兼容多种WiFi 协议的数字射频前端设计

白栎旸 ，王 维 ，徐圣楠

(1.南京睿赫电子有限公司，江苏 南京 210018；2.中国船舶集团有限公司第八研究院，江苏 南京 211100；3.南京理工大学 电子工程与光电技术学院，江苏 南京 210094)

0 引言

数字射频前端，又称数字射频接口单元(Radio Interface Unit，RIU)，是WiFi 接收模块的重要组成部分，它不仅负责指导前端模拟电路对接收信号进行放大，还会对接收信号进行前期处理，包括将接收信号按照不同的带宽进行滤波，去除直流分量，进行空闲信道评估(Clear Channel Assessment，CCA) 等。由于20年间WiFi系统的广泛应用，各类WiFi 协议设备尚在应用当中并未淘汰，在设计中也必须考虑新旧协议的兼容性。

与WiFi RIU 设计有关的研究多集中于产业领域，因而报道和论文较少。本文就此问题进行了详细论述，具体介绍了一种可兼容现有全部WiFi 协议的RIU 架构。全文分为3 部分，第1 部分介绍RIU 的位置、硬件架构、功能和处理流程，第2 部分使用本设计对正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)和直接序列扩频/补码键控(Direct Sequence Spread Spectrum and Complementary Code Keying，DSSS/CCK)两种类型的信号进行了自动增益控制和类型识别的仿真，第3 部分对本文的工作进行了总结。

1 系统架构

1.1 RIU 在WiFi 电路中的位置

RIU 在WiFi 接收电路中处于模数转换器(Analog/Digital Converter，ADC)和基带解调器之间，如图1 所示。该模块的主要作用有2 个，其一是对于模拟接收部件进行配置，使其以合适的增益对接收信号进行放大，称为自动增益控制(Automatic Gain Control，AGC)；其二是将ADC 信号按照解调器的需要进行重新采样。

图1 RIU 在WiFi 接收电路中的位置

1.2 硬件架构

RIU 设计的基本架构如图2 所示。它可以分为数据通路和控制通路。数据通路，即模拟接收信号经过ADC采样、基带频谱搬移、数字滤波、下采样后，转化为多种不同带宽的信号，供OFDM 或DSSS/CCK 解调器选择使用。控制通路是将数据通路的信息反馈到数据处理器，最终实现状态机的跳转，并向模拟器件提供增益配置。状态机决定了配置模拟增益、开/关数据通路、开关解调器等操作的顺序和时机。

图2 RIU 的基本架构

1.3 状态机

RIU 内部状态机如图3 所示。在芯片上电后，数据和控制通路以及解调器都处于关闭状态。状态机对模拟放大器设置一个初始增益后，打开数据和控制通路。接收信号经数据通路后，进入控制通路的数据处理器计算数字信号功率，若功率达到触发条件，即可进行AGC 调节及信号识别。触发条件分为饱和与发现两种类型。前者是功率超过饱和门限后的触发，后者是功率的绝对值或相对变化量满足一定条件导致触发。饱和后需要状态机进行一系列循环增益粗调才能将信号稳定在非饱和状态，而发现则无须进行增益粗调，直接进入精调。精调是按照ADC 的目标功率对模拟增益进行精细化计算和调整。精调后将信号与OFDM 前导和DSSS/CCK 前导进行相关。

图3 RIU 内部状态机示意图

若与OFDM 相关，则打开OFDM 解调器，它将持续解析信号内容，并上报数字射频前端是否发现SIG 字段，若未发现，说明信号消失，回到初始态等待再次触发。若发现是绿野模式信号(Green Field，GF)的HT-SIG(High Throughput Signal Field)字段，说明为WiFi4 的GF信号，它将通知RIU 按照SIG 字段定义的等待时间等待其结束。若是L-SIG(Legacy Signal Field)，说明是兼容性的802.11a/g/n/ac/ax 信号，需要进一步等待HT-SIG。解调器会根据不同协议报文在SIG 字段的相位旋转情况区分802.11a/g/n/ac[1]。若为802.11a/g 报文，则会按照L-SIG 规定时间进行等待；若为WiFi4 或5 的报文，则会根据HT-STF(High Throughput Short Training Field)字段或VHT-STF(Very High Throughput Short Training Field)字段对功率进行重新锁定，并将按照规定的信号结束时间对增益进行保持。对于WiFi4，结束时间依据HT-SIG 字段获得[2]，对于WiFi5，结束时间依据L-SIG 字段规定的字节和速率反推获得[3]。若解调器发现有两个重复的L-SIG 字段被发送，则判断为WiFi6 信号[4]，并指示数字前端将等待HE-STF(High Efficiency Short Training Field)字段，然后对功率进行重新锁定。锁定后的WiFi6 不会简单地等待报文结束，而是从解调器处调用HE-SIGA(High Efficiency Signal A)字段中的颜色信息[5]，区分该报文是否为本设备所处的基本网络(Basic Service Set，BSS)，若是，说明报文来自网内成员，则继续接收信号，否则，说明来自邻近网络干扰，则将根据设定的重叠网络(Overlapping Basic Service Set,OBSS)功率门限，决定是否结束接收。若为WiFi4，还应考虑协议规定的RIFS(Reduced Inter-Frame Space)情况[6]，即，以2 μs 间隔 连续发包的情况。状态机会在前一个报文结束的2 μs 后打开数据和控制通路，测量20 MHz 带内功率是否在前一个报文功率的±10 dBm 以内，若是，则说明为RIFS 情况，不会初始化增益，而是直接进行AGC 精调。

