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發布日期：2022-10-14 點擊率：107
這是我在2012年5月為客戶編寫的設計方案，是一種寬帶無線數傳方案，本質就是用軟件無線電平臺去實現WiFi的物理層及MAC層。在我編寫這份方案的時候，還沒有AD936x，Xilinx Z7000這類芯片，所以產品架構比較復雜。本方案是基于FPGA的高性能無線數據收發系統，基于WiFi技術，可實現多終端同時與基站進行通信，可穩定工作于-40~85℃，具有較高的EMC指標，可穩定工作于各種苛刻的環境。
硬件設計框圖
根據客戶的基本技術指標，我們提出了下圖所示硬件系統架構。
根據客戶的描述，本產品主要用于多個視頻源同時通過無線的方式向基站發送數據，需要采用較小的信道帶寬和OFDM 調制方式，同時基站需要能夠識別視頻源。根據調研，目前市面上找不到能夠真正支持非20MHz信道帶寬的WiFi收發芯片，而且產品最終的工作頻率為300-500MHz，無需考慮兼容WiFi 協議，因此我們參照WiFi芯片的內部結構，提出了上述的硬件設計框圖。
FPGA通過GMII接口與以太網PHY芯片連接，實現一個千兆以太網口。發送數據時，FPGA內部將數據進行轉換，打包，并將處理后的數據流進行串并轉換，快速反傅里葉變換，最終送至外部的D/A，上變頻，功率放大，然后發送出去；接收數據時，天線感應到的射頻信號首先通過帶通濾波器，然后送至低噪聲放大器，進行解調，然后將I/Q信號送至A/D轉換器，最終，FPGA通過一個逆過程將數據還原。
FPGA的選型
FPGA初步采用Xilinx Virtex-II系列實現。
Xilinx公司推出的Virtex-II解決方案為兩個技術挑戰性非常強的數字系統提供了很好的支持:數據通信和數字信號處理(DSP)系統。高邏輯集成度、寬總線上的快速復雜的布線、大面積的pipeline和FIFO存儲需求共同組成了系統的特點。在前幾代FPGA開發的基礎上，Virtex-II的結構是經過高密度和高性能邏輯設計優化的。它由輸入/輸出模塊(IOBs)和內部可配置模塊(CLBs)組成。
它采用8層金屬的0.15um工藝的CMOS技術，1.5V核心電源電壓，專用的3.3V輔助和I/O電源電壓，其系統門數從40K到8M，內部時鐘速率可達420MHz，可選擇配置為多種接口標準，內部含有豐富的布線資源，其SelectRAMTM結構可靈活地配置為SRAM、DRAM、CAM等多種形式的存儲單元。Virtex-II系列FPGA含有極其豐富的I/O資源，可編程I/O模塊為管腳和內部可配置邏輯提供接口，它支持多數流行且先進的I/O標準，I/O速率可達840+Mb/s。
D/A轉換器的選型
D/A轉換器采用ADI公司的AD9777，這是一顆高速、雙通道插值轉換器，其提供16位分辨率，最大輸入數據速率為160 MSPS（無插值），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混頻的復合調制器。所有配置均通過一個易于使用的三線式或四線式SPI接口完成。
與外部正交調制器（例如AD8345/AD8346/AD8349）配合使用時，AD977X利用其內部復合(I&Q)混頻器，就可以實現更傳統的基帶I/Q架構或鏡像抑制上變頻架構。后一架構可能非常適合那些要求高調制精度（即64 QAM）的應用，數字調制本身就能提供這種高精度。這種架構還有一個額外的優勢，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的數量，降低實現3G和寬帶頻譜發射所需硬件的成本。用戶可通過SPI端口進行增益與失調校正，相應地改善邊帶抑制與LO饋通。在直接中頻模式下，可以對高于70 MHz的中頻(IF)進行合成。
AD9777的內部功能框圖如下圖所示
A/D轉換器的選型
A/D轉換器采用ADI公司的AD9248，AD9248是一款雙核、3V、14位、20/40/65 MSPS模數轉換器（ADC），集成了兩個高性能采樣保持放大器和一個基準電壓源。它采用多級差分流水線架構，內置輸出糾錯邏輯，在最高65 MSPS數據速率時可提供14位精度，并保證在整個工作溫度范圍內無失碼。
利用寬帶寬、差分采樣保持放大器（SHA），用戶可以選擇包括單端應用在內的各種輸入范圍和偏移。該器件適用于各種應用，包括在連續通道中切換滿量程電平的多路復用系統，以及采用遠超過Nyquist速率的頻率對輸入進行采樣。AD9248適用于通信、成像和醫療超聲等應用。
AD9248的內部功能框圖如下圖所示。
正交調制器的選型
