（信号与信息处理专业论文）ieee80211a物理层的硬件实现.pdf

realization for physical layer of ieee802.11a based hardware a thesis submitted to chongqing university in partial fulfillment of the requirement for the degree of master of engineering by qiao chunming supervised by prof. zhu binglian major: signal and information processing college of communication engineering of chongqing university, chongqing, china april, 2011 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 i 摘 要 随着计算机网络的迅速发展，无线网络连接的研究及应用日益广泛， ieee802.11a 作为无线局域网应用的主流国际标准为各种移动终端的互联提供了 统一的物理层接入方法，该标准采用了正交频分复用（ofdm）技术。正交频分复 用技术由于拥有良好的抗多径性能和较高的频谱利用率成为高速无线通信系统的 首选调制技术，对 ofdm 技术的研究也成为通信领域的热点之一。 随着大规模集成电路的发展，软件无线电已经成为系统设计与开发的主要方 法，而 dsp 和 fpga 芯片都是进行软件无线电设计的硬件平台，由于二者各自的 特点，应用的范围也有所不同，dsp 芯片适应于运算密集型，适合于复杂算法的 实现，fpga 适用于控制密集型，适合实现大量重复的简单的运算与控制，特别适 合比特级别运算，dsp 和 fpga 的联合使用也就成为实现大型系统设计的更加有 效的方法。 本文研究 ieee802.11a 标准的物理层功能的硬件实现方法，在集成了 dsp 和 fpga 以及 usb 控制芯片的硬件开发平台上，采用 c 语言和 verilog 硬件开发语 言相结合的开发模式，对 802.11a 标准规定的物理层数据编码和 ofdm 调制功能 进行设计；系统以 dsp 芯片为核心控制器，结合 fpga 以及 usb 接口芯片构成， 其中 dsp 芯片完成物理层数据的输入和系统寄存器的配置，fpga 芯片完成物理 层数据编码和 ofdm 调制功能，usb 芯片作为开发平台和 pc 机的通信模块完成 与 pc 的通信，以便在 pc 和系统之间进行数据交流，其中 dsp 芯片通过 usb 芯 片完成与 pc 的通信建立，并等待 pc 的发送数据请求，当 dsp 接收到 pc 机的发 送请求后， 开始数据输入并激活 fpga 中的处理模块， fpga 芯片完成数据处理后， 通过 usb 芯片将处理完成的数据发送给 pc。 系统采用对比软硬件运行结果的方法进行系统功能验证，为此，在 dsp 模拟 器环境中使用 c 语言完成物理层数据编码和 ofdm 调制的软件实现，作为硬件系 统的测试软件，并验证测试软件运行正确与否。在此基础上，采用该测试软件对 硬件运行结果进行验证，对比显示，软硬件运行结果存在误差，经过分析本人认 为该误差不是本系统硬件实现导致的功能性错误，该误差是合理的，本系统的硬 件实现功能是正确的。 关键词关键词: 802.11a，ofdm，软件无线电，dsp，fpga 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 ii abstract with the fast growing of computer network, the research and application of wireless network connection has now come into more widespread use.ieee802.11a, as the mainstream international standard of wlan application, provides a unified physical access method for various kinds of mobile terminals.ieee802.11a adopts orthogonal frequency division multiplexing(ofdm) method, which has now become the first choice for high-speed wireless communication because of its good anti-multipath performance and higher frequency spectrum utilization. the research on ofdm has too become one of the hot areas in communication science and technology. with the development of large-scale integrated circuit, software defined radio(sdr) has become the primary method for system design and development.dsp and fpga chips are the main hardware platforms for sdr design. the application range of dsp and fpga chips varies due to their distinctive characteristics.dsp