正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)因具有良好的抗多徑干擾能力以及高效的頻譜利用率等優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)字音視頻廣播、無線局域網(wǎng)等無線通信領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，成為了下一代無線通信系統(tǒng)的核心技術(shù)[1]。但是，OFDM基帶系統(tǒng)的功能模塊多，設(shè)計(jì)工作量大。因此如何高效地測試基帶系統(tǒng)中的算法、驗(yàn)證硬件模塊的功能，是完成OFDM基帶系統(tǒng)ASIC設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

    基于高級(jí)語言進(jìn)行的軟件仿真可以驗(yàn)證算法的正確性和有效性，其實(shí)現(xiàn)容易，修改簡單，調(diào)試方便[2]。但是純軟件仿真難以完全模擬通信系統(tǒng)的實(shí)際工作環(huán)境(如實(shí)際信道衰落、實(shí)際載波頻率偏移等)，使得實(shí)現(xiàn)的算法缺乏對實(shí)際因素的應(yīng)對能力，更無法保證其硬件實(shí)現(xiàn)能很好地工作在實(shí)際環(huán)境中。硬件驗(yàn)證是ASIC前端設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟，通過FPGA平臺(tái)在實(shí)際環(huán)境中測試，可以驗(yàn)證各模塊能否正常工作[3]。但是硬件驗(yàn)證操作復(fù)雜，靈活性差，數(shù)據(jù)驗(yàn)證不直觀。若只進(jìn)行系統(tǒng)的整體驗(yàn)證，則難以定位測試中出現(xiàn)的問題。雖然各FPGA公司都提供了相應(yīng)的硬件輔助測試工具，例如Quartus II Signal Tap II邏輯分析工具等[4]，但是其存儲(chǔ)容量受限于FPGA內(nèi)部RAM的大小，而且難以利用其他軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。
    為了充分利用軟件仿真和硬件驗(yàn)證各自的優(yōu)點(diǎn)，本文提出并實(shí)現(xiàn)了一種軟硬件結(jié)合的OFDM基帶系統(tǒng)測試平臺(tái)。該平臺(tái)將基帶系統(tǒng)分成軟件基帶和硬件基帶兩部分，再將兩者用以太網(wǎng)連接成完整的基帶系統(tǒng)，既可以使軟件算法經(jīng)受實(shí)際信道的檢驗(yàn)，也可以使硬件實(shí)現(xiàn)的結(jié)果實(shí)時(shí)地經(jīng)過軟件處理，從而快速地定位硬件實(shí)現(xiàn)中的問題。
    下面首先介紹OFDM基帶系統(tǒng)模型；然后詳細(xì)介紹OFDM基帶系統(tǒng)驗(yàn)證平臺(tái)設(shè)計(jì)；最后以實(shí)例說明該驗(yàn)證平臺(tái)在實(shí)際算法仿真和硬件驗(yàn)證中的工作過程，并給出相應(yīng)的結(jié)果。

    OFDM基帶系統(tǒng)的模塊眾多，使其算法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度高，硬件驗(yàn)證難度大。因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)統(tǒng)一平臺(tái)，一方面可以進(jìn)行軟件算法研究及性能分析；另一方面可以對硬件描述語言實(shí)現(xiàn)的算法進(jìn)行驗(yàn)證。

2 基帶驗(yàn)證系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
    圖2為基帶驗(yàn)證系統(tǒng)架構(gòu)圖。整個(gè)OFDM基帶驗(yàn)證系統(tǒng)包括硬件部分與軟件部分，其中硬件部分包括射頻前端模塊和硬件基帶處理模塊；軟件包括軟件基帶單元和UDP數(shù)據(jù)傳輸程序。

2.1 射頻前端模塊
    射頻前端模塊主要是實(shí)現(xiàn)基帶信號(hào)和射頻信號(hào)之間的調(diào)制解調(diào)，主要包括：(1)本振LO和鎖相環(huán)PLL，用于產(chǎn)生穩(wěn)定的載波信號(hào)；(2)射頻調(diào)制器和射頻解調(diào)器，用于實(shí)現(xiàn)基帶信號(hào)與射頻信號(hào)間的調(diào)制與解調(diào)；(3)功率放大器PA，用于將射頻信號(hào)功率放大并經(jīng)天線發(fā)送出去；(4)低噪聲放大器LNA，用于放大天線接收到的微弱射頻信號(hào)；(5)可變增益放大器VGA，用于將解調(diào)后的基帶信號(hào)放大為幅值合適的信號(hào)傳給AD。射頻前端模塊可根據(jù)載波頻率、發(fā)射功率及接收端的放大倍數(shù)等選擇合適的解決方案。射頻板上留有SPI和I2C接口，用來實(shí)現(xiàn)對射頻前端各部分的配置。
2.2 基帶處理模塊
    基帶處理模塊是整個(gè)驗(yàn)證平臺(tái)的核心部分，如圖3所示。該模塊一端通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的全雙工通信，另一端通過AD/DA連接射頻前端模塊。在FPGA內(nèi)部，主要集成了微控制器MCU、以太網(wǎng)控制器MAC、直接內(nèi)存訪問控制模塊DMA、發(fā)送和接收FIFO及OFDM基帶系統(tǒng)中的硬件基帶單元。

