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一種基于FPGA的無線局域網(wǎng)接入實現(xiàn)

云知道


無線局域網(wǎng)是目前通信領(lǐng)域研究的一個熱點 ， 其MAC層協(xié)議采用的是一種載波偵聽多址接入/沖突避免（CSMA/CA）的方式 。對于無線局域網(wǎng)的分布式系統(tǒng)（DS）而言 ， 可以采用有線的方式來實現(xiàn) ， 因此無線網(wǎng)與有線網(wǎng)的互連互通顯得很要害 。本文將介紹一種基于現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）來實現(xiàn)以太網(wǎng)（IEEE802.3）數(shù)據(jù)與無線局域網(wǎng)（IEEE802.11）數(shù)據(jù)的橋接與轉(zhuǎn)換 ， 以完成有線接入與無線傳輸?shù)木W(wǎng)橋功能 。
FPGA是與傳統(tǒng)PLD不同的一類可編程ASIC ， 它是將門陣列的通用結(jié)構(gòu)與PLD的現(xiàn)場可編程特性結(jié)合于一體的新型器件 ， 最早由美國Xilinx公司于1985年推出 。FPGA具有集成度高、通用性好、設(shè)計靈活、開發(fā)周期短、編程方便、產(chǎn)品上市快捷等特點 ， 它的門數(shù)可達(dá)100萬門以上 。近年來 ， FPGA在通信系統(tǒng)的硬件設(shè)計方面應(yīng)用的越來越廣泛 。
系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計及功能描述
該系統(tǒng)（以下稱為MAC板）處于PHY層（物理層）基帶處理板與客戶多媒體數(shù)據(jù)接入之間 ， 一方面要將用戶數(shù)據(jù)接入系統(tǒng) ， 經(jīng)過基帶處理后進行無線傳輸；另一方面 ， 無線端解調(diào)解碼后的數(shù)據(jù)要經(jīng)過該系統(tǒng)轉(zhuǎn)送給用戶 。系統(tǒng)的硬件平臺設(shè)計首先考慮采用專用ASIC芯片 ， 對于板內(nèi)、板間自定義的接口采用FPGA編程來實現(xiàn) ， 見圖1 。
發(fā)送方式（Ethernet To Wireless）：客戶端數(shù)據(jù)（模擬信號）由雙絞線從RJ-45接口進入隔離變壓器 ， 隔離變壓器主要功能是隔離直流等干擾；模擬信號進入PHY芯片 ， 濾波 ， 整形 ， 4B/5B解碼 ， 從MII（Media Independent Interface）變?yōu)?位數(shù)據(jù)并行輸出；并行信號進入FPGA實現(xiàn)串行MPDU（MAC Protocol Data Unit）的生成；最后從基帶接口發(fā)送給后續(xù)部分 ， 以實現(xiàn)無線傳輸 。
接收方式（Wireless To Ethernet）：接收是發(fā)送的逆過程 。從PHY層基帶處理模塊來的串行MPDU數(shù)據(jù)流經(jīng)FPGA處理后變成4位并行的符合IEEE802.3格式的數(shù)據(jù)幀 ， PHY芯片從MII接收數(shù)據(jù) ， 4B/5B編碼 ， 轉(zhuǎn)化為MLT3（多電平傳輸）格式模擬信號 ， 預(yù)整形 ， 發(fā)送到隔離變壓器；信號經(jīng)隔離變壓器 ， 到RJ-45接口、雙絞線到達(dá)用戶端 。
需要說明的是 ， 該系統(tǒng)的MPDU并沒有完全按照無線局域網(wǎng)IEEE802.11規(guī)范來設(shè)計 ， 而是作了很大的簡化 ， 只力求把以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)無線轉(zhuǎn)發(fā)同時能接收進來就可以 ， 目的是給后續(xù)的研究提供一個基礎(chǔ) 。IEEE802.3數(shù)據(jù)幀和MPDU幀格式如圖2所示 。把IEEE802.3幀除去Preamble之外的部分當(dāng)作MPDU的數(shù)據(jù) ， 內(nèi)部并不作處理 。由于最長的以太網(wǎng)幀為1518字節(jié) ， 所以Data域?qū)嶋H上控制在1.5K字節(jié)左右 ， 用12bit表示長度已經(jīng)夠了 。
MII數(shù)據(jù)與MPDU之間的轉(zhuǎn)換
根據(jù)需求和成本綜合考慮 ， 這里FPGA采用Xilinx公司的Virtex-E XCV300E器件 。它具有高性能、大容量、處理速度快等優(yōu)點 ， 而且比起Virtex-Ⅱ系列的器件價格低廉 。FPGA在這里實現(xiàn)的其實就是一個連續(xù)幀數(shù)據(jù)流的幀頭處理及并/串轉(zhuǎn)換 。按照功能來說分為發(fā)送（Ethernet To Wireless）和接收（Wireless To Ethernet）兩個相對獨立的模塊 。
發(fā)送模塊
主要負(fù)責(zé)給無線局域網(wǎng)PHY層提供數(shù)據(jù)流 ， 大體描述其工作過程為：（1）從MII接收來的數(shù)據(jù)去掉Preamble后經(jīng)雙口RAM緩存 ， 再經(jīng)一個4位寄存器作并/串轉(zhuǎn)換后輸出；（2）根據(jù)MPDU的需要 ， 在數(shù)據(jù)輸出之前要先輸出表示幀長的Length ， 它由Write計數(shù)器計數(shù)產(chǎn)生 ， 經(jīng)Length存儲器緩存 ， 再經(jīng)一個12位寄存器作并/串轉(zhuǎn)換后輸出；（3）由兩個狀態(tài)機為核心構(gòu)成控制部分 ， 完成對整個數(shù)據(jù)流的控制 。圖3給出了發(fā)送功能的框圖 。下面將就主要模塊分別簡要說明 。
前端同步處理：發(fā)送時10MHz以太網(wǎng)數(shù)據(jù)到達(dá)MII時分成4路并行 ， 并提供2.5MHz輸入時鐘；接收時基帶處理部分除了提供數(shù)據(jù)MPDU ， 還提供了6.25MHz的輸入時鐘 ?？紤]到數(shù)據(jù)、使能以及時鐘之間的相位關(guān)系可能會受傳輸路徑的影響而發(fā)生錯位 ， 所以在接入時讓數(shù)據(jù)和使能都先經(jīng)過由該時鐘觸發(fā)的D觸發(fā)器 ， 使它們與時鐘的相位關(guān)系重新明確 ， 以便于后續(xù)的處理 。

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