基于NI-PXI的下一代超高速無(wú)線局域網(wǎng)原型系統(tǒng)設(shè)計(jì) - 全文

1.引言

面向2020年以后的第五代移動(dòng)通信技術(shù)（5G）是為滿足日益增長(zhǎng)的移動(dòng)通信需求而發(fā)展的新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)。根據(jù)移動(dòng)通信的發(fā)展規(guī)律，5G將具有超高的頻譜利用率和能效，在傳輸速率和資源利用率等方面較4G移動(dòng)通信提高一個(gè)量級(jí)或更高，其無(wú)線覆蓋性能、傳輸時(shí)延、系統(tǒng)安全和用戶體驗(yàn)也將得到顯著的提高。5G移動(dòng)通信將與其他無(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)密切結(jié)合，構(gòu)成新一代無(wú)所不在的移動(dòng)信息網(wǎng)絡(luò)，滿足未來(lái)10年移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)流量增加1000倍的發(fā)展需求。5G不再是一種只擁有高速率、高能力、高效率的空口技術(shù)，而是一種能夠應(yīng)對(duì)不同業(yè)務(wù)需求并不斷提高用戶體驗(yàn)的智能網(wǎng)絡(luò)，5G與其他無(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)之間的融合將會(huì)成為一種必然趨勢(shì)。Wi-Fi（wireless fidelity）技術(shù)已經(jīng)成為日常生活中必不可少的無(wú)線通信技術(shù)之一。在熱點(diǎn)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)Wi-Fi與5G的融合組網(wǎng)將能更有效地起到對(duì)現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)分流的作用，同時(shí)可以大幅提高用戶體驗(yàn)，是未來(lái)5G的發(fā)展方向之一。

無(wú)線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Network,WLAN）的出現(xiàn)將個(gè)人從家中或是辦公桌上解放出來(lái)，人們可以在賓館、公園、商店、咖啡廳、機(jī)場(chǎng)等任意兩點(diǎn)之間進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，隨時(shí)隨地獲取信息。自1997年IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的最初版本完成以來(lái)，此后的6年時(shí)間里，包括802.11b、802.11a、802.11g在內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)使得WLAN 的應(yīng)用日趨廣泛并走向成熟。2007年2月，IEEE 802.11n的2.0草案確定，這一新標(biāo)準(zhǔn)的制定具有跨時(shí)代意義，在傳輸速率方面有了突破性的進(jìn)展，可以達(dá)到300 Mbps（20 MHz信道下）甚至600 Mbps（40 MHz信道下）。為應(yīng)對(duì)爆發(fā)性增長(zhǎng)的流量需求以及提供良好的后向兼容性，被業(yè)界認(rèn)為是第五代Wi-Fi的IEEE 802.11ac呼之欲出。IEEE內(nèi)部設(shè)立了兩個(gè)項(xiàng)目工作組（Task Group,TG），以甚高吞吐率（Very High Throughput,VHT）為目標(biāo)，針對(duì)未來(lái)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方向，提出兩個(gè)項(xiàng)目方案進(jìn)行立項(xiàng)研究——IEEE 802.11ac與 IEEE 802.11ad。2014年1月，802.11ac草案正式獲得通過(guò)。

IEEE 802.11ac協(xié)議在8條空間流、256QAM調(diào)制、5/6編碼碼率、160MHz 傳輸帶寬，400ns保護(hù)間隔的條件下，物理層傳輸速率可高達(dá)6933.3Mb/s。作為802.11n標(biāo)準(zhǔn)的一種延續(xù)，802.11ac在原有基礎(chǔ)上有很大改進(jìn)。除了使用關(guān)鍵的正交頻分復(fù)用、多輸入多輸出技術(shù)以及空時(shí)編碼之外，802.11ac還引入了多用戶多輸入多輸出(MU-MIMO)技術(shù)，可以使用更高階數(shù)的調(diào)制——256-QAM使得傳輸速率成倍提升。此外，802.11ac對(duì)于信道帶寬進(jìn)行了擴(kuò)展，在802.11n的20MHz（可選 40 MHz）信道的基礎(chǔ)上增至40MHz、80MHz，甚至達(dá)到160MHz。物理層的幀結(jié)構(gòu)增加了VHT_SIG_B區(qū)域，用來(lái)描述所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長(zhǎng)度、調(diào)制方式和編碼策略（Modulation and Coding Scheme,MCS）以及單用戶/多用戶模式。當(dāng)然，滿足上述要求也面臨著復(fù)雜技術(shù)帶來(lái)的更大挑戰(zhàn)。

802.11ac能提供高速的傳輸速率、良好的用戶體驗(yàn)等，但由于其機(jī)制的復(fù)雜性，系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)的難度加大。目前802.11ac的設(shè)備在市場(chǎng)上還不是很多，本文研究基于IEEE 802.11ac的超高速WLAN系統(tǒng)，并借助NI-PXI平臺(tái)對(duì)其原型機(jī)進(jìn)行開(kāi)發(fā)驗(yàn)證，這對(duì)新一代Wi-Fi技術(shù)及5G技術(shù)的研究具有重要意義。

