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

基于NI-PXI的下一代超高速無線局域網(wǎng)原型系統(tǒng)設(shè)計"該系統(tǒng)方案利用NI的PXI平臺及NI的LabVIEW軟件平臺進行研發(fā)，使我們能專注于802.11ac協(xié)議的實現(xiàn)，縮短了研發(fā)周期。"-王孜,東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院挑戰(zhàn):在WLAN系統(tǒng)開發(fā)中，如何設(shè)計合理的同步均衡調(diào)制等算法，以及達到算法、性能、資源三者之間的折中。此外，在實現(xiàn)數(shù)據(jù)流實時高速傳輸時，實現(xiàn)PC，HOST和FPGA三者間的同步通信問題和硬件數(shù)據(jù)通道測試也十分重要。解決方案:在NI-PXI平臺上搭建了一個基于IEEE802.11ac的WLAN原型機，系統(tǒng)主要從PC端、HOST端和FPGA端三個方面進行設(shè)計。PC端主要完成視頻流的編解碼、播放、MAC層協(xié)議內(nèi)容以及系統(tǒng)性能指標的計算和顯示。HOST端是連接PC、FPGA、射頻卡的重要紐帶，主要功能分為對PC端視頻流的收發(fā)、基帶參數(shù)和射頻參數(shù)的傳遞、DMA_FIFO的建立、FPGA板卡間數(shù)據(jù)傳輸及同步配置等。FPGA端的設(shè)計是數(shù)據(jù)處理部分的核心，主要負責(zé)射頻卡配置、P2P傳輸，F(xiàn)PGA間同步以及基帶數(shù)據(jù)處理的工作；其中基帶數(shù)據(jù)處理分為發(fā)射端和接收端兩個部分，發(fā)射端實現(xiàn)BCC編碼、流解析、調(diào)制、插入導(dǎo)頻、加CP、IFFT等模塊，而接收端實現(xiàn)同步、去CP、FFT、信道估計與均衡、去導(dǎo)頻、解SIGB、解調(diào)、逆流解析、viterbi譯碼等各個模塊。:張皓月-東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院

