IEEE 802.11p物理层 OFDM 调制器的设计

张家波，刘兴迪，杨 庆

(重庆邮电大学移动通信技术重点实验室，重庆400065)

0 引言

近年来，汽车产业得到了快速发展，在它给人们的交通带来方便的同时也显现出了一些问题，例如交通安全和交通堵塞等。基于无线通信技术的车联网技术为解决这些问题提供了有效途径。车联网系统主要是指车与车(vehicle－to－vehicle，V2V)以及车与路面基础设施(vehicle－to－infrastructure，V2I)之间的无线通信，它可以大大提高交通的安全性。以后车联网会有更多的应用，例如，对实时数据的交通管理以及使车辆对交通拥塞快速地做出反应等。

车联网是基于IEEE 802.11p无线局域网标准的。802.11p 标准是由 802.11a 扩充而来［1－2］，针对其高速移动的使用环境对802.11a的物理层和MAC(media access control)层做了很多修改。802.11p物理层的核心技术仍然是使用OFDM(orthogonal frequency division multiplexing)调制技术。

本文在研究802.11p的物理层参数的基础上，提出了其OFDM发送端基带设计的总体框架和详细流程。使用Verilog HDL硬件描述语言，在Quar－tusⅡ开发环境中设计综合和验证，结果证明该设计符合802.11p的要求。

1 802.11p 物理层参数

802.11p在物理层上对802.11a上的修改主要是将工作频带变为5.850～5.925 GHz，75 MHz被划分为7个10 MHz的信道，频率最低的5 MHz作安全空白。其中，一个信道作为控制信道，而其他6个作为服务信道。这样，信号的带宽由802.11a的20 MHz变为10 MHz，物理层的参数在时域上变为802.11a的2倍［3］。信号带宽的减小可以降低多普勒扩展的影响，保护间隔的增大可以减小多径效应引起的码间干扰。802.11p物理层的主要参数如表1所示［4］。

表1 802.11p物理层的主要参数Tab.1 Main characteristic values of IEEE 802.11P

从表1可以看出，802.11p的调制方式，编码方式以及帧的结构与802.11a都非常相似，只是与时间有关的参数变为802.11a的2倍，相应数据速率变为802.11a的一半。数据速率由调制方式和编码效率决定，三者对应关系可以参考文献［3］。

2 802.11p基带调制器设计

2.1 系统总体设计

802.11p的物理层协议数据单元(physical protocol data unit，PPDU)帧结构主要包括3部分，即训练序列;SIGNAL域和DATA域。其中，训练序列包括10个重复的短训练序列和2个重复的长训练序列;SIGNAL域主要包含数据长度和数据速率的信息;而DATA域中的PSDU是MAC层所要传输的数据，这部分数据才是有效载荷数据［3］。

根据802.11p的物理层参数和帧结构，我们设计802.11p的发送端基带设计如图1所示。

基带数据处理流程可以分成3个部分并行处理，即训练符号生成模块;SIGNAL域符号和DATA域符号的形成过程。其中，训练符号是确定的数据，将其存储在ROM中，当SIGNAL域和DATA域符号形成后将其按照帧格式进行读出，与SIGNAL域和DATA域符号合并成完整的发送端数据帧。

2.2 关键模块设计

2.2.1 时钟生成模块

由于802.11p的信号带宽为10 MHz，因此，使用10 MHz时钟作为整个基带处理器的系统时钟(SYS_CLK)。对于DATA域而言，由于该设计采用的是16QAM调制，因此，星座映射模块输入端的时钟为40 MHz(CB_CLK);编码效率为3/4，因此，在编码前数据输入时钟为30 MHz(DIN_CLK);MAC层送往物理层的数据为字节格式，因此，MAC层时钟大小为30 MHz/8=3.75 MHz(MAC_CLK)。对于SIGNAL域而言:由于调制使用的是BPSK调制，因此，映射模块输入端时钟为系统时钟，编码效率为1/2，因此，编码输入时钟为 5 MHz(SIG_CLK)［5］。

图1 802.11p发送端OFDM基带设计框图Fig.1 802.11p transmitter block diagram for the OFDM baseband

2.2.2 主控模块

主控模块MCU用来控制与协调子模块的工作，以保证整个处理器时序的精确同步，另外，还承担着与 MAC 层的握手［6］。

MCU的工作过程可以用状态机来描述，如图2所示。

图2 主控模块MCU状态机Fig.2 State machine of MCU block

系统启动时glb_rst为低电平，完成系统时钟模块和MCU中控制信号的复位。当MCU收到请求信号txstart_req后，发送复位信号phy_rst进行各个模块(除系统工作时钟和MCU模块外)的初始化。同时输入21 bits的phy_txstart信号，包含PSDU帧长，用length(12 bits)表示;数据速率 rate_con(6 bits)和发射功率(3 bits)。当MCU接收完phy－txstart信号后，将 length，rate_con及加扰模块初始化信号scram_seed送入相应模块输入端口。接下来启动主计数器 main_counter，按照要求的时序依次输出短训练序列启动信号short_ack，长训练序列启动信号long_ack和SIGNAL域启动信号signal_ack。

