WiFi基带芯片设计方法

为消除子载波信号引入的幅度和相位影响

时域方法：在训练序号DFT之前，在时域完成估算

频域方法：

以16QAM为例：

对应发送端的两级交织，接收端的变化规律：当调制方式为 BPSK，QPSK， 16QAM， 64QAM 时，Nbpsc分别为 1.2.4.6

如图所示

如图所示


速率不同，调制方式不同- BPSK，QPSK，16QAM， 64QAM，卷积编码和交织之后，串行数据流分别 以1，2，4，6个比特，分成一组，以一定规则映 射成复数。 QAM-正交幅度调制，是一种幅度相位联合调制技 术


导频插入-对参考相位进行跟踪，52个非零子载波 中插入4个导频 导频信号极性收到控制 之后为IFFT，数据顺序需要改变


删余：为提高传输效率，在卷积编码之后一般周期 性的删除一些相对不重要的数据比特，有删余的卷 积编码成为删余卷积码，译码时需要将删余比特进 行填充 2/3码率删余过程：每输入4个比特数据删除其中 一个，在3/2倍时钟下输出剩余3比特，最终码率 为1/2除以3/4，为2/3


交织：在时/频域上分布传输信息的比特，使新到 突发错误在实践上得以扩散，使译码器可以将它们 当作随机错误处理 交织必然引入延时，通信系统规定的最大延时限制 了交织深度 常用：分组交织器，卷积交织器



训练序列：预先存在片内ROM中，根据时序读出即 可 Signal域：1/2卷积编码-交织-BPSK调制-pilot插 入-IFFT-插入GI保护间隔 Data域：1/2卷积编码-删余-交织- pilot插入IFFT-循环前缀

加扰：不增加冗余而搅乱信号，改变数字信号统计 特性使其具有类似白噪声统计特性的技术 方法：伪随机序列生成器（反馈移位寄存器） 扰码器SCREMBLER中有一个7位数据，每当使能信 号有效时，左移一位且第四位和第七位异或，并和 输入串行比特流进行异或输出

标准号
IEEE IEEE 802.11a IEEE 802.11g IEEE 802.11n 802.11b 2003年6月 2009年9月
IEEE 802.11ac 2012年底
IEEE 802.11ad 2013
标准发布时间 1999年9月 1999年9月 5.150－ 5.350GHz 工作频率范围 2.4－ 5.475－ 2.4835GHz 5.725GHz 5.725－ 5.850GHz 非重叠信道数 物理速率 （Mbps） 实际吞吐量 （Mbps） 3 11 6 24 54 24





802.11中交织深度是一个OFDM符号，所以用分 组交织 交织深度和调制方式有关：BPSK-48，QPSK-96， 16QAM-192，64QAM-288 交织深度=子载波数量*每个符号中比特个数 Signal-BPSK调制，只需一级交织，保证相邻编码 比特映射到不相邻子载波上 Data-两级交织


信道编码：使用加入监督码元的方法，增加传输可 靠性（最优：最少的监督码元，最高的可靠性） 方法：分组码，循环码，BCH码，RS码和卷积码 线性分组码(n,k)：k:信息位，n-k:监督位，位于信 息位之后。 循环码：属于线性分组码，用带反馈的移位寄存器 实现



卷积码：是分组码，监督码元与本组和前若干组的信息均 有关，纠错能力强，可应对随机差错，突发差错。 如图卷积编码器由三个移位寄存器D和两个模2加法器构 成，每一个信息源mj有两个监督码元pj1.pj2.码长为3， 码率为1/3 每个码字除了跟mj有关外还跟前面三个信息元有关，约 束长度为4. 约束长度等于移位寄存器数量加一来自
分组交织器：对象-一组比特；交织深度-比特数量； 交织深度越大，抗突发错误能力越强，交织处理时 间越长 用矩阵描述，行写列读（或相反），用RAM即可实 现 反交织：与交织相反，矩阵转置




卷积交织器：对象-连续比特流； 比特在左边转换器写入，在右边转换器读出 交织深度相同，容量是分组交织器一半，延时也相 应减少 反交织：水平轴反转


由于DAC和ADC的晶振不可能具有完全相同的周期 和相位所以采样间隔会出现偏差 修正采样频率便宜的方法 1：时域：在FFT之前进行采样频率的同步 2：频域：FFT之后进行频域矫正


时域：内插法：采样误差累积到一个采样时钟时从 数据样值中去除或者插入一个样值 频域：利用导频信号 （1）用最小二乘法估计采样频偏引起的相位旋转 （2）据此对每个相位进行补偿
调制方式
20MHz
CCK/DSSS
20MHz
OFDM
20MHz
20MHz/40MHz
2.16G
单载波/OFDM
MIMOCCK/DSSS/O OFDM/DSSS/ FDM CCK 802.11b/g 802.11a/b/g/n
兼容性
802.11b
802.11a
?



