OFDM信號(hào)接收電路設(shè)計(jì)分析

劉 煜,張其善,王金奎

(1.北京航空航天大學(xué)通信信息工程學(xué)院,北京100083;2.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北石家莊050051)

0 引言

OFDM作為解決無線多徑信道高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼{(diào)制方案早已被人們所重視,并且已經(jīng)成為第四代無線通信候選方案之一。WLAN的IEEE 802.11a標(biāo)準(zhǔn)中使用OFDM作為信號(hào)物理層傳輸?shù)恼{(diào)制方式,信號(hào)頻率范圍達(dá)到4.8～5.8 GHz,瞬時(shí)帶寬為20 MHz。一般情況下,接收機(jī)采用2次變頻方式,接收電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜。零中頻接收技術(shù)具有電路結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn),電路結(jié)構(gòu)的簡化將直接帶來接收機(jī)體積上的縮減,省去大部分的器件費(fèi)用。然而,這種零中頻變頻相位噪聲較大,是否滿足OFDM信號(hào)接收要求,還需要估計(jì)接收機(jī)相噪指標(biāo),以及具體分析WLAN OFDM信號(hào)解調(diào)要求。

采用零中頻變頻方案,變頻后的基帶信號(hào)就將含有部分直流信號(hào),其中含直流分量的寬帶信號(hào)的采樣需要解決2個(gè)問題:直流漂移問題和如何保持寬帶信號(hào)傳輸增益穩(wěn)定問題。而保持傳輸增益在全工作頻段穩(wěn)定的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸中的阻抗匹配,即接收負(fù)載的變化(主要指A/D采樣、保持狀態(tài)的轉(zhuǎn)變),不會(huì)引起接收信號(hào)幅度的變化,因此,需要在零中頻下變頻器與采樣電路間設(shè)計(jì)合適的驅(qū)動(dòng)電路。以上2個(gè)問題的解決就轉(zhuǎn)變?yōu)樵擈?qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)問題。

1 接收機(jī)變頻設(shè)計(jì)方案

1.1 零中頻變頻

零中頻又稱直接式降頻架,它是將接收信號(hào)直接降至基頻,也就是把中頻移到0 Hz處。由于信號(hào)載頻和本振頻率重合,沒有鏡像分量,故對(duì)變頻前的射頻放大器及變頻器的選擇性要求大為降低。而且,由于通常只需一次變頻,不需中頻濾波,變頻輸出采用容易實(shí)現(xiàn)的低通濾波器,元器件少,接收機(jī)結(jié)構(gòu)簡單[4-6]。另外,變頻后信號(hào)帶寬變?yōu)橐颜{(diào)信號(hào)的一半,增大了A/D器件的選擇余度,降低了A/D器件的功耗。

為了滿足高速突發(fā)通信中載波同步快速鎖定的要求,零中頻變頻接收機(jī)的接收本振不能由模擬PLL在RF或IF上鎖定,而是由本地提供參考振蕩器提供參考時(shí)鐘。

1.2 接收機(jī)變頻設(shè)計(jì)

1.2.1 OFDM信號(hào)頻譜特征

在WLAN系統(tǒng)中(802.11a),信號(hào)頻譜具有明顯的特征:第0子載波位置沒有信號(hào),即載波頻率處的頻譜峰值小,第-1子載波和第1子載波的起始頻率距第0子載波＞30 kHz。含有信息子載波48個(gè),導(dǎo)頻子載波4個(gè),全部子載波為48+4=52個(gè),子載波間隔312.5 kHz,信號(hào)帶寬約為17 MHz。

1.2.2 OFDM信號(hào)零中頻下變頻結(jié)構(gòu)

IEEE802.11a協(xié)議規(guī)定載頻附近(±30 kHz)不含調(diào)制信息,一方面能夠便于去除直流漂移,另一方面避免了基帶信號(hào)受到閃爍噪聲的影響。因此,零中頻接收技術(shù)是最合適的選擇,一方面充分利用了零中頻接收技術(shù)所帶來的電路結(jié)構(gòu)簡化優(yōu)勢(shì),同時(shí)又避免了零中頻接收技術(shù)中存在的低頻噪聲高所帶來的性能下降,實(shí)現(xiàn)了成本與性能的平衡,其電路設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 OFDM零中頻接收機(jī)原理

2 接收機(jī)相噪指標(biāo)分析

不同體制的信號(hào),解調(diào)處理的方法不同,接收機(jī)指標(biāo)要求也就不同。下面將OFDM接收機(jī)與普通數(shù)字調(diào)制接收機(jī)做一個(gè)對(duì)比,通過對(duì)比分析普通數(shù)字調(diào)制信號(hào)與OFDM信號(hào)解調(diào)原理的不同,能夠獲得OFDM接收機(jī)的主要指標(biāo)要求。

