2014年论文/雷恩第一大学由布列塔尼欧洲大学盖章为的等级雷恩第一大学博士提及：信号处理和电信马蒂斯博士学校提交人甘达·斯特凡·韦德拉奥戈在IRISA研究单位（UMR 6074）计算机科学和随机系统研究所编写国立应用科学技术高等学校自动合成来自高级物理用于灵活无线电的论文于2014年12月10日在Lannion进行了答辩，评审团成员包括：唐吉·里塞特里昂INSA教授/报告员雷诺·帕卡莱Institut Mines-Télécom / Télé- com ParisTech研究主任克里斯托弗·莫伊Supelec Rennes教授/考官多米尼克·诺盖研究工程师，CEA-LETI/审查员奥利维尔·森蒂耶斯INRIA博士/博士生导师马修·戈蒂埃RCM，雷恩大学1/论文联合主任2谢谢你致我的父母，我 的 家 人 ，我的朋友。给我的主管。敬凯恩团队的成员2内容物1导言131.1物联网（IoT）和软件定义的无线电(SDR)........................................................................................................................................... 131.2设计方法131.3拟议的方法和主要贡献151.4大纲15第17章第一次见面2数字无线电和软件定义的无线电2.1导言202.2数字通信简介2.2.1符号映射212.2.2通道访问技术242.2.3脉冲成形252.3数字通信技术272.3.1DSP软件平台和编程环境272.3.2DSP硬件平台和编程环境282.4灵活的收音机292.4.1认知无线电302.4.2自适应编码和调制（ACM）技术312.5软件定义的无线电312.5.1动机和主要特征322.5.2SDR平台调查2.5.3SDR设计方法352.6用于SDR 37的FPGA平台2.7结论383感兴趣的波形3.1导言403.2IEEE802.15.4标准403.2.1ZigBee通用性403.2.2 IEEE802.15.4物理403.2.3IEEE 802.15.4 SDR收发器的最新技术3.3IEEE802.11标准453.3.1第四十五章3.3.2IEEE 802.11a物理层（PHY）453.3.3IEEE 802.11a/pSDR收发器的最新技术水平483.4结论4934物理层（PHY）的高级设计514.1导言524.2模型驱动工程524.2.1一般性524.2.2域特定语言（DSL）524.2.3Eclipse建模框架（EMF）和Xtext/Xtend 534.2.4用于嵌入式系统的一些4.3高级合成（HLS）564.3.1一点历史564.3.2高级综合基础知识574.3.3HLS 58的优势4.3.4成熟的HLS工具604.4将FPGA-SDR 61的HLS和MDE结合在一起4.4.1数据流计算模型（MoC）614.4.2SDR控制要求624.5在一个坚果壳624.6结论63第二部分捐款655用于基于FPGA的SDR的域特定语言（DSL）5.1导言685.2拟定设计流程685.2.1波形建模685.2.2波形编译695.2.3验证和确认（V V）695.2.4平台集成705.3建议的DSL 70的概念方面5.3.1平台建模705.3.2基于DSL的数据帧建模715.3.3基于DSL的数据流建模735.4基于框架的控制单元765.4.1用于基于FPGA的数据流控制的5.4.2基于帧的控制算法775.4.3在StateFlow环境80上模拟建议的HFSM5.5基于HLS/RTL的功能块库815.6结论826DSL编译框架836.1导言846.2DSL实施846.2.1解析846.2.2抽象语法树（AST）856.3DSL编译器流856.3.1AST验证856.3.2波形第87代6.4平台编程906.5结论917基于DSL的物理物理937.1引言947.2测试床描述947.2.1Nutaq Perseus6010主板957.2.2Radio420X无线电前端主板957.2.3Perseus 6010软件开发工具95内容57.3基于DSL的平台建模987.4基于DSL的IEEE802.15.4物理层997.4.1IEEE 802.15.4物理数据帧建模997.4.2IEEE 802.15.4物理收发器建模1007.5基于DSL的IEEE802.11a物理层1037.5.1IEEE 802.11a物理数据帧建模1047.5.2IEEE 802.11a物理收发器建模1057.6"自适应"关键字1087.7验证和综合结果1097.8关于开发时间111的几点评论7.9第112章8结论和观点115附录121法文摘要123B HLS规范131B.1IEEE 802.15.4物理HLS规范131B.1.1发送器131B.1.2接收器131B.2IEEE 802.11a物理HLS规范1416内容图列表2.1数字收发器由数字和模拟组件组成。.......................................................................................202.2OSI模型。.................................................................................................................................... 212.3IR、IR和16-QAM。...................................................................................................................232.4上升余弦脉冲的脉冲响应和频率响应。...................................................................................272.5哈佛建筑。...................................................................................................................................282.6摘要FPGA表示（左）和典型FPGA设计流程（右）。.........................................................292.7认知周期由三个主要状态组成。...............................................................................................302.8理想的软件定义无线电（SDR）。...........................................................................................322.9真实软件定义无线电（SDR）。...............................................................................................332.10 