根据调制方式算出各个时钟的频率 外部输入时钟由片外晶振提供 Xilinx公司FPGA提供专用时钟管理器DCM，加上 延时BUF和计数器，可以产生所需时钟




同步分为：定时同步，载波同步，采样时钟同步 定时同步：1帧同步：数据分组起始位置；2符号同 步：数据部分开始位置 载波同步：检测频率偏移并补偿 采样时钟同步：消除相位偏差

分组检测：寻找数据起始的近似估算，接收机的第 一步 算法：1，能量检测：

算法：2，双滑动窗口分组检测

算法：3，利用前导结构-延时相关算法

应用Xilinx公司提供的IP核即可实现，只需改变工 作模式和进行参数项合计即可


多径效应引起符号干扰（ISI）和信道间干扰（ICI） 循环前缀可以消除干扰 加窗操作使OFDM符号在带宽之外下降的更快，窗 函数可选升余弦函数等

循环前缀添加：每个symbol之后的16个数据复制到前16个 数据中，输出为80个数据 两个长度为64 的RAM即可实现 加窗处理要求每个OFDM符号最后多输出一个数据，且满足 周期性要求，为OFDM64个样值中第一个。下一个符号的第 一个数据将和该数据相加右移一位再行输出（？）
短训练序列（t1-t10)：信号检测，自动增益控制，符号定时，粗频率偏 差估计。 长训练序列(T1-T2)：精确频率偏差估计和信道估计 Signal域信号（报头）：包含Rate,Length等信息.Rate:传输有关后续信 号的调制和码率信息；Length：MAC层请求PHY层发送的物理层服务数 据单元字节个数。Signal域数据必须采用BPSK调制和1/2的卷积编码 Data域信号：相比于signal域增加了数据扰码操作，可选择不同编码方式 获得不同速率



载波同步：保证子载波间的正交性 算法：三类 1，数据辅助型：利用特定训练信息 2，非数据辅助型：利用频域接收信号 3，基于由循环前缀提供的信号内结构算法


采用训练序列的数据辅助型算法 时域

分组检测只对数据分组起始提供粗略估算，符号同 步求单个OFDM符号的开始，结束精确时刻

2.4－ 2.4835GHz
2.4－ 2.4835GHz
5.150－ 5.850GHz
5.8GHz(6GHz)
60GHz
3 54 24
15 600 100以上
单或者双 1000 ? 20/40/80/160/ 80+80 MuMIMOOFDM/ 802.11a/b/g/n /ac
4 7000 ?
频宽


IEEE在1997年为无线局域网制定了第一个版本标准──IEEE 802.11。其中 定义了媒体访问控制层（MAC层）和物理层。物理层定义了工作在2.4GHz 的ISM频段上的两种扩频作调制方式和一种红外传输的方式[1]，总数据传输速 率设计为2Mbit/s。两个设备可以自行构建临时网络，也可以在基站（Base Station, BS）或者接入点（Access Point，AP）的协调下通信。为了在不同 的通讯环境下取得良好的通讯质量，采用CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access／Collision Avoidance）硬件沟通方式 1999年9月，IEEE同时提出两个版本协议，分别是 802.11.a-5G频段，54Mbit/s的物理层,52个OFDM副载波 802.11.b-2.4G频段，11Mbit/s的物理层，11个相互重叠的信道。 2003年7月，作为802.11b的衍生版本，802。11g问世，净吞吐量提升到 24Mbps 2009年9月，802.11n诞生，支持MIMO，支持40MHz频宽，传输速度理论 最大为600Mbps 之后，IEEE内部成立两个项目工作组，以“Very high throughput”为目标 立项研究 TGac，在802.11n基础上扩展，在5G频段上以单通道链路速率最低 500Mb/s,最高1Gbps进行研究-802.11ac Tgad与无线千兆比特联盟联合提出802.11ad,在60GHz频段上，用2G频宽， 使近距离传输速率可达7Gbps

Signal-采用如下公式:其中k-交织前编码标号，i交织后编码标号，Ncbps:48
硬件实现-采用双口RAM，写地址乱序，读地址 顺序，比特流按照交织后顺序写入RAM，再顺 序读出



Data-若采用16QAM调制，需要两级交织 第一级同前，需要增加位数 第二级每24位为一个单元，前12个顺序不变，后 12个每相邻两个颠倒，这样做是为了将相邻编码比 特映射到星座图中的重要和次要位置