一種宇航用WiFi通信芯片的應(yīng)用與平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

張康雷，武加純，王彥革，殷鵬程，孫 珊

（上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109）

0 引 言

空間站艙外移動(dòng)終端在軌運(yùn)行期間，需依據(jù)任務(wù)要求規(guī)劃實(shí)現(xiàn)對(duì)空間站的繞飛、伴飛任務(wù)工作[1]。根據(jù)具體任務(wù)的不同，配合空間站完成艙外無人實(shí)驗(yàn)。將WiFi通信技術(shù)應(yīng)用于空間站艙外WiFi通信領(lǐng)域，是對(duì)WiFi技術(shù)應(yīng)用的一次大膽創(chuàng)新和實(shí)踐[2-4]。在宇航領(lǐng)域使用WiFi通信產(chǎn)品，因其工作環(huán)境的特殊性，要求產(chǎn)品在滿足正常信息傳遞要求的同時(shí)，還要具有較長(zhǎng)的壽命和較高的可靠性。此外，需要自主判定主站接入點(diǎn)，自動(dòng)進(jìn)行信息流速控制、數(shù)據(jù)包校驗(yàn)等。

對(duì)于300～400 km地球軌道上艙外宇航用WiFi通信技術(shù)，在該軌道上要求WiFi通信滿足器間高速數(shù)傳，實(shí)現(xiàn)器間差分導(dǎo)航、代傳遙測(cè)，保證目標(biāo)端飛行器在各種工作狀態(tài)下信道建立正常。艙外用WiFi通信產(chǎn)品需要適應(yīng)空間站艙外復(fù)雜電磁環(huán)境，完成高可靠的信息傳遞，產(chǎn)品使用壽命達(dá)到5年以上[5]。

1 接口設(shè)計(jì)

MT7620A芯片路由器包括1個(gè)802.11n MAC和基帶、1個(gè)2.4 GHz無線電荷FEM、1個(gè)580 MHz MIPS CPU核心、1個(gè)5端口10/100 Mb/s交換機(jī)以及兩個(gè)RGMII。MT7620A包含了從單個(gè)芯片構(gòu)建AP路由器所需的一切，嵌入式的高性能CPU可以高效地管理數(shù)據(jù)路由。MT7620還包括一個(gè)可選擇的接口來支持各種應(yīng)用程序，例如用于訪問外部存儲(chǔ)的USB端口。基于MT7620A芯片搭建WiFi通信產(chǎn)品測(cè)試平臺(tái)，芯片本身支持WiFi模組功能，滿足本次平臺(tái)搭建要求。

MT7620A性能參數(shù)如下：（1）580 MHz主頻，64 kB I-Cache和32 kB D-Cache；（2）支持2.4 GHz射頻兩收兩發(fā)（2T2R），最大300 Mb/s傳輸速率；（3）支持802.11b/g/n協(xié)議模式；（4）使用Linux操作系統(tǒng)開發(fā)；（5）最大支持256 Mb RAM；（6）可配置20 MHz晶振或40 MHz晶振。此外，MT7620A內(nèi)部集成了802.11b/g 2T2R的WiFi模塊及所需的低噪聲放大（Low Noise Amplifier，LNA），外圍只需添加阻抗匹配的電路就可以將無線信號(hào)直接通過天線發(fā)射出去。

MT7620A內(nèi)部集成了一個(gè)支持802.11b/g/n網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的兩收兩發(fā)WiFi模塊及基帶處理器等。MT7620A內(nèi)核原理框架如圖1所示。

圖1 MT7620A內(nèi)核原理框架

圖1中CRS為指令指針寄存器，通過低速總線PBus來進(jìn)行指令的通信。可編程直接存儲(chǔ)器存取（Programmable Direct Memory Access，PDMA） 通 過高速數(shù)據(jù)總線RBus進(jìn)行大量的雙向數(shù)據(jù)通信。單個(gè)錯(cuò)誤校正碼（Single-Error-Correcting Code，SEC）模塊用來對(duì)數(shù)據(jù)誤碼進(jìn)行糾錯(cuò)。PBF模塊為Packet Buffer，主要緩存數(shù)據(jù)幀。全稱媒體介入控制（Medium Access Control，MAC）的作用是管理物理層。基帶處理器（Base Band Processor，BBP）相當(dāng)于一個(gè)協(xié)議處理器，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)基帶編碼和譯碼。當(dāng)WiFi往外發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，BBP將MAC上傳的數(shù)據(jù)編碼再經(jīng)數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（Digital to Analog Converter，DAC）轉(zhuǎn)換后發(fā)送到接收天線。

2 WiFi通信系統(tǒng)方案實(shí)施

2.1 WiFi通信平臺(tái)方案實(shí)施

基于MT7620A芯片的WiFi通信系統(tǒng)平臺(tái)原理框架如圖2所示。MT7620A作為主芯片，外圍配置Flash、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（Random Access Memory，RAM）、晶振、電壓變換器、低噪放、放大器以及收發(fā)時(shí)分開關(guān)。