正交調制器選用ADI公司的AD8345，AD8345是一款硅RFIC正交調制器，設計用于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，可明顯改善輸出動態范圍。它需要一個低LO驅動電平，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調制無線電。
正交解調器
正交解調器選用ADI公司的AD8348，AD8348是一款寬帶正交解調器，集成有中頻（IF）可變增益放大器（VGA）和基帶放大器，適用于通信接收機，可進行從中頻直接到基帶頻率的正交解調。其輸入頻率范圍為50-1000MHz，可以很好的滿足本產品的要求。
詳細硬件設計框圖
識別多個視頻源的方法
視頻源通過以太網口與發送端連接，參考TCP/IP協議，我們為每個發送端設置唯一的MAC地址，同樣，基站也會有一個唯一的MAC地址，發送端將數據發送至基站時，會在報文中包含源MAC地址與目標MAC地址，這樣，基站就可以分辨出不同的視頻源。
PCF MAC
無線局域網（WLAN）中MAC所對應的標準為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），類似CDMA/CD，利用載波監聽機制，適用于分布式網絡，傳輸具有突發性和隨機性的普通分組數據， 支持無競爭型實時業務及競爭型非實時業務。
中心控制方式（PCF），建立在DCF工作方式之上并且僅支持競爭型非實時業務，適用于具備中央控制器的網絡。
PCF（Point Coordination Function）機制基于輪詢機制，可以用于支持無競爭型實時業務。
考慮到該產品主要用于無線視頻傳輸，且無需考慮兼容WiFi協議，我們決定采用PCF的方式進行數據傳輸。
PCF工作過程
希望發送數據的終端首先向基站發送連接請求幀，并在幀的功能性能字段的CF-Pollable（可輪詢CF）子字段中表明希望加入輪詢表。在收到基站的ACK信息以后，終端被列入輪詢列表。輪詢列表中的主機按連接標識（Association ID:AID ）升序排列。AID是由基站分配的16bit標識符。
基站發出Beacon幀表明CFP期間的開始。然后基站依次向輪詢列表中的終端；如果在PIFS時間間隔內沒有響應，則表明終端無數據要發，基站繼續發出下一個Poll幀。
輪詢中特殊情況：
在一個CFP期間，如果輪詢列表中的終端沒有輪詢完，那么在下次CFP期間將從未輪詢終端開始輪詢；如果輪詢列表中的終端已經輪詢完，還剩有一段時間，基站將隨機選擇終端發出輪詢幀。
輪詢結束過程：基站發出End幀，表明CFP期間的結束，CP期間的開始。
下圖是PCF中幀傳輸的一個例子。
OFDM基帶設計
1 發射機總體結構
發射機的總體結構如下圖所示。
發送端的處理器包括多個功能模塊：訓練序列生成模塊，Signal符號生成模塊，Data符號生成模塊，IFFT處理模塊，循環前綴添加與加窗處理模塊，主控單元和時鐘生成模塊。
2 發射機Symbol生成過程
物理層發射機的數據來源于MAC層傳遞下來的待發送數據報文，該數據報文以字節為單位。物理層發射機接收到來自于MAC層的這些數據后，將并行數據進行并串轉換，得到串行的二進制比特流。這些數據通過卷積編碼器進行編碼，通過截斷已編碼的數據比特流，編碼器最終輸出1/2，2/3或3/4的碼率數據，這些數據將根據802.11標準中指定的交織模式進行交織，交織后的比特數據根據調試方式的不同，通過映射模塊映射為BPSK，QPSK， 16QAM，64QAM星座圖上的點，如下圖所示。
3 擾碼模塊
為了防止長時間的“0”或“1”序列影響同步的建立和保持，我們在發射機這邊采用擾碼以避免這種數據對接收機定時的不利影響。擾碼模塊的OFDM實現如下圖所示。
4 信道編碼
在802.11標準中，主要采用卷積編碼的方式。卷積碼的監督碼不僅與本組的信息元有關，而且還與前若干組的信息源有關，這種碼的糾錯能力強，不僅可以糾正隨機差錯，而且可以糾正突發差錯。
可以通過合理的硬件方式實現1/2，2/3，3/4，5/6，7/8的碼率。
5 交織
802.11標準中采用的是分組交織器，其交織深度與所采用的調制方式有關：BPSK，QPSK，16QAM和64QAM的交織深度分別為38，96，192和288個比特，每種調制方式的交織深度是通過數據子載波的數量與每個符號中比特的個數相乘而得到的。
關于交織部分的細節，在這里不做過多討論。
未完待續......
當年設計方案就寫到了這里，后續有時間我再來修正，補全。
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