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射频波形生成和测量的复杂性

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

很难想象还有什么东西能比在天空和太空中传送太拉字节信息的信号更好地说明21 世纪电子技术的复杂性。这些信号在无线局域网、先进蜂窝系统、基于地面和卫星的多媒体数字广播系统中的有线网络电缆和光网络光纤中传输。这些通信系统和广播系统非常复杂,它们产生并发送的那些满载信息的信号也是非常复杂。幸运的是,您或许可以在不完全了解这些信号如何传输数据或这些系统如何把信息加到数千兆赫射频载波上的情况下,使用这些信号并测量它们的主要特性。尽管如此,在选择仪器或软件来生成测试信号或确定数据有时在到达目的地的途中遭到破坏的方式或原因时,您或许需要更好地了解它们。
  UWB(超宽带)技术仍处于初始阶段,它使用数百兆赫来发送数据速率很高的信号,发送的距离通常为几十米或更短。UWB技术的存在一点也不影响以下断言的有效性:有限的带宽和数据量的爆炸性增长需要更加复杂的通信系统和信号。事实上,UWB 强化了这一观点。UWB 并不试图找到射频频谱中的空闲点,将信号置入其中,而是在其它服务占用的频段内发送信号。UWB 系统设计得可以共享带宽,而不会对其它服务产生干扰,或受到其它服务的干扰。高数据速率、宽带宽和占用相同频率的干扰信号的存在这三个因素,使得系统设计极具挑战性。
  正交频分复用(OFDM)技术
  有两种互相竞争的技术是 UWB 的基础,其中之一就是一种称为OFDM(正交频分复用)的 DSP 密集型系统。OFDM 还是 IEEE 802.11 无线联网标准系列、几种 DBS(直接广播卫星)电视系统、iBiquity Digital 公司 (www.ibiquity.com) 面向美国市场的 HDRadio TDAB(陆基数字音频广播)系统、欧洲 DVB(数字电视广播)系统(它既支持陆基传输又支持卫星传输)中的一种关键技术。
  您可能听说人们把 OFDM 称为一种数字调制形式,严格地说,它不是。OFDM 使用数百甚至数千个不同频率的副载波,使装入每个符号周期中的信息比大多数其它数字数据传输系统能装入每个符号周期的信息更多。因此,OFDM 使用数量更少、持续时间更长、复杂性更高的符号来达到与其它几种数字传输系统相同的数据传输速率。(有些人认为这些符号是一个符号周期中的多个符号。)而且无须增加占用带宽就可以维持这一数据速率。
  OFDM 的符号时间长,相应地符号速率就低,这就使 ISI(符号间干扰)能减少到最低程度而ISI在射频通信中通常是由多路径失真等信号减损引起的。当某个信号通过几条路径到达接收天线时,就会发生多路径传播。其中一条路径可能是从发射天线直接到达接收天线,而其它路径则涉及到固定物体或运动物体的反射信号。只要延长符号持续时间,使之超过延迟时间最长的反射信号到达接收天线所花的额外时间,OFDM就能消除此类反射信号通常造成的 ISI。还有一个好处是,信息散布在多个载波中,能提高信号的抗干扰能力以及信号对多路径传播的频率响应影响的抵抗力。
  它是一种数据传输系统
  某种形式的数字调制,如 BPSK(双相移键控)或 QAM(正交调幅,参见参考文献 2),把信息加在每个 OFDM 副载波上。一个 OFDM 系统能在不同副载波上使用不同类型的调制,任何副载波使用的调制类型都可以随时改变。也就是说,一个 OFDM 副载波可以使用 BPSK,然后改用 QAM,接着再改回来,或者改用另一种调制形式。因此,您或许不应该把 OFDM 称为一种调制,而应称为一种数据传输系统。
  OFDM 的魅力部分来自其多个副载波之间的正交性。不同频率的信号可以正交,这一思想也许需要人们花些时间来习惯它,这是因为人们一般把正交性看作同频率信号的一种特性。例如,两个正交的同频率正弦波信号分量(即在时间上相差 90°)是垂直的,因为任何一个分量的幅度变化都不影响另一个的幅度。同样,调制一个 OFDM 副载波不会影响系统的其它副载波,因为每个副载波频谱的幅度在所有其它副载波频率上都是零(图 1)。
射频波形生成和测量的复杂性
图1,查看某个 OFDM 信号的多个副载波的频谱,您会发现系统是如何避免载波间干扰 (ICI) 的。间隔很近的各个载波互相重叠。每个载波的频谱在所有其它载波的中心均为零,从而产生零 ICI( Agilent 公司供稿)。

  OFDM 系统有时使用数千个副载波。与不使用OFDM而使用简单调制(如每符号传输一个比特的 BPSK) 的系统相比, OFDM 系统在理论上能以相同的比特率传输数据,尽管符号速率较低,与副载波数量成正比。有些系统把 OFDM 与运载 64QAM(64 级 QAM)等复杂调制的副载波结合起来,它们至少在理论上能够维持数据速率,同时仍旧能进一步降低符号速率——在 64QAM(每符号传输 6 个比特)的情况下,可降低到1/6,因为 64=26
  数百兆赫信号的产生
  产生一个用 64QAM 调制的 2.5 GHz或 5GHz 或更高频率的信号,这就够难了(参考文献 3)。再则,当您在外部生成基带信号时,至少有两种仪器——Rohde and Schwarz 公司的 SMU200A 和 Agilent 公司的 PSG 系列——能分别达到 200MHz 和 1GHz 的调制带宽。合成此类信号并仿真在典型环境中使这些信号劣化

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