    微控制器MCU是兼容51指令集的8 bit微處理器，用于控制系統(tǒng)的運(yùn)行。例如配置DMA實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在MAC和發(fā)送接收FIFO之間的傳輸；通過SPI/I2C總線配置射頻前端模塊；在下位機(jī)實(shí)現(xiàn)基于UDP協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?br/>     以太網(wǎng)控制器MAC主要協(xié)助MCU完成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的收發(fā)工作。圖3特別標(biāo)示出MAC模塊實(shí)現(xiàn)了對廣播包的過濾功能。由于FPGA上的MCU工作頻率為16 MHz，百兆以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)12.5 MB/s，為了避免大量的廣播數(shù)據(jù)占用過多的MCU資源，廣播包可以由MCU設(shè)置禁止接收，從而在MAC層得到過濾，使系統(tǒng)的整體工作效率得到提高。
    DMA用于完成收發(fā)FIFO與MAC之間的數(shù)據(jù)傳輸。由于MCU的處理速度受限，因此在數(shù)據(jù)包的收發(fā)過程中，MCU只處理數(shù)據(jù)包的報(bào)頭部分，而將大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)傳輸交給DMA處理。往PC傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，在MCU準(zhǔn)備好報(bào)頭數(shù)據(jù)之后，DMA獲得MAC的訪問權(quán)限并將接收FIFO中的數(shù)據(jù)傳送到MAC；從PC接收數(shù)據(jù)時(shí)，DMA在MCU處理了報(bào)頭數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)由MAC傳送到發(fā)送FIFO中。
    兩個(gè)FIFO模塊作為以太網(wǎng)接口和硬件基帶單元之間的數(shù)據(jù)緩沖，有3個(gè)特點(diǎn)：(1)采用異步設(shè)計(jì)，因?yàn)镸AC的時(shí)鐘頻率為25 MHz，而基帶模塊的時(shí)鐘頻率不一定相同，例如AD的采樣頻率可以為10 MHz或20 MHz。(2)連接硬件基帶單元的接口的位寬必須可配置。連接MAC的數(shù)據(jù)位寬為8 bit，而硬件基帶單元的數(shù)據(jù)接口位寬則隨著測試模塊的不同而有所不同，例如測試數(shù)字解調(diào)模塊時(shí)，QPSK解調(diào)之后的位寬為2 bit，而16QAM解調(diào)之后的位寬為4 bit，因此相應(yīng)的FIFO的位寬必須可配置。(3)FIFO的存儲(chǔ)器可配置為FPGA內(nèi)部RAM或外部SDRAM。當(dāng)數(shù)據(jù)量不大而實(shí)時(shí)性要求高時(shí)可選用內(nèi)部RAM；當(dāng)數(shù)據(jù)量大而實(shí)時(shí)性要求不高時(shí)可選用外部SDRAM。
    硬件基帶單元是系統(tǒng)驗(yàn)證對象的實(shí)體，是待驗(yàn)證算法的硬件實(shí)現(xiàn)。硬件基帶單元和運(yùn)行于上位機(jī)的軟件基帶單元組成了圖1所示的完整基帶系統(tǒng)。
2.3 軟件基帶單元
    軟件基帶單元是用C、C++等高級(jí)語言實(shí)現(xiàn)的運(yùn)行于上位機(jī)的基帶模塊。軟件仿真作為硬件IP核設(shè)計(jì)的首要步驟，可以驗(yàn)證算法的正確性和有效性。算法確定之后，再用硬件描述語言將其移植到硬件基帶單元，驗(yàn)證其實(shí)現(xiàn)的效果。由于整個(gè)硬件平臺(tái)的操作是基于實(shí)際的射頻模塊和實(shí)際的無線信道，因此基帶芯片在實(shí)際環(huán)境中遇到的干擾在軟件算法驗(yàn)證開始時(shí)就得到了真實(shí)反映，包括信道衰落、載波偏移、采樣頻率偏移等，使得基帶芯片的設(shè)計(jì)工作從軟件到硬件更具有一致性。
2.4 UDP數(shù)據(jù)傳輸
    因?yàn)橛脩魯?shù)據(jù)報(bào)UDP數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制簡單，傳輸速度快[5]，所以該驗(yàn)證平臺(tái)采用UDP協(xié)議實(shí)現(xiàn)基帶數(shù)據(jù)在軟硬件基帶單元之間的傳輸。在驗(yàn)證平臺(tái)中，MCU實(shí)現(xiàn)了基于UDP協(xié)議的服務(wù)端，而上位機(jī)則作為客戶端?；鶐?shù)據(jù)UDP包在FPGA中的處理過程已在基帶處理模塊中作了詳細(xì)介紹，這里不再贅述。
3 實(shí)例應(yīng)用說明
    由于基帶系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)主要在接收機(jī)設(shè)計(jì)中，因此本節(jié)以接收端同步模塊為例，說明OFDM基帶驗(yàn)證平臺(tái)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的工作。
    硬件驗(yàn)證系統(tǒng)的基帶處理模塊采用的FPGA是Altera公司Cyclone II系列的EP2C70。AD/DA的采樣率為20 MHz，精度為12 bit。射頻前端模塊采用單芯片解決方案，工作頻率在2.4 GHz頻段。如圖4所示，兩套系統(tǒng)分別用于發(fā)送和接收。

