這是我在2012年5月為客戶(hù)編寫(xiě)的設(shè)計(jì)方案，是一種寬帶無(wú)線數(shù)傳方案，本質(zhì)就是用軟件無(wú)線電平臺(tái)去實(shí)現(xiàn)WiFi的物理層及MAC層。在我編寫(xiě)這份方案的時(shí)候，還沒(méi)有AD936x，Xilinx Z7000這類(lèi)芯片，所以產(chǎn)品架構(gòu)比較復(fù)雜。本方案是基于FPGA的高性能無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)，基于WiFi技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)多終端同時(shí)與基站進(jìn)行通信，可穩(wěn)定工作于-40~85℃，具有較高的EMC指標(biāo)，可穩(wěn)定工作于各種苛刻的環(huán)境。

硬件設(shè)計(jì)框圖

根據(jù)客戶(hù)的基本技術(shù)指標(biāo)，我們提出了下圖所示硬件系統(tǒng)架構(gòu)。

根據(jù)客戶(hù)的描述，本產(chǎn)品主要用于多個(gè)視頻源同時(shí)通過(guò)無(wú)線的方式向基站發(fā)送數(shù)據(jù)，需要采用較小的信道帶寬和OFDM 調(diào)制方式，同時(shí)基站需要能夠識(shí)別視頻源。根據(jù)調(diào)研，目前市面上找不到能夠真正支持非20MHz信道帶寬的WiFi收發(fā)芯片，而且產(chǎn)品最終的工作頻率為300-500MHz，無(wú)需考慮兼容WiFi 協(xié)議，因此我們參照WiFi芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提出了上述的硬件設(shè)計(jì)框圖。

FPGA通過(guò)GMII接口與以太網(wǎng)PHY芯片連接，實(shí)現(xiàn)一個(gè)千兆以太網(wǎng)口。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，FPGA內(nèi)部將數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，打包，并將處理后的數(shù)據(jù)流進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，快速反傅里葉變換，最終送至外部的D/A，上變頻，功率放大，然后發(fā)送出去；接收數(shù)據(jù)時(shí)，天線感應(yīng)到的射頻信號(hào)首先通過(guò)帶通濾波器，然后送至低噪聲放大器，進(jìn)行解調(diào)，然后將I/Q信號(hào)送至A/D轉(zhuǎn)換器，最終，F(xiàn)PGA通過(guò)一個(gè)逆過(guò)程將數(shù)據(jù)還原。

FPGA的選型

FPGA初步采用Xilinx Virtex-II系列實(shí)現(xiàn)。

Xilinx公司推出的Virtex-II解決方案為兩個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)性非常強(qiáng)的數(shù)字系統(tǒng)提供了很好的支持:數(shù)據(jù)通信和數(shù)字信號(hào)處理(DSP)系統(tǒng)。高邏輯集成度、寬總線上的快速?gòu)?fù)雜的布線、大面積的pipeline和FIFO存儲(chǔ)需求共同組成了系統(tǒng)的特點(diǎn)。在前幾代FPGA開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)上，Virtex-II的結(jié)構(gòu)是經(jīng)過(guò)高密度和高性能邏輯設(shè)計(jì)優(yōu)化的。它由輸入/輸出模塊(IOBs)和內(nèi)部可配置模塊(CLBs)組成。

它采用8層金屬的0.15um工藝的CMOS技術(shù)，1.5V核心電源電壓，專(zhuān)用的3.3V輔助和I/O電源電壓，其系統(tǒng)門(mén)數(shù)從40K到8M，內(nèi)部時(shí)鐘速率可達(dá)420MHz，可選擇配置為多種接口標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)部含有豐富的布線資源，其SelectRAMTM結(jié)構(gòu)可靈活地配置為SRAM、DRAM、CAM等多種形式的存儲(chǔ)單元。Virtex-II系列FPGA含有極其豐富的I/O資源，可編程I/O模塊為管腳和內(nèi)部可配置邏輯提供接口，它支持多數(shù)流行且先進(jìn)的I/O標(biāo)準(zhǔn)，I/O速率可達(dá)840+Mb/s。

D/A轉(zhuǎn)換器的選型

D/A轉(zhuǎn)換器采用ADI公司的AD9777，這是一顆高速、雙通道插值轉(zhuǎn)換器，其提供16位分辨率，最大輸入數(shù)據(jù)速率為160 MSPS（無(wú)插值），最大DAC更新速率為400 MSPS（8x插值）。該系列器件具有可選插值率(2x/4x/8x)以及能夠以Fs/2、Fs/4或Fs/8混頻的復(fù)合調(diào)制器。所有配置均通過(guò)一個(gè)易于使用的三線式或四線式SPI接口完成。

