8路AD,DA的MIMO-WIFI SOC 驗證平臺

1、8路AD，DA的MIMO-WIFI SOC 驗證平臺一、關(guān)于MIMO-WIFI的介紹無線網(wǎng)絡(luò)運營商極大的為無線技術(shù)提供了移動寬帶接入和豐富的媒體業(yè)務(wù),運營商對需要的網(wǎng)絡(luò)容量,用戶數(shù)據(jù)速率,距離和覆蓋質(zhì)量作很大的改進(jìn),面對日益競爭激烈的運營商來說,建立和維持盈利的商業(yè)模式,多輸入多輸出(MIMO)智能天線技術(shù)提供的潛在性能增益的興趣很大,為了滿足技術(shù)上的挑戰(zhàn),帶來網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,在無線局域網(wǎng)(WLAN)領(lǐng)域已經(jīng)有實際應(yīng)用的MIMO以及近來客戶端設(shè)備技術(shù)的進(jìn)步,并且這將促進(jìn)廣域網(wǎng)中的MIMO應(yīng)用普及。促使MIMO在局域網(wǎng)領(lǐng)域取得成功的許多局域網(wǎng)固有特性與廣域網(wǎng)環(huán)境有著很大的區(qū)別,因此我們必須謹(jǐn)慎地對待

2、這種在不同應(yīng)用中的轉(zhuǎn)變。在下面對廣域網(wǎng) MIMO應(yīng)用的簡要說明中,我們將重點突出干擾和有限散射特性,這二者是最重要的區(qū)別,也是實現(xiàn)中需要著重考慮的因素。對無線運營商來說有個好消息,即在廣域網(wǎng)中確實可以實現(xiàn)MIMO的大部分理論增益,條件是采用具有網(wǎng)絡(luò)意識(network-aware)的解決方案,這樣的方案能夠減少多蜂窩環(huán)境中的干擾,并保持受限散射條件下的運行穩(wěn)定性。另外值得注意的是,由于無需對現(xiàn)有無線協(xié)議作任何修改就能獲得這些性能增益,因此廣域網(wǎng)中的MIMO要比一般想象的更容易實現(xiàn)。圖1 不同低壓邏輯信號的差分電壓擺幅示意圖圖1:在基站(BS)和客戶設(shè)備(CD)之間具有兩條主導(dǎo)傳播路徑的無線信道

3、,如圖中箭頭所示,該信道疊加在基站標(biāo)稱的120扇區(qū)傳送圖案上。由于用戶端設(shè)備對成本具有較大的敏感性,因此在目前商業(yè)廣域網(wǎng)中的智能天線配置只是在鏈路的基站側(cè)使用多幅天線,而客戶端設(shè)備只有一幅天線。隨著改善廣域網(wǎng)經(jīng)濟的壓力不斷增大,以及客戶端設(shè)備芯片集成度提高,以及對客戶端增加智能天線處理的邊緣成本的降低,運營商對在鏈路兩端都使用智能天線的解決方案興趣也越來越大。兩端同時用多幅天線將可以采用許多新的傳輸技術(shù),這些技術(shù)在僅單端使用多幅天線的系統(tǒng)中是不可行的,在大多數(shù)情況下應(yīng)用這些技術(shù)將提供更多的系統(tǒng)性能增益。業(yè)界對智能天線的討論,包括對用于各種不同實現(xiàn)中的術(shù)語有完全不同的定義,因此有必要簡要介紹分類

4、適用方法。先來看最簡單的例子,考慮在鏈路的每端都只有一幅天線的某個系統(tǒng),雖然信號向所有方向(一般在120扇區(qū)內(nèi))發(fā)送,但某個具體的無線信道可能只有兩條主導(dǎo)路徑,如圖1所示。本文所示例子是一個高位基站與一個路面的低位移動手機(更廣泛地說是客戶設(shè)備,因為有可能是移動計算平臺)之間的通信,大部分接收信號來自于鄰近建筑物的反射。這是一個單輸入單輸出(SISO)的信道。注:在無線通信領(lǐng)域中所說的術(shù)語輸入和輸出是針對信道本身而言的,并非以信道兩端的設(shè)備為參考。全球的研究實驗室業(yè)已證明MIMO技術(shù)在早期的無線局域網(wǎng)應(yīng)用中的實際可行性,其系統(tǒng)容量非常接近實驗室中同時使用空間復(fù)用和空間-時間編碼技術(shù)所能達(dá)到的理