KUAR系统图。...........................................................................................................................342.11 GNU无线电配套GUI。..............................................................................................................373.1ZigBeePPDU格式。................................................................................................................... 423.2IEEE802.15.4发射机的物理层。................................................................................................443.3IEEE802.15.4接收器的物理特性。............................................................................................443.4IEEE 802.15.4SDR接收器。....................................................................................................... 453.5IEEE 802.11aPPDU格式。.........................................................................................................453.6IEEE802.11a发射机的物理层。.................................................................................................473.7IEEE802.11a接收器。.................................................................................................................473.8GNUradio物理IEEE802.11p接收器。......................................................................................484.1DSL处理的通用体系结构。.......................................................................................................534.2EMF可能的表示（Java、XML、UML）。............................................................................ 544.3传统协同设计流程与MOPCOM协同设计流程。.....................................................................554.4通用高级合成流程。...................................................................................................................574.5解析为CDFG 594.6数字过滤器的数据流图。...........................................................................................................624.7SDF信号流图（左）及其可能的实现（右）。....................................................................... 635.1建议的设计流程。.......................................................................................................................695.2基于DSL的平台描述。............................................................................................................... 715.3通用数据框架。...........................................................................................................................715.4通用数据帧的基于DSL的描述。...............................................................................................725.5基于DSL的FB描述。.................................................................................................................. 745.6FB等效体系结构。.................................................................................................................... 745.7基于吞吐量区域权衡的简化设计约束管理方案。75 5.8.........................................................