chip is more suitable for computing intensive environment in order to realize complex algorithm while fpga chip is more suitable for control intensive environment to realize lots of repeated and simple control and calculation, especially for bit level calculation. the combination of dsp and fpga chips becomes a more efficient method for large-scale system design. this paper studies the physical layer functions hardware implementation based on ieee802.11 standard. on the hardware development platform of integrating dsp, fpga and usb controller chip, we have designed the function of data encoding in physical layer and ofdm modulation required by 802.11a standard using combination of c language and verilog hardware development language. system is comprised of dsp chip as core controller, fpga and usb chip .dsp completes the data input in physical layer and configuration of system register. the fpga chip completes the data encoding in physical layer and ofdm modulation. usb chip works as the communication module of development platform and personal computer to complete communication with pc. the whole process can be described like that dsp chip completes the establishment of communication with pc through usb chip and waiting for the request of pc to send data. when dsp receives the sending request from pc, it starts to input data and activates the processing module of fpga. after the completion of data processing by fpga, the processed data will be sent to pc by usb chip. we use the comparison of operation results of hardware and software to verify the 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 iii system function. thus, c language is adopted to complete software realizing of data encoding in physical layer and ofdm modulation in the dsp simulator environment. this software works as test software of hardware system to verify whether the test results are correct or not. through the verification results, i have found that error exists between operation results of software and operation results of hardware. after some analysis, the author believes that the error is not a functional error caused by system hardware, but a reasonable one. the hardware functionality of this system is accurate. keywords：802.11a, ofdm, software radio, dsp, fpga 重庆大学硕士学位论文 目 录 iv 目 录 中文中文摘要摘要 . i 英文摘要英文摘要 . ii 1 绪绪 论论 . 1 1.1 课题研究背景与意义课题研究背景与意义 . 1 1.2 本文的工作内本文的工作内容及方法容及方法 . 2 2 ofdm 系统原理系统原理 . 3 2.1 ofdm 系统的数学模型系统的数学模型 . 3 2.2 ifft/fft 在在 ofdm 系统中的应用系统中的应用 . 4 2.3 保护间隔与循环前缀保护间隔与循环前缀 . 