IEEE 802.11p物理層 OFDM 調(diào)制器的設(shè)計

張家波，劉興迪，楊 慶

(重慶郵電大學(xué)移動通信技術(shù)重點實驗室，重慶400065)

0 引言

近年來，汽車產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展，在它給人們的交通帶來方便的同時也顯現(xiàn)出了一些問題，例如交通安全和交通堵塞等?；跓o線通信技術(shù)的車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為解決這些問題提供了有效途徑。車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主要是指車與車(vehicle－to－vehicle，V2V)以及車與路面基礎(chǔ)設(shè)施(vehicle－to－infrastructure，V2I)之間的無線通信，它可以大大提高交通的安全性。以后車聯(lián)網(wǎng)會有更多的應(yīng)用，例如，對實時數(shù)據(jù)的交通管理以及使車輛對交通擁塞快速地做出反應(yīng)等。

車聯(lián)網(wǎng)是基于IEEE 802.11p無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的。802.11p 標(biāo)準(zhǔn)是由 802.11a 擴(kuò)充而來［1－2］，針對其高速移動的使用環(huán)境對802.11a的物理層和MAC(media access control)層做了很多修改。802.11p物理層的核心技術(shù)仍然是使用OFDM(orthogonal frequency division multiplexing)調(diào)制技術(shù)。

本文在研究802.11p的物理層參數(shù)的基礎(chǔ)上，提出了其OFDM發(fā)送端基帶設(shè)計的總體框架和詳細(xì)流程。使用Verilog HDL硬件描述語言，在Quar－tusⅡ開發(fā)環(huán)境中設(shè)計綜合和驗證，結(jié)果證明該設(shè)計符合802.11p的要求。

1 802.11p 物理層參數(shù)

802.11p在物理層上對802.11a上的修改主要是將工作頻帶變?yōu)?.850～5.925 GHz，75 MHz被劃分為7個10 MHz的信道，頻率最低的5 MHz作安全空白。其中，一個信道作為控制信道，而其他6個作為服務(wù)信道。這樣，信號的帶寬由802.11a的20 MHz變?yōu)?0 MHz，物理層的參數(shù)在時域上變?yōu)?02.11a的2倍［3］。信號帶寬的減小可以降低多普勒擴(kuò)展的影響，保護(hù)間隔的增大可以減小多徑效應(yīng)引起的碼間干擾。802.11p物理層的主要參數(shù)如表1所示［4］。

表1 802.11p物理層的主要參數(shù)Tab.1 Main characteristic values of IEEE 802.11P

從表1可以看出，802.11p的調(diào)制方式，編碼方式以及幀的結(jié)構(gòu)與802.11a都非常相似，只是與時間有關(guān)的參數(shù)變?yōu)?02.11a的2倍，相應(yīng)數(shù)據(jù)速率變?yōu)?02.11a的一半。數(shù)據(jù)速率由調(diào)制方式和編碼效率決定，三者對應(yīng)關(guān)系可以參考文獻(xiàn)［3］。

2 802.11p基帶調(diào)制器設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

802.11p的物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(physical protocol data unit，PPDU)幀結(jié)構(gòu)主要包括3部分，即訓(xùn)練序列;SIGNAL域和DATA域。其中，訓(xùn)練序列包括10個重復(fù)的短訓(xùn)練序列和2個重復(fù)的長訓(xùn)練序列;SIGNAL域主要包含數(shù)據(jù)長度和數(shù)據(jù)速率的信息;而DATA域中的PSDU是MAC層所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，這部分?jǐn)?shù)據(jù)才是有效載荷數(shù)據(jù)［3］。

根據(jù)802.11p的物理層參數(shù)和幀結(jié)構(gòu)，我們設(shè)計802.11p的發(fā)送端基帶設(shè)計如圖1所示。

基帶數(shù)據(jù)處理流程可以分成3個部分并行處理，即訓(xùn)練符號生成模塊;SIGNAL域符號和DATA域符號的形成過程。其中，訓(xùn)練符號是確定的數(shù)據(jù)，將其存儲在ROM中，當(dāng)SIGNAL域和DATA域符號形成后將其按照幀格式進(jìn)行讀出，與SIGNAL域和DATA域符號合并成完整的發(fā)送端數(shù)據(jù)幀。

