兼容多種WiFi 協議的數字射頻前端設計

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 電子工程與光電技術學院，江蘇 南京 210094)

0 引言

數字射頻前端，又稱數字射頻接口單元(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系統的廣泛應用，各類WiFi 協議設備尚在應用當中并未淘汰，在設計中也必須考慮新舊協議的兼容性。

與WiFi RIU 設計有關的研究多集中于產業領域，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有全部WiFi 協議的RIU 架構。全文分為3 部分，第1 部分介紹RIU 的位置、硬件架構、功能和處理流程，第2 部分使用本設計對正交頻分復用(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。

1 系統架構

1.1 RIU 在WiFi 電路中的位置

RIU 在WiFi 接收電路中處于模數轉換器(Analog/Digital Converter，ADC)和基帶解調器之間，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

RIU 設計的基本架構如圖2 所示。它可以分為數據通路和控制通路。數據通路，即模擬接收信號經過ADC采樣、基帶頻譜搬移、數字濾波、下采樣后，轉化為多種不同帶寬的信號，供OFDM 或DSSS/CCK 解調器選擇使用。控制通路是將數據通路的信息反饋到數據處理器，最終實現狀態機的跳轉，并向模擬器件提供增益配置。狀態機決定了配置模擬增益、開/關數據通路、開關解調器等操作的順序和時機。

圖2 RIU 的基本架構

1.3 狀態機

RIU 內部狀態機如圖3 所示。在芯片上電后，數據和控制通路以及解調器都處于關閉狀態。狀態機對模擬放大器設置一個初始增益后，打開數據和控制通路。接收信號經數據通路后，進入控制通路的數據處理器計算數字信號功率，若功率達到觸發條件，即可進行AGC 調節及信號識別。觸發條件分為飽和與發現兩種類型。前者是功率超過飽和門限后的觸發，后者是功率的絕對值或相對變化量滿足一定條件導致觸發。飽和后需要狀態機進行一系列循環增益粗調才能將信號穩定在非飽和狀態，而發現則無須進行增益粗調，直接進入精調。精調是按照ADC 的目標功率對模擬增益進行精細化計算和調整。精調后將信號與OFDM 前導和DSSS/CCK 前導進行相關。

圖3 RIU 內部狀態機示意圖

若與OFDM 相關，則打開OFDM 解調器，它將持續解析信號內容，并上報數字射頻前端是否發現SIG 字段，若未發現，說明信號消失，回到初始態等待再次觸發。若發現是綠野模式信號(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。解調器會根據不同協議報文在SIG 字段的相位旋轉情況區分802.11a/g/n/ac[1]。若為802.11a/g 報文，則會按照L-SIG 規定時間進行等待；若為WiFi4 或5 的報文，則會根據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，并將按照規定的信號結束時間對增益進行保持。對于WiFi4，結束時間依據HT-SIG 字段獲得[2]，對于WiFi5，結束時間依據L-SIG 字段規定的字節和速率反推獲得[3]。若解調器發現有兩個重復的L-SIG 字段被發送，則判斷為WiFi6 信號[4]，并指示數字前端將等待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束，而是從解調器處調用HE-SIGA(High Efficiency Signal A)字段中的顏色信息[5]，區分該報文是否為本設備所處的基本網絡(Basic Service Set，BSS)，若是，說明報文來自網內成員，則繼續接收信號，否則，說明來自鄰近網絡干擾，則將根據設定的重疊網絡(Overlapping Basic Service Set,OBSS)功率門限，決定是否結束接收。若為WiFi4，還應考慮協議規定的RIFS(Reduced Inter-Frame Space)情況[6]，即，以2 μs 間隔 連續發包的情況。狀態機會在前一個報文結束的2 μs 后打開數據和控制通路，測量20 MHz 帶內功率是否在前一個報文功率的±10 dBm 以內，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。

若與DSSS 相關，則開啟802.11b 解調器，解調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]，若等待相應時間后，這些前導字段未收到，會導致狀態機的初始化。由于DSSS/CCK 信號不支持5G 頻段，當用戶設定為5G 頻段時，遇到DSSS/CCK 相關事件后，可直接回到AGC 初始化過程。