對(duì)于一般非OFDM體制的普通MPSK和MQAM信號(hào),信號(hào)接收解調(diào)的關(guān)鍵是信號(hào)的接收同步(包括時(shí)間同步、頻率同步)。對(duì)應(yīng)到接收機(jī)的性能指標(biāo)上,則是接收機(jī)的相位噪聲、本振頻率穩(wěn)定度。其中:接收機(jī)的本振相位噪聲是影響時(shí)間同步性能的主要指標(biāo);接收機(jī)本振頻率穩(wěn)定度指標(biāo)則主要決定了載波同步的性能。對(duì)于常規(guī)數(shù)字信號(hào)的解調(diào)來說,尋找各個(gè)碼元的最佳判決時(shí)刻是主要問題。若相噪指標(biāo)差,就會(huì)使最佳判決點(diǎn)定位出現(xiàn)大的抖動(dòng),產(chǎn)生碼元間互擾,影響解調(diào)指標(biāo);但是小的頻率偏移卻對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響不太大。因此,普通的PSK和QAM接收系統(tǒng)對(duì)相噪指標(biāo)的敏感度很高,尤其對(duì)于高階數(shù)字調(diào)制,這種要求更為苛刻。

WLAN的OFDM信號(hào)的調(diào)制方式為:BPSK、QPSK、16QAM和 64QAM。作為一種特殊的信號(hào)體制,OFDM是一種頻分復(fù)用方式,由一系列在頻率上等間隔的子載波構(gòu)成,可以用復(fù)數(shù)表示為:

式中,An和φn為子載波的幅度和相位。

在時(shí)域上,為了解決信號(hào)傳輸中的多徑問題,OFDM信號(hào)的每個(gè)符號(hào)中都加入了循環(huán)前綴,每個(gè)循環(huán)前綴都是符號(hào)中部分信息的復(fù)制,用于克服由于多徑所帶來的符號(hào)間干擾。解調(diào)中的時(shí)間同步點(diǎn)只要保持在正確符號(hào)開始之前、循環(huán)前綴之中就可以,因而對(duì)時(shí)間同步的要求不是非常嚴(yán)格。

在頻域上,不同于一般數(shù)字調(diào)制信號(hào)的解調(diào),WLAN OFDM信號(hào)解調(diào)過程中采用FFT操作來分離每個(gè)子載波,為了保證各子載波的嚴(yán)格正交性,避免產(chǎn)生載波間干擾,準(zhǔn)確的頻偏估計(jì)是關(guān)鍵。因此,較之時(shí)間同步精度,頻率同步精度對(duì)OFDM信號(hào)解調(diào)性能影響更大。

綜合以上分析,在時(shí)域上OFDM信號(hào)中循環(huán)前綴的存在,使得其接收解調(diào)處理對(duì)由相位噪聲引起定時(shí)抖動(dòng)并不敏感。然而,由于頻域上OFDM信號(hào)各子載波間的正交性,卻使其對(duì)由載波頻率抖動(dòng)所帶來的載波頻偏非常敏感。

零中頻接收方案中,測(cè)試得到接收機(jī)相位噪聲特性相噪最差的頻點(diǎn)在80 kHz附近。根據(jù)文獻(xiàn)[1-3]的分析結(jié)論,得到噪聲功率譜密度函數(shù)Sθ(f)與相位噪聲值L(f)間的換算關(guān)系為:

相位噪聲是噪聲在多個(gè)頻率分量的疊加結(jié)果 ,這些頻率分量有 :f0、f-1、f-2、f-3等 ,考慮到零中頻接收電路連接有高通濾波器(截止頻率30 kHz),得出對(duì)相位噪聲和貢獻(xiàn)最大的分量為f-2項(xiàng)。根據(jù)文獻(xiàn)[1]的結(jié)論,得到接收機(jī)相位噪聲功率譜密度 Sθ(f)與信號(hào)定時(shí)抖動(dòng)值JRMS(單位秒)之間的關(guān)系有:

式中,θ(t)為信號(hào)相位瞬時(shí)值,f0為可能對(duì)解調(diào)性能影響最大、相噪指標(biāo)最差的頻率段,此處選擇f0=80 kHz～8 MHz,計(jì)算出接收機(jī)定時(shí)抖動(dòng)為:

在WLAN系統(tǒng)中 ,循環(huán)前綴長度為0.8 μ s,能夠適應(yīng)240 ns的多徑延遲,5 ns的信號(hào)定時(shí)抖動(dòng)不會(huì)影響解調(diào)性能。

根據(jù)這個(gè)結(jié)論,從OFDM信號(hào)解調(diào)能拿容忍的最大定時(shí)抖動(dòng)同樣能夠推導(dǎo)出接收機(jī)的最差相位噪聲。這一計(jì)算在已經(jīng)做好基帶信號(hào)解調(diào)算法仿真、開始接收機(jī)具體電路設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行,用于計(jì)算接收機(jī)相噪指標(biāo)理論下限。

根據(jù)WLAN協(xié)議要求以及OFDM信號(hào)解調(diào)算法仿真結(jié)果,得出解調(diào)定時(shí)抖動(dòng)均方根值為:

帶入式(4)和式(3)有:

得到WLAN OFDM信號(hào)接收機(jī)相位噪聲理論下限為:-80(dBc/Hz)。

3 全直流耦合采樣驅(qū)動(dòng)技術(shù)