圖2 基于MT7620A的WiFi通信系統(tǒng)框架

從主控模塊需求的分析來看，MTK平臺(tái)的MT7620能夠很好地滿足對(duì)應(yīng)的需求。芯片擁有5個(gè)百兆以太網(wǎng)接口和1個(gè)GMII/RGMII接口，可以滿足WiFi模塊對(duì)網(wǎng)絡(luò)接口的需求。無線信號(hào)發(fā)射方面，MT7620A具有內(nèi)置兩發(fā)兩收射頻處理模塊，能夠滿足無線信號(hào)傳遞的需求。本設(shè)計(jì)中，串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface，SPI）外接16 MB的閃存，并行存儲(chǔ)器接口外接16位DDR2。時(shí)鐘模塊選用20 MHz晶振，提供MT7620基礎(chǔ)時(shí)鐘信號(hào)。外部+12 V直流電源經(jīng)DC-DC轉(zhuǎn)換后提供系統(tǒng)單板所需電源，為主要器件提供工作電源。射頻單元是工作在2.4 GHz ISM頻段的兩發(fā)兩收無線單元，兩個(gè)射頻發(fā)射鏈路分別采用射頻放大器將發(fā)射信號(hào)放大，接收鏈路也均采用外部低噪放設(shè)計(jì)[6-8]。

2.2 MT7620A硬件接口配置

MT7620A在上電初始時(shí)會(huì)對(duì)配置口進(jìn)行初始化識(shí)別，正確理解芯片上電配置才能使芯片正常工作，具體配置如表1所示。

表1 配置類型及說明

本方案使用的是20 MHz晶振輸入，ANT_TRNB上電初始為“0”。

2.3 MT7620IA存儲(chǔ)擴(kuò)展

DDR2存儲(chǔ)芯片在1個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行兩次采樣，采樣的時(shí)刻分別發(fā)生在時(shí)鐘的上升沿和下降沿。此外，在DDR2緩存芯片與MT7620A芯片的連接電路中串接22 Ω電阻，可起到源端防反射作用。

2.4 MT7620A射頻電路配置

MT7620A射頻電路原理如圖3所示，A1、B2為MT7620A的差分對(duì)射頻管腳，輸出阻抗100 Ω。設(shè)計(jì)LC巴倫轉(zhuǎn)換電路，將差分信號(hào)合成單端信號(hào)進(jìn)行發(fā)射。

圖3 MT7620A射頻電路原理

3 測(cè)試結(jié)果

3.1 測(cè)試環(huán)境搭建

搭建測(cè)試平臺(tái)，如圖4所示。測(cè)試過程中，根據(jù)測(cè)試需求可切換無線測(cè)試模式和有線測(cè)試模式。

圖4 測(cè)試平臺(tái)搭建

3.2 有線環(huán)境下測(cè)試情況

802.11b模式的發(fā)射碼速率為11 Mb/s，802.11g模式的發(fā)送碼速率54 Mb/s，兩種模式在有線環(huán)境下的輸出頻譜如圖5、圖6所示。

圖5 802.11b模式下輸出頻譜

圖6 802.11g模式下輸出頻譜

從圖5、圖6可以看出，802.11b模式下輸出功率可達(dá)26 dBm，802.11g（OFDM）模式下輸出功率可達(dá)22 dBm，滿足工信部測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3 無線環(huán)境下測(cè)試情況

搭建無線測(cè)試環(huán)境，WiFi產(chǎn)品與天線之間的高頻電纜插損為2.5 dB，AP端與天線之間的高頻電纜插損為2.0 dB[9]。測(cè)試過程中，AP端保持gnss數(shù)據(jù)和注入數(shù)據(jù)常發(fā)，WiFi產(chǎn)品機(jī)保持同步接收gnss數(shù)據(jù)和注入數(shù)據(jù)。記錄定點(diǎn)距離WiFi產(chǎn)品機(jī)各項(xiàng)測(cè)試數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果

從表2可以看出，單載波標(biāo)定功率與計(jì)算鏈路損耗之間成正相關(guān)關(guān)系。在24～800 m的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中，AP端接收的包計(jì)數(shù)與WiFi產(chǎn)品機(jī)發(fā)送包計(jì)數(shù)一致。在3 000m模擬距離測(cè)試中，AP端接收的包計(jì)數(shù)與WiFi產(chǎn)品機(jī)發(fā)送包計(jì)數(shù)一致[10]。

4 結(jié) 論

MT7620A芯片是一款性能優(yōu)異的WiFi通信協(xié)議芯片，將其應(yīng)用在宇航領(lǐng)域仍可表現(xiàn)出優(yōu)異的工作性能。當(dāng)前基于MT7620A WiFi通信芯片設(shè)計(jì)的產(chǎn)品已參與整器聯(lián)試，其各項(xiàng)性能表現(xiàn)均符合用戶要求。