5GHz无线局域网系统模拟

基于IEEE 802.11a标准的5GHz WLAN系统能在低移动性无线条件下提供比以前的系统更快的数据传输率、更好的频谱效率、改进的多径性能和更低的干扰。
　　为了在5GHz WLAN系统中支持高速率的数据传输，推荐采用多载波调制和正交频分多址（OFDM）。OFDM的基本原理是把高速率的数据流拆分成一些同时在若干子载波上传输的较低速率数据流，在并行子载波中用较低的数据率增加信号持续时间，从而降低多径造成的相对色散时间量（延迟扩散）。由于可在相继的OFDM信号间插入足够长的保护间距，因而几乎完全消除了信号间干扰（ISI）。
　　为了在WLAN系统中使用OFDM，必须保持精确的频率同步和信号同步。推荐的频率同步方法是依据检测和补偿，对于发信机和收信机之间的载波频率偏移可使用数据流中的前同步码，还可用信道估计模型检测和消除延迟扩散。
　　为了让用非线性元件设计的部件工作于多径信道条件的WLAN系统，必须使用适合的模拟软件。本文使用的是Agilent EEsof EDA的Advanced Design System 2001 5GHz WLAN设计库。该设计库包括测量差错矢量幅度（EVM）、互补累计分布函数（CCDF）和输出带样板的RF频谱（ORFS），以测试和验证各种关键元件，例如功率放大器（PA）。
　　本文主要讲述基本WLAN系统，说明用于模拟关键系统元件的5GHz WLAN的功能特性。以WLAN功率放大器为例介绍模拟设置和结果。

OFDM信号
　　图1是OFDM发信机和收信机的简化框图。输入数据从串行转换成并行，分配到子载波上，然后用BPSK、QPSK、16-QAM或64-QAM这些线性调制方法调制信号，所产生的OFDM信号作为调制子信号的IFFT。
　　接收到的信号带有相位旋转，这是由于载波频率偏移造成了信号幅度的减小。因此OFDM信号对载波频率偏移要比简单载波调制信号更敏感，频率同步也就更为重要。在图1中用于OFDM信号同步的同步功能块包括频率同步和时间同步。

突发格式
　　在WLAN系统中，打包的突发信号被无序发送，因此必须建立包与包之间的同步。图2示出基于IEEE 802.11a的推荐包结构。从图中可看到OFDM突发实际有4个截然不同的区域。
　　第1个区域是短前同步码（最初的脉冲序列），跟着是长前同步码（跟着的脉冲序列），最后是信号和数据信号，保护间隔插在各突发段之间。

频率同步
　　为估计频率偏移，使用最前面的2个短前同步码，通过最大或然率算法计算发送信号和接收信号间的粗略载波频率偏移。假定用于计算相位偏移的接收信号序列为：
｛XK+8M , XK+8M+1 ,Λ,XK+9M Λ, XK+10M-1｝
　　这里K是计算起始点，M是在相位偏移计算中具有第8和第9短前同步码的短前同步码数。相关性可表示为：

　　
　　在计算了相关性R后，即可按下式确定相位偏移△θ。
　　△θ= arctan(R)
　　然后用下述公式确定频率偏移△f。

　　
　　这里T是一个短前同步码的持续时间（0.8μs）。
　　为更精确估计载波频率偏移，在粗略频率偏移估计后用2个长前同步码进行精细频率偏移估计，然后DemuxBurst模型根据粗略和精细载波频率偏移在收信机中检测和消除载波频率偏移。
图3 用于配置WLAN功率放大器测试和验证的仿真模板

图4　信号源的第2层结构

WLAN仿真模型
　　设计库提供数据和信号产生、信道编码、调制、突发帧和接收，以及测量的模拟模型。WLAN模型的主要功能符合IEEE 802.11a标准的系统要求。

