无线通信中的OFDM技术及测试

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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端两个经过调制的正弦波上。其中，IFFT变换的作用就像是一个特殊的多路复用器。

图8   OFDM可以在发射端采用IFFT变换在接收端采用FFT变换来实现。在发射端，IFFT将多个并行的输入信号变换到输出端两个经过调制的正弦波上。IFFT变换的作用就像一个特殊的多路复用器

为了保持各路信号的同步，OFDM信号包含多个用于同步的子载波（如图9所示），我们称之为导频，作为相位和幅值基准，在接收器解调其他子载波中的数据时实现同步控制。

图9  OFDM信号包含多个称为导频的子载波，作为相位和幅值基准，在接收器解调其他子载波中的数据时实现同步控制　

关键特性的测量：星座图和EVM

图10  符合802.11j标准的WLAN信号星座图。注意，虽然该信号是采用多个载波进行传输的，但它本质上仍然是一个QAM信号。其中也包含两个冗余的符号，表示在导频上调制的信息

图10给出了符合802.11j标准的WLAN信号星座图。注意，虽然该信号是采用多个载波进行传输的，但它本质上仍然是一个QAM信号。其中也包含两个冗余的符号，表示在导频上调制的信息。
WLAN
WLAN是由IEEE 802.11标准定义的，其中包括从a到g多个变种，如表2所示。在16.25MHz的带宽内包含52个载波（如图11所示），编号从-26到+26，间隔312.5kHz。其中载波7和21（-21、-7、+7和+21）是导频。报文结构为“前同步码—报头—数据块”，子载波调制类型为BPSK、QPSK、16-QAM或64-QAM。

图11  调制方案中的各个载波称为子载波。子载波之间具有规则的间隔，称为子载波频率间隔（ΔF）。子载波的频率相对中心频率为kΔF，其中k是子载波的序号

最初的WLAN标准是802.11b，它不是基于OFDM技术的。a和g相同：a采用5GHz的ISM频带，g采用2.4GHz的ISM频带。j是g符号速率降低的版本，主要用于日本市场，n基于MIMO技术。
国际上多个组织都在从事WLAN的研究规范工作：WiFi行业联盟致力于定义802.11标准所需的子集，以确保不同厂商的设备之间具有更好的互操作性。EWC行业联盟致力于完善目前还没有完成的n标准，已经为此达成了一个统一的版本，并力图在802.11n标准批准之前提出实际的解决方案。
WLAN所需的测试设备
WLAN所需的测试设备必须具有高达6GHz的频率范围，并且能够调制或解调除了802.11n之外所有类型的带宽高达16.25GHz的OFDM信号，802.11n的最大带宽为40MHz。
到目前为止，我们对OFDM已经有了初步的认识。在OFDM中所有的载波都是用于构成单链路。OFDMA（正交频分多路复用多址）采用与CDMA类似的方式将不同组的子载波分配给不同的用户，其最著名的应用就是WiMAX。
WiMAX
WiMAX（全球微波接入互通）在概念上与802.11标准非常类似，但是要同时满足多个用户的需求使得它的实现更加复杂。
WiMAX主要有两个变种：固定式和移动式。移动式WiMAX，即802.16e-2005（常称为802.16e），易于实现移动设备之间的互连。它采用SOFDMA（可扩展OFDM多路多址）技术，这种技术能够与OFDMA互操作，但是需要新的设备支持。802.16e标准也增加了对MIMO（多入多出）的支持。
固定式WiMAX，即802.16-2004（常称为802.16d），采用OFDMA技术，工作频率范围为2～11GHz（在5.9GHz以上没有经过正式的批准）；它在2km范围内能够实现10Mbps的实际数据速率。
固定式WiMAX与WLAN有类似之处，即它具有OFDM物理层。移动WiMAX基于OFDMA物理层。它同时采用了频分多路复用和时分多路复用技术。子载波组（如图12所示）表示单独的数据流。每组子载波也具有一种帧结构。

图12   移动WiMAX同时采用频分多路复用和时分多路复用技术。子载波组表示单独的数据流。每组子载波也具有一种帧结构

时分特征如图13所示。帧结构等同于一个报文。上行链路和下行链路之间有一个时隙，称为转换时隙。

图13  时分特征如图13所示。帧结构等同于一个报文。上行链路和下行链路之间有一个时隙，称为转换时隙

移动WiMAX是一个动态系统。所传输的数据量与每组子载波上的调制类型和符号速率有关。如果链路质量较好，使用诸如QAM之类的高吞吐率调制类型，占用大部分带宽，那么就会限制系统内的用户数量。随着用户进一步远离基站，信号质量就会下降，系统能够保持较高的吞吐率。此时可以采用诸如QPSK之类吞吐率较低的调制方案。因此，这样就不需要一大组子载波了，系统就能够支持更多的用户。

图14  在这种WiMAX测量中，我们可以看到报文结构中包括下行和上行链路的数据，DL和UL，中间间隔一个转换时隙。UL包含较多的数据，可以使用比较复杂的调制格式，例如QAM。这就是我们选择解调的对象，但是我们也可以对采用QPSK格式的DL部分进行解调。我们还可以对两者同时进行解调，并在星座图上显示两种调制类型的混合图形
图14给出了吉时利的2820能够实现的两种WiMAX测量类型。我们可以看到，报文结构中包括下行和上行链路的数据，DL和UL，中间间隔一个转换时隙。UL包含较多的数据，可以使用比较复杂的调制格式，例如QAM。这就是我们选择解调的对象，但是我们也可以对采用QPSK格式的DL部分进行解调。我们还可以对两者同时进行解调，并在星座图上显示两种调制类型的混合图形。
结语
　　
　　就速度与移动性而言，WLAN和WiMAX标准相比传统的基于蜂窝的通信技术大大提高了数据传输的速度。

图15  无线技术和第四代蜂窝系统的LTE（长期演进）将是OFDM类的调制技术与MIMO射频结构的组合。在选择测试设备测试目前的射频标准时，最重要的是要考虑无线技术的发展趋势，确保您购买的测试仪器能够向前兼容
未来的无线技术和第四代蜂窝系统，例如LTE或UWB，将是OFDM类的调制技术与MIMO射频结构的组合（如图15所示）。在选择测试设备测试目前的射频标准时，最重要的是要考虑无线技术的发展趋势，确保您购买的测试仪器能够向前兼容。选择仪器时的一项关键指标就是带宽；WiMAX和WLAN的带宽都超过了25MHz。