5、論預(yù)測值。由于在最初應(yīng)用中獲得了巨大性能增益,MIMO技術(shù)很快走出實驗室,并應(yīng)用于實際的WLAN產(chǎn)品中。宣傳最多的MIMO實現(xiàn)是在固定的無線局域網(wǎng)環(huán)境中,在這種環(huán)境中MIMO的最大好處是提高了單個用戶設(shè)備的吞吐量。特別是家庭和企業(yè)級WLAN所具有的多個特性使它們成為最早采納MIMO的理想候選網(wǎng)絡(luò),這些特性包括:1、豐富的散射大多數(shù)WiFi系統(tǒng)都處在有大量散射條件的環(huán)境中,如室內(nèi)或密集的城市建筑物間。在這些環(huán)境中通常有多條傳播路徑或空間維度可用來形成多個流。事實上,室內(nèi)環(huán)境與獲得圖3所示的容量隨天線數(shù)量增加而呈線性增長所需的條件非常相似。2、獨立部署獲得快速部署的一個重要因素是WiFi設(shè)備通常是

6、最終用戶自己購買的,并且在他們自己的網(wǎng)絡(luò)中是獨立部署的。不同MIMO WiFi解決方案的互操作性并不成問題,就像IEEE 802。11n產(chǎn)品在公共MIMO標(biāo)準(zhǔn)獲得一致意見之前取得成功所表明的那樣,允許快速部署MIMO技術(shù),不需要等到標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一。3、有限的干擾同樣關(guān)鍵的是WiFi環(huán)境非常接近研究MIMO技術(shù)的理論假設(shè)。由于WiFi網(wǎng)絡(luò)的短距離和動態(tài)信道分配特性,MIMO接收器一般工作時沒有很大的共信道干擾。如果工作在沒有補償?shù)墓残诺栏蓴_環(huán)境中,這些解決方案的性能會很快下降。MIMO在WiFi中的成功部署表明由MIMO提供的潛在性能改善是真實的。從實驗室結(jié)果到實際的WiFi產(chǎn)品只用了短短幾年的時間

7、,這一事實對廣域網(wǎng)無線網(wǎng)絡(luò)運營商來說意味著再次取得成功的機會非常大。二、MIMO-WIFI的系統(tǒng)構(gòu)造本文討論的是最簡單的,也是目前最常見的智能天線。如果接收器有一幅以上的天線,那么它能智能地組合來自不同天線接收到的信號,并識別出信號確實是來自兩個主要方向。它具有這個功能的原因是因為兩條路徑有不同的空間特性(spatial characteristic)或不同的空間特征(spatial signature)。由于接收器能識別這兩種不同的空間特征,因此它能組合來自兩個天線的信號,并將二者累加起來形成更強的組合信號。這種方式被稱為單輸入到信道1多輸出自信道1(或SIMO)方式,這就是有名的接收器分集

8、方案。接收分集技術(shù)被廣泛用于2G和現(xiàn)在的3G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的鏈路基站側(cè)。反過來,如果發(fā)送器有多幅天線,而接收器只有一幅天線,信號將仍沿相同的路徑傳播,因為物理環(huán)境沒變(建筑物仍在那兒)。這種傳播方式稱為多輸入單輸出 (MISO)方式。與SIMO相比,MISO的最大不同在于信號組合必須在發(fā)送端完成,而不是在接收端。通過仔細(xì)調(diào)整發(fā)送天線,兩條路徑能夠以與SIMO 相同的方式完成疊加。這種方法被廣泛用于PHS和HC-SDMA(大容量空分多址)系統(tǒng),這種系統(tǒng)的基站側(cè)有多幅用于接收(工作在SIMO模式)和發(fā)送 (工作在MISO模式)的天線。在鏈路兩端提供多幅天線的方式就是MIMO方式。在這種情況下,可以更高效

