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一种基于FPGA的无线局域网接入实现

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无线局域网是目前通信领域研究的一个热点 ， 其MAC层协议采用的是一种载波侦听多址接入/冲突避免（CSMA/CA）的方式 。对于无线局域网的分布式系统（DS）而言 ， 可以采用有线的方式来实现 ， 因此无线网与有线网的互连互通显得很要害 。本文将介绍一种基于现场可编程门阵列（FPGA）来实现以太网（IEEE802.3）数据与无线局域网（IEEE802.11）数据的桥接与转换 ， 以完成有线接入与无线传输的网桥功能 。
FPGA是与传统PLD不同的一类可编程ASIC ， 它是将门阵列的通用结构与PLD的现场可编程特性结合于一体的新型器件 ， 最早由美国Xilinx公司于1985年推出 。FPGA具有集成度高、通用性好、设计灵活、开发周期短、编程方便、产品上市快捷等特点 ， 它的门数可达100万门以上 。近年来 ， FPGA在通信系统的硬件设计方面应用的越来越广泛 。
系统硬件平台设计及功能描述
该系统（以下称为MAC板）处于PHY层（物理层）基带处理板与客户多媒体数据接入之间 ， 一方面要将用户数据接入系统 ， 经过基带处理后进行无线传输；另一方面 ， 无线端解调解码后的数据要经过该系统转送给用户 。系统的硬件平台设计首先考虑采用专用ASIC芯片 ， 对于板内、板间自定义的接口采用FPGA编程来实现 ， 见图1 。
发送方式（Ethernet To Wireless）：客户端数据（模拟信号）由双绞线从RJ-45接口进入隔离变压器 ， 隔离变压器主要功能是隔离直流等干扰；模拟信号进入PHY芯片 ， 滤波 ， 整形 ， 4B/5B解码 ， 从MII（Media Independent Interface）变为4位数据并行输出；并行信号进入FPGA实现串行MPDU（MAC Protocol Data Unit）的生成；最后从基带接口发送给后续部分 ， 以实现无线传输 。
接收方式（Wireless To Ethernet）：接收是发送的逆过程 。从PHY层基带处理模块来的串行MPDU数据流经FPGA处理后变成4位并行的符合IEEE802.3格式的数据帧 ， PHY芯片从MII接收数据 ， 4B/5B编码 ， 转化为MLT3（多电平传输）格式模拟信号 ， 预整形 ， 发送到隔离变压器；信号经隔离变压器 ， 到RJ-45接口、双绞线到达用户端 。
需要说明的是 ， 该系统的MPDU并没有完全按照无线局域网IEEE802.11规范来设计 ， 而是作了很大的简化 ， 只力求把以太网的数据无线转发同时能接收进来就可以 ， 目的是给后续的研究提供一个基础 。IEEE802.3数据帧和MPDU帧格式如图2所示 。把IEEE802.3帧除去Preamble之外的部分当作MPDU的数据 ， 内部并不作处理 。由于最长的以太网帧为1518字节 ， 所以Data域实际上控制在1.5K字节左右 ， 用12bit表示长度已经够了 。
MII数据与MPDU之间的转换
根据需求和成本综合考虑 ， 这里FPGA采用Xilinx公司的Virtex-E XCV300E器件 。它具有高性能、大容量、处理速度快等优点 ， 而且比起Virtex-Ⅱ系列的器件价格低廉 。FPGA在这里实现的其实就是一个连续帧数据流的帧头处理及并/串转换 。按照功能来说分为发送（Ethernet To Wireless）和接收（Wireless To Ethernet）两个相对独立的模块 。
发送模块
主要负责给无线局域网PHY层提供数据流 ， 大体描述其工作过程为：（1）从MII接收来的数据去掉Preamble后经双口RAM缓存 ， 再经一个4位寄存器作并/串转换后输出；（2）根据MPDU的需要 ， 在数据输出之前要先输出表示帧长的Length ， 它由Write计数器计数产生 ， 经Length存储器缓存 ， 再经一个12位寄存器作并/串转换后输出；（3）由两个状态机为核心构成控制部分 ， 完成对整个数据流的控制 。图3给出了发送功能的框图 。下面将就主要模块分别简要说明 。
前端同步处理：发送时10MHz以太网数据到达MII时分成4路并行 ， 并提供2.5MHz输入时钟；接收时基带处理部分除了提供数据MPDU ， 还提供了6.25MHz的输入时钟 。考虑到数据、使能以及时钟之间的相位关系可能会受传输路径的影响而发生错位 ， 所以在接入时让数据和使能都先经过由该时钟触发的D触发器 ， 使它们与时钟的相位关系重新明确 ， 以便于后续的处理 。

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