5GHz無線局域網系統模擬(圖)

ofdm信號
　　圖1是ofdm發信機和收信機的簡化框圖。輸入數據從串行轉換成并行，分配到子載波上，然后用bpsk、qpsk、16-qam或64-qam這些線性調制方法調制信號，所產生的ofdm信號作為調制子信號的ifft。
　　接收到的信號帶有相位旋轉，這是由于載波頻率偏移造成了信號幅度的減小。因此ofdm信號對載波頻率偏移要比簡單載波調制信號更敏感，頻率同步也就更為重要。在圖1中用于ofdm信號同步的同步功能塊包括頻率同步和時間同步。

突發格式
　　在wlan系統中，打包的突發信號被無序發送，因此必須建立包與包之間的同步。圖2示出基于ieee 802.11a的推薦包結構。從圖中可看到ofdm突發實際有4個截然不同的區域。
　　第1個區域是短前同步碼（最初的脈沖序列），跟著是長前同步碼（跟著的脈沖序列），最后是信號和數據信號，保護間隔插在各突發段之間。

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

　　
　　在計算了相關性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是一個短前同步碼的持續時間（0.8μs）。
　　為更精確估計載波頻率偏移，在粗略頻率偏移估計后用2個長前同步碼進行精細頻率偏移估計，然后demuxburst模型根據粗略和精細載波頻率偏移在收信機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證的仿真模板

圖4　信號源的第2層結構

wlan仿真模型
　　設計庫提供數據和信號產生、信道編碼、調制、突發幀和接收，以及測量的模擬模型。wlan模型的主要功能符合ieee 802.11a標準的系統要求。

仿真系統配置
　　為方便用戶使用，采用了層次結構和仿真模板。下面以功率放大器為例介紹仿真wlan系統。仿真的目的是測試和驗證所設計的功率放大器是否符合wlan標準。圖3示出為仿真用于wlan數據傳輸的功率放大器所建立的仿真模板。
　　產生rf wlan信號的信號源塊具有分層結構。用戶可從圖4中看到它更低層的結構。
　　從圖4可看到第2層中有基帶源和rf調制器，可從基帶源進一步深入到圖5所示的第3層結構。這一層清楚地顯示了如何產生wlan信號。
　　為產生數據傳輸率為36mb/s的wlan信號，需遵循ieee 802.11a標準，特別是根據ieee std 802.11a-1999附件g，按下列步驟產生wlan信號。
　　1. 使用圖5中最下面支路中的w1、w2和f1，產生前同步碼的短脈沖序列部分。
　　2. 使用圖5中第3個支路的w3、w5和f2，產生前同步碼的長前置序列部分。
　　3. 使用圖5中第2個支路b2、convcoder、交織器和bsk調制器的數據部分，產生signal字段比特、編碼、交織、調制和復用。
　　4. 使用圖5中第1個支路b1、數據、加擾器、l1、tail、punccoder、交織器、16 qam和muxsiganddata，構成數據、加擾、卷積碼、內插、16 qam調制和復用。
　　5. 使用圖5中第1個支路的muxsym、ifftbuffer和 f3，把信號和數據映射到頻域，然后把頻率轉換為時間。
　　6. 用muxburst模型構成ofdm突發的短前同步碼、長前同步碼、信號和數據。

　　對基于ieee 802.11a的系統，把發送信號矢量與無差錯調制信號矢量間的差定義為調制精度。矢量誤差的大小稱為矢量誤差幅度（evm），這項測試的目的是驗證在特定突發部分所測rms evm將不超過標準的要求。圖6的第2層示出了evm測量塊。
　　用如下步驟估計evm。
　　1.從在圖6中使用w1（wlan_burstsync）檢測幀開始。
　　2. 從短序列跳轉到要檢測的信道估計序列，用圖6中的wlan_burtsync建立微調定時（具有一個樣本的分辨率）。
　　3.用圖6中的wlan_freqsync模型估計頻率偏移。使用wlan_demuxburst，按估計的頻率偏移反旋包。
　　4.用圖6中的wlan_phaseest和wlan_channelest估計各子載波的復數信道響應系數。
　　5. 用wlan_muxdatachest、wlan_phasetrack和wlan_equalizer，把各數據ofdm信號轉換為子載波接收值。估計導頻子載波的相位，按估計相位旋轉子載波值，然后用復數估計信道響應系數除各子載波值。
　　6. 確定各承載數據子載波的最近星座圖點，計算其歐幾里得距離。用下面的公式計算包中所有差錯的rms平均
　　
　　lp是包的長度；
　　nf是測量的幀數；
　　(i0(i,j,k),q0(i,j,k))表示ith幀的理想信號點，j th是幀的ofdm信號，kth是復平面中ofdm信號的子載波；
　　(i (i,j,k),q(i,j,k))表示i th幀的觀察點， j th是幀的ofdm信號，kth是復平面中ofdm信號的子載波；
　　p0是星座圖的平均功率。
　　從上面的evm計算過程可看出，evm代表時間滯后的某些點處測量和預期載波幅度和相位的距離，它得到對時序、幅度、頻率、相位和dc偏移的補償。

