一种宇航用WiFi通信芯片的应用与平台实现

张康雷，武加纯，王彦革，殷鹏程，孙 珊

（上海航天电子技术研究所，上海 201109）

0 引 言

空间站舱外移动终端在轨运行期间，需依据任务要求规划实现对空间站的绕飞、伴飞任务工作[1]。根据具体任务的不同，配合空间站完成舱外无人实验。将WiFi通信技术应用于空间站舱外WiFi通信领域，是对WiFi技术应用的一次大胆创新和实践[2-4]。在宇航领域使用WiFi通信产品，因其工作环境的特殊性，要求产品在满足正常信息传递要求的同时，还要具有较长的寿命和较高的可靠性。此外，需要自主判定主站接入点，自动进行信息流速控制、数据包校验等。

对于300～400 km地球轨道上舱外宇航用WiFi通信技术，在该轨道上要求WiFi通信满足器间高速数传，实现器间差分导航、代传遥测，保证目标端飞行器在各种工作状态下信道建立正常。舱外用WiFi通信产品需要适应空间站舱外复杂电磁环境，完成高可靠的信息传递，产品使用寿命达到5年以上[5]。

1 接口设计

MT7620A芯片路由器包括1个802.11n MAC和基带、1个2.4 GHz无线电荷FEM、1个580 MHz MIPS CPU核心、1个5端口10/100 Mb/s交换机以及两个RGMII。MT7620A包含了从单个芯片构建AP路由器所需的一切，嵌入式的高性能CPU可以高效地管理数据路由。MT7620还包括一个可选择的接口来支持各种应用程序，例如用于访问外部存储的USB端口。基于MT7620A芯片搭建WiFi通信产品测试平台，芯片本身支持WiFi模组功能，满足本次平台搭建要求。

MT7620A性能参数如下：（1）580 MHz主频，64 kB I-Cache和32 kB D-Cache；（2）支持2.4 GHz射频两收两发（2T2R），最大300 Mb/s传输速率；（3）支持802.11b/g/n协议模式；（4）使用Linux操作系统开发；（5）最大支持256 Mb RAM；（6）可配置20 MHz晶振或40 MHz晶振。此外，MT7620A内部集成了802.11b/g 2T2R的WiFi模块及所需的低噪声放大（Low Noise Amplifier，LNA），外围只需添加阻抗匹配的电路就可以将无线信号直接通过天线发射出去。

MT7620A内部集成了一个支持802.11b/g/n网络通信协议的两收两发WiFi模块及基带处理器等。MT7620A内核原理框架如图1所示。

图1 MT7620A内核原理框架

图1中CRS为指令指针寄存器，通过低速总线PBus来进行指令的通信。可编程直接存储器存取（Programmable Direct Memory Access，PDMA） 通 过高速数据总线RBus进行大量的双向数据通信。单个错误校正码（Single-Error-Correcting Code，SEC）模块用来对数据误码进行纠错。PBF模块为Packet Buffer，主要缓存数据帧。全称媒体介入控制（Medium Access Control，MAC）的作用是管理物理层。基带处理器（Base Band Processor，BBP）相当于一个协议处理器，负责数据处理与存储，同时实现基带编码和译码。当WiFi往外发送数据时，BBP将MAC上传的数据编码再经数字模拟转换器（Digital to Analog Converter，DAC）转换后发送到接收天线。

2 WiFi通信系统方案实施

2.1 WiFi通信平台方案实施

基于MT7620A芯片的WiFi通信系统平台原理框架如图2所示。MT7620A作为主芯片，外围配置Flash、随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）、晶振、电压变换器、低噪放、放大器以及收发时分开关。

图2 基于MT7620A的WiFi通信系统框架

从主控模块需求的分析来看，MTK平台的MT7620能够很好地满足对应的需求。芯片拥有5个百兆以太网接口和1个GMII/RGMII接口，可以满足WiFi模块对网络接口的需求。无线信号发射方面，MT7620A具有内置两发两收射频处理模块，能够满足无线信号传递的需求。本设计中，串行外设接口（Serial Peripheral Interface，SPI）外接16 MB的闪存，并行存储器接口外接16位DDR2。时钟模块选用20 MHz晶振，提供MT7620基础时钟信号。外部+12 V直流电源经DC-DC转换后提供系统单板所需电源，为主要器件提供工作电源。射频单元是工作在2.4 GHz ISM频段的两发两收无线单元，两个射频发射链路分别采用射频放大器将发射信号放大，接收链路也均采用外部低噪放设计[6-8]。

2.2 MT7620A硬件接口配置

MT7620A在上电初始时会对配置口进行初始化识别，正确理解芯片上电配置才能使芯片正常工作，具体配置如表1所示。

表1 配置类型及说明

本方案使用的是20 MHz晶振输入，ANT_TRNB上电初始为“0”。

2.3 MT7620IA存储扩展

DDR2存储芯片在1个时钟周期内对数据进行两次采样，采样的时刻分别发生在时钟的上升沿和下降沿。此外，在DDR2缓存芯片与MT7620A芯片的连接电路中串接22 Ω电阻，可起到源端防反射作用。

2.4 MT7620A射频电路配置

MT7620A射频电路原理如图3所示，A1、B2为MT7620A的差分对射频管脚，输出阻抗100 Ω。设计LC巴伦转换电路，将差分信号合成单端信号进行发射。

图3 MT7620A射频电路原理

3 测试结果

3.1 测试环境搭建

搭建测试平台，如图4所示。测试过程中，根据测试需求可切换无线测试模式和有线测试模式。

图4 测试平台搭建

3.2 有线环境下测试情况

802.11b模式的发射码速率为11 Mb/s，802.11g模式的发送码速率54 Mb/s，两种模式在有线环境下的输出频谱如图5、图6所示。

图5 802.11b模式下输出频谱

图6 802.11g模式下输出频谱

从图5、图6可以看出，802.11b模式下输出功率可达26 dBm，802.11g（OFDM）模式下输出功率可达22 dBm，满足工信部测试标准要求。

3.3 无线环境下测试情况

搭建无线测试环境，WiFi产品与天线之间的高频电缆插损为2.5 dB，AP端与天线之间的高频电缆插损为2.0 dB[9]。测试过程中，AP端保持gnss数据和注入数据常发，WiFi产品机保持同步接收gnss数据和注入数据。记录定点距离WiFi产品机各项测试数据，如表2所示。

表2 测试数据结果

从表2可以看出，单载波标定功率与计算链路损耗之间成正相关关系。在24～800 m的实测数据中，AP端接收的包计数与WiFi产品机发送包计数一致。在3 000m模拟距离测试中，AP端接收的包计数与WiFi产品机发送包计数一致[10]。

4 结 论

MT7620A芯片是一款性能优异的WiFi通信协议芯片，将其应用在宇航领域仍可表现出优异的工作性能。当前基于MT7620A WiFi通信芯片设计的产品已参与整器联试，其各项性能表现均符合用户要求。