收发器分层HSM。...................................................................................................................................775.9启用在Fi.......................................................................................................................................79上运行的FBj激活的分发5.10 控制算法示例。...........................................................................................................................795.11 在StateFlow上提出HFSM建模和仿真。..................................................................................805.12 Vivado HLS中的IEEE 802.15.4收发器匹配滤波器规范。..................................................... 815.13 IEEE 802.15.4弹射器中的收发器匹配滤波器规范。...............................................................826.1通用AST表示。...........................................................................................................................8478人物列表6.2DSL编译框架。...........................................................................................................................866.3放大到实际AST表示。...............................................................................................................866.4块级的计划设计和数据路径状态图。.......................................................................................876.5生成带有循环约束的RTL代码的tcl脚本示例。.......................................................................896.6为给定FB生成的RTL的分层视图。.......................................................................................... 906.7波形装配视图。...........................................................................................................................907.1测试床描述。...............................................................................................................................947.2验证和测试环境。.......................................................................................................................957.3英仙座条形图967.4LMS6002D收发器块图。...........................................................................................................977.5基于MBDK的手编码ZigBee收发器设计。..............................................................................987.6基于MBDK的手编码ZigBee收发器设计。..............................................................................997.7基于DSL的英仙座6010平台描述。.........................................................................................1007.8基于DSL的IEEE 802.15.4物理数据帧表示。......................................................................... 1007.9基于DSL的IEEE 802.15.4物理数据帧描述。......................................................................... 1017.10 基于DSL的IEEE 802.15.4物理传输器描述。.........................................................................1027.11 基于DSL的IEEE 802.15.4物理转发器实现。.........................................................................1037.12 基于DSL的IEEE 802.15.4物理接收器实现。.........................................................................1047.13 基于DSL的IEEE 802.15.4物理接收器描述。.........................................................................1057.14 基于DSL的IEEE 802.11a物理数据帧表示。.......................................................................... 