无线通信中的OFDM技术及测试

         OFDM(正交频分多路复用）具有很高的频谱效率，比GSM和WCDMA等无线技术能够在单位带宽内调制更多的数据。图1对比了几种主要无线蜂窝技术的频谱效率，以及它们与WLAN和WiMAX的对比情况。以面向移动蜂窝设备的无线LTE（长期演进）和UMB（超移动宽带）技术为代表的第四代无线通信技术计划将采用OFDM和OFDMA技术。
 
图1  主要蜂窝技术的频谱效率及其与WLAN和WiMAX的对比。以LTE（即无线蜂窝设备的长期演进）技术为核心的第四代无线通信将采用OFDM技术

OFDM能够容忍带有较高射频干扰的环境。某些使用OFDM技术的通信服务——例如WLAN——工作在开放的ISM频带中，它们必须与很多其他使用该开放频带的设备共存，包括模拟无绳电话（900MHz）、微波炉（2.45GHz）、蓝牙设备（2.45GHz）、数字无绳电话（2.45GHz或5.8GHz）和WLAN（2.45GHz或5.8GHz）。OFDM能够很好地工作在复杂的多通路环境中，本文下面将会详细说明。

数字调制综述

大多数数字传输技术都通过调制一对相位差为90°的正交正弦波来实现。调制信号可以表示为一个同相（I）分量与一个正交（Q）分量的矢量和，如图2所示。
　
图2  大多数数字传输技术都通过调制一对相位差为90°的正弦波实现。调制信号可以表示为一个同相（I）分量与一个正交（Q）分量的矢量和

按照这种方法进行数字信号的编码映射有多种实现方式。如果改变两个正弦波之间的相位关系，那么这就是PSK（相移键控）技术。常见的PSK是采用四个相位的QPSK（四相移键控）；如果采用8个相位，那就是8PSK。如果同时改变两个正弦波的幅值和相位，那就是QAM（正交幅值调制）技术。

分析所生成的调制信号的最好方法是采用VSA（矢量信号分析仪），例如吉时利的2820，它以星座图中正交信号对的形式处理所有的数据。图3给出了几种调制信号的星座图，包括QPSK、8PSK和16QAM。

图3  几种调制信号的星座图
 
调制质量分析

图4  衡量数字接收信号质量的常用指标是误差矢量幅值，即EVM。EVM是接收信号矢量误差幅值与其理想的信号幅值的比值

衡量数字接收信号质量的常用指标是误差矢量幅值，即EVM（如图4所示）。EVM是接收信号的矢量误差幅值与其理想的信号幅值的比值。EVM从数学的角度可以表示为：
　
或
　
　　蜂窝技术规范通常用百分比来表示某些量，而在WLAN领域则一般用分贝数来表示EVM的大小。

多路径问题

多路径问题进一步增大了EVM测量的复杂性。图5给出了一种符号速率为每秒1M的蓝牙信号。在这一速率下，接收器将在一微秒的时间窗口内接收到一个特定的符号。如果由于多路径问题而使信号延迟了一微秒以上，接收器将在下一个符号周期内收到应有的符号，从而引起严重的符号错误。
　
图5  如果信号直接到达路径与反射到达路径的长度差异使传输延迟差超过1微秒，那么接收器将在下一个符号周期内收到符号

数据速率越快，多路径引起ISI（符间干扰）问题的可能性就越大。减少误码率最直接的方法是降低符号速率，使得每个符号持续的时间延长，增强抵抗多路径问题的能力。但是，这种方法会降低数据速率。我们需要一种既能够降低符号速率，又不会降低数据速率的方法——看起来似乎是一件不可能的事，OFDM技术正是解决这一难题的方法。

OFDM技术能够同时传输大量间隔紧密的载波，每个载波调制一个不同的信号。如图6所示，单独的I和Q输入信号被转换成分离的载波。每个载波的符号速率较低，因而具有较强的抵抗多路径问题的能力。但是由于载波数量很多，所以总体上仍然保持较高的数据速率。相邻载波都是频率相互正交的，从而使它们之间的串扰降到最低限度，不需要窄带滤波器。
　
图6  与每次传输一个符号不同的是，OFDM能够通过大量载波同时传输多个符号。这就是频分多路复用分量。子载波分布在精心选择的多个频率上，相互“正交”，邻近的子载波不会相互干扰

OFDM射频技术

正如大家所看到的，这里涉及很多复杂的数学知识。很多传统的测试仪器缺少信号处理功能，无法快速执行这类测量操作。如图7所示，吉时利采用基于DSP的增强架构能够快速实现这类分析操作。
　
图7   2810矢量信号分析仪和2910矢量信号发生器的数字电路模块图

OFDM虽然在概念上比较简单，但是它的实现却非常复杂。从数学上来看，它可以在发射端采用IFFT（反向快速傅立叶变换）在接收端采用FFT变换来实现。如图8所示，多个并行符号被变换到输出