張曉燕-東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院

黃永明-東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院

王孜-東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院

楊綠溪-東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院1、引言面向2020年以后的第五代移動通信技術(shù)（5G）是為滿足日益增長的移動通信需求而發(fā)展的新一代移動通信系統(tǒng)。根據(jù)移動通信的發(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移動通信提高一個量級或更高，其無線覆蓋性能、傳輸時延、系統(tǒng)安全和用戶體驗也將得到顯著的提高。5G移動通信將與其他無線移動通信技術(shù)密切結(jié)合，構(gòu)成新一代無所不在的移動信息網(wǎng)絡(luò)，滿足未來10年移動互聯(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)對不同業(yè)務(wù)需求并不斷提高用戶體驗的智能網(wǎng)絡(luò)，5G與其他無線移動通信技術(shù)之間的融合將會成為一種必然趨勢。Wi-Fi（wirelessfidelity）技術(shù)已經(jīng)成為日常生活中必不可少的無線通信技術(shù)之一。在熱點區(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現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)分流的作用，同時可以大幅提高用戶體驗，是未來5G的發(fā)展方向之一。無線局域網(wǎng)（WirelessLocalAreaNetwork,WLAN）的出現(xiàn)將個人從家中或是辦公桌上解放出來，人們可以在賓館、公園、商店、咖啡廳、機場等任意兩點之間進行聯(lián)網(wǎng)，隨時隨地獲取信息。自1997年IEEE802.11標準的最初版本完成以來，此后的6年時間里，包括802.11b、802.11a、802.11g在內(nèi)的標準使得WLAN的應(yīng)用日趨廣泛并走向成熟。2007年2月，IEEE802.11n的2.0草案確定，這一新標準的制定具有跨時代意義，在傳輸速率方面有了突破性的進展，可以達到300Mbps（20MHz信道下）甚至600Mbps（40MHz信道下）。為應(yīng)對爆發(fā)性增長的流量需求以及提供良好的后向兼容性，被業(yè)界認為是第五代Wi-Fi的IEEE802.11ac呼之欲出。IEEE內(nèi)部設(shè)立了兩個項目工作組（TaskGroup,TG），以甚高吞吐率（VeryHighThroughput,VHT）為目標，針對未來無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方向，提出兩個項目方案進行立項研究——IEEE802.11ac與IEEE802.11ad。2014年1月，802.11ac草案正式獲得通過。IEEE802.11ac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保護間隔的條件下，物理層傳輸速率可高達6933.3Mb/s。作為802.11n標準的一種延續(xù)，802.11ac在原有基礎(chǔ)上有很大改進。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對于信道帶寬進行了擴展，在802.11n的20MHz（可選40MHz）信道的基礎(chǔ)上增至40MHz、80MHz，甚至達到160MHz。物理層的幀結(jié)構(gòu)增加了VHT_SIG_B區(qū)域，用來描述所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長度、調(diào)制方式和編碼策略（ModulationandCodingScheme,MCS）以及單用戶/多用戶模式。當然，滿足上述要求也面臨著復(fù)雜技術(shù)帶來的更大挑戰(zhàn)。802.11ac能提供高速的傳輸速率、良好的用戶體驗等，但由于其機制的復(fù)雜性，系統(tǒng)硬件實現(xiàn)的難度加大。目前802.11ac的設(shè)備在市場上還不是很多，本文研究基于IEEE802.11ac的超高速WLAN系統(tǒng)，并借助NI-PXI平臺對其原型機進行開發(fā)驗證，這對新一代Wi-Fi技術(shù)及5G技術(shù)的研究具有重要意義。2、設(shè)計目標本文旨在NI-PXI平臺上實現(xiàn)一個基于IEEE802.11ac標準的系統(tǒng)原型機。該系統(tǒng)設(shè)計的參數(shù)指標如下所示：1）系統(tǒng)基于IEEE802.11ac協(xié)議；

2）系統(tǒng)運行在2.4GHz/5GHz頻段；

3）系統(tǒng)配置2個發(fā)射天線和2個接收天線；

4）系統(tǒng)的傳輸帶寬達到20MHz；

5）調(diào)制可選方式：BPSK、QPSK、16QAM、64QAM、256QAM，并可根據(jù)接收信噪比實現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)制；

6）系統(tǒng)頻譜效率：最高可達10bit/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）可以實現(xiàn)視頻的高質(zhì)量傳輸。原型機需要實現(xiàn)的IEEE802.11ac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超高速無線局域網(wǎng)原型機3.1、概述該項目需要達到百兆數(shù)量級的數(shù)據(jù)傳輸速率，因而需求高速率的數(shù)據(jù)處理，在硬件實現(xiàn)中，我們選擇了運用高性能FPGA來達到高速率的要求，然而開發(fā)這樣一個系統(tǒng)需要我們很好的掌握VHDL或者VerilogHDL語言。同時，該項目還涉及了射頻方面，這對我們來說也是一個巨大的困難，我們只希望將重點放在802.11ac協(xié)議的基帶設(shè)計上，NI的LabVIEW軟件及它的硬件平臺對我們來說是一個福音，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超高速無線局域網(wǎng)原型機。3.2、硬件平臺原型機的硬件設(shè)計是基于NI-PXI平臺來進行的，其硬件實物圖如下圖所示，兩塊FPGA板卡連接射頻適配器置于機箱中，該平臺主要包含機箱、控制器、FPGA模塊、射頻收發(fā)模塊四個部分，各模塊的性能及主要功能如下：圖1、系統(tǒng)硬件平臺實物圖（1）NIPXIe-1082機箱：采用的該機箱包含4個混合插槽,3個PXIExpress插槽,1個PXIExpress系統(tǒng)定時插槽，每插槽高達1GB/s的專用帶寬和7GB/s的系統(tǒng)帶寬，與PXI、PXIExpress、CompactPCI和CompactPCIExpress模塊兼容。機箱主要為控制器和各模塊提供了電源、冷卻以及PCI和PCIExpress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）NIPXIe-8115控制器：本系統(tǒng)采用NIPXI-8115作為控制器，位于機箱最左側(cè)插槽。它是基于IntelCorei5-2510E處理器的高性能嵌入式控制器，適用于PXI系統(tǒng)。具有2.5GHz基頻、3.1GHz（單核TurboBoost模式）雙核處理器和單通道1333MHz

