5GHz無線局域網(wǎng)系統(tǒng)模擬(圖)

ofdm信號(hào)
　　圖1是ofdm發(fā)信機(jī)和收信機(jī)的簡化框圖。輸入數(shù)據(jù)從串行轉(zhuǎn)換成并行，分配到子載波上，然后用bpsk、qpsk、16-qam或64-qam這些線性調(diào)制方法調(diào)制信號(hào)，所產(chǎn)生的ofdm信號(hào)作為調(diào)制子信號(hào)的ifft。
　　接收到的信號(hào)帶有相位旋轉(zhuǎn)，這是由于載波頻率偏移造成了信號(hào)幅度的減小。因此ofdm信號(hào)對(duì)載波頻率偏移要比簡單載波調(diào)制信號(hào)更敏感，頻率同步也就更為重要。在圖1中用于ofdm信號(hào)同步的同步功能塊包括頻率同步和時(shí)間同步。

突發(fā)格式
　　在wlan系統(tǒng)中，打包的突發(fā)信號(hào)被無序發(fā)送，因此必須建立包與包之間的同步。圖2示出基于ieee 802.11a的推薦包結(jié)構(gòu)。從圖中可看到ofdm突發(fā)實(shí)際有4個(gè)截然不同的區(qū)域。
　　第1個(gè)區(qū)域是短前同步碼（最初的脈沖序列），跟著是長前同步碼（跟著的脈沖序列），最后是信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)，保護(hù)間隔插在各突發(fā)段之間。

頻率同步
　　為估計(jì)頻率偏移，使用最前面的2個(gè)短前同步碼，通過最大或然率算法計(jì)算發(fā)送信號(hào)和接收信號(hào)間的粗略載波頻率偏移。假定用于計(jì)算相位偏移的接收信號(hào)序列為：
｛xk+8m , xk+8m+1 ,λ,xk+9m λ, xk+10m-1｝
　　這里k是計(jì)算起始點(diǎn)，m是在相位偏移計(jì)算中具有第8和第9短前同步碼的短前同步碼數(shù)。相關(guān)性可表示為：

　　
　　在計(jì)算了相關(guān)性r后，即可按下式確定相位偏移△θ。
　　△θ= arctan(r)
　　然后用下述公式確定頻率偏移△f。

　　
　　這里t是一個(gè)短前同步碼的持續(xù)時(shí)間（0.8μs）。
　　為更精確估計(jì)載波頻率偏移，在粗略頻率偏移估計(jì)后用2個(gè)長前同步碼進(jìn)行精細(xì)頻率偏移估計(jì)，然后demuxburst模型根據(jù)粗略和精細(xì)載波頻率偏移在收信機(jī)中檢測和消除載波頻率偏移。
圖3 用于配置wlan功率放大器測試和驗(yàn)證的仿真模板

圖4　信號(hào)源的第2層結(jié)構(gòu)

wlan仿真模型
　　設(shè)計(jì)庫提供數(shù)據(jù)和信號(hào)產(chǎn)生、信道編碼、調(diào)制、突發(fā)幀和接收，以及測量的模擬模型。wlan模型的主要功能符合ieee 802.11a標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)要求。

仿真系統(tǒng)配置
　　為方便用戶使用，采用了層次結(jié)構(gòu)和仿真模板。下面以功率放大器為例介紹仿真wlan系統(tǒng)。仿真的目的是測試和驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的功率放大器是否符合wlan標(biāo)準(zhǔn)。圖3示出為仿真用于wlan數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓β史糯笃魉⒌姆抡婺０濉?BR>　　產(chǎn)生rf wlan信號(hào)的信號(hào)源塊具有分層結(jié)構(gòu)。用戶可從圖4中看到它更低層的結(jié)構(gòu)。
　　從圖4可看到第2層中有基帶源和rf調(diào)制器，可從基帶源進(jìn)一步深入到圖5所示的第3層結(jié)構(gòu)。這一層清楚地顯示了如何產(chǎn)生wlan信號(hào)。
　　為產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳輸率為36mb/s的wlan信號(hào)，需遵循ieee 802.11a標(biāo)準(zhǔn)，特別是根據(jù)ieee std 802.11a-1999附件g，按下列步驟產(chǎn)生wlan信號(hào)。
　　1. 使用圖5中最下面支路中的w1、w2和f1，產(chǎn)生前同步碼的短脈沖序列部分。
　　2. 使用圖5中第3個(gè)支路的w3、w5和f2，產(chǎn)生前同步碼的長前置序列部分。
　　3. 使用圖5中第2個(gè)支路b2、convcoder、交織器和bsk調(diào)制器的數(shù)據(jù)部分，產(chǎn)生signal字段比特、編碼、交織、調(diào)制和復(fù)用。
　　4. 使用圖5中第1個(gè)支路b1、數(shù)據(jù)、加擾器、l1、tail、punccoder、交織器、16 qam和muxsiganddata，構(gòu)成數(shù)據(jù)、加擾、卷積碼、內(nèi)插、16 qam調(diào)制和復(fù)用。
　　5. 使用圖5中第1個(gè)支路的muxsym、ifftbuffer和 f3，把信號(hào)和數(shù)據(jù)映射到頻域，然后把頻率轉(zhuǎn)換為時(shí)間。
　　6. 用muxburst模型構(gòu)成ofdm突發(fā)的短前同步碼、長前同步碼、信號(hào)和數(shù)據(jù)。

