基于NI-PXI的下一代超高速无线局域网原型系统设计

对其原型机进行开发验证，这对新一代Wi-Fi技术及5G技术的研究具有重要意义。

2、设计目标

本文旨在NI-PXI平台上实现一个基于IEEE802.11ac标准的系统原型机。该系统设计的参数指标如下所示：

1）系统基于IEEE 802.11ac协议；
2）系统运行在2.4GHz/5GHz频段；
3）系统配置2个发射天线和2个接收天线；
4）系统的传输带宽达到20MHz；
5）调制可选方式：BPSK、QPSK、16QAM、64QAM、256QAM，并可根据接收信噪比实现自适应调制；
6）系统频谱效率：最高可达10 bit/s/Hz(在64QAM映射方式，码率为‘5/6’的条件下)；
7）可以显示解调后的接收星座图；
8）可以实现视频的高质量传输。

原型机需要实现的IEEE 802.11ac协议物理层内容有：

1）发射端：BCC编码、流解析、调制、插入导频、加CP、IFFT；
2）接收端：同步、去CP、FFT、信道估计与均衡、去导频、解调、逆流解析、维特比译码。

3、基于NI的802.11ac超高速无线局域网原型机

3.1、概述

该项目需要达到百兆数量级的数据传输速率，因而需求高速率的数据处理，在硬件实现中，我们选择了运用高性能FPGA来达到高速率的要求，然而开发这样一个系统需要我们很好的掌握VHDL或者Verilog HDL语言。同时，该项目还涉及了射频方面，这对我们来说也是一个巨大的困难，我们只希望将重点放在802.11ac协议的基带设计上，NI的LabVIEW软件及它的硬件平台对我们来说是一个福音，解决了我们的所有烦恼，让我们能专注于我们想专注的事，极大的缩短了我们的开发周期。

在下文中，我们将具体描述基于NI的802.11ac超高速无线局域网原型机。

3.2、硬件平台

原型机的硬件设计是基于NI-PXI平台来进行的，其硬件实物图如下图所示，两块FPGA板卡连接射频适配器置于机箱中，该平台主要包含机箱、控制器、FPGA模块、射频收发模块四个部分，各模块的性能及主要功能如下：

图1、系统硬件平台实物图

（1）NI PXIe-1082机箱：采用的该机箱包含4个混合插槽, 3个PXI Express插槽, 1个PXI Express系统定时插槽，每插槽高达1 GB/s的专用带宽和7 GB/s的系统带宽，与PXI、PXI Express、CompactPCI和CompactPCI Express模块兼容。机箱主要为控制器和各模块提供了电源、冷却以及PCI和PCI Express通信总线，此外还提供了一系列的I/O模块插槽类型、集成外设。

（2）NI PXIe-8115控制器：本系统采用NI PXI-8115作为控制器，位于机箱最左侧插槽。它是基于Intel Core i5-2510E处理器的高性能嵌入式控制器，适用于PXI系统。具有2.5 GHz基频、3.1 GHz（单核Turbo Boost模式）双核处理器和单通道1333 MHz  DDR3内存,配有以太网、串口等标准设备，可自行选择操作系统，本设计选用了Windows系统。

（3）NI PXIe-7966R：针对无线局域网的数据传输，主要考虑数据的运算处理能力，选用FlexRIO模块。它包含两个主要部分：FPGA模块和提供高性能模拟和数字I/O的FlexRIO适配器模块。这些都可以被LabVIEW FPGA软件配置。

其中FPGA模块选用NI PXIe-7966R，它包含了一块Virtex-5 SX95T FPGA和512 MB的板载DDR2双端口RAM。这块FPGA包含了640 DSP slices，可以用它来实现信号处理，数字滤波，FFT逻辑等。另外，板载的双端口RAM理论吞吐量为3.2GB/s。PXIe-7966R支持高性能的P2P数据流传输。本系统中FPGA模块主要实现发射端、接收端的基带数据处理工作。

（4）NI 5791射频适配器： NI 5791是一款具有200 MHz到4.4 GHz连续频率覆盖范围的RF收发器，其中TX和RX端均具有100 MHz的瞬时带宽。它具有单级转向架构，在NI FlexRIO适配器模块的小巧组成结构中提供了超高的带宽。板载合成器（本地振荡器）用于设定采集和生成的中心频率，且可导出至其他模块，以实现多输入多输出(MIMO)同步。用户可直接访问NI FlexRIO FPGA模块的原始ADC和DAC数据。 此外，NI FlexRIO FPGA模块和PXI平台提供了一种实现通道扩展必需的ADC和DAC数据同步方法。

3.3、系统设计

在这样一个实时高速传输系统里，系统架构设计尤为重要，良好的架构设计是系统正确运行的前提，也是提高系统性能的关键所在，本文原型机整个系统的结构框架如图2所示，系统设计主要分为PC端设计、HOST端设计、FPGA端设计三个部分，PC端设计基于C#语言实现视频的编解码等工作，而HOST端和FPGA端设计主要是基于LabVIEW编程实现，前者负责参数配置、数据传输等工作，后者负责实现IEEE 802.11ac协议的物理层模块。这三者之间也要进行数据同步。下文将对各个部分的设计进行详细的叙述。

图2、系统总体架构图

3.3.1、物理层数据通信

原型机物理层数据通信主要在PC端、HOST端