2.設(shè)計(jì)目標(biāo)

本文旨在NI-PXI平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于IEEE802.11ac標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)原型機(jī)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的參數(shù)指標(biāo)如下所示：
1）系統(tǒng)基于IEEE 802.11ac協(xié)議；
2）系統(tǒng)運(yùn)行在2.4GHz/5GHz頻段；
3）系統(tǒng)配置2個(gè)發(fā)射天線和2個(gè)接收天線；
4）系統(tǒng)的傳輸帶寬達(dá)到20MHz；
5）調(diào)制可選方式：BPSK、QPSK、16QAM、64QAM、256QAM，并可根據(jù)接收信噪比實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)制；
6）系統(tǒng)頻譜效率：最高可達(dá)10 bit/s/Hz(在64QAM映射方式，碼率為‘5/6’的條件下)；
7）可以顯示解調(diào)后的接收星座圖；
8）可以實(shí)現(xiàn)視頻的高質(zhì)量傳輸。
原型機(jī)需要實(shí)現(xiàn)的IEEE 802.11ac協(xié)議物理層內(nèi)容有：
1）發(fā)射端： BCC編碼、流解析、調(diào)制、插入導(dǎo)頻、加CP、IFFT；
2）接收端：同步、去CP、FFT、信道估計(jì)與均衡、去導(dǎo)頻、解調(diào)、逆流解析、維特比譯碼。

3.基于NI的802.11ac超高速無(wú)線局域網(wǎng)原型機(jī)

3.1 概述
該項(xiàng)目需要達(dá)到百兆數(shù)量級(jí)的數(shù)據(jù)傳輸速率，因而需求高速率的數(shù)據(jù)處理，在硬件實(shí)現(xiàn)中，我們選擇了運(yùn)用高性能FPGA來(lái)達(dá)到高速率的要求，然而開(kāi)發(fā)這樣一個(gè)系統(tǒng)需要我們很好的掌握VHDL或者Verilog HDL語(yǔ)言。同時(shí)，該項(xiàng)目還涉及了射頻方面，這對(duì)我們來(lái)說(shuō)也是一個(gè)巨大的困難，我們只希望將重點(diǎn)放在802.11ac協(xié)議的基帶設(shè)計(jì)上，NI的LabVIEW軟件及它的硬件平臺(tái)對(duì)我們來(lái)說(shuō)是一個(gè)福音，解決了我們的所有煩惱，讓我們能專注于我們想專注的事，極大的縮短了我們的開(kāi)發(fā)周期。

在下文中，我們將具體描述基于NI的802.11ac超高速無(wú)線局域網(wǎng)原型機(jī)。

3.2硬件平臺(tái)
原型機(jī)的硬件設(shè)計(jì)是基于NI-PXI平臺(tái)來(lái)進(jìn)行的，其硬件實(shí)物圖如下圖所示，兩塊FPGA板卡連接射頻適配器置于機(jī)箱中，該平臺(tái)主要包含機(jī)箱、控制器、FPGA模塊、射頻收發(fā)模塊四個(gè)部分，各模塊的性能及主要功能如下：

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圖1 系統(tǒng)硬件平臺(tái)實(shí)物圖

（1）NI PXIe-1082機(jī)箱：采用的該機(jī)箱包含4個(gè)混合插槽, 3個(gè)PXI Express插槽, 1個(gè)PXI Express系統(tǒng)定時(shí)插槽，每插槽高達(dá)1 GB/s的專用帶寬和7 GB/s的系統(tǒng)帶寬，與PXI、PXI Express、CompactPCI和CompactPCI Express模塊兼容。機(jī)箱主要為控制器和各模塊提供了電源、冷卻以及PCI和PCI Express通信總線，此外還提供了一系列的I/O模塊插槽類型、集成外設(shè)。

（2）NI PXIe-8115控制器：本系統(tǒng)采用NI PXI-8115作為控制器，位于機(jī)箱最左側(cè)插槽。它是基于Intel Core i5-2510E處理器的高性能嵌入式控制器，適用于PXI系統(tǒng)。具有2.5 GHz基頻、3.1 GHz（單核Turbo Boost模式）雙核處理器和單通道1333 MHz DDR3內(nèi)存,配有以太網(wǎng)、串口等標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，可自行選擇操作系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)選用了Windows系統(tǒng)。

（3）NI PXIe-7966R：針對(duì)無(wú)線局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸，主要考慮數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理能力，選用FlexRIO模塊。它包含兩個(gè)主要部分：FPGA模塊和提供高性能模擬和數(shù)字I/O的FlexRIO適配器模塊。這些都可以被LabVIEW FPGA軟件配置。

