前言
檢測前導碼可能是目前 802.11b/g WLAN 設計中耗電最多的任務。幸運的是，可以采用一種簡單的檢測方案，讓設計人員在不同的功耗限制下進行前導碼的檢測。
802.11 WLAN 功能已成為大量消費類電子產品采用的主要技術，設計人員必須解決不同的功耗問題。由于 WLAN 設備只在約 3% 的時間中傳輸數據，因此 WLAN 設備在‘等待’WLAN 通信流量狀態下的功耗就成為一種關鍵性參數。有鑒于此，設計人員在構建具備 802.11b/g 功能的架構時就必須特別注意前導碼檢測技術。
本文將討論上述挑戰，并談談設計 WLAN 前導碼檢測方法時遇到的各種問題與折中權衡。還將提供一種前導碼檢測方法，其可在不同的功耗限制條件下用于檢測 WLAN 數據包，此外，針對系統設計人員如何根據 WLAN 設備的操作環境做出選擇這一問題給出一些指導性意見。

前導碼格式
在符合 802.11g 標準的 WLAN 設備中，基本有兩種前導碼：一個用于直接序列擴頻 (DSSS) 模式，它由 802.11b 繼承而來；另一個則用于正交頻分復用 (OFDM)模式，它由 802.11a 繼承而來。
DSSS 前導碼是以11MHz的芯片速率傳輸的一系列 Barker-11序列。每個序列由偽隨機序列輸出進行調制(即按定義傳輸或根據輸出逆向)。這是一個以時域為導向的描述。前導碼的基本周期為1ms，如圖1所示。
在頻域中對 OFDM 前導碼進行了描述。它由一系列音調 (tone) 組成，其頻率為 1.25MHz 的倍數，且調整后的相位可生成帶有小峰值與平均功率比的波形。這就在時域中形成一種每 0.8ms重復一次的模式。OFDM 前導碼的基本周期時域如圖 2所示。
WLAN 設備傳輸與跟隨數據模式相關聯的前導碼。傳統的 802.11b 數據模式(1、2、5.5 以及 11Mbit/s)以及可選的 802.11g 22Mbit/s 模式前面都有 DSSS 前導碼。基于 802.11a 的數據模式(6、9、12、18、24、36、48和54 Mbit/s)前面都有 OFDM 前導碼。為了獲得可用的最高吞吐量，接收設備必須在其開始抵達的4ms時間內檢測上述前導碼。檢測到前導碼后，檢測確認信息必須傳遞給媒體接入控制器(MAC)，以確保所有計劃中的傳輸都被延遲，直到媒體空閑時才進行。媒體的狀態由信道空閑評估 (CCA) 指針信號傳遞。這樣，802.11 協議就能使傳輸過程中的沖突降低到最小限度。

前導碼的使用
前導碼最明顯的用途就是顯示 WLAN 數據包正在被發送。事實上，檢測前導碼是接收數據包的一個前提。如果未接到某個數據包，那么網絡性能會受影響。有鑒于此，只要前導碼存在，算法設計人員就要聲明檢測到數據包。
但是，如果虛假聲明檢測到數據包，也會影響網絡性能，因為這會導致任何未決的傳輸發生不必要的延遲。虛假聲明數據包檢測還會造成另一結果，就是可能進行額外的信號處理，從而消耗更多功率。在處理過程中它還會造成丟失真正數據包的風險。
了解到這一點，算法設計人員就必須認真進行選擇。設計人員即便在最壞的條件下也必須檢測數據包，以增大設備的操作覆蓋范圍，此外，只要確定存在數據包，就必須聲明檢測到數據包，從而最大程度地降低功耗。
除了采用前導碼檢測數據包之外，還必須決定正在接收的是哪一類型的傳輸，從而選擇適當的處理。WLAN 設備還需要依靠前導碼校準(train)其某些接收機功能。就 OFDM 前導碼的情況而言，WLAN 設備必須校準其自動增益控制 (AGC)，如果啟用多樣性則還應選擇適當的天線，此外還要大致估計傳輸與接收設備間的頻率失調。OFDM校準序列在這部分可能還要進行其它校準功能，但也可稍后進行。
就DSSS前導碼的情況而言，WLAN 設備也應在接收前導碼時校準其 AGC，但是，由于 DSSS前導碼較長，因此 WLAN 設備可能延遲所有其它校準，直到前導碼檢測確認后再進行。同樣，在啟用多樣性的情況下，還必須選擇適當的天線。
顯然，檢測算法的設計必須能在 AGC 校準時進行工作。AGC校準算法可能是迭代重復的，這種情況只在嘗試縮放信號達到ADC的轉換范圍時出現。這使得信號水平在檢測算法輸入處有所差異。除此之外，檢測算法還必須具備穩健性，能夠抵御無線環境中存在的各種障礙性因素。
障礙性因素的影響
盡管前導碼的傳輸定義很明確，但實際接收的內容則取決于發送器到接收機傳輸過程中遇到的障礙性因素。兩種前導碼的設計都具有低峰值到平均功率比，這樣就能最小化剪輯信號或信號分辨率的問題。但是，頻率失調、多路徑和熱噪聲等障礙性因素都會影響前導碼，使之難以辨認。檢測算法必須考慮到上述所有因素。
頻率失調的影響是使頻域信號的頻譜偏移。此外，也可將其視作時域的滾動。多路徑看起來像是原始信號的副本與不同的加權和相位拼加得來，因此某些情況下會使信號失真，難以辨認。如果在接收范圍的極限處，熱噪聲可能和所需信號的水平相似，這也會導致信號難以辨認。由于802.11協議的靈活性，因此上述所有障礙性因素就各數據包而言各有差異，因此也是不能預見和去除的。
上述障礙性因素出現在純粹 WLAN 的環境中。由于 802.11g WLAN 設備的工作頻率與微波爐、藍牙或無繩電話相同，因此還要避免許多其它信號。干擾信號會導致檢測算法虛假聲明檢測到WLAN前導碼。
另一個問題就是與其它WLAN設備過于接近。盡管5GHz 頻帶中的 WLAN 部署間有 20MHz 的間距，但802.11g WLAN部署只有 5MHz 的間距。這是 OFDM 前導碼中音調間距 1.25MHz 的數倍。上述信號要避免虛假檢測就要求特別注意檢測算法的設計。當然，在上述情況下，WLAN 設備設計人員可以聲明通道不可用，因此設計會讓檢測算法在干擾一停止就馬上返回等待狀態。