與外部正交調(diào)制器（例如AD8345/AD8346/AD8349）配合使用時(shí)，AD977X利用其內(nèi)部復(fù)合(I&Q)混頻器，就可以實(shí)現(xiàn)更傳統(tǒng)的基帶I/Q架構(gòu)或鏡像抑制上變頻架構(gòu)。后一架構(gòu)可能非常適合那些要求高調(diào)制精度（即64 QAM）的應(yīng)用，數(shù)字調(diào)制本身就能提供這種高精度。這種架構(gòu)還有一個(gè)額外的優(yōu)勢(shì)，即可以抑制模擬混頻操作固有的鏡像，從而可以減少濾波級(jí)的數(shù)量，降低實(shí)現(xiàn)3G和寬帶頻譜發(fā)射所需硬件的成本。用戶(hù)可通過(guò)SPI端口進(jìn)行增益與失調(diào)校正，相應(yīng)地改善邊帶抑制與LO饋通。在直接中頻模式下，可以對(duì)高于70 MHz的中頻(IF)進(jìn)行合成。

AD9777的內(nèi)部功能框圖如下圖所示

A/D轉(zhuǎn)換器的選型

A/D轉(zhuǎn)換器采用ADI公司的AD9248，AD9248是一款雙核、3V、14位、20/40/65 MSPS模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），集成了兩個(gè)高性能采樣保持放大器和一個(gè)基準(zhǔn)電壓源。它采用多級(jí)差分流水線架構(gòu)，內(nèi)置輸出糾錯(cuò)邏輯，在最高65 MSPS數(shù)據(jù)速率時(shí)可提供14位精度，并保證在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)無(wú)失碼。

利用寬帶寬、差分采樣保持放大器（SHA），用戶(hù)可以選擇包括單端應(yīng)用在內(nèi)的各種輸入范圍和偏移。該器件適用于各種應(yīng)用，包括在連續(xù)通道中切換滿(mǎn)量程電平的多路復(fù)用系統(tǒng)，以及采用遠(yuǎn)超過(guò)Nyquist速率的頻率對(duì)輸入進(jìn)行采樣。AD9248適用于通信、成像和醫(yī)療超聲等應(yīng)用。

AD9248的內(nèi)部功能框圖如下圖所示。

正交調(diào)制器的選型

正交調(diào)制器選用ADI公司的AD8345，AD8345是一款硅RFIC正交調(diào)制器，設(shè)計(jì)用于140 MHz至1000 MHz頻率范圍。該器件提供極低的本底噪聲和高輸出功率，可明顯改善輸出動(dòng)態(tài)范圍。它需要一個(gè)低LO驅(qū)動(dòng)電平，提供額定50 Ω緩沖輸出。

該器件可提供出色的振幅和相位平衡以及邊帶抑制特性，支持高階/高容量QAM調(diào)制無(wú)線電。

正交解調(diào)器

正交解調(diào)器選用ADI公司的AD8348，AD8348是一款寬帶正交解調(diào)器，集成有中頻（IF）可變?cè)鲆娣糯笃鳎╒GA）和基帶放大器，適用于通信接收機(jī)，可進(jìn)行從中頻直接到基帶頻率的正交解調(diào)。其輸入頻率范圍為50-1000MHz，可以很好的滿(mǎn)足本產(chǎn)品的要求。

詳細(xì)硬件設(shè)計(jì)框圖

識(shí)別多個(gè)視頻源的方法

視頻源通過(guò)以太網(wǎng)口與發(fā)送端連接，參考TCP/IP協(xié)議，我們?yōu)槊總€(gè)發(fā)送端設(shè)置唯一的MAC地址，同樣，基站也會(huì)有一個(gè)唯一的MAC地址，發(fā)送端將數(shù)據(jù)發(fā)送至基站時(shí)，會(huì)在報(bào)文中包含源MAC地址與目標(biāo)MAC地址，這樣，基站就可以分辨出不同的視頻源。

PCF MAC

無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）中MAC所對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)為IEEE 802.11，IEEE 802.11 MAC綜合了兩種工作方式: 分布控制(DCF)和中心控制(PCF)兩種工作方式：

分布控制方式（DCF），類(lèi)似CDMA/CD，利用載波監(jiān)聽(tīng)機(jī)制，適用于分布式網(wǎng)絡(luò)，傳輸具有突發(fā)性和隨機(jī)性的普通分組數(shù)據(jù)， 支持無(wú)競(jìng)爭(zhēng)型實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)及競(jìng)爭(zhēng)型非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)。

中心控制方式（PCF），建立在DCF工作方式之上并且僅支持競(jìng)爭(zhēng)型非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，適用于具備中央控制器的網(wǎng)絡(luò)。

PCF（Point Coordination Function）機(jī)制基于輪詢(xún)機(jī)制，可以用于支持無(wú)競(jìng)爭(zhēng)型實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)。

考慮到該產(chǎn)品主要用于無(wú)線視頻傳輸，且無(wú)需考慮兼容WiFi協(xié)議，我們決定采用PCF的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

