IEEE 802.11a数字基带处理器的并行流水结构设计

作者Email: zhaopk00@mails.tsinghua.edu.cn

摘  要  本文针对IEEE 802.11a数字基带处理过程，提出了一种并行流水结构。发射过程和接收过程分别采用三级流水并行处理，以此为基础完成了整个数字基带处理器的设计和实现。所提出的并行流水结构显著提高了系统的数据吞吐能力，降低了资源占用量。硬件设计已经通过系统仿真，每级流水阶段的并行运算效率都达到了100％，单元运算的流水效率达到85％以上。

关键词  并行流水结构；   IEEE 802.11a；   数字基带处理器.  

1．  引言

无线局域网标准IEEE 802.11a [1]采用了OFDM调制方式，具有较好的抗窄带干扰和抗多径能力，最高数据传输速率达到54Mbits/s，是一种适合于构建无线家庭多媒体网络的传输技术。为取得处理速度和芯片规模之间较好的折衷，IEEE 802.11a基带处理器的设计应采用合适的系统结构和运行方式，从而有效降低硬件复杂度，增强系统通用性和可移植性，提高系统性能。

本文作者已建立了基于IEEE 802.11a物理层标准，采用DSP+FPGA结构的OFDM无线传输系统平台。在此基础上，完成了单片数字基带处理器的FPGA设计集成。基带处理器的设计采用了并行流水结构[2, 3]。这种结构可以有效提高系统数据吞吐能力，降低硬件资源占用量，非常适于采用帧结构处理的IEEE 802.11a物理层。本文首先扼要描述所设计的基带处理器的体系结构，在此基础上详细讨论整个芯片的并行流水结构，最后给出实现结果。

2．  基带处理器体系结构

IEEE 802.11a物理层标准采用OFDM调制方式，工作于5GHz频段，支持6～54Mbits/s的净数据速率。IEEE 802.11a数字基带处理过程包括扰码、卷积、交织、IFFT/FFT变换和星座点映射等。不同的交织和星座点映射方式对应不同的工作模式和数据速率。

我们设计的数字基带处理器的体系结构如图1所示。芯片分为发射单元和接收单元两部分。由于发射和接收是时分复用的，因此可以共用一个FFT/IFFT模块。 FFT/IFFT模块的运算过程采用了时分复用基4 CORDIC算法[4]实现，模块中只有一个采用CORDIC算法的基4蝶形运算单元，按照时间先后顺序依次完成每个蝶形运算过程。这种方式虽然引入了运算延时，但是大大降低了资源占用；而其引入的运算延时通过本文所提出的并行流水结构得到解决，从而优化了芯片设计。

从图1可以看到，在发射单元，扰码模块、卷积模块和交织映射模块共同组成了编码过程，IFFT变换模块组成了变换过程，加保护间隔、成形滤波器和数字上变频组成了输出过程；在接收单元，下变频模块、匹配滤波模块和去除保护间隔构成了输入过程，FFT变换模块构成了变换过程，而解映射、解交织、维特比译码和解扰模块共同构成了解码过程。这些过程运算耗时相差不大，有利于进行并行流水结构设计。为了提高数据吞吐量，卷积、交织、解交织和解卷积都以2bits并行方式进行工作。
芯片内共有两个全局时钟，频率为60MHz和40MHz。PHY-RF接口、输出过程和输入过程工作在40MHz，PHY-MAC接口、编码过程、解码过程和变换过程工作在60MHz。

3．  并行流水结构设计

   采用并行流水结构设计，需要将算法分割为若干级（level），而流水结构的每个阶段（stage）则对应于算法的每一级（level）[2]。针对本系统设计的要求，我们将发射单元和接收单元分别进行算法分级，依此设计相应的并行流水结构。
3.1  发射单元流水结构
发射单元须保证输出过程的连续性。以每个OFDM符号以20MHz的速率输出80个采样点为例，在60MHz系统主时钟下，输出过程需要240个周期。如果以输出过程为一级算法，那么每一级都不能超过240个时钟周期。
发射单元的算法分级如下：首先，输出过程（表示为运算C）单独设置为一级（level）。变换过程，IFFT/FFT模块（表示为运算B）采用时分复用方式调用蝶形运算单元，完成一次变换需要211个周期，可以设置为一级（level）。编码过程（表示为运算A）的卷积和交织都以2bits并行工作，对于一个OFDM符号，扰码引入1个周期的延时，卷积引入1个周期的延时，交织最多需要216个时钟周期（在54Mbits/s模式下），因此整个编码过程最多需要218个时钟周期，设置为一级(level)。

