OFDM信號接收電路設計分析

劉 煜,張其善,王金奎

(1.北京航空航天大學通信信息工程學院,北京100083;2.中國電子科技集團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據傳輸的調制方案早已被人們所重視,并且已經成為第四代無線通信候選方案之一。WLAN的IEEE 802.11a標準中使用OFDM作為信號物理層傳輸的調制方式,信號頻率范圍達到4.8～5.8 GHz,瞬時帶寬為20 MHz。一般情況下,接收機采用2次變頻方式,接收電路結構復雜。零中頻接收技術具有電路結構簡單的特點,電路結構的簡化將直接帶來接收機體積上的縮減,省去大部分的器件費用。然而,這種零中頻變頻相位噪聲較大,是否滿足OFDM信號接收要求,還需要估計接收機相噪指標,以及具體分析WLAN OFDM信號解調要求。

采用零中頻變頻方案,變頻后的基帶信號就將含有部分直流信號,其中含直流分量的寬帶信號的采樣需要解決2個問題:直流漂移問題和如何保持寬帶信號傳輸增益穩定問題。而保持傳輸增益在全工作頻段穩定的關鍵是實現信號傳輸中的阻抗匹配,即接收負載的變化(主要指A/D采樣、保持狀態的轉變),不會引起接收信號幅度的變化,因此,需要在零中頻下變頻器與采樣電路間設計合適的驅動電路。以上2個問題的解決就轉變為該驅動電路的設計問題。

1 接收機變頻設計方案

1.1 零中頻變頻

零中頻又稱直接式降頻架,它是將接收信號直接降至基頻,也就是把中頻移到0 Hz處。由于信號載頻和本振頻率重合,沒有鏡像分量,故對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現的低通濾波器,元器件少,接收機結構簡單[4-6]。另外,變頻后信號帶寬變為已調信號的一半,增大了A/D器件的選擇余度,降低了A/D器件的功耗。

為了滿足高速突發通信中載波同步快速鎖定的要求,零中頻變頻接收機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鐘。

1.2 接收機變頻設計

1.2.1 OFDM信號頻譜特征

在WLAN系統中(802.11a),信號頻譜具有明顯的特征:第0子載波位置沒有信號,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,導頻子載波4個,全部子載波為48+4=52個,子載波間隔312.5 kHz,信號帶寬約為17 MHz。

1.2.2 OFDM信號零中頻下變頻結構

IEEE802.11a協議規定載頻附近(±30 kHz)不含調制信息,一方面能夠便于去除直流漂移,另一方面避免了基帶信號受到閃爍噪聲的影響。因此,零中頻接收技術是最合適的選擇,一方面充分利用了零中頻接收技術所帶來的電路結構簡化優勢,同時又避免了零中頻接收技術中存在的低頻噪聲高所帶來的性能下降,實現了成本與性能的平衡,其電路設計如圖1所示。

圖1 OFDM零中頻接收機原理

2 接收機相噪指標分析

不同體制的信號,解調處理的方法不同,接收機指標要求也就不同。下面將OFDM接收機與普通數字調制接收機做一個對比,通過對比分析普通數字調制信號與OFDM信號解調原理的不同,能夠獲得OFDM接收機的主要指標要求。

對于一般非OFDM體制的普通MPSK和MQAM信號,信號接收解調的關鍵是信號的接收同步(包括時間同步、頻率同步)。對應到接收機的性能指標上,則是接收機的相位噪聲、本振頻率穩定度。其中:接收機的本振相位噪聲是影響時間同步性能的主要指標;接收機本振頻率穩定度指標則主要決定了載波同步的性能。對于常規數字信號的解調來說,尋找各個碼元的最佳判決時刻是主要問題。若相噪指標差,就會使最佳判決點定位出現大的抖動,產生碼元間互擾,影響解調指標;但是小的頻率偏移卻對整個系統的影響不太大。因此,普通的PSK和QAM接收系統對相噪指標的敏感度很高,尤其對于高階數字調制,這種要求更為苛刻。

WLAN的OFDM信號的調制方式為:BPSK、QPSK、16QAM和 64QAM。作為一種特殊的信號體制,OFDM是一種頻分復用方式,由一系列在頻率上等間隔的子載波構成,可以用復數表示為:

式中,An和φn為子載波的幅度和相位。

在時域上,為了解決信號傳輸中的多徑問題,OFDM信號的每個符號中都加入了循環前綴,每個循環前綴都是符號中部分信息的復制,用于克服由于多徑所帶來的符號間干擾。解調中的時間同步點只要保持在正確符號開始之前、循環前綴之中就可以,因而對時間同步的要求不是非常嚴格。