9、地使用這兩條路徑,如圖2所示。圖2:具有兩個主導(dǎo)傳播路徑的通信信道在MIMO方式下可以使用戶數(shù)據(jù)速率加倍。值得注意的是,多天線處理可以完成波束整形,從而使信號沿著感興趣的信道傳播,而另外一個主導(dǎo)信道上不傳信號。發(fā)送器可以通過調(diào)整它的天線以讓圖2中藍(lán)色所示的信息流沿第一條路徑(也就是空間特征)發(fā)送,而橙色所示的另外一條信息流沿另一條路徑發(fā)送。因為接收器也有多幅天線,因此它可以通過檢測不同的空間特征把兩條流分開來。在這種情況下,發(fā)送器可以發(fā)送兩個完全不同的數(shù)據(jù)流,從用戶看來相當(dāng)于將數(shù)據(jù)速率提高了一倍。與單獨的MISO或SIMO處理相比,這種方式在最佳狀態(tài)下具有材料上的優(yōu)勢,這種MIMO優(yōu)勢的取得不

10、需要增加額外的帶寬和功率。一般會降低單天線鏈路性能的多徑傳輸在MIMO方式中反而會提高信道效率和質(zhì)量。三、MIMO-WIFI的SOC驗證平臺隨著工藝能力和設(shè)計能力的快速發(fā)展，為了滿足嵌入式系統(tǒng)市場對于成本、功能和功耗的要求，SoC(System on-a-Chip)設(shè)計技術(shù)已經(jīng)成為一種發(fā)展趨勢。眾所周知，迄今為止在集成電路發(fā)展過程中，摩爾定律（單芯片上所能集成的晶體管數(shù)目每18 個月翻一番）一直在起作用，因此SoC 的規(guī)模和功能在不斷急劇膨脹，使得設(shè)計驗證日益重要，向業(yè)界提出了巨大挑戰(zhàn)，已成為了整個SoC 設(shè)計流程的瓶頸。目前芯片一次投片成功率只有35%左右，造成芯片重復(fù)投片的主要原因就是驗證

11、不夠充分。SoC 設(shè)計的驗證需要投入的資源已占整個設(shè)計資源的60%80%。1999 年當(dāng)VSIA 舉行驗證專題會時，許多世界級驗證專家得出結(jié)論：驗證是件困難的事（hard）,幾周后更把結(jié)論更正為“Verification is not hard,it is very hard”?，F(xiàn)在愈來愈達(dá)成共識：單一的設(shè)計工具難以解決驗證問題，而需要一系列復(fù)雜的工具和技術(shù)，來減少設(shè)計錯誤數(shù)，使之達(dá)到可接受的程度。SoC 經(jīng)過6、7 年的發(fā)展，有了廣闊的市場。SoC 驗證研究領(lǐng)域在驗證技術(shù)、驗證方法學(xué)、測試碼提取、驗證描述語言、IP 核重用驗證、驗證流程及驗證評估方面取得了長足進(jìn)步。但總體而言驗證技術(shù)已經(jīng)落后

12、于設(shè)計和制造能力，模擬和驗證工作成為整個SoC 學(xué)科發(fā)展的制約瓶頸，給提高設(shè)計生產(chǎn)率造成了障礙。如何構(gòu)建一種更快更好的設(shè)計驗證方法學(xué)是當(dāng)前SoC 業(yè)界所關(guān)注的問題。圖3 SoC驗證流程圖圖4 模塊/IP級驗證流程圖5 系統(tǒng)級設(shè)計驗證流程圖6 SoC 驗證平臺四、本公司支持的板卡1、平臺概述： 本平臺由載卡和子卡組成的一個MIMO-Wifi SOC的理想驗證系統(tǒng)，實現(xiàn)了射頻，中頻，基帶一體化處理，適用于802.11n，LTE以及其他新興無線通訊標(biāo)準(zhǔn)。載卡是基于最先進(jìn)的FPGA技術(shù)構(gòu)建的，芯片選擇的是xilinx公司的V6系列 XC6VSX475T。子卡包括4個FMC板卡，每個包含一個2路AD，

13、一個2路DA。2、處理板技術(shù)指標(biāo)1. 信號處理功能，基于FPGA的PCIe板卡架構(gòu)。FPGA芯片選擇xilinx公司V6系列 XC6VSX475T。該芯片具有高新能的邏輯和數(shù)字信號處理以及基于低功耗的GTX6.5Gbps串行收發(fā)器串行連接能力。多達(dá)64個GTH串行收發(fā)器可提供高達(dá)11.2Gbps帶寬。 2. 具備板上存儲能力。FPGA外擴DDR3 SODIMM，支持2GB容量。 3. FPGA外掛FLASH，程序或者數(shù)據(jù)固化功能，支持32 MB。 4. 支持I2C的E2PROM，為4K*8bit空間。 5. 支持PCIe總線接口，為X8通道。 6. 支1路千兆以太網(wǎng)接口，外接PHY芯片，為電口