其中FPGA模塊選用NI PXIe-7966R，它包含了一塊Virtex-5 SX95T FPGA和512 MB的板載DDR2雙端口RAM。這塊FPGA包含了640 DSP slices，可以用它來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理，數(shù)字濾波，F(xiàn)FT邏輯等。另外，板載的雙端口RAM理論吞吐量為3.2GB/s。PXIe-7966R支持高性能的P2P數(shù)據(jù)流傳輸。本系統(tǒng)中FPGA模塊主要實(shí)現(xiàn)發(fā)射端、接收端的基帶數(shù)據(jù)處理工作。

（4）NI 5791射頻適配器： NI 5791是一款具有200 MHz到4.4 GHz連續(xù)頻率覆蓋范圍的RF收發(fā)器，其中TX和RX端均具有100 MHz的瞬時(shí)帶寬。它具有單級(jí)轉(zhuǎn)向架構(gòu)，在NI FlexRIO適配器模塊的小巧組成結(jié)構(gòu)中提供了超高的帶寬。板載合成器（本地振蕩器）用于設(shè)定采集和生成的中心頻率，且可導(dǎo)出至其他模塊，以實(shí)現(xiàn)多輸入多輸出(MIMO)同步。用戶可直接訪問(wèn)NI FlexRIO FPGA模塊的原始ADC和DAC數(shù)據(jù)。 此外，NI FlexRIO FPGA模塊和PXI平臺(tái)提供了一種實(shí)現(xiàn)通道擴(kuò)展必需的ADC和DAC數(shù)據(jù)同步方法。

3.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)
在這樣一個(gè)實(shí)時(shí)高速傳輸系統(tǒng)里，系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)尤為重要，良好的架構(gòu)設(shè)計(jì)是系統(tǒng)正確運(yùn)行的前提，也是提高系統(tǒng)性能的關(guān)鍵所在，本文原型機(jī)整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架如圖2所示，系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要分為PC端設(shè)計(jì)、HOST端設(shè)計(jì)、FPGA端設(shè)計(jì)三個(gè)部分，PC端設(shè)計(jì)基于C#語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)視頻的編解碼等工作，而HOST端和FPGA端設(shè)計(jì)主要是基于LabVIEW編程實(shí)現(xiàn)，前者負(fù)責(zé)參數(shù)配置、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙ぷ?，后者?fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)IEEE 802.11ac協(xié)議的物理層模塊。這三者之間也要進(jìn)行數(shù)據(jù)同步。下文將對(duì)各個(gè)部分的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)的敘述。

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圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

3.3.1 物理層數(shù)據(jù)通信
原型機(jī)物理層數(shù)據(jù)通信主要在PC端、HOST端和FPGA端之間進(jìn)行，其流向如圖3所示。系統(tǒng)發(fā)送端采用兩路數(shù)據(jù)流形式，因此需要兩塊FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)的生成并與發(fā)送射頻天線進(jìn)行對(duì)接。為完成無(wú)線數(shù)據(jù)的傳輸，系統(tǒng)架構(gòu)中還配有數(shù)據(jù)發(fā)送用戶Local_PC以及數(shù)據(jù)接收用戶Remote_PC，另外還有一臺(tái)控制器Host作為中間載體，對(duì)數(shù)據(jù)的基帶收發(fā)處理進(jìn)行LabVIEW算法開(kāi)發(fā)。假設(shè)傳送的數(shù)據(jù)為視頻流。首先，發(fā)送端Local_PC將視頻流數(shù)據(jù)封裝成U8格式并打包，F(xiàn)PGA1產(chǎn)生中斷向Host請(qǐng)求數(shù)據(jù)，Host得到該中斷請(qǐng)求后，向Local_PC產(chǎn)生新的中斷，以請(qǐng)求封裝好的數(shù)據(jù)。Local_PC等待中斷請(qǐng)求到來(lái)，即向Host發(fā)送U8數(shù)據(jù)包。Host獲得U8 數(shù)據(jù)后會(huì)響應(yīng)FPGA1的中斷，通過(guò)DMA_FIFO向FPGA2發(fā)送數(shù)據(jù)。FPGA2完成發(fā)送端基帶處理過(guò)程中的各模塊操作，形成兩路數(shù)據(jù)流。其中一路數(shù)據(jù)流通過(guò)P2P機(jī)制傳送給FPGA1。兩路數(shù)據(jù)流通過(guò)硬件接口發(fā)送至射頻卡中，在射頻卡中對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行射頻信號(hào)處理并通過(guò)發(fā)送天線發(fā)出；接收信號(hào)經(jīng)過(guò)射頻卡傳送至兩塊FPGA中，將FPGA2中的數(shù)據(jù)通過(guò)P2P傳送至 FPGA1中，在FPGA1中完成后續(xù)基帶接收過(guò)程，將處理完的比特流通過(guò)DMA_FIFO傳回Host，Host將數(shù)據(jù)傳給Remote_PC，在Remote_PC中顯示視頻流。