DDR3內(nèi)存,配有以太網(wǎng)、串口等標準設(shè)備，可自行選擇操作系統(tǒng)，本設(shè)計選用了Windows系統(tǒng)。（3）NIPXIe-7966R：針對無線局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸，主要考慮數(shù)據(jù)的運算處理能力，選用FlexRIO模塊。它包含兩個主要部分：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LabVIEWFPGA軟件配置。其中FPGA模塊選用NIPXIe-7966R，它包含了一塊Virtex-5SX95TFPGA和512MB的板載DDR2雙端口RAM。這塊FPGA包含了640DSPslices，可以用它來實現(xiàn)信號處理，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模塊主要實現(xiàn)發(fā)射端、接收端的基帶數(shù)據(jù)處理工作。（4）NI5791射頻適配器：

NI5791是一款具有200MHz到4.4GHz連續(xù)頻率覆蓋范圍的RF收發(fā)器，其中TX和RX端均具有100MHz的瞬時帶寬。它具有單級轉(zhuǎn)向架構(gòu)，在NIFlexRIO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，以實現(xiàn)多輸入多輸出(MIMO)同步。用戶可直接訪問NIFlexRIOFPGA模塊的原始ADC和DAC數(shù)據(jù)。此外，NIFlexRIOFPGA模塊和PXI平臺提供了一種實現(xiàn)通道擴展必需的ADC和DAC數(shù)據(jù)同步方法。3.3、系統(tǒng)設(shè)計在這樣一個實時高速傳輸系統(tǒng)里，系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計尤為重要，良好的架構(gòu)設(shè)計是系統(tǒng)正確運行的前提，也是提高系統(tǒng)性能的關(guān)鍵所在，本文原型機整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架如圖2所示，系統(tǒng)設(shè)計主要分為PC端設(shè)計、HOST端設(shè)計、FPGA端設(shè)計三個部分，PC端設(shè)計基于C#語言實現(xiàn)視頻的編解碼等工作，而HOST端和FPGA端設(shè)計主要是基于LabVIEW編程實現(xiàn)，前者負責(zé)參數(shù)配置、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙ぷ?，后者負?zé)實現(xiàn)IEEE802.11ac協(xié)議的物理層模塊。這三者之間也要進行數(shù)據(jù)同步。下文將對各個部分的設(shè)計進行詳細的敘述。圖2、系統(tǒng)總體架構(gòu)圖3.3.1、物理層數(shù)據(jù)通信原型機物理層數(shù)據(jù)通信主要在PC端、HOST端和FPGA端之間進行，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進行數(shù)據(jù)的生成并與發(fā)送射頻天線進行對接。為完成無線數(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，另外還有一臺控制器Host作為中間載體，對數(shù)據(jù)的基帶收發(fā)處理進行LabVIEW算法開發(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請求數(shù)據(jù)，Host得到該中斷請求后，向Local_PC產(chǎn)生新的中斷，以請求封裝好的數(shù)據(jù)。Local_PC等待中斷請求到來，即向Host發(fā)送U8數(shù)據(jù)包。Host獲得U8數(shù)據(jù)后會響應(yīng)FPGA1的中斷，通過DMA_FIFO向FPGA2發(fā)送數(shù)據(jù)。FPGA2完成發(fā)送端基帶處理過程中的各模塊操作，形成兩路數(shù)據(jù)流。其中一路數(shù)據(jù)流通過P2P機制傳送給FPGA1。兩路數(shù)據(jù)流通過硬件接口發(fā)送至射頻卡中，在射頻卡中對數(shù)據(jù)流進行射頻信號處理并通過發(fā)送天線發(fā)出；接收信號經(jīng)過射頻卡傳送至兩塊FPGA中，將FPGA2中的數(shù)據(jù)通過P2P傳送至FPGA1中，在FPGA1中完成后續(xù)基帶接收過程，將處理完的比特流通過DMA_FIFO傳回Host，Host將數(shù)據(jù)傳給Remote_PC，在Remote_PC中顯示視頻流。