接收信號(hào)經(jīng)過零中頻下變頻后輸出零中頻信號(hào),需要進(jìn)行A/D變換。一般情況下,為了避免直流漂移和閃爍噪聲,變頻器與A/D采樣電路的連接采用交流耦合形式,一般通過中間串接高通濾波器來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于WLAN OFDM信號(hào),該高通濾波器的截止頻率僅有30 kHz,因此濾波器體積較大。

直流耦合連接最關(guān)鍵的問題在于:共模電壓的匹配問題和阻抗匹配問題。零中頻下變頻電路與A/D采樣電路間最簡單的直流耦合連接是將前者的輸出直接與后者的輸入相連到一起。然而,若零中頻接收電路的輸出共模電壓同A/D采樣電路的輸入共模電壓不相等,不能采用這種簡單直連的方式。而且,為了達(dá)到最佳傳輸效率,零中頻接收電路的輸出阻抗應(yīng)與A/D采樣電路的輸入阻抗相匹配。因此,需要在零中頻接收電路與A/D采樣電路間加入合適的驅(qū)動(dòng)電路。

具體解決方案如下:采用驅(qū)動(dòng)放大器AD8139作為隔離驅(qū)動(dòng)電路。AD8139是一個(gè)射頻驅(qū)動(dòng)芯片,能夠提供輸入與輸出共模電壓的隔離。芯片的輸入輸出采用差分傳輸形式。這樣,整個(gè)基帶電路全部采用差分連接,能夠提供額外的共模抑制,解決由于零中頻接收所帶來的偶次諧波失真問題。

AD8139的全部功能引腳中,除了輸入/出、電源引腳,還有一個(gè)專用的共模電壓輸入引腳,用于輸出信號(hào)共模電壓的設(shè)置。

其中,A/D采樣電路的共模電壓為3.5 V,所以只需將AD8139的共模輸入引腳與3.5 V穩(wěn)定電源相接,就可以使實(shí)現(xiàn)與A/D采樣電路的共模電壓匹配。由于AD8139的輸入電路能夠適應(yīng)極寬范圍的輸入共模電壓,因此可以將AD8139的輸入以直流耦合方式連接零中頻接收電路。這樣,就可以達(dá)到零中頻接收電路與A/D采樣電路的直流耦合,實(shí)現(xiàn)共模電壓的匹配。AD8139的連接如圖2所示。

圖2 直流耦合采樣驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

同時(shí),在AD8139外部連接不同的外接電阻,通過選擇外接電阻的阻值,設(shè)置驅(qū)動(dòng)增益和輸入、輸出阻抗,滿足前端零中頻接收電路和后面A/D電路的阻抗匹配要求,實(shí)現(xiàn)最佳匹配傳輸。為了保證I、Q兩路信號(hào)的幅度、相位的一致性,外接電阻需要選用精密電阻,I路與Q路相同位置電阻阻值盡量保持一致,避免引入I、Q失配誤差。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分析

按照以上分析設(shè)計(jì)WLAN OFDM接收機(jī),采用零中頻接收體制?？紤]到接收機(jī)還有盲信號(hào)分析的功能要求,相噪設(shè)計(jì)指標(biāo)高于前面分析指標(biāo)。最終設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)接收機(jī)主要指標(biāo)為:

相位噪聲:-85(dBc/Hz)@80kHz;

頻率范圍:4.8～5.8 GHz;

噪聲系數(shù):6 dB;

AGC動(dòng)態(tài)范圍:90 dB。

現(xiàn)選取WLAN中最高階調(diào)制64QAM作為被測(cè)源信號(hào),實(shí)際測(cè)試得到測(cè)試結(jié)果如圖3和圖4所示。圖3為采樣零中頻信號(hào)得到的時(shí)域波形圖,圖4為解調(diào)該零中頻OFDM信號(hào)得到的星座圖。

圖3 64QAM調(diào)制OFDM信號(hào)時(shí)域波形

圖4 64QAM調(diào)制OFDM信號(hào)解調(diào)星座圖

射頻信號(hào)經(jīng)過下變頻電路成為零中頻基帶信號(hào),從A/D采樣數(shù)據(jù)的時(shí)域波形可以看出信號(hào)沒有直流漂移和失真。

觀察解調(diào)星座圖,在最高階調(diào)制64QAM模式下的星座點(diǎn)邊界清晰,系統(tǒng)能夠正確解調(diào),表明該直流耦合模式在低頻頻段沒有信號(hào)損失,系統(tǒng)在有效帶寬內(nèi)頻段能夠保持增益和相位穩(wěn)定,滿足系統(tǒng)對(duì)OFDM信號(hào)的正確接收和解調(diào)。

5 結(jié)束語

根據(jù)對(duì)WLAN OFDM信號(hào)的信號(hào)體制分析,設(shè)計(jì)接收機(jī)采用零中頻變頻方案,大大簡化了接收電路結(jié)構(gòu)。此外,作為一種對(duì)抗多徑的有效技術(shù),OFDM信號(hào)解調(diào)算法對(duì)時(shí)偏敏感度小,降低了對(duì)接收機(jī)相噪指標(biāo)的要求,能夠采用更便宜的器件,從而有利于小型化、低成本接收機(jī)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

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