2.2 關(guān)鍵模塊設(shè)計

2.2.1 時鐘生成模塊

由于802.11p的信號帶寬為10 MHz，因此，使用10 MHz時鐘作為整個基帶處理器的系統(tǒng)時鐘(SYS_CLK)。對于DATA域而言，由于該設(shè)計采用的是16QAM調(diào)制，因此，星座映射模塊輸入端的時鐘為40 MHz(CB_CLK);編碼效率為3/4，因此，在編碼前數(shù)據(jù)輸入時鐘為30 MHz(DIN_CLK);MAC層送往物理層的數(shù)據(jù)為字節(jié)格式，因此，MAC層時鐘大小為30 MHz/8=3.75 MHz(MAC_CLK)。對于SIGNAL域而言:由于調(diào)制使用的是BPSK調(diào)制，因此，映射模塊輸入端時鐘為系統(tǒng)時鐘，編碼效率為1/2，因此，編碼輸入時鐘為 5 MHz(SIG_CLK)［5］。

圖1 802.11p發(fā)送端OFDM基帶設(shè)計框圖Fig.1 802.11p transmitter block diagram for the OFDM baseband

2.2.2 主控模塊

主控模塊MCU用來控制與協(xié)調(diào)子模塊的工作，以保證整個處理器時序的精確同步，另外，還承擔(dān)著與 MAC 層的握手［6］。

MCU的工作過程可以用狀態(tài)機(jī)來描述，如圖2所示。

圖2 主控模塊MCU狀態(tài)機(jī)Fig.2 State machine of MCU block

系統(tǒng)啟動時glb_rst為低電平，完成系統(tǒng)時鐘模塊和MCU中控制信號的復(fù)位。當(dāng)MCU收到請求信號txstart_req后，發(fā)送復(fù)位信號phy_rst進(jìn)行各個模塊(除系統(tǒng)工作時鐘和MCU模塊外)的初始化。同時輸入21 bits的phy_txstart信號，包含PSDU幀長，用length(12 bits)表示;數(shù)據(jù)速率 rate_con(6 bits)和發(fā)射功率(3 bits)。當(dāng)MCU接收完phy－txstart信號后，將 length，rate_con及加擾模塊初始化信號scram_seed送入相應(yīng)模塊輸入端口。接下來啟動主計數(shù)器 main_counter，按照要求的時序依次輸出短訓(xùn)練序列啟動信號short_ack，長訓(xùn)練序列啟動信號long_ack和SIGNAL域啟動信號signal_ack。

接下來MCU用一個模30的計數(shù)器來產(chǎn)生date_req信號，請求MAC層返回一個OFDM符號所需的18 Bytes數(shù)據(jù)，同時用計數(shù)器n_sym_counter(PSDU包含的字節(jié)數(shù)length)減去18。由于MAC層時鐘為3.75 MHz，因此，OFDM 符號間隔正好為 8 μs。當(dāng)計數(shù)器小于或等于0時，發(fā)送結(jié)束，請求信號data_req復(fù)位。

2.2.3 SIGNAL信號生成模塊

當(dāng)主控模塊發(fā)出SIGNAL域啟動信號signal_ack時，SIGNAL域首先經(jīng)過SIG_BUFFER模塊，生成24 bits的 SIGNAL域信號，包括 rate(4 bits)、length(12 bits)、保留位(1 bit)、奇偶校驗位(1 bit)和尾比特(6 bits)。其中，rate和length分別表示主控模塊發(fā)出的數(shù)據(jù)速率和數(shù)據(jù)長度。另外，此模塊還實現(xiàn)了并串變換，形成24 bits數(shù)據(jù)以5 MHz時鐘進(jìn)行串行輸出。

2.2.4 DATA域信號生成模塊

本設(shè)計采用的是16QAM調(diào)制，編碼效率為3/4［7］，得到數(shù)據(jù)速率為18 Mbit/s，每個OFDM符號的數(shù)據(jù)為144 bits，即18 Bytes。在設(shè)計中，假設(shè)從MAC層傳來100 Bytes的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)存放在ROM里，在收到主控模塊MCU發(fā)出的數(shù)據(jù)請求信號date_req之后，將數(shù)據(jù)輸入確認(rèn)信號(DATA_CONF)拉高18時鐘，讀取一個OFDM符號數(shù)據(jù)。

從ROM里讀出的數(shù)據(jù)要按照幀結(jié)構(gòu)，添加service字段、尾比特和填充比特以形成完整的DATA域數(shù)據(jù)。這一過程利用一個8位寬的雙口RAM配合計數(shù)器來完成，將地址0和1里的8位數(shù)據(jù)填充0，作為16 bits的service字段［8］。然后，從地址2開始寫入從ROM里讀出的數(shù)據(jù)，一直到地址length+1(這里length為100)，尾部填上6 bits的“0”當(dāng)作尾比特位，后面添加42 bits的填充比特(PAD)位(全部為“0”)［9］。填充比特的計算公式為