5 3 802.11a 标准物理层技术标准物理层技术 . 6 3.1 物理层功能概述物理层功能概述 . 6 3.2 物理层汇聚过程（物理层汇聚过程（plcp） . 6 3.2.1 plcp 前导字（plcp preamble） . 7 3.2.2 信号域（signal） . 7 3.2.3 数据域（data） . 8 3.3 系统参数系统参数 . 8 4 802.11a 物理层的硬件实现物理层的硬件实现 . 10 4.1 开发平台开发平台 . 10 4.2 系统总体介绍系统总体介绍 . 11 4.2.1 系统功能 . 11 4.2.2 系统工作流程 . 11 4.2.3 模块设计 . 12 4.3 usb 通信模块通信模块 . 12 4.3.1 usb 接口 . 12 4.3.2 dsp 通信模块 . 16 4.3.3 pc 通信模块 . 18 4.4 时钟设计模块时钟设计模块 . 19 4.5 数据输入模块数据输入模块 . 21 4.5.1 训练序列的输入 . 21 4.5.2 数据域数据输入 . 21 4.5.3 寄存器配置 . 22 重庆大学硕士学位论文 目 录 v 4.6 数据处理模块数据处理模块 . 22 4.6.1 信号域编码及调制 . 23 4.6.2 数据域编码即调制映射 . 27 4.6.3 ofdm 调制 . 32 4.7 数据输出模块数据输出模块 . 39 4.7.1 数据读取 . 39 4.7.2 usb 写入接口 . 40 5 测试与分析测试与分析 . 43 5.1 测试软件测试软件 . 43 5.2 测试过程测试过程 . 44 5.3 误差分析及结论误差分析及结论 . 45 6 总总 结结 . 47 致致 谢谢 . 48 参考文献参考文献 . 错误错误!未定义书签。未定义书签。 附附 录录 . 52 作者在攻读学位期间发表的论文目录作者在攻读学位期间发表的论文目录 . 52 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 课题研究背景与意义 随着计算机网络的迅速发展，无线网络连接的研究与应用也日益广泛1，客观 上需要制定国际标准，以适应各种无线网络设备相互通信。1997 年 6 月，ieee 正 式颁布了 ieee802.11 无线局域网通信标准，具体规定了各种移动式终端之间的接 口。ieee802.11 标准是由多种协议构成的协议族，802.11a2即是标准之一，它定 义了工作在 5ghz-6ghz 频段的无线局域网物理层的实现规范。该标准采用了正交 频分复用技术3（orthogonal frequency division multiplexing ofdm） ，支持多种数 据速率，包括：6、9、12、18、24、32、48、54mbps，并支持多种调制方式，包 括：bpsk、qpsk、16qam、64qam，采用了多种前向纠错码率，包括：1/2， 2/3，3/4。 ofdm 是多载波调制(multicarrier modulation mcm)4技术的一种，多载波传 输把数据流分解为若干个独立的子数据流，每个子数据流将具有相对较低的比特 速率，每一路低比特率的数据流分别独立调制相应的子载波，构成多个低速率符 号并行发送的通信系统。ofdm 是多载波传输方案的实现方式之一，其基本思想 是将一个很宽的频带分配给若干路相互正交的子载波，并把要传送的高速码流分 配到各个子载波上进行并行传输。由于各子载波上的码率相对较低，因此符号周 期就可以远大于多径信道的时延扩展，从而可以减少多径衰落信道上的符号间干 扰，因此，采用 ofdm 传输技术的无线宽带通信系统具有很强的抗多径衰落的能 力。 ofdm 的调制解调可以采用 ifft/fft 来实现5， 从而使 ofdm 通信系统的实 现复杂性大大降低。又因为其各个子载波间相互正交，允许各子载波的频谱有部 分重叠，大大提高了频谱利用率，实用价值很高。 目前， 国际和国内的很多厂商都推出了基于 802.11a 标准的无线局域网应用产 品，其中大部分产品采用全定制和半定制专用集成电路芯片 asic 实现，专用集成 电路芯片的实现过程和技术复杂，全定制和半定制方法设计的芯片存在流片周期 长，一旦需要修改必须全部重新流片的缺点。为了克服这些缺点，在进行 802.11a 产品的自行研制时，目前相当多的集成电路设计者采用可编程芯片 fpga(field programmable gate array)进行电路硬件验证的方法68，以节省研制费用并缩短研 制周期。 基于 fpga 的实现特点，其更适用于运算与控制结构相对简单的处理系统， 而对于运算与控制结构复杂的处理系统，则更适合于采用 dsp 芯片来实现，这样 可以兼顾系统算法实现的速度和复杂性要求911。 。 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 2 1.2 本文的工作内容及方法 本文研究 ieee802.11a 标准的物理层功能的硬件实现方法，在集成了 dsp 和 fpga 以及 usb 控制芯片的硬件开发平台上，采用 c 语言和 verilog 硬件开发语 言编程，实现了 802.11a 标准规定的物理层数据编码和 ofdm 调制功能。 功能实现包括以下几个模块：usb 通信模块，时钟设计模块，数据输入模块， 数据处理模块，数据输出模块。其中 usb 通信模块在 dsp，fpga，pc 程序中分 别完成， 数据输入模块在 dsp 和 fpga 中共同完成， 数据处理及输出模块在 fpga 中完成。 系统采用对比软硬件运行结果的方法进行系统功能验证，为此，在 dsp 模拟 器环境中使用 c 语言完成物理层数据编码和 ofdm 调制的软件实现，作为硬件系 统的测试软件，并验证软件运行正确与否。在此基础上，采用该测试软件对硬件 运行结果进行验证，确定系统功能是否正确。 