圖3、原型機物理層數(shù)據(jù)流向圖3.3.2、HOST端設(shè)計在此系統(tǒng)設(shè)計中，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PC端視頻流的收發(fā)，這部分通過網(wǎng)線利用UDP協(xié)議，在這方面LabVIEW具有成熟的設(shè)計，調(diào)用并配置IP地址，包長參數(shù)等等。對于接收到的數(shù)據(jù)，考慮到Viterbi設(shè)計時的咬尾操作，必須對數(shù)據(jù)包進行補零，利用數(shù)組轉(zhuǎn)換等設(shè)計完成，同樣對于發(fā)送給PC端的比特流，需要進行去尾操作。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，每一幀的長度，Viterbi每個Block的長度。DMA_FIFO建立了兩個：HOST端的比特流傳遞給FPGA（HOSTtoTarget），F(xiàn)PGA端的解出的比特流傳遞給HOST端（TargettoHOST）。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題，這一部分在FPGA設(shè)計中作詳細討論。e.完成自動增益控制（AGC）和自適應(yīng)調(diào)制（AMC）功能模塊。下面詳細討論一下HOST端主要功能模塊的實現(xiàn)。（1）視頻流收發(fā)配置PC與HOST之間的通信是通過UDP協(xié)議完成的。UDP有連接簡單，速度快的特點，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局域網(wǎng)內(nèi)，即可利用UDP實現(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IP地址設(shè)為回送地址，目的IP地址設(shè)為HOST的實際地址，目的設(shè)備端口號設(shè)為12270。此外還需設(shè)置一個接收HOST發(fā)來的數(shù)據(jù)請求中斷的端口號，設(shè)其為2000；接收端PC將本機IP地址和遠程設(shè)備IP地址均設(shè)為實際地址，再定義一個接收遠程數(shù)據(jù)的端口號12271。這樣就可以利用Socket套接字進行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，但這對通信系統(tǒng)的信噪比參數(shù)提出了較為嚴格的要求，如果噪聲能量達到一定程度會造成系統(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，當信噪比較低時，應(yīng)選擇低階調(diào)制方式與編碼速率，當信噪比較高時，可以選擇高階調(diào)制方式與編碼速率。因此，設(shè)計采用自適應(yīng)調(diào)制(AMC)技術(shù)，在發(fā)射功率恒定的情況下，通過調(diào)整無線鏈路傳輸?shù)恼{(diào)制方式與編碼速率確保鏈路的傳輸質(zhì)量。實現(xiàn)AMC的過程需要穩(wěn)定的信號功率，這需要引入自動增益控制(AGC)技術(shù)以確保信號能量的穩(wěn)定性。在AGC的工作過程中，初始化功率p0讓射頻放大器得到初始化的放大系數(shù)，對于接收端來說，需要設(shè)置一個預(yù)期能量pref，用來確定AGC過程趨于穩(wěn)定時信號的能量。在通信過程中，當信道環(huán)境發(fā)生變化時，接收信號的能量pr會不斷發(fā)生變化，調(diào)整功率參數(shù)pd也會隨之變化(pd是一個負值參數(shù)，用于控制射頻放大系數(shù))。接收信號能量降低時，接收天線的射頻放大器會提高放大系數(shù)，接收信號能量提高時，接收天線的射頻放大器會降低放大系數(shù)，這樣使得信號能量維持在預(yù)期能量pref附近。在通信過程的開始，調(diào)整功率參數(shù)pd可以任意設(shè)置。AGC過程中調(diào)整功率參數(shù)pd(對數(shù)形式)滿足公式(1)，其中pd_new為pd的更新值。(1)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平臺上使用NI-5791射頻適配模塊進行測試的一組參考區(qū)間，此時對應(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

