這是我在2012年5月為客戶編寫的設(shè)計方案，是一種寬帶無線數(shù)傳方案，本質(zhì)就是用軟件無線電平臺去實現(xiàn)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(chǎn)品架構(gòu)比較復(fù)雜。本方案是基于FPGA的高性能無線數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)，基于WiFi技術(shù)，可實現(xiàn)多終端同時與基站進行通信，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)計框圖

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

根據(jù)客戶的描述，本產(chǎn)品主要用于多個視頻源同時通過無線的方式向基站發(fā)送數(shù)據(jù)，需要采用較小的信道帶寬和OFDM 調(diào)制方式，同時基站需要能夠識別視頻源。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)計框圖。

FPGA通過GMII接口與以太網(wǎng)PHY芯片連接，實現(xiàn)一個千兆以太網(wǎng)口。發(fā)送數(shù)據(jù)時，FPGA內(nèi)部將數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，打包，并將處理后的數(shù)據(jù)流進行串并轉(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，天線感應(yīng)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(diào)，然后將I/Q信號送至A/D轉(zhuǎn)換器，最終，F(xiàn)PGA通過一個逆過程將數(shù)據(jù)還原。

FPGA的選型

FPGA初步采用Xilinx Virtex-II系列實現(xiàn)。

Xilinx公司推出的Virtex-II解決方案為兩個技術(shù)挑戰(zhàn)性非常強的數(shù)字系統(tǒng)提供了很好的支持:數(shù)據(jù)通信和數(shù)字信號處理(DSP)系統(tǒng)。高邏輯集成度、寬總線上的快速復(fù)雜的布線、大面積的pipeline和FIFO存儲需求共同組成了系統(tǒng)的特點。在前幾代FPGA開發(fā)的基礎(chǔ)上，Virtex-II的結(jié)構(gòu)是經(jīng)過高密度和高性能邏輯設(shè)計優(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，專用的3.3V輔助和I/O電源電壓，其系統(tǒng)門數(shù)從40K到8M，內(nèi)部時鐘速率可達(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(diào)制器（例如AD8345/AD8346/AD8349）配合使用時，AD977X利用其內(nèi)部復(fù)合(I&Q)混頻器，就可以實現(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)還有一個額外的優(yōu)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(shù)量，降低實現(xiàn)3G和寬帶頻譜發(fā)射所需硬件的成本。用戶可通過SPI端口進行增益與失調(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，可以對高于70 MHz的中頻(IF)進行合成。

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），集成了兩個高性能采樣保持放大器和一個基準(zhǔn)電壓源。它采用多級差分流水線架構(gòu)，內(nèi)置輸出糾錯邏輯，在最高65 MSPS數(shù)據(jù)速率時可提供14位精度，并保證在整個工作溫度范圍內(nèi)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(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)通道中切換滿量程電平的多路復(fù)用系統(tǒng)，以及采用遠(yuǎn)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(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(tài)范圍。它需要一個低LO驅(qū)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(diào)制無線電。

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(diào)。其輸入頻率范圍為50-1000MHz，可以很好的滿足本產(chǎn)品的要求。

詳細(xì)硬件設(shè)計框圖

識別多個視頻源的方法

視頻源通過以太網(wǎng)口與發(fā)送端連接，參考TCP/IP協(xié)議，我們?yōu)槊總€發(fā)送端設(shè)置唯一的MAC地址，同樣，基站也會有一個唯一的MAC地址，發(fā)送端將數(shù)據(jù)發(fā)送至基站時，會在報文中包含源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

無線局域網(wǎng)（WLAN）中MAC所對應(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），類似CDMA/CD，利用載波監(jiān)聽機制，適用于分布式網(wǎng)絡(luò)，傳輸具有突發(fā)性和隨機性的普通分組數(shù)據(jù)， 支持無競爭型實時業(yè)務(wù)及競爭型非實時業(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爭型非實時業(yè)務(wù)，適用于具備中央控制器的網(wǎng)絡(luò)。

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(yè)務(wù)。

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

PCF工作過程

希望發(fā)送數(shù)據(jù)的終端首先向基站發(fā)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(biāo)識（Association ID:AID ）升序排列。AID是由基站分配的16bit標(biāo)識符。

基站發(fā)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(nèi)沒有響應(yīng)，則表明終端無數(shù)據(jù)要發(fā)，基站繼續(xù)發(fā)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(jīng)輪詢完，還剩有一段時間，基站將隨機選擇終端發(fā)出輪詢幀。

輪詢結(jié)束過程：基站發(fā)出End幀，表明CFP期間的結(jié)束，CP期間的開始。

下圖是PCF中幀傳輸?shù)囊粋€例子。

OFDM基帶設(shè)計

1 發(fā)射機總體結(jié)構(gòu)

發(fā)射機的總體結(jié)構(gòu)如下圖所示。

發(fā)送端的處理器包括多個功能模塊：訓(xùn)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(huán)前綴添加與加窗處理模塊，主控單元和時鐘生成模塊。

2 發(fā)射機Symbol生成過程

物理層發(fā)射機的數(shù)據(jù)來源于MAC層傳遞下來的待發(fā)送數(shù)據(jù)報文，該數(shù)據(jù)報文以字節(jié)為單位。物理層發(fā)射機接收到來自于MAC層的這些數(shù)據(jù)后，將并行數(shù)據(jù)進行并串轉(zhuǎn)換，得到串行的二進制比特流。這些數(shù)據(jù)通過卷積編碼器進行編碼，通過截斷已編碼的數(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行交織，交織后的比特數(shù)據(jù)根據(jù)調(diào)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(fā)射機這邊采用擾碼以避免這種數(shù)據(jù)對接收機定時的不利影響。擾碼模塊的OFDM實現(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)，這種碼的糾錯能力強，不僅可以糾正隨機差錯，而且可以糾正突發(fā)差錯。

可以通過合理的硬件方式實現(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個比特，每種調(diào)制方式的交織深度是通過數(shù)據(jù)子載波的數(shù)量與每個符號中比特的個數(shù)相乘而得到的。

關(guān)于交織部分的細(xì)節(jié)，在這里不做過多討論。

未完待續(xù)......

當(dāng)年設(shè)計方案就寫到了這里，后續(xù)有時間我再來修正，補全。