　　對(duì)基于ieee 802.11a的系統(tǒng)，把發(fā)送信號(hào)矢量與無差錯(cuò)調(diào)制信號(hào)矢量間的差定義為調(diào)制精度。矢量誤差的大小稱為矢量誤差幅度（evm），這項(xiàng)測試的目的是驗(yàn)證在特定突發(fā)部分所測rms evm將不超過標(biāo)準(zhǔn)的要求。圖6的第2層示出了evm測量塊。
　　用如下步驟估計(jì)evm。
　　1.從在圖6中使用w1（wlan_burstsync）檢測幀開始。
　　2. 從短序列跳轉(zhuǎn)到要檢測的信道估計(jì)序列，用圖6中的wlan_burtsync建立微調(diào)定時(shí)（具有一個(gè)樣本的分辨率）。
　　3.用圖6中的wlan_freqsync模型估計(jì)頻率偏移。使用wlan_demuxburst，按估計(jì)的頻率偏移反旋包。
　　4.用圖6中的wlan_phaseest和wlan_channelest估計(jì)各子載波的復(fù)數(shù)信道響應(yīng)系數(shù)。
　　5. 用wlan_muxdatachest、wlan_phasetrack和wlan_equalizer，把各數(shù)據(jù)ofdm信號(hào)轉(zhuǎn)換為子載波接收值。估計(jì)導(dǎo)頻子載波的相位，按估計(jì)相位旋轉(zhuǎn)子載波值，然后用復(fù)數(shù)估計(jì)信道響應(yīng)系數(shù)除各子載波值。
　　6. 確定各承載數(shù)據(jù)子載波的最近星座圖點(diǎn)，計(jì)算其歐幾里得距離。用下面的公式計(jì)算包中所有差錯(cuò)的rms平均
　　
　　lp是包的長度；
　　nf是測量的幀數(shù)；
　　(i0(i,j,k),q0(i,j,k))表示ith幀的理想信號(hào)點(diǎn)，j th是幀的ofdm信號(hào)，kth是復(fù)平面中ofdm信號(hào)的子載波；
　　(i (i,j,k),q(i,j,k))表示i th幀的觀察點(diǎn)， j th是幀的ofdm信號(hào)，kth是復(fù)平面中ofdm信號(hào)的子載波；
　　p0是星座圖的平均功率。
　　從上面的evm計(jì)算過程可看出，evm代表時(shí)間滯后的某些點(diǎn)處測量和預(yù)期載波幅度和相位的距離，它得到對(duì)時(shí)序、幅度、頻率、相位和dc偏移的補(bǔ)償。

對(duì)測試和驗(yàn)證功率放大器的仿真
　　為測試和驗(yàn)證任何功率放大器設(shè)計(jì)，使用圖4所示的基本wlan系統(tǒng)設(shè)計(jì)。假定用64 qam調(diào)制器編碼數(shù)據(jù)，用bpsk編碼導(dǎo)頻信號(hào)，以及有10個(gè)短前同步碼和2個(gè)長前同步碼，wlan信號(hào)幀如圖2所示。對(duì)于ofdm調(diào)制，帶有幀的wlan信號(hào)路由是經(jīng)過功率放大器發(fā)送到收信機(jī)。

　　但在測試實(shí)際放大器之前，首先考慮功率放大器為線性的簡單情況。根據(jù)從模擬數(shù)據(jù)捕獲的系統(tǒng)輸出波形可以看出頻率同步模型對(duì)wlan系統(tǒng)的正確工作是非常重要的。
　　下一步將測試和驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)所選擇的實(shí)際wlan功率放大器，判定它是否符合ieee 802.11a的要求。推薦采用mga-82563，這是agilent生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)型低噪聲0.1～6ghz gaas功率放大器。
　　在本例中，采用2個(gè)級(jí)聯(lián)的mga-82563元件構(gòu)成功率放大器，以得到理想的驅(qū)動(dòng)能力。通過電路級(jí)的仿真，得到如圖7所示的功率放大器輸出功率和輸入功率關(guān)系。
　　功率放大器有2種建模方法。第一種是按電路模型，可使用電路包絡(luò)模擬進(jìn)行功率放大器的rf/dsp協(xié)同仿真。本文不討論這種方法，而介紹可在系統(tǒng)級(jí)進(jìn)行的模擬，即行為級(jí)時(shí)域rf_gain模型。
　　對(duì)于rf功率放大器來說，其復(fù)數(shù)輸入信號(hào)v1(t )可用載波頻率的同相部分和正交部分表示。輸出信號(hào)由下式給出。
　　