在報文解調過程中，若功率突然降低到消失門限以下，狀態機將關閉解調器和數據/控制通路，初始化AGC。

1.4 數據通路

數據通路由基帶搬移、數字濾波、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[8]。系統將按照用戶設置的主信道編號對其進行搬移。數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。

數據通路為同時輸出20～160 MHz 的主/副頻帶信號，采用分級濾波方式，如圖4 所示。之所以需要產生多種帶寬信號，是因為接收機無法預知信號帶寬，需要解調器解出HT-SIG、VHT-SIGA(Very High Throughput Signal Field A)或HE-SIGA 中的帶寬信息。

圖4 數據通路中不同帶寬信號的產生

解析的信息中，有20 MHz 副信道信息，有助于解調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，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

控制通路由數據處理器、事件判斷器、射頻增益計算器、CCA 判決器組成。

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數據處理器基于數據通路輸出，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、是否發現信號、信號是否消失、接收信號是否與OFDM 或DSSS/CCK 信號相關，最終輸出各類判斷信號，稱為“事件”。狀態機的運轉便是以事件和解調器的反饋為依據的。信號的飽和、發現、消失以ADC 信號功率門限作為衡量標準。飽和門限應設為解調器最優設計性能的上限。發現事件有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。相對門限為未達到最優功率的信號提供了被發現的機會，當間隔4 μs的兩個采樣點，其功率提升了數倍，達到相對門限時，亦將觸發發現事件，因而即使功率接近接收靈敏度的弱信號，仍可被發現并解析。消失事件將在20 MHz 主信道功率低于靈敏度門限時被觸發，它會導致狀態機初始化。信號與OFDM、DSSS/CCK 的相關性判斷，均使用自相關、互相關雙重衡量標準。根據兩種信號的不同特征，自相關分別采用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]，因而其自相關結果不會像OFDM 前導一樣形成平臺，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 環的重要組成部分，可分為粗調和精調。粗調的目的是找到一個合適的增益范圍，保證信號不會飽和。精調的目的是根據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，對應遠/中/近/超近距離的情況。根據ADC 的目標功率，可以確定這4 種情況的粗調增益。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，后若發現飽和，則按4 個擋位逐步降低增益。粗調后或發現事件后，若不再發生飽和，則進入精調，此階段將具體計算模擬電路提供的最佳增益，以及數字電路上用于彌補濾波損失所需的乘性系數。模擬電路精調增益的計算過程為ρ′=Ta-Ca+ρ，其 中，ρ 為上次設置的模擬電路增益，Ta為ADC 信號目標功率，Ca為數據處理器計算得到的當前ADC 信號功率。

數字電路乘性補償系數的計算過程為θ=Td-Cd-(ρ′-ρ)，其中，Td為濾波后信號目標功率，Cd為數據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 帶寬下的數字乘性系數，用于40 MHz 和80 MHz 時須在θ 基礎上分別增加3 dB 和6 dB。

CCA 判決器用于告知主控處理器信道是否空閑，若空閑且主控有發射需求，則會進入隨機退避繼而命令發射機發送調制信號。CCA 的判斷包括功率判斷和信號類型判斷兩種。協議中對CCA 的判斷標準已有明確規定[14]，但在具體實現方面，本架構做了如下改進：協議中僅規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送數據。這一規定的前提是已確認該信號的接收對象不是本機。因此，本系統在實現上，對于未能識別的信號(噪聲及干擾)，將按照規定的20 MHz 帶寬內-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計算的，其計算值由于使用環境的原因可能出現波動，若在門限附近波動則會導致CCA 的頻繁變化。因此，僅使用協議中的單一門限是不夠的。為CCA 設置回差，即，聲明信道忙時，以協議標準為門限，而判斷信道由忙轉閑的標準則是在標準門限基礎上降低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。圖中虛線為功率調節過程，報文開始時為強增益，觸發飽和后下調增益，在VHT-STF 字段的中間(50 μs 位置)會重新檢測功率并微調增益，當報文結束后，增益解鎖，恢復到初始的強增益。圖中“*”囊括區域為功率鎖定區域，亦為OFDM 解調器的使能時段。從報文開始到功率鎖定耗時4.8 μs，仍在L-STF 字段內，剩 余3.2 μs 目的是給解調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 結論

本文設計了一種向下兼容現有多種WiFi 協議的RIU設計架構。該架構通過狀態機控制內部數據和控制通路，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，具有一定參考和應用價值。