對測試和驗證功率放大器的仿真
　　為測試和驗證任何功率放大器設計，使用圖4所示的基本wlan系統設計。假定用64 qam調制器編碼數據，用bpsk編碼導頻信號，以及有10個短前同步碼和2個長前同步碼，wlan信號幀如圖2所示。對于ofdm調制，帶有幀的wlan信號路由是經過功率放大器發送到收信機。

　　但在測試實際放大器之前，首先考慮功率放大器為線性的簡單情況。根據從模擬數據捕獲的系統輸出波形可以看出頻率同步模型對wlan系統的正確工作是非常重要的。
　　下一步將測試和驗證系統設計所選擇的實際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生產的經濟型低噪聲0.1～6ghz gaas功率放大器。
　　在本例中，采用2個級聯的mga-82563元件構成功率放大器，以得到理想的驅動能力。通過電路級的仿真，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，可使用電路包絡模擬進行功率放大器的rf/dsp協同仿真。本文不討論這種方法，而介紹可在系統級進行的模擬，即行為級時域rf_gain模型。
　　對于rf功率放大器來說，其復數輸入信號v1(t )可用載波頻率的同相部分和正交部分表示。輸出信號由下式給出。
　　

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

系統性能
　　evm非常重要，因為它是調制精度的主要度量。802.11a列出了強制的6、12和24mb/s速率。在生產環境中，需要在支持的最高速率下測量evm。對所有調制解調器，該evm值為15.8%。54mb/s的調制解調器需要實現5.6%evm。36m/s的調制解調器需要實現11.2%evm。除了略有不同的功率統計外，還有幾種誤差引入機制會造成發信機在給出標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測試結果列在圖10中。evm值自動與ieee 802.11a標準要求的evm比較，并示出最重要的最終結果。evm值在規定的11.2%之內，這是ieee 802.11a對中心頻率為5180mhz的信道36的要求，說明這是滿意的evm結果。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）測量顯示出對載波的頻率偏移和功率的關系，測量是由受調制影響的移動臺在規定的帶寬和時間中進行。測量結果提供有關由調制造成發信機信道能量分布的信息。如果rf頻譜不超過模板規定的極限，測試就通過，否則測試失敗。
在多徑衰落環境中的測試
　　為在多徑信道條件中模擬wlan系統，使用如圖11的設置。物理信道條件按信道參數的調整而改變。這些參數包括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室內環境的信道模型。
　　圖12示出5.3ghz室內環境中wlan系統的evm性能。根據ieee 802.11a標準要考慮4條路徑，規定vx 是包括多普勒頻率效應的5km/h低速。為顯示系統性能，提供帶有awgn基準曲線的evm-c/n圖。

結論
　　ofdm的使用給wlan系統帶來了高數據傳輸率，信號和頻率同步對ofdm是極為重要的。為設計實用的wlan系統，用ads 2001 5ghz wlan設計庫模擬工作在多徑信道環境的非線性元件。用矢量誤差幅度（evm）、互補累積分布函數（ccdf）和帶模板的rf頻譜（orfs）這些關鍵測量來測試和驗證所設計的系統元件。所測試和驗證的實際例子是wlan功率放大器，以了解它是否符合ieee 802.11a規范要求。測試結果表明該放大器可用于wlan系統的信道36，對信道56其性能在臨界處，而不能用于信道161。這些元件評估對于必須符合wlan標準的系統設計是不可缺少的。