(-27，-18)BPSK

(-18，-12)QPSK

(-12，-8)16QAM

(-8，-5.5)64QAM

(-5.5，-4)256QAM3.3.3、FPGA端設(shè)計FPGA的設(shè)計比較復(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處理的關(guān)鍵工作，此外還負責(zé)射頻卡5791的配置、P2P傳輸、FPGA間同步設(shè)計。（1）射頻卡5791配置射頻卡的配置在FPGA中完成，主要完成將HOST傳遞過來的參數(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，必須對基帶數(shù)據(jù)作相應(yīng)處理。對于發(fā)送端，通過插值處理將20MHz升至130MHz，實現(xiàn)方式為每隔130/20=6.5個時鐘周期從基帶數(shù)據(jù)FIFO中讀出數(shù)據(jù)，并進行擴展，形成130MHz的發(fā)送信號；類似的，接收端通過抽取方式實現(xiàn)130MHz降至20MHz，實現(xiàn)方式為每隔6.5個時鐘將接收到的數(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是實現(xiàn)MIMO的重要紐帶。P2P的配置主要包含兩方面，在主機（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，在FPGA端，P2P數(shù)據(jù)讀取和寫入節(jié)點為數(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。P2PHOST端配置

P2PFPGA端配置

圖4、P2P配置（3）FPGA間同步設(shè)計出于硬件平臺的局限性，兩根發(fā)射天線由兩塊FPGA分別連接，這樣的硬件架構(gòu)帶來的問題就是如何保證兩根天線發(fā)出數(shù)據(jù)的同步性。這是任何一個設(shè)備平臺都需要考慮的問題，各個廠家也提供了不同的方案，NI利用其獨特的模塊化設(shè)計，F(xiàn)PGA之間存在trigger總線連接，利用trigger觸發(fā)實現(xiàn)同步。當不同的設(shè)備之間共享triggers時，信號路徑的傳播延時會造成trigger到達設(shè)備的時間不同步。NI自帶的同步庫可以利用CPTR（同周期時間相關(guān)）減緩trigger的評估速率。關(guān)鍵是所有的設(shè)備都必須構(gòu)建一個CPTR信號，這些CPTR信號之間同頻同相。FPGA端的同步程序構(gòu)建和關(guān)聯(lián)CPTR信號，這些CPTR信號在不同的FPGA間是同時產(chǎn)生的。CPTR信號是周期性的，采樣周期可以控制CPTR的周期。（4）基帶信號處理設(shè)計在基于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)換等過程；接收端包括時間同步、FFT轉(zhuǎn)換、去除CP、信道估計、信號均衡、去除導(dǎo)頻、解映射、比特解交織、逆流解析、信道解碼等過程。一些主要模塊的具體細節(jié)如下：a.BCC編碼采用IP核實現(xiàn)802.11ac標準規(guī)定的BCC編碼器，其生成多項是g0=133(8)和g1=171(8)，分別對應(yīng)于生成多項式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實現(xiàn)。卷積編碼后的兩路輸出相互合并再進行后續(xù)傳輸。根據(jù)不同的規(guī)則進行刪余打孔，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。b.流解析與逆流解析在經(jīng)過信道編碼后，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，每個串的長度為NCBPSS