发射单元流水结构分为三个阶段（stage），对应于发射算法的三级（level）。图2表示了发射单元流水结构的情况。流水结构各个阶段之间通过RAM存储单元进行数据交换。流水结构的三个阶段采用并行工作的方式，可以提高数据吞吐量。

3.2  接收单元流水设计

接收单元要保证完整的接收数据。与发射单元不同的是，在接收单元，维特比解码器以2bits并行的方式工作在60MHz时钟频率，因此完全可以实时读入解交织的结果，对前面的过程没有影响，算法分级中可以不考虑解码及其以后的单元。
接收单元的算法分级包括：输入过程（表示为运算C）单独设置为一级（level）。FFT模块（表示为运算B）完成一次变换过程需要211个时钟周期，设置为一级（level）。每个OFDM符号解交织并且解打孔（表示为运算A）最多需要216个周期（在54Mbits/s模式下），设置为一级（level）。

接收单元流水结构也分为三个阶段（stage），对应于接收算法的三级（level）。图3表示了接收单元流水结构。与发射单元相似，接收单元流水各个阶段之间也采用RAM作为数据交换的接口，三个阶段采用并行工作方式。

4．  设计的实现

本文设计采用VHDL语言[5]实现，选用Altera公司EPXA10F1020C1型号的FPGA。设计过程使用Synplify7.3.1进行综合，QuartusII 4.1进行布局布线，Modelsim SE 5.7e进行功能仿真和时序仿真。

设计结果中，IFFT/FFT模块占用1637个Logic Cells，解卷积模块占用2877个Logic Cells。整个数字基带处理器（不包括时钟同步和信道估计模块）占用约6K个Logic Cells，占用存储单元约32Kbits，存储单元共使用了47个ESB。

图4表示系统的仿真结果。Bit_Bus1表示编码过程总线；Ifft_Busy表示IFFT运算过程；Data_I、Data_Q表示OFDM符号的采样数据；Fft_Busy表示FFT运算过程；Bit_Bus2表示解码过程总线。仿真结果显示，每级流水阶段的并行运算效率(Efficiency of the Parallel Operation Within Each Stage of the Pipeline) [2]达到100%，最高模式（54Mbits/s）下每级流水阶段A、B、C三种运算的流水效率（Efficiency of the Pipeline）[2] 分别达到90%，88%和100%。

并行流水结构设计给IFFT/FFT过程提供了较多的运算时间，从而可以使用运算时间长、资源占用少的CORDIC迭代算法；同时由于发射单元和接收单元流水结构相似，根据时分复用的原则，这两部分可以共用运算模块和控制信号；这些有效地减少了系统的资源占用量。

5．  总结

本文针对IEEE 802.11a数字基带处理过程中帧结构处理的特点，采用并行流水结构进行设计。系统发射单元和接收单元的算法均分为了三级，每一级仅包含一种互不相同的运算；这两部分的流水结构也均分为了三个阶段，对应于各自的三级算法。三个流水阶段并行运行，提高了系统的数据吞吐能力。

本文并行流水结构设计简洁而高效，每级流水阶段的并行运算效率都达到了100％，单元运算的流水效率达到85％以上。系统核心模块IFFT/FFT变换采用CORDIC算法实现，算法所引入的较长的运算时间又通过并行流水结构加以解决，降低了硬件资源占用量。

总结本文的并行流水结构，其具有数据吞吐量大，系统工作效率高和硬件资源占用量少的特点，整个数字基带处理器的结构得到了优化。

参考文献
1．    IEEE Std 802.11a-1999, Part11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications: High Speed Physical Layer in the 5GHz Band. 
2．    da Fontoura Costa, L.; Slaets, J.F.W.; On the Efficiency of Parallel Pipelined Architectures; IEEE TRANSACTIONS ON SIGNAL PROCESSING, Volume: 39 , Issue: 9 , Sept. 1991
3．  陈国良，陈 峻，VLSI计算理论与并行算法，中国科学技术大学出版社，1991
4．  Sarmiento, R.; de Armas, V.; Lopez, J.F.; Montiel-Nelson, J.A.; Nunez, A.; A CORDIC processor
for FFT computation and its implementation using gallium arsenide technology; Very Large Scale Integration (VLSI) Systems, IEEE Transactions on , Volume: 6 , Issue: 1 , March 1998
5．    曾繁泰, 陈美金,  VHDL程序设计, 清华大学出版社, 2001