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圖3 原型機(jī)物理層數(shù)據(jù)流向圖

3.3.2 HOST端設(shè)計(jì)
在此系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，HOST端是連接PC，F(xiàn)PGA，射頻卡的重要紐帶。其主要完成工作為：
a. 完成對(duì)PC端視頻流的收發(fā)，這部分通過(guò)網(wǎng)線利用UDP協(xié)議，在這方面LabVIEW具有成熟的設(shè)計(jì)，調(diào)用并配置IP地址，包長(zhǎng)參數(shù)等等。對(duì)于接收到的數(shù)據(jù)，考慮到Viterbi設(shè)計(jì)時(shí)的咬尾操作，必須對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行補(bǔ)零，利用數(shù)組轉(zhuǎn)換等設(shè)計(jì)完成，同樣對(duì)于發(fā)送給PC端的比特流，需要進(jìn)行去尾操作。

b.完成基帶參數(shù)的傳遞及DMA_FIFO的建立。需要考慮的基帶參數(shù)有：調(diào)制方式，每一幀的長(zhǎng)度，Viterbi每個(gè)Block的長(zhǎng)度。DMA_FIFO建立了兩個(gè)：HOST端的比特流傳遞給FPGA（HOST to Target），F(xiàn)PGA端的解出的比特流傳遞給HOST端（Target to HOST）。

c.完成射頻參數(shù)的傳遞，主要包含帶寬的選擇，載波頻率的選擇，直流偏置修復(fù)參數(shù)，發(fā)送功率值，放大器增益設(shè)置等。

d.還需完成兩塊FPGA板卡間數(shù)據(jù)傳輸及同步配置等問(wèn)題，這一部分在FPGA設(shè)計(jì)中作詳細(xì)討論。

e.完成自動(dòng)增益控制（AGC）和自適應(yīng)調(diào)制（AMC）功能模塊。

下面詳細(xì)討論一下HOST端主要功能模塊的實(shí)現(xiàn)。
（1）視頻流收發(fā)配置
PC與HOST之間的通信是通過(guò)UDP協(xié)議完成的。UDP有連接簡(jiǎn)單，速度快的特點(diǎn)，只要保證發(fā)送端PC、NI-PXI的主控器、接收端PC三者都連接在同一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)，即可利用UDP實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速通信。

HOST具體設(shè)置如下：發(fā)送端PC將本機(jī)IP地址設(shè)為回送地址192.168.1.7，目的IP地址設(shè)為HOST的實(shí)際地址，目的設(shè)備端口號(hào)設(shè)為12270。此外還需設(shè)置一個(gè)接收HOST發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)請(qǐng)求中斷的端口號(hào)，設(shè)其為2000；接收端PC將本機(jī)IP地址和遠(yuǎn)程設(shè)備IP地址均設(shè)為實(shí)際地址，再定義一個(gè)接收遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的端口號(hào)12271。這樣就可以利用Socket套接字進(jìn)行UDP數(shù)據(jù)的發(fā)送和傳輸了。

（2）自適應(yīng)調(diào)制（AMC）方案
盡管高階調(diào)制、高編碼速率可以使頻譜效率提高，但這對(duì)通信系統(tǒng)的信噪比參數(shù)提出了較為嚴(yán)格的要求，如果噪聲能量達(dá)到一定程度會(huì)造成系統(tǒng)誤碼率上升，誤碼性能大大下降，從而降低了系統(tǒng)的吞吐量。為確保系統(tǒng)的有效吞吐性能，當(dāng)信噪比較低時(shí)，應(yīng)選擇低階調(diào)制方式與編碼速率，當(dāng)信噪比較高時(shí)，可以選擇高階調(diào)制方式與編碼速率。因此，設(shè)計(jì)采用自適應(yīng)調(diào)制(AMC)技術(shù)，在發(fā)射功率恒定的情況下，通過(guò)調(diào)整無(wú)線鏈路傳輸?shù)恼{(diào)制方式與編碼速率確保鏈路的傳輸質(zhì)量。

實(shí)現(xiàn)AMC的過(guò)程需要穩(wěn)定的信號(hào)功率，這需要引入自動(dòng)增益控制(AGC)技術(shù)以確保信號(hào)能量的穩(wěn)定性。在AGC的工作過(guò)程中，初始化功率p0讓射頻放大器得到初始化的放大系數(shù)，對(duì)于接收端來(lái)說(shuō)，需要設(shè)置一個(gè)預(yù)期能量pref，用來(lái)確定AGC過(guò)程趨于穩(wěn)定時(shí)信號(hào)的能量。在通信過(guò)程中，當(dāng)信道環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，接收信號(hào)的能量pr會(huì)不斷發(fā)生變化，調(diào)整功率參數(shù)pd也會(huì)隨之變化(pd是一個(gè)負(fù)值參數(shù)，用于控制射頻放大系數(shù))。接收信號(hào)能量降低時(shí)，接收天線的射頻放大器會(huì)提高放大系數(shù)，接收信號(hào)能量提高時(shí)，接收天線的射頻放大器會(huì)降低放大系數(shù)，這樣使得信號(hào)能量維持在預(yù)期能量pref附近。在通信過(guò)程的開(kāi)始，調(diào)整功率參數(shù)pd可以任意設(shè)置。AGC過(guò)程中調(diào)整功率參數(shù)pd(對(duì)數(shù)形式)滿足公式(1)，其中pd_new為pd的更新值。