仿真系统配置
　　为方便用户使用，采用了层次结构和仿真模板。下面以功率放大器为例介绍仿真WLAN系统。仿真的目的是测试和验证所设计的功率放大器是否符合WLAN标准。图3示出为仿真用于WLAN数据传输的功率放大器所建立的仿真模板。
　　产生RF WLAN信号的信号源块具有分层结构。用户可从图4中看到它更低层的结构。
　　从图4可看到第2层中有基带源和RF调制器，可从基带源进一步深入到图5所示的第3层结构。这一层清楚地显示了如何产生WLAN信号。
　　为产生数据传输率为36Mb/s的WLAN信号，需遵循IEEE 802.11a标准，特别是根据IEEE Std 802.11a-1999附件G，按下列步骤产生WLAN信号。
　　1. 使用图5中最下面支路中的W1、W2和F1，产生前同步码的短脉冲序列部分。
　　2. 使用图5中第3个支路的W3、W5和F2，产生前同步码的长前置序列部分。
　　3. 使用图5中第2个支路B2、ConvCoder、交织器和BSK调制器的数据部分，产生SIGNAL字段比特、编码、交织、调制和复用。
　　4. 使用图5中第1个支路B1、数据、加扰器、L1、Tail、PuncCoder、交织器、16 QAM和MuxSigandData，构成数据、加扰、卷积码、内插、16 QAM调制和复用。
　　5. 使用图5中第1个支路的MuxSym、IFFTBuffer和 F3，把信号和数据映射到频域，然后把频率转换为时间。
　　6. 用MuxBurst模型构成OFDM突发的短前同步码、长前同步码、信号和数据。

　　对基于IEEE 802.11a的系统，把发送信号矢量与无差错调制信号矢量间的差定义为调制精度。矢量误差的大小称为矢量误差幅度（EVM），这项测试的目的是验证在特定突发部分所测RMS EVM将不超过标准的要求。图6的第2层示出了EVM测量块。
　　用如下步骤估计EVM。
　　1.从在图6中使用W1（WLAN_BurstSync）检测帧开始。
　　2. 从短序列跳转到要检测的信道估计序列，用图6中的WLAN_BurtSync建立微调定时（具有一个样本的分辨率）。
　　3.用图6中的WLAN_FreqSync模型估计频率偏移。使用WLAN_DemuxBurst，按估计的频率偏移反旋包。
　　4.用图6中的WLAN_PhaseEst和WLAN_ChannelEst估计各子载波的复数信道响应系数。
　　5. 用WLAN_MuxDataChEst、WLAN_PhaseTrack和WLAN_Equalizer，把各数据OFDM信号转换为子载波接收值。估计导频子载波的相位，按估计相位旋转子载波值，然后用复数估计信道响应系数除各子载波值。
　　6. 确定各承载数据子载波的最近星座图点，计算其欧几里得距离。用下面的公式计算包中所有差错的RMS平均
　　
　　LP是包的长度；
　　Nf是测量的帧数；
　　(I0(i,j,k),Q0(i,j,k))表示ith帧的理想信号点，j th是帧的OFDM信号，kth是复平面中OFDM信号的子载波；
　　(I (i,j,k),Q(i,j,k))表示i th帧的观察点， j th是帧的OFDM信号，kth是复平面中OFDM信号的子载波；
　　P0是星座图的平均功率。
　　从上面的EVM计算过程可看出，EVM代表时间滞后的某些点处测量和预期载波幅度和相位的距离，它得到对时序、幅度、频率、相位和DC偏移的补偿。

对测试和验证功率放大器的仿真
　　为测试和验证任何功率放大器设计，使用图4所示的基本WLAN系统设计。假定用64 QAM调制器编码数据，用BPSK编码导频信号，以及有10个短前同步码和2个长前同步码，WLAN信号帧如图2所示。对于OFDM调制，带有帧的WLAN信号路由是经过功率放大器发送到收信机。