　　這里a表示由元件參數(shù)gain所設(shè)置的元件增益。如果輸入是基帶定時(shí)信號(hào)，那么只使用該增益的實(shí)數(shù)部分。gcomp表示由元件壓縮參數(shù)，例如gctype、toiout、dbc1out、psat、gcsat和gcomp所確定的增益壓縮系數(shù)。在本例中將討論dbc1out。圖8描述了dbc1的非線性特性。
　　根據(jù)圖7所示的非線性功率放大器特性，可參照?qǐng)D8找到功率放大器的dbc1值，這樣就能規(guī)定rf gain參數(shù)。

系統(tǒng)性能
　　evm非常重要，因?yàn)樗钦{(diào)制精度的主要度量。802.11a列出了強(qiáng)制的6、12和24mb/s速率。在生產(chǎn)環(huán)境中，需要在支持的最高速率下測量evm。對(duì)所有調(diào)制解調(diào)器，該evm值為15.8%。54mb/s的調(diào)制解調(diào)器需要實(shí)現(xiàn)5.6%evm。36m/s的調(diào)制解調(diào)器需要實(shí)現(xiàn)11.2%evm。除了略有不同的功率統(tǒng)計(jì)外，還有幾種誤差引入機(jī)制會(huì)造成發(fā)信機(jī)在給出標(biāo)稱星座圖的各種速率下，有明顯不同的測量evm。


　　本例中使用如圖9所示的evm模板，其evm測試結(jié)果列在圖10中。evm值自動(dòng)與ieee 802.11a標(biāo)準(zhǔn)要求的evm比較，并示出最重要的最終結(jié)果。evm值在規(guī)定的11.2%之內(nèi)，這是ieee 802.11a對(duì)中心頻率為5180mhz的信道36的要求，說明這是滿意的evm結(jié)果。但信道56和161的evm值超出了要求，表明未能通過測試。
　　帶模板的輸出rf頻譜（orfs）測量顯示出對(duì)載波的頻率偏移和功率的關(guān)系，測量是由受調(diào)制影響的移動(dòng)臺(tái)在規(guī)定的帶寬和時(shí)間中進(jìn)行。測量結(jié)果提供有關(guān)由調(diào)制造成發(fā)信機(jī)信道能量分布的信息。如果rf頻譜不超過模板規(guī)定的極限，測試就通過，否則測試失敗。
在多徑衰落環(huán)境中的測試
　　為在多徑信道條件中模擬wlan系統(tǒng)，使用如圖11的設(shè)置。物理信道條件按信道參數(shù)的調(diào)整而改變。這些參數(shù)包括userdefchannel模型中的pathnumber，n，amparray和delayarray，以及antmobile模型中的vx 和 vy。本例是5.3ghz室內(nèi)環(huán)境的信道模型。
　　圖12示出5.3ghz室內(nèi)環(huán)境中wlan系統(tǒng)的evm性能。根據(jù)ieee 802.11a標(biāo)準(zhǔn)要考慮4條路徑，規(guī)定vx 是包括多普勒頻率效應(yīng)的5km/h低速。為顯示系統(tǒng)性能，提供帶有awgn基準(zhǔn)曲線的evm-c/n圖。

結(jié)論
　　ofdm的使用給wlan系統(tǒng)帶來了高數(shù)據(jù)傳輸率，信號(hào)和頻率同步對(duì)ofdm是極為重要的。為設(shè)計(jì)實(shí)用的wlan系統(tǒng)，用ads 2001 5ghz wlan設(shè)計(jì)庫模擬工作在多徑信道環(huán)境的非線性元件。用矢量誤差幅度（evm）、互補(bǔ)累積分布函數(shù)（ccdf）和帶模板的rf頻譜（orfs）這些關(guān)鍵測量來測試和驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)元件。所測試和驗(yàn)證的實(shí)際例子是wlan功率放大器，以了解它是否符合ieee 802.11a規(guī)范要求。測試結(jié)果表明該放大器可用于wlan系統(tǒng)的信道36，對(duì)信道56其性能在臨界處，而不能用于信道161。這些元件評(píng)估對(duì)于必須符合wlan標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)是不可缺少的。