考慮采用BCC信道編碼方式的單用戶MIMO2×2系統(tǒng)，固定BCC編碼速率為1/2，一種簡(jiǎn)單的AMC設(shè)置方案如下表所示，表中pd所在區(qū)間是在NI-PXI平臺(tái)上使用NI-5791射頻適配模塊進(jìn)行測(cè)試的一組參考區(qū)間，此時(shí)對(duì)應(yīng)的預(yù)期能量pref = -8dBm。

表1 AMC調(diào)制方式與調(diào)整功率參數(shù)pd的關(guān)系

pd所在區(qū)間(dB

選擇調(diào)制方式

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(-27，-18)

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BPSK

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(-18，-12)

?

QPSK

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(-12，-8)

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16QAM

?

(-8，-5.5)

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64QAM

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(-5.5，-4)

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256QAM

3.3.3 FPGA端設(shè)計(jì)
FPGA的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，也是數(shù)據(jù)處理部分的核心，這一部分主要完成基帶信號(hào)處理的關(guān)鍵工作，此外還負(fù)責(zé)射頻卡5791的配置、P2P傳輸、FPGA間同步設(shè)計(jì)。

（1）射頻卡5791配置
射頻卡的配置在FPGA中完成，主要完成將HOST傳遞過(guò)來(lái)的參數(shù)寫入射頻卡相應(yīng)寄存器里，尤其是關(guān)于速率的小數(shù)變換。
系統(tǒng)基帶數(shù)據(jù)帶寬為20MHz，而AD/DA端采樣速率為130MHz，為了完成速率的匹配，必須對(duì)基帶數(shù)據(jù)作相應(yīng)處理。對(duì)于發(fā)送端，通過(guò)插值處理將20MHz升至130MHz，實(shí)現(xiàn)方式為每隔130/20=6.5個(gè)時(shí)鐘周期從基帶數(shù)據(jù)FIFO中讀出數(shù)據(jù)，并進(jìn)行擴(kuò)展，形成130MHz的發(fā)送信號(hào)；類似的，接收端通過(guò)抽取方式實(shí)現(xiàn)130MHz降至20MHz，實(shí)現(xiàn)方式為每隔6.5個(gè)時(shí)鐘將接收到的數(shù)據(jù)寫入基帶處理FIFO中。

（2）P2P傳輸
P2P將兩塊FPGA的數(shù)據(jù)合并到一塊FPGA中，并在一塊FPGA中完成后續(xù)的MIMO基帶處理，因此在本系統(tǒng)中，P2P是實(shí)現(xiàn)MIMO的重要紐帶。
P2P的配置主要包含兩方面，在主機(jī)（HOST）端將一塊FPGA的寫入數(shù)據(jù)流和另一塊FPGA的讀取連接起來(lái)，在FPGA端，P2P數(shù)據(jù)讀取和寫入節(jié)點(diǎn)為數(shù)據(jù)交換提供FIFO的接口，這樣的接口類似于DMA和本地FPGA 的FIFO，如圖4所示。

（3）FPGA間同步設(shè)計(jì)
出于硬件平臺(tái)的局限性，兩根發(fā)射天線由兩塊FPGA分別連接，這樣的硬件架構(gòu)帶來(lái)的問(wèn)題就是如何保證兩根天線發(fā)出數(shù)據(jù)的同步性。這是任何一個(gè)設(shè)備平臺(tái)都需要考慮的問(wèn)題，各個(gè)廠家也提供了不同的方案，NI利用其獨(dú)特的模塊化設(shè)計(jì)，F(xiàn)PGA之間存在trigger總線連接，利用trigger觸發(fā)實(shí)現(xiàn)同步。

當(dāng)不同的設(shè)備之間共享triggers時(shí)，信號(hào)路徑的傳播延時(shí)會(huì)造成trigger到達(dá)設(shè)備的時(shí)間不同步。NI自帶的同步庫(kù)可以利用CPTR（同周期時(shí)間相關(guān)）減緩trigger的評(píng)估速率。關(guān)鍵是所有的設(shè)備都必須構(gòu)建一個(gè)CPTR信號(hào)，這些CPTR信號(hào)之間同頻同相。
FPGA端的同步程序構(gòu)建和關(guān)聯(lián)CPTR信號(hào)，這些CPTR信號(hào)在不同的FPGA間是同時(shí)產(chǎn)生的。CPTR信號(hào)是周期性的，采樣周期可以控制CPTR的周期。

（4）基帶信號(hào)處理設(shè)計(jì)
在基于IEEE802.11ac協(xié)議的系統(tǒng)中，發(fā)送端包括前導(dǎo)碼生成、信道編碼、流解析、比特交織、星座映射、插入導(dǎo)頻、添加CP、引入CSD以及IFFT轉(zhuǎn)換等過(guò)程；接收端包括時(shí)間同步、FFT轉(zhuǎn)換、去除CP、信道估計(jì)、信號(hào)均衡、去除導(dǎo)頻、解映射、比特解交織、逆流解析、信道解碼等過(guò)程。一些主要模塊的具體細(xì)節(jié)如下：