NPAD=NDPS×(ceil(16+8×length+6)/NDPS)－(16+8×length+6)

上式中，ceil為取不小于該值的最小整數(shù);NDPS為一個OFDM符號的數(shù)據(jù)比特數(shù)目，本設(shè)計為144。因此，經(jīng)過組裝后的DATA域數(shù)據(jù)為864 bits數(shù)據(jù)，共6個OFDM符號。

2.2.5 IFFT模塊

在該設(shè)計中，IFFT是通過 Altera公司的 FFT V11.0 IP核來實現(xiàn)的，它與個人編寫的IFFT模塊相比，占用的資源更少，還可根據(jù)需求配置參數(shù)，提高了系統(tǒng)開發(fā)的靈活性。

在用IFFT核實現(xiàn)時，為了減小變換后的數(shù)據(jù)誤差，要對IFFT輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)放大。通過多次對IFFT IP核計算結(jié)果和MATLAB計算結(jié)果進(jìn)行比較，最后，確定將IFFT模塊輸入數(shù)據(jù)放大比例確定為64倍。這可以在IFFT模塊前通過乘法器左移6位實現(xiàn)。由于16QAM變換后的復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)是8位，我們將IFFT核的輸入和輸出位數(shù)設(shè)為16位。

2.2.6 添加循環(huán)前綴模塊

為了最大程度的消除符號干擾(inter symbol interference，ISI)和信道間干擾(inter channel interference，ICI)，802.11p 規(guī)定符號間間隔為 1.6 μs，并在保護(hù)間隔內(nèi)添加循環(huán)前綴。硬件實現(xiàn)時，將一個OFDM符號的前48個數(shù)據(jù)被存入RAM中，后16個數(shù)據(jù)一邊存入RAM中，一邊直接輸出，然后，再將RAM 中的 64 個數(shù)據(jù)依次讀出［10－12］。在實際實現(xiàn)時，使用2塊寬度為16 bits，深度為64的RAM進(jìn)行乒乓?guī)僮?，?dāng)前一幀數(shù)據(jù)從第1個RAM輸出時，后一幀數(shù)據(jù)存入第2個RAM，兩者輪流進(jìn)行讀寫操作，使數(shù)據(jù)實時連續(xù)處理，大大減少延時。

3 系統(tǒng)仿真與驗證

在驗證了設(shè)計中要用到的各個模塊功能正確后，在QuartusⅡ11.0sp1軟件開發(fā)環(huán)境中采用自頂向下的設(shè)計思想，依據(jù)圖1來完成整個基于802.11p的OFDM基帶系統(tǒng)設(shè)計。在設(shè)計中使用Verilog HDL硬件描述語言來完成各個模塊的設(shè)計輸入。硬件開發(fā)環(huán)境是 DE2－115開發(fā)板，F(xiàn)AGA芯片為ALTERA公司的CycloneⅣEP4CE115F29C7。

在設(shè)計時采用系統(tǒng)內(nèi)部時鐘50 MHz作為輸入時鐘，利用鎖相環(huán)產(chǎn)生設(shè)計中所需要的各個時鐘。并充分利用IP核里的現(xiàn)有模塊，例如PLL，RAM，F(xiàn)IFO、計數(shù)器和IFFT等，以提高系統(tǒng)設(shè)計的簡便可靠性，并縮短開發(fā)時間，節(jié)省硬件資源。

在對整個系統(tǒng)編譯無誤后，調(diào)用Mentor公司的Modelsim仿真軟件進(jìn)行功能仿真，仿真結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出，幀的形成過程與我們設(shè)計的完全相符，SIGNAL域符號在插入導(dǎo)頻后與DATA域的6個符號組裝在一起，然后，進(jìn)行IFFT變換及添加循環(huán)前綴操作。然后與延遲后的長短訓(xùn)練序列組裝成幀。其中，ofdm_re為輸出的OFDM符號的實部;ofdm_im為輸出的OFDM符號的虛部;ofdm_dv為輸出有效信號。

圖3 基于802.11p的OFDM基帶調(diào)制仿真圖Fig.3 Simulation of IEEE 802.11P OFDM baseband

4 結(jié)束語

本文在研究802.11p標(biāo)準(zhǔn)的物理層參數(shù)以及幀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用FPGA來設(shè)計整個OFDM基帶調(diào)制系統(tǒng)。在設(shè)計中采用了自頂向下設(shè)計思想，并把系統(tǒng)劃分為很多子模塊，以提高系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性。在設(shè)計中盡量使用現(xiàn)有的IP核來簡化設(shè)計，提高設(shè)計進(jìn)度，減少資源開銷。通過仿真驗證，該設(shè)計完全達(dá)到了802.11p標(biāo)準(zhǔn)所要求的功能。

［1］IEEE Computer Society.IEEE Std 802.11pTM－2010.IEEE Standard for Information technology—Telecommunications and information exchange between systems—Local and metropolitan area networks—Specific requirements—Part 11:Wireless LAN Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)specifications—Amendment 6:Wireless Access in Vehicular Environments［S］.New York，USA:IEEE，2010.