　　但在测试实际放大器之前，首先考虑功率放大器为线性的简单情况。根据从模拟数据捕获的系统输出波形可以看出频率同步模型对WLAN系统的正确工作是非常重要的。
　　下一步将测试和验证系统设计所选择的实际WLAN功率放大器，判定它是否符合IEEE 802.11a的要求。推荐采用MGA-82563，这是Agilent生产的经济型低噪声0.1～6GHz GaAs功率放大器。
　　在本例中，采用2个级联的MGA-82563元件构成功率放大器，以得到理想的驱动能力。通过电路级的仿真，得到如图7所示的功率放大器输出功率和输入功率关系。
　　功率放大器有2种建模方法。第一种是按电路模型，可使用电路包络模拟进行功率放大器的RF/DSP协同仿真。本文不讨论这种方法，而介绍可在系统级进行的模拟，即行为级时域RF_Gain模型。
　　对于RF功率放大器来说，其复数输入信号V1(t )可用载波频率的同相部分和正交部分表示。输出信号由下式给出。
　　

　　这里a表示由元件参数Gain所设置的元件增益。如果输入是基带定时信号，那么只使用该增益的实数部分。gcomp表示由元件压缩参数，例如GCType、TOIout、dBc1out、PSat、GCSat和Gcomp所确定的增益压缩系数。在本例中将讨论dBc1out。图8描述了dBc1的非线性特性。
　　根据图7所示的非线性功率放大器特性，可参照图8找到功率放大器的dBc1值，这样就能规定RF Gain参数。

系统性能
　　EVM非常重要，因为它是调制精度的主要度量。802.11a列出了强制的6、12和24Mb/s速率。在生产环境中，需要在支持的最高速率下测量EVM。对所有调制解调器，该EVM值为15.8%。54Mb/s的调制解调器需要实现5.6%EVM。36M/s的调制解调器需要实现11.2%EVM。除了略有不同的功率统计外，还有几种误差引入机制会造成发信机在给出标称星座图的各种速率下，有明显不同的测量EVM。


　　本例中使用如图9所示的EVM模板，其EVM测试结果列在图10中。EVM值自动与IEEE 802.11a标准要求的EVM比较，并示出最重要的最终结果。EVM值在规定的11.2%之内，这是IEEE 802.11a对中心频率为5180MHz的信道36的要求，说明这是满意的EVM结果。但信道56和161的EVM值超出了要求，表明未能通过测试。
　　带模板的输出RF频谱（ORFS）测量显示出对载波的频率偏移和功率的关系，测量是由受调制影响的移动台在规定的带宽和时间中进行。测量结果提供有关由调制造成发信机信道能量分布的信息。如果RF频谱不超过模板规定的极限，测试就通过，否则测试失败。

在多径衰落环境中的测试
　　为在多径信道条件中模拟WLAN系统，使用如图11的设置。物理信道条件按信道参数的调整而改变。这些参数包括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室内环境的信道模型。
　　图12示出5.3GHz室内环境中WLAN系统的EVM性能。根据IEEE 802.11a标准要考虑4条路径，规定Vx 是包括多普勒频率效应的5km/h低速。为显示系统性能，提供带有AWGN基准曲线的EVM-C/N图。
结论
　　OFDM的使用给WLAN系统带来了高数据传输率，信号和频率同步对OFDM是极为重要的。为设计实用的WLAN系统，用ADS 2001 5GHz WLAN设计库模拟工作在多径信道环境的非线性元件。用矢量误差幅度（EVM）、互补累积分布函数（CCDF）和带模板的RF频谱（ORFS）这些关键测量来测试和验证所设计的系统元件。所测试和验证的实际例子是WLAN功率放大器，以了解它是否符合IEEE 802.11a规范要求。测试结果表明该放大器可用于WLAN系统的信道36，对信道56其性能在临界处，而不能用于信道161。这些元件评估对于必须符合WLAN标准的系统设计是不可缺少的。