若与DSSS 相关，则开启802.11b 解调器，解调器会将报文字段信息反馈到RIU，如是否收到SFD(Start Frame Delimiter)、SIG 字段等[7]，若等待相应时间后，这些前导字段未收到，会导致状态机的初始化。由于DSSS/CCK 信号不支持5G 频段，当用户设定为5G 频段时，遇到DSSS/CCK 相关事件后，可直接回到AGC 初始化过程。

在报文解调过程中，若功率突然降低到消失门限以下，状态机将关闭解调器和数据/控制通路，初始化AGC。

1.4 数据通路

数据通路由基带搬移、数字滤波、下采样三个模块组成。基带搬移的目的是将信号从基带边缘移至中心，原因是WiFi 信号并非固定带宽，可能出现20/40/80/160 MHz等不同带宽信号，而模拟低通滤波器需要支持最大带宽160 MHz，因而小于此带宽的信号会分布在通带中心频点两侧[8]。系统将按照用户设置的主信道编号对其进行搬移。数字滤波器将接收信号按照不同带宽进行滤波。最终将信号降至与带宽相同的频率。

数据通路为同时输出20～160 MHz 的主/副频带信号，采用分级滤波方式，如图4 所示。之所以需要产生多种带宽信号，是因为接收机无法预知信号带宽，需要解调器解出HT-SIG、VHT-SIGA(Very High Throughput Signal Field A)或HE-SIGA 中的带宽信息。

图4 数据通路中不同带宽信号的产生

解析的信息中，有20 MHz 副信道信息，有助于解调器进行信号带宽的初始识别，该识别主要针对WiFi4 GF 信号。由 于802.11a/g，WiFi4～6 的兼容 格式都包含一段公共前导，允许接收机对其进行识别，接收机只需要使用20 MHz 采样即可获得这些前导信息。但WiFi4 GF信号不兼容其他报文格式[9]，如图5 所示，其带宽有20/40 MHz 两种。若使用40 MHz 带宽，接收机使用20 MHz采样无法获取信息。因而要求接收机必须在报文开始的STF(Short Training Field)阶段就尽早获知其带宽，并按带宽采样解析。由于GF 信号最多只有40 MHz[10]，因而只需要使用20 MHz 主/副通道信号，而其他带宽的副通道信号将用于CCA 的识别，不输出到解调器。

图5 GF 报文与兼容性报文对照

1.5 控制通路

控制通路由数据处理器、事件判断器、射频增益计算器、CCA 判决器组成。

河北省地理位置十分优越，以特色农产品为着力点，重点发展区域特色农业。特色农产品是指具有一定地域特色的农业产品。由产品特色、工艺特色、营销特色、售后特色等组成。特色农产品也可以体现地方与区域特色。

数据处理器基于数据通路输出，计算ADC 信号功率和滤波后信号功率(包括各带宽下的主/副信道功率)。

事件判断器基于ADC 信号功率及滤波后信号功率，来判断功率是否溢出、是否发现信号、信号是否消失、接收信号是否与OFDM 或DSSS/CCK 信号相关，最终输出各类判断信号，称为“事件”。状态机的运转便是以事件和解调器的反馈为依据的。信号的饱和、发现、消失以ADC 信号功率门限作为衡量标准。饱和门限应设为解调器最优设计性能的上限。发现事件有2 种判决方式，一种是绝对功率门限，另一种是相对功率增强门限。两者都以20 MHz 主信道信号功率为基础。相对门限为未达到最优功率的信号提供了被发现的机会，当间隔4 μs的两个采样点，其功率提升了数倍，达到相对门限时，亦将触发发现事件，因而即使功率接近接收灵敏度的弱信号，仍可被发现并解析。消失事件将在20 MHz 主信道功率低于灵敏度门限时被触发，它会导致状态机初始化。信号与OFDM、DSSS/CCK 的相关性判断，均使用自相关、互相关双重衡量标准。根据两种信号的不同特征，自相关分别采用0.8 μs 和1 μs 的延迟积分窗口[11]，需要注意的是DSSS 不具备严格的周期性[12]，因而其自相关结果不会像OFDM 前导一样形成平台，只会形成一系列尖峰，通过测量这些尖峰的高度，决定相关与否。

