多模WLAN基带SoC系统的设计与实现

论文摘要

软件无线电技术（SDR）可以通过下载不同的软件,动态的改变无线终端的通信方式。这一技术将深刻改变无线通信领域的面貌,是又一次通信的革命。作为其主要技术之一的多模基带处理器的设计与实现成为当今学术界和工业界的研究热点。 本文以IEEE802.11a/b无线基带协议为切入点,尝试用软件无线电SoC的方式设计与实现了一种WLAN多模基带处理器。文章首先分析了无线信道的通信模型,并建立了一个无线局域网适用的无线信道衰落模型,用于仿真和验证基带处理算法和基带处理的性能。在行为级仿真的基础上,对11a、11b基带算法实现特点进行了分析,其中重点研究了对接收性能影响最重要的时间同步、频率跟踪、相位补偿、信道估计与均衡等前导序列的接收处理算法,在行为级总结和确定了这些算法的实现方式、运算特点、运算量需求和优化的参数选择。 然后,根据算法实现分析的结果和802.11a/b基带协议的要求,本文提出了一种具体实用的软硬件划分原则,用于该SoC系统的划分。在此原则下,提出了一种创新性的专用指令处理器（ASIP）+加速器+SoC总线的软硬件实现体系架构。这种体系架构具有高度的灵活性、并行性和可扩展性,同时保持了较小的芯片面积和极低的功耗。 其次,由于SoC系统的存储器的读取操作是影响系统性能和功耗的重要因素,本文根据实际性能的要求,设计了一种高效的片上存储器系统。它具有高的数据带宽和自动地址产生功能,并能以DMA的方式在处理器核和各加速器之间进行数据传输,极大减少了对存储器的访问,降低了系统功耗。 再次,本文根据IEEE802.11a/b收发基带处理协议的要求和行为级仿真分析的结果,为固件设计的运算流程合理安排了运算时序,完成了能够满足802.11a/b基带实时收发处理的固件设计。 最后,该系统用0.18um标准CMOS工艺对设计进行了流片验证,在加载了基带收发固件后,在测试平台中观测芯片发出的基带数据和接收到的信息比特与仿真结果一致。测试结果验证了该多模基带处理器可以正确完成IEEE802.11a/b协议实时的基带收发功能,并可以通过软件的下载实现功能的更新。实践证明,本文提出的专用处理器系统架构是实现多模无线基带处理器的一种有效方式。

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 介绍
• 1.1.1 背景
• 1.1.2 本文的工作和贡献
• 1.1.3 论文组织结构
• 1.2 无线局域网的发展
• 1.2.1 无线局域网的发展及特点
• 1.2.2 IEEE 802.11协议的发展
• 1.2.3 无线局域网的分层参考模型
• 1.3 无线通信系统基带设计的内容和特点
• 1.4 802.11 /a/b/g基带协议概述
• 1.4.1 802.11a基带协议概述
• 1.4.2 802.11b基带协议概述
• 1.5 软件无线电（SDR）的特点及发展趋势
• 1.6 SoC的设计方法学
• 1.7 小结
• 第二章 无线信道衰落模型
• 2.1 无线信道模型的分类
• 2.2 无线信道的小尺度衰落模型
• 2.2.1 多径效应模型
• 2.2.2 描述多径效应的参量
• 2.2.3 多普勒效应和相干时间
• 2.2.4 小尺度衰落模型的分类
• 2.3 无线局域网适用的无线信道模型
• 2.4 小结
• 第三章 OFDM通信和802.11a基带系统设计
• 3.1 OFDM通信基本原理
• 3.2 802.11a PLCP帧结构
• 3.3 11a基带处理流程
• 3.3.1 扰码运算
• 3.3.2 卷积编码运算
• 3.3.3 交织运算
• 3.3.4 FFT/IFFT运算
• 3.3.5 符号整形和滤波
• 3.4 11a前导序列的分析与设计
• 3.4.1 分组同步
• 3.4.2 频率同步
• 3.4.3 信道估计
• 3.4.4 载波相位跟踪
• 3.5 小结
• 第四章 扩频通信和802.11b基带系统设计
• 4.1 扩频通信的定义
• 4.2 扩频通信的理论基础
• 4.3 802.11b PLCP帧结构
• 4.4 11b基带处理流程
• 4.4.1 扩频运算
• 4.4.2 信道估计与均衡
• 4.4.3 CCK调制和解调
• 4.5 系统仿真
• 4.6 小结
• 第五章 WLAN基带处理器结构选择
• 5.1 基带处理器实现方式的选择
• 5.2 WLAN基带处理算法特点
• 5.3 各种基带处理器实现方式的比较
• 5.4 WLAN基带处理器的设计要求及软硬件划分
• 5.5 基带处理器的实现架构
• 5.6 小结
• 第六章 SoC系统的设计
• 6.1 SoC网络总线架构
• 6.1.1 二维总线架构
• 6.1.2 网络的配置和路由
• 6.2 专用指令集数字信号处理器（ASIP）
• 6.2.1 专用指令集处理器的设计方法
• 6.2.2 CC6110专用指令集处理器的结构特点
• 6.3 存储器系统设计
• 6.4 加速器网络设计和行为级流水线
• 6.5 固件（firmware）设计
• 6.6 基带处理器实现
• 6.7 小结
• 第七章 SoC芯片系统测试
• 7.1 基带处理器接口关系
• 7.2 基带处理器测试板
• 7.3 系统测试平台
• 7.4 测试结果
• 7.5 小结
• 第八章 总结和展望
• 8.1 总结
• 8.2 前景展望
• 附录A 部分测试数据
• 致谢
• 攻读博士学位期间的专利申请与论文发表情况