［2］IEEE Computer Society.IEEE Std 802.11a－1999.Sup－plement to IEEE Standard for Information technology—Telecommunications and information exchange between systems—Local and metropolitan area networks—Specific requirements—Part 11:Wireless LAN Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)Specifications:High－speed Physical Layer in the 5 GHz Band［S］.New York，USA:IEEE，1999.

［3］羅志鋒，徐洪剛，何山.車路互聯(lián)網(wǎng)的底層協(xié)議－802.11p標(biāo)準(zhǔn)［J］. 電子質(zhì)量，2011(11):45－50.LUO Zhifeng，XU Honggang，HE Shan.802.11p Standard Specification for Telecommunications and Information Exchange Between Roadside and Vehicle Systems［J］.Electronics Quality，2011(11):45－50.

［4］KIOKES G，ECONOMAKOS G，AMDITIS A，et al.Design and Implementation of an OFDM System for Vehicular Communications with FPGA Technologies［C］//2011 6th International Conference on Design＆Technology of Integrated Systems in Nanoscale Era(DTIS).Athens:DTIS，2011:1－6.

［5］MIZANI M，RAKHMATOV D.Multi－Clock Pipeline Structure for 802.11a WLAN Transceiver［C］//IEEE International Symposium on Circuitsand Systems.Seattle WA:IEEE Press，2008:1580－1583.

［6］史治國，洪少華，陳抗生.基于XILINX FPGA的OFDM通信系統(tǒng)基帶設(shè)計［M］.杭州:浙江大學(xué)出版社，2009:1－99.SHI Zhiguo，HONG Shaohua，CHEN Kangsheng.Design of OFDM communication system Baseband Based on XILINX FPGA［M］.Hangzhou:Zhe jiang University Press，2009:1－99.

［7］唐建明，孫小霞，徐位凱.基于編碼的OFDM系統(tǒng)性能仿真［J］.重慶郵電大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2009，21(3):348－352.TANG Jianming，SUN Xiaoxia，XU Weikai.Performances simulation of coded OFDM systems［J］.Journal of Chongqing University of Posts and Telecommunications:Natural Science Edition，2009，21(3):348－352.

［8］高仁璟，譚顯松，王兢，等.高速802.16d OFDM基帶系統(tǒng)研究與FPGA設(shè)計［J］.重慶郵電大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2010，22(4):411－415.GAO Renjing，TAN Xiansong，WANG Jing，et al.High speed OFDM baseband systems in 802.16d and its FPGA design［J］.Journal of Chongqing University of Posts and Telecommunications:Natural Science Edition，2010，22(4):411－415.

［9］郭繼經(jīng)，李曉飛，張國棟.IEEE802.11a的OFDM基帶調(diào)制的FPGA 實現(xiàn)［J］.電視技術(shù)，2010，34(S1):90－93.GUO Jijing，LI Xiaofei，ZHANG Guodong.Implementation of OFDM Baseband of IEEE802.1la Based on FPGA［J］.Video Engineering，2010，34(S1):90－93.

［10］崔麗珍，樊曉冬，劉乃君，等.基于FPGA的OFDM基帶發(fā)送系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［J］.電視技術(shù)，2012，36(21):120－123.CUI Lizhen，F(xiàn)AN Xiaodong，LIU Naijun，et al.Design and Implementation of OFDM Baseband Sending System Based on FPGA［J］.Video Engineering，2012，36(21):120－123.

［11］HECHRI A，ABDELLATIF M.FPGA Implementation of an OFDM Baseband Transmitter［C］//2011 International Conference on Communications，Computing and Control Applications(CCCA).Hammamet:CCCA，2011:1－4.

［12］劉松林，嚴(yán)家明，李超.基于 FPGA的 MIMO－OFDM基帶系統(tǒng)發(fā)射機(jī)的設(shè)計［J］.電子設(shè)計工程，2012，20(15):110－112.LIU Songlin，YAN Jiaming，LI Chao.Design of MIMOOFDM baseband system transmitter based on FPGA［J］.Electronic Design Engineering，2012，20(15):110－112.