在頻域上,不同于一般數字調制信號的解調,WLAN OFDM信號解調過程中采用FFT操作來分離每個子載波,為了保證各子載波的嚴格正交性,避免產生載波間干擾,準確的頻偏估計是關鍵。因此,較之時間同步精度,頻率同步精度對OFDM信號解調性能影響更大。

綜合以上分析,在時域上OFDM信號中循環前綴的存在,使得其接收解調處理對由相位噪聲引起定時抖動并不敏感。然而,由于頻域上OFDM信號各子載波間的正交性,卻使其對由載波頻率抖動所帶來的載波頻偏非常敏感。

零中頻接收方案中,測試得到接收機相位噪聲特性相噪最差的頻點在80 kHz附近。根據文獻[1-3]的分析結論,得到噪聲功率譜密度函數Sθ(f)與相位噪聲值L(f)間的換算關系為:

相位噪聲是噪聲在多個頻率分量的疊加結果 ,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),得出對相位噪聲和貢獻最大的分量為f-2項。根據文獻[1]的結論,得到接收機相位噪聲功率譜密度 Sθ(f)與信號定時抖動值JRMS(單位秒)之間的關系有:

式中,θ(t)為信號相位瞬時值,f0為可能對解調性能影響最大、相噪指標最差的頻率段,此處選擇f0=80 kHz～8 MHz,計算出接收機定時抖動為:

在WLAN系統中 ,循環前綴長度為0.8 μ s,能夠適應240 ns的多徑延遲,5 ns的信號定時抖動不會影響解調性能。

根據這個結論,從OFDM信號解調能拿容忍的最大定時抖動同樣能夠推導出接收機的最差相位噪聲。這一計算在已經做好基帶信號解調算法仿真、開始接收機具體電路設計過程中進行,用于計算接收機相噪指標理論下限。

根據WLAN協議要求以及OFDM信號解調算法仿真結果,得出解調定時抖動均方根值為:

帶入式(4)和式(3)有:

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

3 全直流耦合采樣驅動技術

接收信號經過零中頻下變頻后輸出零中頻信號,需要進行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現。對于WLAN OFDM信號,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,為了達到最佳傳輸效率,零中頻接收電路的輸出阻抗應與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動電路。

具體解決方案如下:采用驅動放大器AD8139作為隔離驅動電路。AD8139是一個射頻驅動芯片,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,還有一個專用的共模電壓輸入引腳,用于輸出信號共模電壓的設置。

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穩定電源相接,就可以使實現與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,就可以達到零中頻接收電路與A/D采樣電路的直流耦合,實現共模電壓的匹配。AD8139的連接如圖2所示。

圖2 直流耦合采樣驅動電路設計

同時,在AD8139外部連接不同的外接電阻,通過選擇外接電阻的阻值,設置驅動增益和輸入、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,實現最佳匹配傳輸。為了保證I、Q兩路信號的幅度、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 實驗測試結果分析

按照以上分析設計WLAN OFDM接收機,采用零中頻接收體制。考慮到接收機還有盲信號分析的功能要求,相噪設計指標高于前面分析指標。最終設計實現接收機主要指標為:

相位噪聲:-85(dBc/Hz)@80kHz;

頻率范圍:4.8～5.8 GHz;

噪聲系數:6 dB;

AGC動態范圍:90 dB。

現選取WLAN中最高階調制64QAM作為被測源信號,實際測試得到測試結果如圖3和圖4所示。圖3為采樣零中頻信號得到的時域波形圖,圖4為解調該零中頻OFDM信號得到的星座圖。

圖3 64QAM調制OFDM信號時域波形

圖4 64QAM調制OFDM信號解調星座圖

射頻信號經過下變頻電路成為零中頻基帶信號,從A/D采樣數據的時域波形可以看出信號沒有直流漂移和失真。

觀察解調星座圖,在最高階調制64QAM模式下的星座點邊界清晰,系統能夠正確解調,表明該直流耦合模式在低頻頻段沒有信號損失,系統在有效帶寬內頻段能夠保持增益和相位穩定,滿足系統對OFDM信號的正確接收和解調。

5 結束語

根據對WLAN OFDM信號的信號體制分析,設計接收機采用零中頻變頻方案,大大簡化了接收電路結構。此外,作為一種對抗多徑的有效技術,OFDM信號解調算法對時偏敏感度小,降低了對接收機相噪指標的要求,能夠采用更便宜的器件,從而有利于小型化、低成本接收機的設計實現。

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