檢測架構
在保證進行最少量的信號處理情況下，檢測任何信號的最簡單方法就是等待環境中的能量是否增加，可實施模擬或數字域的能量檢測器。這里設置一個閾值，只要能量超過該閾值，就會啟動數字處理。不過這樣做并不一定能實現真正的經濟性，特別是在802.11g WLAN 設備潛在噪音環境較嚴重的情況下更是如此。如果環境中存在許多其它信號，或者需要較高的敏感度的話，那么功耗很多的數字信號處理就會多次啟動。為了避免這種問題，應利用信號的某些屬性。
如果檢測算法只需檢測OFDM前導碼，則可采用各種穩健性很高的算法。有些算法以快速傅立葉變換(FFT)或梳狀濾波器利用信號頻率內容，可以高效地利用上述算法。上述架構對DSSS前導碼不適用。
與此類似，還可以采用簡單的匹配過濾器架構來檢測 DSSS 前導碼，而且其穩健性相當高。這種架構的問題不在于其穩健性或復雜性，而在于反應速度。盡管這是802.11 WLAN設備設計人員的首選方法，但新的要求必須在4ms內或四個DSSS前導碼周期內檢測前導碼，這就使得上述實施難以成立了。由于其長度的關系，該架構也不適于 OFDM 前導碼。
更好的方法是采用前導碼的周期性特性。除了頻率失調極高的情況外，無線環境中不管受到什么障礙性因素影響，該屬性都存在。幸運的是，最大頻率失調限制在就802.11g標準而言較低的水平上 (50ppm)。
為了充分利用前導碼的周期性，可采用自動校正結構。由于 DSSS 前導碼和 OFDM 前導碼都有清晰定義的周期，因此可以設計出一個適于兩種周期的結構。將時域中接收的采樣與0.8ms和1ms前接收采樣相比較，就能得到兩種前導碼接收的匹配情況。當然，DSSS前導碼調制必須剝離，這樣才能看到周期性。
周期性的差異可用來區分兩種前導碼。為了讓檢測的把握性更高，可監控數個周期。一系列4ms采樣很方便，因為這涵蓋了DSSS前導碼的四個周期和OFDM前導碼的五個周期。這樣，為了實現穩健而快速并能區別兩種前導碼的檢測算法，只需找到關聯4ms以上周期采樣的延遲線并將關聯與閾值相比較即可。
為了優化實施，需要AGC步進變化。AGC的變化必須同時發生，這樣分組檢測撤出采樣以實現完全精確關聯的性能。為了免除上述復雜性并節約功耗，可以將關聯剛好減少至接收采樣符號位的水平，從而 實現這一目的。該技術實施方法簡單而且效率較高。圖3顯示了以上各段介紹的算法基本結構。
在4ms內聲明檢測到前導碼確實會導致損失一定的可靠性。理想狀態下，檢測會在更長的時間內進行。在802.11標準中，在最初采用DSSS前導碼時，接收機有15ms的時間做出決定。在802.11a標準中，最初采用OFDM前導碼時，即便在相當好的條件下，信噪比(SNR)為 10dB 時，檢測也只預計達到90%的準確度。由于上述原因，WLAN設計人員確實需要一種方法來保證引發數據包檢測的信號確實是所需的前同步代碼。可采用標準匹配過濾器來實現此目的，因為信道聲明為占用后會有確認的時間。匹配過濾器只需接收采樣的符號位就可操作，這與關聯器一樣。這樣就可以利用相當簡單而穩健性又較高的確認方法。進行該確認后，只需打開完全精確的信號處理。這樣，WLAN 設備就可具備低功率檢測電路和低功率確認電路。圖4顯示了802.11g WLAN設備中所得的信號流。
一旦聲明了前導碼，設備就肯定會表明媒體被占用。如果檢測到真正的前導碼的話，這就反映了協議是如何避免沖突的。但是，如果檢測是假的，那就會損失吞吐量。為了最小化吞吐量的損失，設計人員可提高用于聲明數據包檢測的閾值，這就讓聲明數據包變得更為困難。WLAN設備只有在前導碼特別強的情況下才會聲明數據包檢測。當然，這又會提高設備丟失有效數據包的可能性。設計人員必須在可能損失吞吐量和可能丟失有效數據包間進行折中選擇，這可能要由應用決定，不過由于上述情況僅由改變閾值決定，因此也與信號質量有關。

結語
顯然，設計人員應調節其前導碼檢測方案以滿足實施 WLAN 技術的不同系統的要求。正如前面討論中所指出的一種相當簡單的檢測方案，設計人員用它可快速找到前導碼，同時又能滿足PDA、手機、小區網關以及其它通信設備的不同功耗要求。■