5GHz無線局域網(wǎng)系統(tǒng)模擬

基于IEEE 802.11a標(biāo)準(zhǔn)的5GHz WLAN系統(tǒng)能在低移動(dòng)性無線條件下提供比以前的系統(tǒng)更快的數(shù)據(jù)傳輸率、更好的頻譜效率、改進(jìn)的多徑性能和更低的干擾。
　　為了在5GHz WLAN系統(tǒng)中支持高速率的數(shù)據(jù)傳輸，推薦采用多載波調(diào)制和正交頻分多址（OFDM）。OFDM的基本原理是把高速率的數(shù)據(jù)流拆分成一些同時(shí)在若干子載波上傳輸?shù)妮^低速率數(shù)據(jù)流，在并行子載波中用較低的數(shù)據(jù)率增加信號(hào)持續(xù)時(shí)間，從而降低多徑造成的相對(duì)色散時(shí)間量（延遲擴(kuò)散）。由于可在相繼的OFDM信號(hào)間插入足夠長的保護(hù)間距，因而幾乎完全消除了信號(hào)間干擾（ISI）。
　　為了在WLAN系統(tǒng)中使用OFDM，必須保持精確的頻率同步和信號(hào)同步。推薦的頻率同步方法是依據(jù)檢測和補(bǔ)償，對(duì)于發(fā)信機(jī)和收信機(jī)之間的載波頻率偏移可使用數(shù)據(jù)流中的前同步碼，還可用信道估計(jì)模型檢測和消除延遲擴(kuò)散。
　　為了讓用非線性元件設(shè)計(jì)的部件工作于多徑信道條件的WLAN系統(tǒng)，必須使用適合的模擬軟件。本文使用的是Agilent EEsof EDA的Advanced Design System 2001 5GHz WLAN設(shè)計(jì)庫。該設(shè)計(jì)庫包括測量差錯(cuò)矢量幅度（EVM）、互補(bǔ)累計(jì)分布函數(shù)（CCDF）和輸出帶樣板的RF頻譜（ORFS），以測試和驗(yàn)證各種關(guān)鍵元件，例如功率放大器（PA）。
　　本文主要講述基本W(wǎng)LAN系統(tǒng)，說明用于模擬關(guān)鍵系統(tǒng)元件的5GHz WLAN的功能特性。以WLAN功率放大器為例介紹模擬設(shè)置和結(jié)果。

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W(wǎng)LAN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。