(每空間流編碼比特)。逆流解析時流解析的逆過程，主要完成兩個數(shù)據(jù)流合并成一個流的過程。c.調(diào)制與解調(diào)星座映射過程是把比特序列以一定的方式映射到星座圖中的一個復(fù)數(shù)星座點。IEEE802.11ac支持的映射(調(diào)制)方式包括BPSK、QPSK、16QAM、64QAM和256QAM，各調(diào)制方式下每個子載波的復(fù)數(shù)星座點分別承載1、2、4、8和16個比特的信息，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，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OFDM碼元是由52個有效的復(fù)數(shù)星座值組成；4MHz帶寬時這個有效值為108個。解調(diào)是星座映射調(diào)制的逆過程，以恢復(fù)傳輸傳輸。d.IFFT與FFT實現(xiàn)發(fā)射端頻域數(shù)據(jù)到時域數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，同理，F(xiàn)FT則實現(xiàn)了接收端時域數(shù)據(jù)到頻域數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，以用于后續(xù)處理。e.同步在基于IEEE802.11ac協(xié)議的接收機中，同步過程主要包括時間同步，載波頻率同步和采樣時鐘同步。由于NI-PXI平臺具有優(yōu)良的集成工藝和精密性，收發(fā)機的本振頻率幾乎一致，采樣時鐘也幾乎保持完全相同，因此在原型機系統(tǒng)設(shè)計中可以暫時忽略系統(tǒng)的載波頻率偏差和采樣時鐘偏差帶來的影響。因此本文原型機的接收端采用基于前導(dǎo)碼訓(xùn)練序列的MIMO-OFDM系統(tǒng)時間同步方案。時間同步的處理主要分為捕獲和跟蹤兩個階段，具體分為幀同步過程和符號同步過程。幀同步又稱作粗時間同步，用于檢測數(shù)據(jù)分組的到來，這是時間同步的捕獲階段；符號同步又稱作精時間同步，用于精確定位OFDM符號數(shù)據(jù)的起始位置，這是時間同步的跟蹤階段。f.信道估計與均衡信道估計是獲取信道信息的重要模塊，利用估計出的信道響應(yīng)可以對接收端數(shù)據(jù)進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)進行信道估計。信道均衡則是對接收信號進行一定的補償操作，即對信號進行恢復(fù)與提取，為后續(xù)的解調(diào)和信道解碼過程打下基礎(chǔ)。利用之前得到的估計信道進行信道均衡過程，可以減輕或消除碼間干擾，使得系統(tǒng)能夠?qū)篃o線信道衰落，從而提高無線系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率和頻譜效率。本原型機采用基于LS算法的信道估計和基于ZF算法的信道均衡。g.維特比譯碼本系統(tǒng)中采用Xilinx的IPCore實現(xiàn)Viterbi譯碼，其輸入采用基于幀形式的傳輸方式，需要重點考慮的是咬尾問題。因此需要在每一幀的最后添加6個零，使譯碼器回到初始狀態(tài)。3.3.4、PC端設(shè)計PC端主要完成視頻流的編碼打包，并加上CRC校驗碼，同時根據(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PC分別處理視頻流的收發(fā)，是因為考慮到LabVIEW對視頻流處理能力的薄弱，如果采用HOST端作視頻流的編解碼，這會耗用大量的CPU資源。因此NI儀器完全用來處理數(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，當前采取的調(diào)制方式MCS，包長的大小，每次請求包的數(shù)目（不同調(diào)制方式請求的包數(shù)不同），HOST中斷請求次數(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ReceivedDataRate和ProcessedDataRate。ProcessedDataRate為傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)，也即實際視頻流傳輸數(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形成完整的包，ReceivedDataRate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)送用戶界面圖6、PC端接收用戶界面4、基于NI-PXI的11ac原型機系統(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角度進行分析，以便更好地測試系統(tǒng)的性能。4.1、接收星座圖演示接收星座圖演示過程中，可以無需發(fā)送端和接收端的PC外設(shè)。