BCC編碼
采用IP核實(shí)現(xiàn)802.11ac標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的BCC編碼器，其生成多項(xiàng)是g0=133(8)和g1=171(8)，分別對(duì)應(yīng)于生成多項(xiàng)式S0(x) = x6 + x5 + x3 + x2 + 1和S1(x) = x6 + x3 + x2 + x1 + 1，可以使用移位寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)。卷積編碼后的兩路輸出相互合并再進(jìn)行后續(xù)傳輸。根據(jù)不同的規(guī)則進(jìn)行刪余打孔，BCC信道編碼器支持1/2、2/3、3/4、5/6四種編碼速率，以滿足更高的傳輸效率。

流解析與逆流解析
在經(jīng)過(guò)信道編碼后，流解析將編碼比特被重新排成一組新的、等于空間流數(shù)(NSS)的比特串。其輸出為NSS路并行比特序列，每個(gè)串的長(zhǎng)度為NCBPSS (每空間流編碼比特)。
逆流解析時(shí)流解析的逆過(guò)程，主要完成兩個(gè)數(shù)據(jù)流合并成一個(gè)流的過(guò)程。

調(diào)制與解調(diào)
星座映射過(guò)程是把比特序列以一定的方式映射到星座圖中的一個(gè)復(fù)數(shù)星座點(diǎn)。IEEE802.11ac支持的映射(調(diào)制)方式包括BPSK、QPSK、16QAM、64QAM和256QAM，各調(diào)制方式下每個(gè)子載波的復(fù)數(shù)星座點(diǎn)分別承載1、2、4、8和16個(gè)比特的信息，也即調(diào)制階數(shù)NBPSCS。前導(dǎo)碼字段中的信令字段均采用BPSK調(diào)制。生成數(shù)據(jù)字段時(shí)，根據(jù)信令字段中的MCS信息，子載波選擇相應(yīng)的映射(調(diào)制)方式。在20MHz帶寬下，每個(gè)OFDM碼元是由52個(gè)有效的復(fù)數(shù)星座值組成；4MHz帶寬時(shí)這個(gè)有效值為108個(gè)。

解調(diào)是星座映射調(diào)制的逆過(guò)程，以恢復(fù)傳輸傳輸。

IFFT與FFT
實(shí)現(xiàn)發(fā)射端頻域數(shù)據(jù)到時(shí)域數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，同理，F(xiàn)FT則實(shí)現(xiàn)了接收端時(shí)域數(shù)據(jù)到頻域數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，以用于后續(xù)處理。

同步
在基于IEEE802.11ac協(xié)議的接收機(jī)中，同步過(guò)程主要包括時(shí)間同步，載波頻率同步和采樣時(shí)鐘同步。由于NI-PXI平臺(tái)具有優(yōu)良的集成工藝和精密性，收發(fā)機(jī)的本振頻率幾乎一致，采樣時(shí)鐘也幾乎保持完全相同，因此在原型機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中可以暫時(shí)忽略系統(tǒng)的載波頻率偏差和采樣時(shí)鐘偏差帶來(lái)的影響。因此本文原型機(jī)的接收端采用基于前導(dǎo)碼訓(xùn)練序列的MIMO-OFDM系統(tǒng)時(shí)間同步方案。

時(shí)間同步的處理主要分為捕獲和跟蹤兩個(gè)階段，具體分為幀同步過(guò)程和符號(hào)同步過(guò)程。幀同步又稱作粗時(shí)間同步，用于檢測(cè)數(shù)據(jù)分組的到來(lái)，這是時(shí)間同步的捕獲階段；符號(hào)同步又稱作精時(shí)間同步，用于精確定位OFDM符號(hào)數(shù)據(jù)的起始位置，這是時(shí)間同步的跟蹤階段。

信道估計(jì)與均衡
信道估計(jì)是獲取信道信息的重要模塊，利用估計(jì)出的信道響應(yīng)可以對(duì)接收端數(shù)據(jù)進(jìn)行信道均衡操作從而恢復(fù)數(shù)據(jù)。IEEE802.11ac協(xié)議的信道估計(jì)采用定期發(fā)送訓(xùn)練序列的方法，即利用前導(dǎo)碼中VHT-LTF的若干字段在頻域內(nèi)進(jìn)行信道估計(jì)。信道均衡則是對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行一定的補(bǔ)償操作，即對(duì)信號(hào)進(jìn)行恢復(fù)與提取，為后續(xù)的解調(diào)和信道解碼過(guò)程打下基礎(chǔ)。利用之前得到的估計(jì)信道進(jìn)行信道均衡過(guò)程，可以減輕或消除碼間干擾，使得系統(tǒng)能夠?qū)篃o(wú)線信道衰落，從而提高無(wú)線系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率和頻譜效率。本原型機(jī)采用基于LS算法的信道估計(jì)和基于ZF算法的信道均衡。

