基于NI-PXI的下一代超高速无线局域网原型系统设计

考虑采用BCC信道编码方式的单用户MIMO2×2系统，固定BCC编码速率为1/2，一种简单的AMC设置方案如下表所示，表中pd所在区间是在NI-PXI平台上使用NI-5791射频适配模块进行测试的一组参考区间，此时对应的预期能量p_ref = -8dBm。

表1、AMC调制方式与调整功率参数p_d的关系

3.3.3、FPGA端设计

FPGA的设计比较复杂，也是数据处理部分的核心，这一部分主要完成基带信号处理的关键工作，此外还负责射频卡5791的配置、P2P传输、FPGA间同步设计。

（1）射频卡5791配置

射频卡的配置在FPGA中完成，主要完成将HOST传递过来的参数写入射频卡相应寄存器里，尤其是关于速率的小数变换。

系统基带数据带宽为20MHz，而AD/DA端采样速率为130MHz，为了完成速率的匹配，必须对基带数据作相应处理。对于发送端，通过插值处理将20MHz升至130MHz，实现方式为每隔130/20=6.5个时钟周期从基带数据FIFO中读出数据，并进行扩展，形成130MHz的发送信号；类似的，接收端通过抽取方式实现130MHz降至20MHz，实现方式为每隔6.5个时钟将接收到的数据写入基带处理FIFO中。

（2）P2P传输

P2P将两块FPGA的数据合并到一块FPGA中，并在一块FPGA中完成后续的MIMO基带处理，因此在本系统中，P2P是实现MIMO的重要纽带。

P2P的配置主要包含两方面，在主机（HOST）端将一块FPGA的写入数据流和另一块FPGA的读取连接起来，在FPGA端，P2P数据读取和写入节点为数据交换提供FIFO的接口，这样的接口类似于DMA和本地FPGA 的FIFO，如图4所示。

P2P HOST端配置
P2P FPGA端配置
图4 、P2P配置

（3）FPGA间同步设计

出于硬件平台的局限性，两根发射天线由两块FPGA分别连接，这样的硬件架构带来的问题就是如何保证两根天线发出数据的同步性。这是任何一个设备平台都需要考虑的问题，各个厂家也提供了不同的方案，NI利用其独特的模块化设计，FPGA之间存在trigger总线连接，利用trigger触发实现同步。

当不同的设备之间共享triggers时，信号路径的传播延时会造成trigger到达设备的时间不同步。NI自带的同步库可以利用CPTR（同周期时间相关）减缓trigger的评估速率。关键是所有的设备都必须构建一个CPTR信号，这些CPTR信号之间同频同相。

FPGA端的同步程序构建和关联CPTR信号，这些CPTR信号在不同的FPGA间是同时产生的。CPTR信号是周期性的，采样周期可以控制CPTR的周期。

（4）基带信号处理设计

在基于IEEE802.11ac协议的系统中，发送端包括前导码生成、信道编码、流解析、比特交织、星座映射、插入导频、添加CP、引入CSD以及IFFT转换等过程；接收端包括时间同步、FFT转换、去除CP、信道估计、信号均衡、去除导频、解映射、比特解交织、逆流解析、信道解码等过程。一些主要模块的具体细节如下：

a.BCC编码

采用IP核实现802.11ac标准规定的BCC编码器，其生成多项是g₀=133₍₈₎和g₁=171₍₈₎，分别对应于生成多项式S₀(x) = x⁶ + x⁵ + x³ + x² + 1和S₁(x) = x⁶ + x³ + x² + x¹ + 1，可以使用移位寄存器来实现。卷积编码后的两路输出相互合并再进行后续传输。根据不同的规则进行删余打孔，BCC信道编码器支持1/2、2/3、3/4、5/6四种编码速率，以满足更高的传输效率。

b.流解析与逆流解析

在经过信道编码后，流解析将编码比特被重新排成一组新的、等于空间流数(N_SS)的比特串。其输出为N_SS路并行比特序列，每个串的长度为N_CBPSS (每空间流编码比特)。

逆流解析时流解析的逆过程，主要完成两个数据流合并成一个流的过程。

c.调制与解调

星座映射过程是把比特序列以一定的方式映射到星座图中的一个复数星座点。IEEE802.11ac支持的映射(调制)方式包括BPSK、QPSK、16QAM、64QAM和256QAM，各调制方式下每个子载波的复数星座点分别承载1、2、4、8和16个比特的信息，也即调制阶数N_BPSCS。前导码字段中的信令字段均采用BPSK调制。生成数据字段时，根据信令字段中的MCS信息，子载波选择相应的映射(调制)方式。在20MHz带宽下，每个OFDM码元是由52个有效的复数星座值组成；4MHz带宽时这个有效值为108个。

解调是星座映射调制的逆过程，以恢复传输传输。

d.IFFT与FFT

实现发射端频域数据到时域数据的转换，同理，FFT则实现了接收端时域数据到频域数据的转换，以用于后续处理。

e.同步

在基于IEEE802.11ac协议的接收机中，同步过程主要包括时间同步，