重庆大学硕士学位论文 2 ofdm 系统原理 3 2 ofdm 系统原理 2.1 ofdm 系统的数学模型 ofdm 实际上是一种频分复用方式，一个 ofdm 符号是多个经过调制的子载 波之和。 假设 n 表示子载波个数， t 表示 ofdm 符号的持续时间， di ( i = 0、 1、 、 n-1)是分配给每个子载波的数据符号，fc是第 0 个子载波的载波频率，则从 t=ts开 始时的 ofdm 符号可以表示为1213: 1 0 , exp2 2( ) 0 ( )1 n eiscsss i ss ti rd rect ttjftttttt ts t tt ttt rect t 2tt (2.1) 通常采用复等效基带信号来描述 ofdm 的输出信号，如式(2.2)所示。其中实 部和虚部分别对应于 ofdm 符号的同相和正交分量，在实际系统中将它们分别与 相应子载波的 cos 分量和 sin 分量相乘， 构成最终的子载波信号和合成的 ofdm 信 号。ofdm 系统数学模型如图 2.1 所示，其中 fi=fc+i/t。 1 0 , exp 2( ) 0 n issss i ss ti d rect ttjtttttt ts t tt ttt (2.2) 图 2.1 ofdm 系统数学模型框图 fig.2.1 mathematics model of ofdm system 图 2.2 给出了一个包含 4 个子载波的 ofdm 符号的实例，这里假定所有的子 载波具有相同的幅值和相位。当然，实际应用中随着数据符号的调制方式不同， 每个子载波的幅值和相位都有可能是不同的。下面将具体解释如何理解 ofdm 系 统子载波之间的正交性。从图 2.2 可以看到，每个子载波在一个 ofdm 符号周期 重庆大学硕士学位论文 2 ofdm 系统原理 4 内都包含整数倍个周期，而且各个相邻子载波之间相差 1 个周期。易知: 0 1 1 exp2exp2 0 t nm mn jf tjf t dt mnt (2.3) 利用式(2.3)，对式(2.2)中的第 n 个子载波进行相关解调，可得: 1 0 1 0 1 exp2exp2 1 exp2 s s s s n tt n sis t i n tt isn t i ni djttdjttdt ttt in djttdtd tt (2.4) 由上式不难发现，对第 n 个子载波进行相关解调可以恢复出期望符号 dn。 图 2.2 包含 4 个子载波的 ofdm 符号 fig.2.2 the ofdm symbol including four subcarriers 2.2 ifft/fft 在 ofdm 系统中的应用 对式(2-2)的信号 s(t)以 t/n 的速率进行抽样，即令 t=kt/n，k=0,1,.,n-1。令 t s= 0，忽略矩形函数，可以得到: 1 0 2 exp01 n ki i ik ss kt ndjkn t (2.5) 可以看到 sk等效为对 di进行 idft 运算。同样，在接收端为了恢复出原始的 数据符号 di，可以对 sk进行逆变换 dft 得到: 1 0 2 exp01 n ik k ik dsjin t (2.6) 重庆大学硕士学位论文 2 ofdm 系统原理 5 由此可见，ofdm 系统的调制和解调可以分别通过 idft/dft 来实现，频域 数据符号 di经过 n 点 idft 运算变换为时域符号 sk，其中的每个样值都是由所有 子载波信号经过叠加而生成的，即对连续的多个经过调制的子载波的叠加信号进 行采样得到。但是，直接进行 idft/dft 变换，计算量非常大，在 ofdm 系统的 实际应用中， 可以采用更加方便快捷的快速傅里叶变换和反变换(ifft/fft)来实现 调制与解调，极大降低了 ofdm 运算的复杂度和系统的实现难度。 2.3 保护间隔与循环前缀 在 ofdm 系统中，为了最大限度地消除符号间干扰，在每个 ofdm 符号之间 要插入保护间隔，该保护间隔长度 tg一般要大于无线信道的最大时延扩展，这样 一个符号的多径分量就不会对下一个符号造成干扰。在这段保护间隔内，可以不 插入任何信号，即保护间隔是一段空闲的传输时段。然而在这种情况中，由于多 径传播的影响，会产生信道间干扰(ici)，即子载波之间的正交性遭到破坏，使不 同的子载波之间产生干扰。为了消除由于多径传播造成的 ici，我们将原来宽度为 t 的 ofdm 符号进行周期扩展，用扩展信号来填充保护间隔，如图 2.3 所示。我 们将保护间隔内的信号称为循环前缀。 图 2.3 加入循环前缀后的 ofdm 符号 fig.2.3 the ofdm symbol including cycle prefix 由图 2.3 可以看出，循环前缀中的信号与 ofdm 符号尾部宽度为 tg的部分相 同。在实际系统中，ofdm 符号在送入信道之前，首先要加入循环前缀，然后送 入信道进行传送。在接收端，首先将接收符号开始的宽度为 tg的部分丢弃，将剩 余的宽度为 t 的部分进行傅立叶变换，然后进行解调。通过在 ofdm 符号内加入 循环前缀可以保证在 fft 周期内，ofdm 符号的延时副本内所包含的波形的周期 个数是整数。这样，时延小于保护间隔 tg的时延信号就不会在解调的过程中产生 信号间干扰。 重庆大学硕士学位论文 3 802.11a 标准物理层技术 6 3 802.11a 标准物理层技术 3.1 物理层功能概述 ieee802.11a 对 ofdm 通信系统的物理层设计做了详细规范14，它包括了三 个功能实体。 物理介质相关（physical medium dependent pmd）功能:它规定了两个或两个 以上的使用 ofdm 技术的收发信机在无线介质中发送和接收数据的特性和具体方 法。 物理汇聚功能（phy converge function） ：使得 pmd 系统的功能适应物理层 的服务。