接下来MCU用一个模30的计数器来产生date_req信号，请求MAC层返回一个OFDM符号所需的18 Bytes数据，同时用计数器n_sym_counter(PSDU包含的字节数length)减去18。由于MAC层时钟为3.75 MHz，因此，OFDM 符号间隔正好为 8 μs。当计数器小于或等于0时，发送结束，请求信号data_req复位。

2.2.3 SIGNAL信号生成模块

当主控模块发出SIGNAL域启动信号signal_ack时，SIGNAL域首先经过SIG_BUFFER模块，生成24 bits的 SIGNAL域信号，包括 rate(4 bits)、length(12 bits)、保留位(1 bit)、奇偶校验位(1 bit)和尾比特(6 bits)。其中，rate和length分别表示主控模块发出的数据速率和数据长度。另外，此模块还实现了并串变换，形成24 bits数据以5 MHz时钟进行串行输出。

2.2.4 DATA域信号生成模块

本设计采用的是16QAM调制，编码效率为3/4［7］，得到数据速率为18 Mbit/s，每个OFDM符号的数据为144 bits，即18 Bytes。在设计中，假设从MAC层传来100 Bytes的数据，这些数据存放在ROM里，在收到主控模块MCU发出的数据请求信号date_req之后，将数据输入确认信号(DATA_CONF)拉高18时钟，读取一个OFDM符号数据。

从ROM里读出的数据要按照帧结构，添加service字段、尾比特和填充比特以形成完整的DATA域数据。这一过程利用一个8位宽的双口RAM配合计数器来完成，将地址0和1里的8位数据填充0，作为16 bits的service字段［8］。然后，从地址2开始写入从ROM里读出的数据，一直到地址length+1(这里length为100)，尾部填上6 bits的“0”当作尾比特位，后面添加42 bits的填充比特(PAD)位(全部为“0”)［9］。填充比特的计算公式为

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

上式中，ceil为取不小于该值的最小整数;NDPS为一个OFDM符号的数据比特数目，本设计为144。因此，经过组装后的DATA域数据为864 bits数据，共6个OFDM符号。

2.2.5 IFFT模块

在该设计中，IFFT是通过 Altera公司的 FFT V11.0 IP核来实现的，它与个人编写的IFFT模块相比，占用的资源更少，还可根据需求配置参数，提高了系统开发的灵活性。

在用IFFT核实现时，为了减小变换后的数据误差，要对IFFT输入数据进行适当放大。通过多次对IFFT IP核计算结果和MATLAB计算结果进行比较，最后，确定将IFFT模块输入数据放大比例确定为64倍。这可以在IFFT模块前通过乘法器左移6位实现。由于16QAM变换后的复数数据是8位，我们将IFFT核的输入和输出位数设为16位。

2.2.6 添加循环前缀模块

为了最大程度的消除符号干扰(inter symbol interference，ISI)和信道间干扰(inter channel interference，ICI)，802.11p 规定符号间间隔为 1.6 μs，并在保护间隔内添加循环前缀。硬件实现时，将一个OFDM符号的前48个数据被存入RAM中，后16个数据一边存入RAM中，一边直接输出，然后，再将RAM 中的 64 个数据依次读出［10－12］。在实际实现时，使用2块宽度为16 bits，深度为64的RAM进行乒乓帧操作，当前一帧数据从第1个RAM输出时，后一帧数据存入第2个RAM，两者轮流进行读写操作，使数据实时连续处理，大大减少延时。

3 系统仿真与验证

在验证了设计中要用到的各个模块功能正确后，在QuartusⅡ11.0sp1软件开发环境中采用自顶向下的设计思想，依据图1来完成整个基于802.11p的OFDM基带系统设计。在设计中使用Verilog HDL硬件描述语言来完成各个模块的设计输入。硬件开发环境是 DE2－115开发板，FAGA芯片为ALTERA公司的CycloneⅣEP4CE115F29C7。

在设计时采用系统内部时钟50 MHz作为输入时钟，利用锁相环产生设计中所需要的各个时钟。并充分利用IP核里的现有模块，例如PLL，RAM，FIFO、计数器和IFFT等，以提高系统设计的简便可靠性，并缩短开发时间，节省硬件资源。

在对整个系统编译无误后，调用Mentor公司的Modelsim仿真软件进行功能仿真，仿真结果如图3所示。从图3中可以看出，帧的形成过程与我们设计的完全相符，SIGNAL域符号在插入导频后与DATA域的6个符号组装在一起，然后，进行IFFT变换及添加循环前缀操作。然后与延迟后的长短训练序列组装成帧。其中，ofdm_re为输出的OFDM符号的实部;ofdm_im为输出的OFDM符号的虚部;ofdm_dv为输出有效信号。

图3 基于802.11p的OFDM基带调制仿真图Fig.3 Simulation of IEEE 802.11P OFDM baseband

4 结束语

本文在研究802.11p标准的物理层参数以及帧结构的基础上，利用FPGA来设计整个OFDM基带调制系统。在设计中采用了自顶向下设计思想，并把系统划分为很多子模块，以提高系统的可靠性和可维护性。在设计中尽量使用现有的IP核来简化设计，提高设计进度，减少资源开销。通过仿真验证，该设计完全达到了802.11p标准所要求的功能。

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