射频增益计算器用于计算并配置模拟接收器件的放大增益，是AGC 环的重要组成部分，可分为粗调和精调。粗调的目的是找到一个合适的增益范围，保证信号不会饱和。精调的目的是根据ADC 的目标功率，精准锁定增益。通常，WiFi 接收机的接收功率范围是-90～10 dBm[13]，需要用迭代尝试的策略来确定合适的增益。在此范围内确定4 个放大增益挡，分别针对空口功率为-70/-40/-10/5 dBm 的信号，对应远/中/近/超近距离的情况。根据ADC 的目标功率，可以确定这4 种情况的粗调增益。当接收机启动或完成了一次接收后，需要将其初始化到远距离增益挡。开启接收，后若发现饱和，则按4 个挡位逐步降低增益。粗调后或发现事件后，若不再发生饱和，则进入精调，此阶段将具体计算模拟电路提供的最佳增益，以及数字电路上用于弥补滤波损失所需的乘性系数。模拟电路精调增益的计算过程为ρ′=Ta-Ca+ρ，其 中，ρ 为上次设置的模拟电路增益，Ta为ADC 信号目标功率，Ca为数据处理器计算得到的当前ADC 信号功率。

数字电路乘性补偿系数的计算过程为θ=Td-Cd-(ρ′-ρ)，其中，Td为滤波后信号目标功率，Cd为数据处理器计算得到的当前滤波后信号功率。滤波后信号功率均以20 MHz主信道信号为对象，θ 亦为20 MHz 带宽下的数字乘性系数，用于40 MHz 和80 MHz 时须在θ 基础上分别增加3 dB 和6 dB。

CCA 判决器用于告知主控处理器信道是否空闲，若空闲且主控有发射需求，则会进入随机退避继而命令发射机发送调制信号。CCA 的判断包括功率判断和信号类型判断两种。协议中对CCA 的判断标准已有明确规定[14]，但在具体实现方面，本架构做了如下改进：协议中仅规定了接收不同类型的信号，其功率未达到某门限时，可以允许RIU 在尚未完成接收的情况下发送数据。这一规定的前提是已确认该信号的接收对象不是本机。因此，本系统在实现上，对于未能识别的信号(噪声及干扰)，将按照规定的20 MHz 带宽内-62 dBm 门限[15]进行退避，但对于可识别的信号，则须等待报文解析到可获知其接收对象的程度才进一步判断其功率是否符合CCA 标准。信号的功率是以4 μs 为窗长，使用划窗累积法连续计算的，其计算值由于使用环境的原因可能出现波动，若在门限附近波动则会导致CCA 的频繁变化。因此，仅使用协议中的单一门限是不够的。为CCA 设置回差，即，声明信道忙时，以协议标准为门限，而判断信道由忙转闲的标准则是在标准门限基础上降低3 dB，如此可以避免CCA 的频繁波动。

2 性能验证

2.1 OFDM 信号的检测验证

图6 为WiFi5 OFDM 信号的功率锁定过程。图中虚线为功率调节过程，报文开始时为强增益，触发饱和后下调增益，在VHT-STF 字段的中间(50 μs 位置)会重新检测功率并微调增益，当报文结束后，增益解锁，恢复到初始的强增益。图中“*”囊括区域为功率锁定区域，亦为OFDM 解调器的使能时段。从报文开始到功率锁定耗时4.8 μs，仍在L-STF 字段内，剩 余3.2 μs 目的是给解调器以同步和粗频偏估计的时间。

图6 WiFi5 OFDM 信号AGC 过程

2.2 DSSS/CCK 信号的检测验证

图7 DSSS/CCK 信号AGC 过程

3 结论

本文设计了一种向下兼容现有多种WiFi 协议的RIU设计架构。该架构通过状态机控制内部数据和控制通路，可完成对模拟射频接收器件的自动增益控制、报文类型识别、标识信道忙闲，以及对信号进行不同带宽下的信号搬移、滤波和重采样等工作。可识别2.4 GHz 和5 GHz 射频信道下的802.11a/b/g/n/ac/ax 信号，以及特殊的WiFi4 GF 信号和RIFS 连续重传机制。对于新一代WiFi6 集成电路的研制，具有一定参考和应用价值。