1067.15 基于DSL的IEEE 802.11a物理数据帧描述。.......................................................................... 1067.16 基于DSL的IEEE 802.11a物理接收器描述。..........................................................................1077.17 基于DSL的IEEE 802.11a物理转发器实现。..........................................................................1087.18 基于DSL的IEEE 802.11a物理接收器实现。..........................................................................1087.19 发送（左）和接收（右）IEEE 802.15.4宽带信号。.............................................................1097.20 使用VSA解码传输的IEEE 802.15.4信号。.............................................................................1107.21 频率（左）和ZigBee（右）频谱。........................................................................................ 1117.22 CorrBench FB的吞吐量/区域权衡。......................................................................................1127.23 精确估计：CorrBench区块的吞吐量/面积权衡。............................................................... 1137.24 FFT FB的资源估计。..............................................................................................................114表列表2.1最先进SDR语言的摘要。...............................................................................................................383.1频带和数据速率。.......................................................................................................................413.2频道页面和频道编号。...............................................................................................................423.3符号到芯片映射443.4IEEE 802.11a调制速率相关参数。............................................................................................464.1不同HLS工具之间的比较研究...................................................................................................607.1IEEE 802.15.4和IEEE 802.11a接收机的资源估计。.............................................................. 111910表列表首字母缩略词和缩写ACM自适应编码和调制ADC数字到模拟转换器ASIC专用集成电路AST抽象语法树AWGN加性白高斯噪声BER位错误率BNF巴克斯-诺尔形式BPSK 二进制相变键控BSDK板软件开发套件CISC复杂指令集计算机CP循环前缀CPU中央处理器CR认知无线电DAC数字到模拟转换器DSE设计空间探索DSL域特定语言DSSS直接序列传播频谱DSP数字信号处理FB功能块FDM频分复用快速傅里叶变换FHSS跳频扩展频谱FIR有限脉冲响应FMCFPGA夹层卡FPGA现场可编程光栅FSM有限 状态 GPL通用语言GPP通用处理器HDL硬件描述语言HFSM分层有限状态机HLL高级语言HLS高水平合成通道间干扰IDE集成开发环境逆快速傅里叶变换1112首字母缩略词和缩写IIR无限脉冲响应物联网ISI符号间干扰ISM工业科学和医疗MBDK模型设计套件MAC介质访问控制模型驱动工程MoC计算模型正交频分多路复用OFQSK偏移正交移相键控OSI开放系统互连每个分组错误率物理层QAM正交幅度调制QoS服务质量参见：正交移相键控射频射频RISC简化指令集计算机RTL寄存器传输级别RX数字接收器SCA软件通信体系结构SDF同步数据流SDR软件定义无线电SNR信噪比TRX 数字化 TX数字发射机UML统一建模语言USRP通用软件无线电外围设备VDLVHSIC硬件描述语言XPSXilinx Platform Studio第一章简介1.1物联网（IoT）和软件定义无线电（SDR）物联网（IoT）[1][2]是一个有前途的概念，其目的是通过类似互联网的网络连接数万亿的通信设备（事物）。这样的事情预计将从简单的RFID标签到与各种类型的节点甚至与人类本身交互的强大智能手机。 此外，物联网将通过无线链路实现，而无需任何预定义的标准或基础设施。然而，这种技术将需要多个通信设备在有限的频谱环境中共存。为了解决这个问题，文献中已经提出了各种方法因此，认知无线电（CR）[3][4][5]、合作无线电[6][7][8]或绿色无线电[9]等解决方案被认为是实现物联网的技术。传统无线电在实施这种全新技术方面表现出一些局限性。尽管如此，他们经常使用一套专用硬件，通常一次只实现一个功能。然而，认知无线电、合作无线电或绿色无线电技术促进了能够适应其环境条件的灵活架构。软件定义无线电（SDR）是一种有前途的替代方案，也被认为是实现这些概念的关键技术SDR通过使用可编程设备促进了大多数数字形式处理阶段的实施这种架构比使用需要更少组件的专用硬件要灵活得多。它还允许您通过简单地使用软件更新随时更改收音机的功能。然而，SDR方法伴随着一些与软件可靠性和安全性相关的反馈。