，即，聲明信道忙時，以協(xié)議標準為門限，而判斷信道由忙轉(zhuǎn)閑的標準則是在標準門限基礎(chǔ)上降低3 dB，如此可以避免CCA 的頻繁波動。

2 性能驗證

2.1 OFDM 信號的檢測驗證

圖6 為WiFi5 OFDM 信號的功率鎖定過程。圖中虛線為功率調(diào)節(jié)過程，報文開始時為強增益，觸發(fā)飽和后下調(diào)增益，在VHT-STF 字段的中間(50 μs 位置)會重新檢測功率并微調(diào)增益，當報文結(jié)束后，增益解鎖，恢復(fù)到初始的強增益。圖中“*”囊括區(qū)域為功率鎖定區(qū)域，亦為OFDM 解調(diào)器的使能時段。從報文開始到功率鎖定耗時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的時間。

圖6 WiFi5 OFDM 信號AGC 過程

2.2 DSSS/CCK 信號的檢測驗證

圖7 DSSS/CCK 信號AGC 過程

3 結(jié)論

本文設(shè)計了一種向下兼容現(xiàn)有多種WiFi 協(xié)議的RIU設(shè)計架構(gòu)。該架構(gòu)通過狀態(tài)機控制內(nèi)部數(shù)據(jù)和控制通路，可完成對模擬射頻接收器件的自動增益控制、報文類型識別、標識信道忙閑，以及對信號進行不同帶寬下的信號搬移、濾波和重采樣等工作。可識別2.4 GHz 和5 GHz 射頻信道下的802.11a/b/g/n/ac/ax 信號，以及特殊的WiFi4 GF 信號和RIFS 連續(xù)重傳機制。對于新一代WiFi6 集成電路的研制，具有一定參考和應(yīng)用價值。