PCF工作過(guò)程

希望發(fā)送數(shù)據(jù)的終端首先向基站發(fā)送連接請(qǐng)求幀，并在幀的功能性能字段的CF-Pollable（可輪詢(xún)CF）子字段中表明希望加入輪詢(xún)表。在收到基站的ACK信息以后，終端被列入輪詢(xún)列表。輪詢(xún)列表中的主機(jī)按連接標(biāo)識(shí)（Association ID:AID ）升序排列。AID是由基站分配的16bit標(biāo)識(shí)符。

基站發(fā)出Beacon幀表明CFP期間的開(kāi)始。然后基站依次向輪詢(xún)列表中的終端；如果在PIFS時(shí)間間隔內(nèi)沒(méi)有響應(yīng)，則表明終端無(wú)數(shù)據(jù)要發(fā)，基站繼續(xù)發(fā)出下一個(gè)Poll幀。

輪詢(xún)中特殊情況：

在一個(gè)CFP期間，如果輪詢(xún)列表中的終端沒(méi)有輪詢(xún)完，那么在下次CFP期間將從未輪詢(xún)終端開(kāi)始輪詢(xún)；如果輪詢(xún)列表中的終端已經(jīng)輪詢(xún)完，還剩有一段時(shí)間，基站將隨機(jī)選擇終端發(fā)出輪詢(xún)幀。

輪詢(xún)結(jié)束過(guò)程：基站發(fā)出End幀，表明CFP期間的結(jié)束，CP期間的開(kāi)始。

下圖是PCF中幀傳輸?shù)囊粋€(gè)例子。

OFDM基帶設(shè)計(jì)

1 發(fā)射機(jī)總體結(jié)構(gòu)

發(fā)射機(jī)的總體結(jié)構(gòu)如下圖所示。

發(fā)送端的處理器包括多個(gè)功能模塊：訓(xùn)練序列生成模塊，Signal符號(hào)生成模塊，Data符號(hào)生成模塊，IFFT處理模塊，循環(huán)前綴添加與加窗處理模塊，主控單元和時(shí)鐘生成模塊。

2 發(fā)射機(jī)Symbol生成過(guò)程

物理層發(fā)射機(jī)的數(shù)據(jù)來(lái)源于MAC層傳遞下來(lái)的待發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文，該數(shù)據(jù)報(bào)文以字節(jié)為單位。物理層發(fā)射機(jī)接收到來(lái)自于MAC層的這些數(shù)據(jù)后，將并行數(shù)據(jù)進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換，得到串行的二進(jìn)制比特流。這些數(shù)據(jù)通過(guò)卷積編碼器進(jìn)行編碼，通過(guò)截?cái)嘁丫幋a的數(shù)據(jù)比特流，編碼器最終輸出1/2，2/3或3/4的碼率數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)將根據(jù)802.11標(biāo)準(zhǔn)中指定的交織模式進(jìn)行交織，交織后的比特?cái)?shù)據(jù)根據(jù)調(diào)試方式的不同，通過(guò)映射模塊映射為BPSK，QPSK， 16QAM，64QAM星座圖上的點(diǎn)，如下圖所示。

3 擾碼模塊

為了防止長(zhǎng)時(shí)間的“0”或“1”序列影響同步的建立和保持，我們?cè)诎l(fā)射機(jī)這邊采用擾碼以避免這種數(shù)據(jù)對(duì)接收機(jī)定時(shí)的不利影響。擾碼模塊的OFDM實(shí)現(xiàn)如下圖所示。

4 信道編碼

在802.11標(biāo)準(zhǔn)中，主要采用卷積編碼的方式。卷積碼的監(jiān)督碼不僅與本組的信息元有關(guān)，而且還與前若干組的信息源有關(guān)，這種碼的糾錯(cuò)能力強(qiáng)，不僅可以糾正隨機(jī)差錯(cuò)，而且可以糾正突發(fā)差錯(cuò)。

可以通過(guò)合理的硬件方式實(shí)現(xiàn)1/2，2/3，3/4，5/6，7/8的碼率。

5 交織

802.11標(biāo)準(zhǔn)中采用的是分組交織器，其交織深度與所采用的調(diào)制方式有關(guān)：BPSK，QPSK，16QAM和64QAM的交織深度分別為38，96，192和288個(gè)比特，每種調(diào)制方式的交織深度是通過(guò)數(shù)據(jù)子載波的數(shù)量與每個(gè)符號(hào)中比特的個(gè)數(shù)相乘而得到的。

關(guān)于交織部分的細(xì)節(jié)，在這里不做過(guò)多討論。

未完待續(xù)......

當(dāng)年設(shè)計(jì)方案就寫(xiě)到了這里，后續(xù)有時(shí)間我再來(lái)修正，補(bǔ)全。