OFDM信号接收电路设计分析

刘 煜,张其善,王金奎

(1.北京航空航天大学通信信息工程学院,北京100083;2.中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄050051)

0 引言

OFDM作为解决无线多径信道高速数据传输的调制方案早已被人们所重视,并且已经成为第四代无线通信候选方案之一。WLAN的IEEE 802.11a标准中使用OFDM作为信号物理层传输的调制方式,信号频率范围达到4.8～5.8 GHz,瞬时带宽为20 MHz。一般情况下,接收机采用2次变频方式,接收电路结构复杂。零中频接收技术具有电路结构简单的特点,电路结构的简化将直接带来接收机体积上的缩减,省去大部分的器件费用。然而,这种零中频变频相位噪声较大,是否满足OFDM信号接收要求,还需要估计接收机相噪指标,以及具体分析WLAN OFDM信号解调要求。

采用零中频变频方案,变频后的基带信号就将含有部分直流信号,其中含直流分量的宽带信号的采样需要解决2个问题:直流漂移问题和如何保持宽带信号传输增益稳定问题。而保持传输增益在全工作频段稳定的关键是实现信号传输中的阻抗匹配,即接收负载的变化(主要指A/D采样、保持状态的转变),不会引起接收信号幅度的变化,因此,需要在零中频下变频器与采样电路间设计合适的驱动电路。以上2个问题的解决就转变为该驱动电路的设计问题。

1 接收机变频设计方案

1.1 零中频变频

零中频又称直接式降频架,它是将接收信号直接降至基频,也就是把中频移到0 Hz处。由于信号载频和本振频率重合,没有镜像分量,故对变频前的射频放大器及变频器的选择性要求大为降低。而且,由于通常只需一次变频,不需中频滤波,变频输出采用容易实现的低通滤波器,元器件少,接收机结构简单[4-6]。另外,变频后信号带宽变为已调信号的一半,增大了A/D器件的选择余度,降低了A/D器件的功耗。

为了满足高速突发通信中载波同步快速锁定的要求,零中频变频接收机的接收本振不能由模拟PLL在RF或IF上锁定,而是由本地提供参考振荡器提供参考时钟。

1.2 接收机变频设计

1.2.1 OFDM信号频谱特征

在WLAN系统中(802.11a),信号频谱具有明显的特征:第0子载波位置没有信号,即载波频率处的频谱峰值小,第-1子载波和第1子载波的起始频率距第0子载波＞30 kHz。含有信息子载波48个,导频子载波4个,全部子载波为48+4=52个,子载波间隔312.5 kHz,信号带宽约为17 MHz。

1.2.2 OFDM信号零中频下变频结构

IEEE802.11a协议规定载频附近(±30 kHz)不含调制信息,一方面能够便于去除直流漂移,另一方面避免了基带信号受到闪烁噪声的影响。因此,零中频接收技术是最合适的选择,一方面充分利用了零中频接收技术所带来的电路结构简化优势,同时又避免了零中频接收技术中存在的低频噪声高所带来的性能下降,实现了成本与性能的平衡,其电路设计如图1所示。

图1 OFDM零中频接收机原理

2 接收机相噪指标分析

不同体制的信号,解调处理的方法不同,接收机指标要求也就不同。下面将OFDM接收机与普通数字调制接收机做一个对比,通过对比分析普通数字调制信号与OFDM信号解调原理的不同,能够获得OFDM接收机的主要指标要求。

对于一般非OFDM体制的普通MPSK和MQAM信号,信号接收解调的关键是信号的接收同步(包括时间同步、频率同步)。对应到接收机的性能指标上,则是接收机的相位噪声、本振频率稳定度。其中:接收机的本振相位噪声是影响时间同步性能的主要指标;接收机本振频率稳定度指标则主要决定了载波同步的性能。对于常规数字信号的解调来说,寻找各个码元的最佳判决时刻是主要问题。若相噪指标差,就会使最佳判决点定位出现大的抖动,产生码元间互扰,影响解调指标;但是小的频率偏移却对整个系统的影响不太大。因此,普通的PSK和QAM接收系统对相噪指标的敏感度很高,尤其对于高阶数字调制,这种要求更为苛刻。

WLAN的OFDM信号的调制方式为:BPSK、QPSK、16QAM和 64QAM。作为一种特殊的信号体制,OFDM是一种频分复用方式,由一系列在频率上等间隔的子载波构成,可以用复数表示为:

式中,An和φn为子载波的幅度和相位。

在时域上,为了解决信号传输中的多径问题,OFDM信号的每个符号中都加入了循环前缀,每个循环前缀都是符号中部分信息的复制,用于克服由于多径所带来的符号间干扰。解调中的时间同步点只要保持在正确符号开始之前、循环前缀之中就可以,因而对时间同步的要求不是非常严格。

在频域上,不同于一般数字调制信号的解调,WLAN OFDM信号解调过程中采用FFT操作来分离每个子载波,为了保证各子载波的严格正交性,避免产生载波间干扰,准确的频偏估计是关键。因此,较之时间同步精度,频率同步精度对OFDM信号解调性能影响更大。

综合以上分析,在时域上OFDM信号中循环前缀的存在,使得其接收解调处理对由相位噪声引起定时抖动并不敏感。然而,由于频域上OFDM信号各子载波间的正交性,却使其对由载波频率抖动所带来的载波频偏非常敏感。