14、RJ45。 7. 支持1路UART接口，用于主機參數(shù)配置，采用RJ45接口。 8. 支持1路USB接口 支持USB2.0 Slave。(采用FMC-LPC-1 連接器擴展) 9. 板載JTAG接口，支持ChipScope調(diào)試 10. 板載復(fù)位，時鐘:100M 50M 25M。 11. 板載邏輯分析儀接口，支持64bit數(shù)據(jù)輸出。(采用FMC-LPC-1 連接器擴展) 12. 支持32bit IO輸出，用于對射頻模塊的同步時序控制。 13. 支持4路FMC-LPC-1 連接器擴展，用于連接AD/DA擴展卡。3 、AD/DA 子卡技術(shù)指標(biāo)1. 板載4路FMC接口,每個FMC支持2路AD輸入，2路D

15、A輸出,共8路AD輸入，8路DA輸出。 2. 一路SPI，用于對射頻模塊的配置。 3. 8路ADC數(shù)據(jù)采集。14-bit, 125MSPS ADC，輸入信號幅值1V，50歐姆阻抗， 4. 8路DAC模擬輸出，14-bit, 160MSPS,輸出信號幅值為1V，50歐姆阻抗，物理接口為 SMA。 5. FMC板卡D/A AD9777芯片，該芯片為16位分辨率，最大輸入速率為160Msps，最大DAC更新速率400MSPS，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。 6. A/D轉(zhuǎn)換采用LTM9002f芯片，該芯片集成了兩個14位的高速AD

16、C，采樣速率高達(dá)125MSPS。4、供電要求 板卡供電為PCIe接口 +12V，或者外部+12V單電源供電。5、軟件功能1. 支持以太網(wǎng)傳輸。 2. AD/DA數(shù)據(jù)的讀寫配置參考程序。 3. FPGA完整的DDR3控制。 4. 支持USB數(shù)據(jù)收發(fā)傳輸。 5. 支持JTAG下載，F(xiàn)lash CPI引導(dǎo)， systemACE CF卡下載。 6. 支持PCIe總線接口。6、應(yīng)用領(lǐng)域 可用于驗證LTE，Wimax，WIFI-OFDM等新興無線通訊標(biāo)準(zhǔn)。1. Overview Consisting of a mother card and a daughter card， the platform is

17、 a ideal verification system for MIMO-WIFI SOC. It realizes the streamline process of RF, IF and baseband signals and applies to 802.11n, LTE and other new wireless telecommunication standard (WTS).The mother board is based on the Xilinx FPGA V6-XC6VSX475T and the daughter board consists of 4 FMC bo

18、ard with 2 AD and 2 DA on each.2. Features of the mother board (1) Data processing, PCIe.FPGA: XC6VSX475T.The FPGA has high-performance in logical and digital signals processing and GTX6.5Gbps rocketio of low power consumption. 64 GTH rocketio can provide 11.2Gbps bandwidth. (2)DDR3 SODIMM, memory c

19、apacity 2GB. (3)program or data-cure, 32MB Flash memory. (4)I2C E2PROM,4K8bit (5)PCIe8 (6)GBE, PHY in RJ45 (7)Support UART interface, RJ45, for congnos of mainframe. (8)Support USB2.0 interface. (9)Support JTAG interface and ChipScope debug. (10)Reset on board, clock:100M, 50M, 25M (11)Logic analysi

20、s interface on board, 64bit. (12)32bit IO for the synchronous timing control of RFMOD. (13)Support 4-way FMC-LPC-1 connector extension for?3.Features of the AD/DA daughter board (1)4-way FMC interface, each supports 2 channels of AD input and 2 channels of DA output. 8 channels for AD input and 8 channels for DA output in total. (2)1 SPI, for the configuration of RFMOD. (3)8 channels ADC data acquisition, 14-bit, 105-MSPS ADC, input signal amplitude 1V, 50ohm, SMA interface. (4)8 channels DAC analog output, 14-bit, 48MSPS, output voltage 1V, 50ohm, SMA interface. (5)FMC board: D/A AD9777, 16