維特比譯碼
本系統(tǒng)中采用Xilinx的IP Core實(shí)現(xiàn)Viterbi譯碼，其輸入采用基于幀形式的傳輸方式，需要重點(diǎn)考慮的是咬尾問(wèn)題。因此需要在每一幀的最后添加6個(gè)零，使譯碼器回到初始狀態(tài)。

3.3.4 PC端設(shè)計(jì)
PC端主要完成視頻流的編碼打包，并加上CRC校驗(yàn)碼，同時(shí)根據(jù)不同調(diào)制方式改變發(fā)送數(shù)據(jù)包的大小。之所以選擇用兩臺(tái)PC分別處理視頻流的收發(fā)，是因?yàn)榭紤]到LabVIEW對(duì)視頻流處理能力的薄弱，如果采用HOST端作視頻流的編解碼，這會(huì)耗用大量的CPU資源。因此NI儀器完全用來(lái)處理數(shù)據(jù)比特部分，而視頻流的一系列處理則用C#編寫的代碼進(jìn)行。

視頻數(shù)據(jù)發(fā)送用戶和接收用戶的用戶界面如圖5、圖6所示。發(fā)送用戶界面中可以顯示發(fā)送的視頻，當(dāng)前采取的調(diào)制方式MCS，包長(zhǎng)的大小，每次請(qǐng)求包的數(shù)目（不同調(diào)制方式請(qǐng)求的包數(shù)不同），HOST中斷請(qǐng)求次數(shù)等參數(shù)。而接收用戶界面中可以顯示接收到的視頻，傳輸速率、接收到包的總數(shù)，誤包率等參數(shù)。最主要的參數(shù)是Received Data Rate和Processed Data Rate。Processed Data Rate為傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)，也即實(shí)際視頻流傳輸數(shù)據(jù)速率。由于視頻流的包比較小，在其中添加了冗余信息來(lái)形成完整的包，Received Data Rate表示這種完整包的傳輸速率，也即物理層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率。

圖5 PC端發(fā)送用戶界面

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圖6 PC端接收用戶界面

4.基于NI-PXI的11ac原型機(jī)系統(tǒng)演示

關(guān)于原型系統(tǒng)的演示，分別從接收星座圖演示以及視頻流傳輸兩個(gè)角度進(jìn)行分析，以便更好地測(cè)試系統(tǒng)的性能。

4.1 接收星座圖演示
接收星座圖演示過(guò)程中，可以無(wú)需發(fā)送端和接收端的PC外設(shè)。主控器Host可以隨機(jī)產(chǎn)生固定OFDM符號(hào)數(shù)的U8型數(shù)據(jù)流，并將U8型數(shù)據(jù)送入FPGA中，通過(guò)基帶處理和射頻收發(fā)等一系列過(guò)程，Host將接收天線得到的信號(hào)通過(guò)FFT操作轉(zhuǎn)換到頻域后進(jìn)行輸出，觀察頻域接收數(shù)據(jù)的星座圖變化。在測(cè)試中，Host需要實(shí)現(xiàn)AGC功能，使得天線自由移動(dòng)時(shí)，接收端仍然能夠?qū)崿F(xiàn)精確的時(shí)間同步過(guò)程。根據(jù)是否采用AMC方案，可以將接收星座圖測(cè)試分為手動(dòng)模式和自適應(yīng)模式兩種。手動(dòng)模式下，無(wú)論接收信號(hào)強(qiáng)度與信道環(huán)境如何，都采取手動(dòng)設(shè)置發(fā)送端的星座映射方式，這種模式可以觀察固定的星座映射方式下不同天線環(huán)境對(duì)接收星座圖的影響；自適應(yīng)模式下，采用AMC方案，即系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前的信道環(huán)境自動(dòng)設(shè)置理想的星座映射方式，使得數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾屎驼`碼性能達(dá)到同時(shí)較優(yōu)的狀態(tài)。

下圖反映了MIMO2×2系統(tǒng)在手動(dòng)模式下，發(fā)送端分別采用BPSK映射方式的接收星座圖結(jié)果。手動(dòng)模式下，可以通過(guò)調(diào)整天線的位置與間距改善傳輸信道環(huán)境，使得各映射方式下的接收星座圖都能達(dá)到準(zhǔn)確清晰的水平。

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圖7 BPSK接收星座圖(手動(dòng)模式)

圖8給出了其他幾種調(diào)制方式的星座圖結(jié)果，從左到右從上到下依次為QPSK、16-QAM、64-QAM和256QAM映射方式。

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QPSK接收星座圖

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16QAM接收星座圖

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64QAM接收星座圖

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256QAM接收星座圖

圖8 各種調(diào)制方式接收星座圖(手動(dòng)模式)