零中频接收方案中,测试得到接收机相位噪声特性相噪最差的频点在80 kHz附近。根据文献[1-3]的分析结论,得到噪声功率谱密度函数Sθ(f)与相位噪声值L(f)间的换算关系为:

相位噪声是噪声在多个频率分量的叠加结果 ,这些频率分量有 :f0、f-1、f-2、f-3等 ,考虑到零中频接收电路连接有高通滤波器(截止频率30 kHz),得出对相位噪声和贡献最大的分量为f-2项。根据文献[1]的结论,得到接收机相位噪声功率谱密度 Sθ(f)与信号定时抖动值JRMS(单位秒)之间的关系有:

式中,θ(t)为信号相位瞬时值,f0为可能对解调性能影响最大、相噪指标最差的频率段,此处选择f0=80 kHz～8 MHz,计算出接收机定时抖动为:

在WLAN系统中 ,循环前缀长度为0.8 μ s,能够适应240 ns的多径延迟,5 ns的信号定时抖动不会影响解调性能。

根据这个结论,从OFDM信号解调能拿容忍的最大定时抖动同样能够推导出接收机的最差相位噪声。这一计算在已经做好基带信号解调算法仿真、开始接收机具体电路设计过程中进行,用于计算接收机相噪指标理论下限。

根据WLAN协议要求以及OFDM信号解调算法仿真结果,得出解调定时抖动均方根值为:

带入式(4)和式(3)有:

得到WLAN OFDM信号接收机相位噪声理论下限为:-80(dBc/Hz)。

3 全直流耦合采样驱动技术

接收信号经过零中频下变频后输出零中频信号,需要进行A/D变换。一般情况下,为了避免直流漂移和闪烁噪声,变频器与A/D采样电路的连接采用交流耦合形式,一般通过中间串接高通滤波器来实现。对于WLAN OFDM信号,该高通滤波器的截止频率仅有30 kHz,因此滤波器体积较大。

直流耦合连接最关键的问题在于:共模电压的匹配问题和阻抗匹配问题。零中频下变频电路与A/D采样电路间最简单的直流耦合连接是将前者的输出直接与后者的输入相连到一起。然而,若零中频接收电路的输出共模电压同A/D采样电路的输入共模电压不相等,不能采用这种简单直连的方式。而且,为了达到最佳传输效率,零中频接收电路的输出阻抗应与A/D采样电路的输入阻抗相匹配。因此,需要在零中频接收电路与A/D采样电路间加入合适的驱动电路。

具体解决方案如下:采用驱动放大器AD8139作为隔离驱动电路。AD8139是一个射频驱动芯片,能够提供输入与输出共模电压的隔离。芯片的输入输出采用差分传输形式。这样,整个基带电路全部采用差分连接,能够提供额外的共模抑制,解决由于零中频接收所带来的偶次谐波失真问题。

AD8139的全部功能引脚中,除了输入/出、电源引脚,还有一个专用的共模电压输入引脚,用于输出信号共模电压的设置。

其中,A/D采样电路的共模电压为3.5 V,所以只需将AD8139的共模输入引脚与3.5 V稳定电源相接,就可以使实现与A/D采样电路的共模电压匹配。由于AD8139的输入电路能够适应极宽范围的输入共模电压,因此可以将AD8139的输入以直流耦合方式连接零中频接收电路。这样,就可以达到零中频接收电路与A/D采样电路的直流耦合,实现共模电压的匹配。AD8139的连接如图2所示。

图2 直流耦合采样驱动电路设计

同时,在AD8139外部连接不同的外接电阻,通过选择外接电阻的阻值,设置驱动增益和输入、输出阻抗,满足前端零中频接收电路和后面A/D电路的阻抗匹配要求,实现最佳匹配传输。为了保证I、Q两路信号的幅度、相位的一致性,外接电阻需要选用精密电阻,I路与Q路相同位置电阻阻值尽量保持一致,避免引入I、Q失配误差。

4 实验测试结果分析

按照以上分析设计WLAN OFDM接收机,采用零中频接收体制。考虑到接收机还有盲信号分析的功能要求,相噪设计指标高于前面分析指标。最终设计实现接收机主要指标为:

相位噪声:-85(dBc/Hz)@80kHz;

频率范围:4.8～5.8 GHz;

噪声系数:6 dB;

AGC动态范围:90 dB。

现选取WLAN中最高阶调制64QAM作为被测源信号,实际测试得到测试结果如图3和图4所示。图3为采样零中频信号得到的时域波形图,图4为解调该零中频OFDM信号得到的星座图。

图3 64QAM调制OFDM信号时域波形

图4 64QAM调制OFDM信号解调星座图

射频信号经过下变频电路成为零中频基带信号,从A/D采样数据的时域波形可以看出信号没有直流漂移和失真。

观察解调星座图,在最高阶调制64QAM模式下的星座点边界清晰,系统能够正确解调,表明该直流耦合模式在低频频段没有信号损失,系统在有效带宽内频段能够保持增益和相位稳定,满足系统对OFDM信号的正确接收和解调。

5 结束语

根据对WLAN OFDM信号的信号体制分析,设计接收机采用零中频变频方案,大大简化了接收电路结构。此外,作为一种对抗多径的有效技术,OFDM信号解调算法对时偏敏感度小,降低了对接收机相噪指标的要求,能够采用更便宜的器件,从而有利于小型化、低成本接收机的设计实现。

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