这个功能由物理层汇聚过程（physical layer converge procedure plcp） 所支持，该过程定义了将 ieee802.11a 物理子层服务单元（phy sublayer service data unit psdu）映射成适合两个或两个以上使用关联的 pmd 系统的收发信机发 送和接收用户数据和管理信息的物理层协议数据单元（ppdu） ，通过完成 psdu 和 ppdu 之间的转换实现 phy 层与 mac 层通信的接口。 物理层管理功能（phy layer management function） ：该功能通过物理层管理 实体接口（phy management entity,plme）实现，plme 与 mac 层管理实体相结 合来实现物理层管理功能。 3.2 物理层汇聚过程（plcp） plcp 实现物理子层服务数据单元（psdu）到物理层协议数据单元（ppdu） 的相互转换。在转换过程中，在 psdu 之前加入 plcp preamble 和 plcp header， 之后加入附加比特，然后进行协议规定的数据编码和 ofdm 调制，最终形成物理 层数据单元（ppdu）帧数据。ppdu 数据帧结构如图 3.1 所示。 图 3.1 物理层数据单元（ppdu）帧数据 fig.3.1 frame data of ppdu 如图所示，ppdu 帧数据由三部分构成：plcp 前导字（plcp preamble） 、信 重庆大学硕士学位论文 3 802.11a 标准物理层技术 7 号域（signal） 、数据域(data)、下面详细介绍这三部分的形成过程。 3.2.1 plcp 前导字（plcp preamble） plcp 的前导序列包括 10 个短前导字和两个长前导字，结构见图 3.2 所示。 图 3.2 前导字结构 fig.3.2 structure of plcp preamble 图中，短前导字由 10 个重复的序列 t1,t2,.,t10构成，每个序列占用 0.8，共 占用 8，该序列是由以下 s 序列经 ofdm 调制生成。 26,26 13 6*0,0,1,0,0,0, 1,0,0,0,1,0,0,0, 1,0,0,0, 1,0,0,0,1, 0,0,0,0,0,0,0, 1,0,0,0, 1,0,0,0,1,0,0,0,1,0,0,0,1,0,0,0,1,0,0 sjjjjjj jjjjjj (3.1) 长前导字由 gi2，t1，t2三部分构成，gi2 为一个循环前缀，占用 1.6，序 列值为 t1序列的后 32 个值，t1,t2为两个相同的序列，各占用 3.2，该序列有以 下 l 序列经 ofdm 调制生成： 26,26 1,1, 1, 1,11, 1,1, 1,1,1,1,1,1,1,1, 1, 1,1,1, 1,1, 1,1,1,1,1,0,1, 1, 1,1,1, 1,1, 1,1, 1, 1, 1, 1, 1,1,1, 1, 1,1, 1,1, 1,1,1,1 l (3.2) 长前导字共占用 8。 3.2.2 信号域（signal） signal 数据结构如图 3.3 所示， 其中， rate 字段用于传递数据速率， length 字段指示了 psdu 的字节数， 其余比特位置 0。 signal 字段共有 24 比特， 其 ofdm 符号形成过程包括：1/2 卷积编码，块交织，bpsk 调制映射，载波映射，导频插 入，ifft，循环前缀。整个过程不加扰码，输入数据比特速率为 6mbps。 图 3.3 信号域数据结构 fig.3.3 data structure of signal domain 重庆大学硕士学位论文 3 802.11a 标准物理层技术 8 3.2.3 数据域（data） 数据域数据结构如图 3.4 所示，其中 psdu 为物理子层服务数据单元，即上一 层要发送的数据，service 字段为 16 比特 0，包括 7 比特接收端解扰器的初始化 比特和 9 比特保留比特，tail 字段置 0，用于卷积编码器置为全零状态，pad 字段 置 0，其长度可变，当所发信息长度不是一个 ofdm 符号编码信息比特数的整数 倍时，使用 pad 字段补齐信息长度。 图 3.4 数据域数据结构 fig.3.4 data structure of data domain 数据域 ofdm 符号形成过程包括：加扰、卷积、块交织、调制映射、载波映 射、导频插入、ifft 和循环前缀。具体的模块参数下节介绍。 3.3 系统参数 802.11a 标准使用 ofdm 作为调制技术，其实现 ofdm 技术参数如表 3.1 所 示。 表 3.1 ofdm 技术参数 table3.1 parameters of ofdm 参数 可选值 数据速率 6、9、12、18、24、36、48、54mbit/s 调制方式 bpsk、qpsk、16qam、64qam 编码效率 1/2、2/3、3/4 子载波数量 52 导频数量 4 ofdm 符号长度 4s 保护间隔 800ns 子载波间隔 312khz -3db 带宽 16.56mhz 信道间隔 20mhz 图中参数中起决定作用的一个参数就是常数为 800ns 的保护间隔， 可以在此基 础上定义其他参数。这一保护间隔可以容忍几百纳秒的 rms 时延扩展，这也就意 味着这一选择方案可以用于任何室内环境，而且通过定向天线降低时延扩展，这 一方案也同样可以用于室外环境。根据保护间隔时间参数，可以选择 ofdm 符号 长度为 4，则有效 ofdm 符号长度为 3.2，从而确定子载波间隔为 1/3.2， 重庆大学硕士学位论文 3 802.11a 标准物理层技术 9 即 312.5khz。 ofdm 子载波数为 52， 其中除了 48 个传输数据的子载波之外， 还包括 4 个导 频子载波，用于在初始频率校正之后跟踪剩余的载波频率偏差。实际使用 ifft 实 现 ofdm 时，使用的点数为最接近 52 的 64 点 ifft，这是 52 个载波之外的 12 载 波使用频域值为