下圖9反映了自適應(yīng)模式下的接收星座圖結(jié)果，此時(shí)自適應(yīng)調(diào)試方式為QPSK。自適應(yīng)模式下，改變天線的位置與間距意味著信道環(huán)境發(fā)生變化，系統(tǒng)自動(dòng)給出一種既保證傳輸質(zhì)量又具有盡可能高吞吐率的數(shù)據(jù)傳輸方案。

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圖9 QPSK接收星座圖(自適應(yīng)模式)

4.2 視頻流實(shí)時(shí)傳輸
圖10顯示了在NI-PXI平臺(tái)上原型系統(tǒng)Host控制器的前面板設(shè)計(jì)，其主要實(shí)現(xiàn)了射頻卡、UDP協(xié)議、FPGA設(shè)備同步、基帶參數(shù)以及AGC模塊等功能設(shè)置過(guò)程。

圖10 原型系統(tǒng)Host控制器的前面板框圖

PC端發(fā)射、接收用戶界面已在3.3.4節(jié)通過(guò)圖5、圖6給出。

圖11展示了基于NI-PXI平臺(tái)的IEEE 802.11ac MIMO2×2演示系統(tǒng)，圖中右側(cè)PC產(chǎn)生包含兩路視頻流的數(shù)據(jù)源信息，通過(guò)UDP協(xié)議可以將數(shù)據(jù)源傳輸?shù)絅I-PXI控制器Host中。Host將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紽PGA中生成時(shí)域OFDM符號(hào)，通過(guò)射頻卡以無(wú)線方式發(fā)送并接收數(shù)據(jù)，接收到的數(shù)據(jù)送入FPGA做接收端處理，從而恢復(fù)出視頻數(shù)據(jù)并傳回到Host中，再次通過(guò)UDP協(xié)議將恢復(fù)的視頻數(shù)據(jù)傳給圖中左側(cè)PC，并對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

其中，發(fā)送端采用BCC信道編碼方式，碼率固定為1/2。在不同的映射方式下，發(fā)送數(shù)據(jù)幀具有相同的OFDM符號(hào)個(gè)數(shù)，這會(huì)使得高階映射方式下的吞吐率高于低階映射方式下的吞吐率。

IEEE802.11ac的MIMO2×2原型系統(tǒng)的實(shí)際工作速率如表2所示。從表中可以看出，由于硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)存在硬件性能的限制以及各類微小的偏差，系統(tǒng)實(shí)際的傳輸作速率并不能達(dá)到理論值，但已經(jīng)非常接近理論值。同時(shí)，當(dāng)采用高階的星座映射方式進(jìn)行傳輸時(shí)，實(shí)際物理層傳輸速率逐漸受限，數(shù)據(jù)吞吐量不能正常翻倍，這是因?yàn)椴捎酶唠A映射方式時(shí)，控制器Host需要在相同時(shí)間內(nèi)處理更多的數(shù)據(jù)包，當(dāng)Host處理能力達(dá)到極限時(shí)，實(shí)際的傳輸帶寬不能充分利用，因此傳輸?shù)耐掏铝坎荒馨凑疹A(yù)期進(jìn)行提升。如果采用256QAM映射方式，在相同時(shí)間內(nèi)進(jìn)行與低階映射方式具有相同OFDM發(fā)送符號(hào)數(shù)的傳輸過(guò)程，系統(tǒng)將不能正常工作，這是由于原型系統(tǒng)所需的時(shí)鐘速率達(dá)到控制器Host的工作極限，因而無(wú)法支持256QAM進(jìn)行正常的物理層傳輸。同時(shí)，256QAM正常工作所需的接收信噪比要求也較高，在接收星座圖測(cè)試中可以看出該映射方式下的星座點(diǎn)性能不甚理想。

表2 原型系統(tǒng)在各映射方式下的傳輸速率

映射方式

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BPSK

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QPSK

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16QAM

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64QAM

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理論工作速率

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13.0M/s

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26.0M/s

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52.0M/s

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78.0M/s

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實(shí)際工作速率

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11.2M/s

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22.4M/s

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44.8M/s

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46.7M/s

5.結(jié)論

該系統(tǒng)方案利用NI的PXI平臺(tái)及NI的LabVIEW軟件平臺(tái)進(jìn)行研發(fā)，使我們能專注于802.11ac協(xié)議的實(shí)現(xiàn)，縮短了研發(fā)周期。LabVIEW圖形化的編程語(yǔ)言以及提供的IP接口也為開(kāi)發(fā)者提供了不少的便利。系統(tǒng)的核心運(yùn)算都在高速的FPGA模塊內(nèi)完成，能滿足原型機(jī)設(shè)計(jì)目標(biāo)的高速要求。整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果在上一章有詳細(xì)敘述，能正確顯示接收數(shù)據(jù)在不同調(diào)制方式下的星座圖，系統(tǒng)工作速率也能達(dá)到要求，能高質(zhì)量的進(jìn)行視頻流的傳輸。我們的原型機(jī)只是階段性的成果，還有更進(jìn)一步的空間，如將基帶帶寬拓展到40MHz、擴(kuò)展到4×4的MIMO系統(tǒng)以及開(kāi)展毫米波的研究。