此外，与基于专用硬件的解决方案相比，SDR解决方案需要更多的功能。虽然这些概念已经成熟，但支持其实施的方法论或工具仍然是一个开放的研究课题。然而，重要的是要强调这样一个事实，即高效的工具集将通过显著缩短上市时间来实现更高的生产率1.2设计方法论实现数字系统的方法通常被称为设计流程，在过去的几十年里激发了大量的研究工作。因此，抽象的级别从晶体管级别一直提高到系统级别，一直到门级别和功能级别。这些突破中的每一个都受到了相当多的怀疑，尊重可实现的性能，即使他们的主要目的是让设计师更多地关注功能，而不是它的实现。因此，设计过程中的几个步骤是自动化的，这要归功于一些定制的算法，以及源代码或其他工件生成的机制。这种自动化过程通常由专用编译器支持1314第一章。引言设计方法可分为两类。单手操作，一些工具支持基于软件的技术（如微处理器或DSP微处理器）的数字应用程序的开发。他们的切入点是用高级语言（如C/C++）编写的预期应用程序的高级描述随后，该描述被编译成完全由目标处理器（机器）理解的数字（位）组成的机器语言程序集语言通常用于中间表示，然而，它由相对容易被人类解释的变量和名称组成，而不是像机器语言那样的东西。另一方面，一些工具支持基于硬件的技术（如现场可编程广域网（FPGA）或特定应用集成电路（ASIC））的数字系统这些技术使设计人员能够构建根据应用需求量身定制的定制电路架构然而，与ASIC相比，FPGA提供了更大的灵活性。因此，FPGA能够通过配置文件对定制它可以重新编程，以简单地实现不同的功能-不像ASIC，电路是硬连线的。它们的底层设计工具通常将硬件描述语言（HDL）（如VHDL或Verilog）形式的应用程序描述视为入口点通常在寄存器传输级别（RTL）执行的描述首先被合成为网表，该网表是HDL中的等效门级描述。按照此步骤，将进一步处理网表，并将其放置和路由。布局和路由工具生成HDL中未包含的布局或配置文件。这些文件既用于FPGA编程，也用于ASIC制造。一种新兴的方法是在考虑FPGA或基于ASIC的设计时提高抽象级别。被称为高级合成（HLS），它促进了高级语言作为FPGA和ASIC设计流程的入口点的使用。因此，应用程序可以首先在C/C++中为实例指定，然后直接编译到目标FPGA或ASIC的配置文件中。同样，该方法允许设计人员关注应用程序的功能，而不是底层硬件。HLS由一套学术和工业工具支持，如Calypto的弹射器和Xilinx的Vivado HLS。简而言之，当在数字系统实现过程中考虑硬件制造商时，HLS流可用于快速原型制作然而，他们更强调数据路径的设计，而不是控制路径。Hence，无论何时需要复杂的控制方案，控制方面都应该单独处理。HLS最初被认为是一个使用C/C++等本机顺序语言的处理器生成器。相关的编译器已经成功地提取了特定应用程序中的一些并行性，从而构建了一个高效的数据路径。另一只手上的控制路径在功能级别而不是系统级别处理。例如，HLS没有适当地解决状态机的规范，状态机是定义系统级应用程序的控制逻辑的在SDR的上下文中，设计工具必须支持该规范以及任何应用程序的实现，同时独立于底层硬件，这可以确保解决方案在不同平台上的可移植性此外，工具入口点应该是用于可编程性目的的高级语言，并且最终，这样的工具必须在更高的抽象级别上解决应用程序的可重构性因此，可以在文献中找到不同的建议，并且在本文档中提供了SDRFPGA技术通常用作典型SDR平台中的简单硬件加速器。矛盾的是，它也被认为是SDR的关键支持技术，因为它在设计吞吐量和功耗之间进行了权衡，同时提供了可重新配置的能力。事实上，FPGA平台在SDR社区中没有取得很多成功的主要原因主要是因为它们的编程模型依赖于HDD。这种编程模型需要深入的硬件设计知识，这与SDR的既定目标形成了鲜明对比，SDR的目标是成为一个软件密集型平台。为了解决这个问题，我们相信HLS技术可以被利用来定义基于FPGA的SDR设计流程。从本质上讲，实现数字无线电的设计方法在文献中得到了广泛的解决。然而，SDR技术带来了一些新的挑战，需要通过集成一些可以解决领域问题的相关功能来重新思考开发过程。1.3. 拟议的方法和主要贡献151.3拟议的方法和主要贡献我们的建议包括SDR规范的设计流程和基于FPGA的平台上的实现。它利用了HLS原则，允许在FPGA制造商上进行快速原型制作，同时满足系统级控制要求。建议书的切入点是域特定语言（DSL），它是根据域的需要定制的语言DSL完全是使用Xtext/Xtend框架开发的，该框架是Eclipse插件。它使设计人员能够在实例化基于HLS的功能块（FB）的同时，以更高的抽象级别捕获SDR波形的不同部分，即帧模型和数据流结构。DSL具有编译器，其目的是在实现过程中尽可能多地自动化步骤编译器进一步分析使用DSL创建的波形的描述，然后生成一组人工制品，如合成脚本和源代码。最后，在两种众所周知的波形上验证了所提出的流，即分别简单地实现ZigBee和WiFi技术的无线电通信协议的IEEE 802.15.4 PHI和IEEE 802.11a PHI收发器。总之，我们的贡献可以在下面的方式列出— 一种域特定语言（DSL），它提供快速原型化数据流应用程序所需的原语。DSL与HLS工具相结合，以便充分利用它们的产品。— 一种基于帧的算法，用于自动生成适当的控制路径，该控制路径能够处理复杂的多速率数据流规范的重新配置要求。— 一种设计空间探索场景，可正确选择组成最终设计的块。通过使用HLS进行快速原型制作，这种情况成为可能— 通过进一步分析基于DSL的描述并生成所需的人工制品（如合成脚本和源代码）来实现所提出的算法的编译器。— 在HLS中指定并与Catapult或Vivado HLS兼容的函数块库。该库包括作为IEEE 802.15.4物理物理层或IEEE 802.11a物理层的一部分的一些块。1.4大纲本文件基本分为两大部分。第一部分，第2章至第4章，题为背景，全面概述了特别提款权所涉及的各种概念。第二部分，第5章到第7章，涵盖了我们建议的细节，其中包括实现基于FPGA的SDR的设计流程。以下是章节的详细说明。— 第2章讨论了一些数字无线电原理以及底层技术。此外，本章还介绍了SDR的"大图景"，包括平台和设计方法。— 第3章详细介绍了我们在本工作中为验证目的而考虑的两种物理物理特性。这两个物理层是IEEE 802.15.4物理层和IEEE 802.11a物理层，它们分别简单地表示ZigBee和WiFi技术的无线电通信协议— 第4章介绍了旨在提高物理层设计抽象级别的方法。它引入了模型驱动工程（MDE）或HLS等概念— 第5章概述了我们的建议。本章通过一般示例讨论DSL的概念此外，还对自动生成的控制逻辑进行了讨论。— 第6章详细介绍了相关编译器的功能。因此，它提供了关于基于DSL的SDR波形描述的中间表示的更多信息，然后讨论了我们已经开发以产生最终波形的机制。— 第7章讨论了上述两种方法的规范和实现16第一章。引言具有建议流的波形。对结果进行了解释，并得出了一些结论。- 第八章首先总结了本文
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