主控器Host可以隨機產(chǎn)生固定OFDM符號數(shù)的U8型數(shù)據(jù)流，并將U8型數(shù)據(jù)送入FPGA中，通過基帶處理和射頻收發(fā)等一系列過程，Host將接收天線得到的信號通過FFT操作轉(zhuǎn)換到頻域后進行輸出，觀察頻域接收數(shù)據(jù)的星座圖變化。在測試中，Host需要實現(xiàn)AGC功能，使得天線自由移動時，接收端仍然能夠?qū)崿F(xiàn)精確的時間同步過程。根據(jù)是否采用AMC方案，可以將接收星座圖測試分為手動模式和自適應(yīng)模式兩種。手動模式下，無論接收信號強度與信道環(huán)境如何，都采取手動設(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)當前的信道環(huán)境自動設(shè)置理想的星座映射方式，使得數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾屎驼`碼性能達到同時較優(yōu)的狀態(tài)。下圖反映了MIMO2×2系統(tǒng)在手動模式下，發(fā)送端分別采用BPSK映射方式的接收星座圖結(jié)果。手動模式下，可以通過調(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到準確清晰的水平。圖7、BPSK接收星座圖(手動模式)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。QPSK接收星座圖16QAM接收星座圖64QAM接收星座圖256QAM接收星座圖圖8、各種調(diào)制方式接收星座圖(手動模式)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。圖9、QPSK接收星座圖(自適應(yīng)模式)4.2、視頻流實時傳輸圖10顯示了在NI-PXI平臺上原型系統(tǒng)Host控制器的前面板設(shè)計，其主要實現(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)通過圖5、圖6給出。圖11展示了基于NI-PXI平臺的IEEE802.11acMIMO2×2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中生成時域OFDM符號，通過射頻卡以無線方式發(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，并對視頻數(shù)據(jù)進行實時顯示。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符號個數(shù)，這會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。圖11、IEEE802.11acMIMO2×2演示系統(tǒng)IEEE802.11ac的MIMO2×2原型系統(tǒng)的實際工作速率如表2所示。從表中可以看出，由于硬件實現(xiàn)時存在硬件性能的限制以及各類微小的偏差，系統(tǒng)實際的傳輸作速率并不能達到理論值，但已經(jīng)非常接近理論值。同時，當采用高階的星座映射方式進行傳輸時，實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，這是因為采用高階映射方式時，控制器Host需要在相同時間內(nèi)處理更多的數(shù)據(jù)包，當Host處理能力達到極限時，實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)期進行提升。如果采用256QAM映射方式，在相同時間內(nèi)進行與低階映射方式具有相同OFDM發(fā)送符號數(shù)的傳輸過程，系統(tǒng)將不能正常工作，這是由于原型系統(tǒng)所需的時鐘速率達到控制器Host的工作極限，因而無法支持256QAM進行正常的物理層傳輸。同時，256QAM正常工作所需的接收信噪比要求也較高，在接收星座圖測試中可以看出該映射方式下的星座點性能不甚理想。表2、原型系統(tǒng)在各映射方式下的傳輸速率映射方式BPSKQPSK16QAM64QAM理論工作速率13.0M/s26.0M/s52.0M/s78.0M/s實際工作速率11.2M/s22.4M/s44.8M/s46.7M/s5、結(jié)論該系統(tǒng)方案利用NI的PXI平臺及NI的LabVIEW軟件平臺進行研發(fā)，使我們能專注于802.11ac協(xié)議的實現(xiàn)，縮短了研發(fā)周期。LabVIEW圖形化的編程語言以及提供的IP接口也為開發(fā)者提供了不少的便利。系統(tǒng)的核心運算都在高速的FPGA模塊內(nèi)完成，能滿足原型機設(shè)計目標的高速要求。整個系統(tǒng)的測試結(jié)果在上一章有詳細敘述，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)工作速率也能達到要求，能高質(zhì)量的進行視頻流的傳輸。我們的原型機只是階段性的成果，還有更進一步的空間，如將基帶帶寬拓展到40MHz、擴展到4×4的MIMO系統(tǒng)以及開展毫米波的研究。6、參考文獻1]

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