    發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)幀格式參考802.11a的幀格式[6]。一幀數(shù)據(jù)以10個(gè)16點(diǎn)的短訓(xùn)練序列開始；接著是32點(diǎn)的保護(hù)間隔和2個(gè)64點(diǎn)的長訓(xùn)練序列；然后是80點(diǎn)的Signal段，采用BPSK調(diào)制；最后是若干個(gè)以80點(diǎn)為單位的數(shù)據(jù)塊，測試時(shí)設(shè)置為22個(gè)數(shù)據(jù)塊，采用16QAM調(diào)制。兩幀之間的間隔為411個(gè)采樣點(diǎn)。
    首先進(jìn)行同步算法的軟件仿真。如圖5(a)所示，硬件基帶單元將AD采樣的數(shù)據(jù)直接送到接收FIFO中，再傳送到上位機(jī)進(jìn)行軟件同步測試。接收FIFO的深度設(shè)置為64 KB，根據(jù)系統(tǒng)配置，12 bit AD對IQ信號(hào)進(jìn)行一次采樣剛好是3 B，這樣接收FIFO的一次滿采樣可以得到至少7幀完整的數(shù)據(jù)。采樣數(shù)據(jù)到達(dá)上位機(jī)經(jīng)過軟件同步處理，圖6給出了處理的結(jié)果。同步算法的基本思路：同步模塊在接收能量超過設(shè)定閾值后，計(jì)算前后采樣點(diǎn)的歸一化自相關(guān)值，如圖6所示。在短訓(xùn)練序列檢測中，自相關(guān)值接近1的位置表示短訓(xùn)練序列的位置，即一幀的起始位置。幀定位成功后要進(jìn)行符號(hào)定位，找到數(shù)據(jù)塊的起始位置。同步模塊計(jì)算長訓(xùn)練序列和采樣點(diǎn)之間的互相關(guān)值，如圖6中長訓(xùn)練序列檢測的結(jié)果，在檢測到短訓(xùn)練序列后連續(xù)320個(gè)樣點(diǎn)內(nèi)，最大的兩個(gè)互相關(guān)值對應(yīng)了兩個(gè)長訓(xùn)練序列的結(jié)束點(diǎn)，從而確定了數(shù)據(jù)塊的起始位置。
    同步算法確定后再進(jìn)行同步模塊的硬件實(shí)現(xiàn)，并對硬件IP核進(jìn)行驗(yàn)證，圖5(b)是同步模塊的硬件驗(yàn)證示意圖。同步模塊檢測到幀起始后將一幀數(shù)據(jù)采樣到接收FIFO中，再傳送到上位機(jī)進(jìn)行后續(xù)的軟件傅里葉變換和信道均衡處理。圖7給出了16QAM調(diào)制信道均衡前后的星座圖。算法確定后再完成傅里葉變換和信道均衡的硬件實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證。同理，對于接收端的其他模塊，也在確定算法后逐一完成硬件實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證。

    本文給出了一種OFDM基帶系統(tǒng)軟硬件聯(lián)合測試平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案。該方案將基帶系統(tǒng)分為上位機(jī)的軟件基帶單元和FPGA的硬件基帶單元，通過以太網(wǎng)基帶系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行實(shí)時(shí)連接，為基帶系統(tǒng)的測試驗(yàn)證提供了軟硬件統(tǒng)一的平臺(tái)。本文提出的驗(yàn)證平臺(tái)基于實(shí)際的射頻模塊和無線信道，使基帶系統(tǒng)的設(shè)計(jì)從軟件仿真開始就直接面向?qū)嶋H工作環(huán)境，從而使得設(shè)計(jì)工作從軟件到硬件更具有一致性。另外，該測試平臺(tái)設(shè)計(jì)方法可移植性強(qiáng)，通過選取合適的射頻模塊，可以應(yīng)用于其他各種無線基帶系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
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