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在超寬頻系統中採用多頻帶OFDM方案的優點

上網時間: 2004年01月01日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:UWB  multiband  OFDM  超寬頻  多頻帶 

近年來,超寬頻技術(UWB)通訊系統獲得了業界、媒體與學術界的極大重視,但要使UWB系統從實驗室環境發展成為現實的系統設計,工程師還必須解決諸如複雜性、功耗、成本以及靈活性等傳統的設計問題。憑藉多頻帶OFDM方案,設計人員可以克服上述諸多障礙。本文將具體介紹多頻帶OFDM方案的原理及它所帶來的優點。

超寬頻技術引起人們的普遍注目,主要原因在於該技術在現實的多通道環境中具有極強的擴展潛力,從在10公尺距離上提供110Mbps數據傳輸速度,擴展到在兩公尺距離上提供480Mbps數據傳輸速度,不僅能保證極低的功耗,而且佔用的晶片空間很小。可以預計,UWB元件將為滿足消費者在數據傳輸速度方面不斷成長的需求,提供低成本解決方案,同時它也支援新的消費性產品市場。

FCC的作用圖1:用於多頻帶OFDM系統子帶的頻率分配。

對UWB技術的關注之所以與日俱增,很大程度上也是由於美國聯邦通訊委員會(FCC)做出了有關重大決定。2002年2月,FCC向UWB元件開放了7,500MHz使用頻段(從3.1GHz至10.6GHz),該決定主要依照IEEE 802.15.3a等標準實施,因而大幅激發了人們對開發UWB通訊系統的興趣,並為創新與技術進步打開了新的商機。

儘管FCC已為UWB分配了3.1GHz至10.6GHz全部頻譜,但有關資料顯示,使用4.8GHz以上的頻率僅能夠將目前RF CMOS技術的總鏈路容限提高1dB,而這還會造成更大的複雜性與更多功耗。

由於鏈路容量的增益有限,再加上複雜性和功耗問題,於是我們可以得出這樣的結論,即3.1至4.8GHz之間的頻寬是UWB元件初始部署的有效頻寬。事實上,將上限頻率限制為4.8GHz還有一些明顯的好處,包括加速產品的上市進程、簡化RF及類比前端電路的設計(低噪音放大器及混頻器)、使其更適於CMOS製程以及避免來自U-NII頻帶(IEEE 802.11a訊號駐留於此)的干擾。

當然,限制UWB的頻寬(至少初期如此)並不排除今後利用全部頻寬的可能性。隨著RF技術的提高,在UWB範圍內使用上限頻率的效率會變得更高。如果對UWB系統進行前瞻性考慮以及適當規劃,就能夠在市場條件需要的情況下提供向更高頻率升級的有效路徑。

系統設計問題

就3.1至4.8GHz頻寬而言,設計UWB系統有數種方法。其中一種就是利用整個1,700MHz的頻寬,並採用展頻或碼分多址(CDMA)技術展開已傳輸的資訊。

基於展頻技術建構UWB通訊系統的主要優點在於我們對該技術已有充分的把握,並在其它商業技術中業已得到驗證(如寬頻CDMA)。但是,建構RF與類比電路以及高速類比數位轉換器以處理這一超寬頻訊號是一個很具挑戰性的問題。此外,為了擷取足夠的多通道能量滿足110Mbps系統的10公尺範圍要求,則需要一個相當複雜的系統(至少16個RAKE指狀組件)。

除了分配頻譜之外,FCC還指定UWB訊號必須佔用500MHz的最小10dB頻寬,這使得UWB通訊系統設計在許多方面產生了翻天覆地的變化,頻譜不再使用整個頻帶來傳輸資訊,而被分為若干子帶,頻寬約為500MHz。透過交錯各子帶的訊號,UWB系統仍可以保持同樣的傳輸功能,好像它們使用的是整個頻寬一樣。圖2:用於多頻帶OFDM系統的時間頻率交叉情況。

這種方法的優勢在於,現在可在小得多的頻寬上處理資訊,不僅極大降低設計複雜性、減少功耗、降低成本,而且還能提高頻譜的靈活性,有助於在全球內符合相關標準,其它優點還包括它使用低速ADC並簡化了數位複雜性。採用這種方法建構的系統常常被稱為多頻帶系統。

掌握多頻帶方法

就多頻帶系統而言,既可使用單載波(基於脈衝)也可使用多載波(OFDM)技術傳輸每個子帶上的資訊。

單載波多頻帶系統透過調變非常窄的脈衝相位進行資訊傳輸。它的主要優點是發送器的設計非常簡單,缺點則在於採用單RF鏈難以收集大量多通道能量、發送器和接收機上的交換時間要求都非常嚴格(小於100ps)、接收機訊號處理對類比前端組件帶來的組延遲差異非常感應以及為了避免窄頻干擾有可能浪費頻譜資源。

多通道能量收集也是一個基本問題,因為它決定了通訊系統的傳輸範圍。有關資料顯示,基於脈衝的系統使用單RF接收鏈不能達到所要求的10公尺距離,但是採用多頻帶方法,還是有可能最終實現所需的距離,不過這樣所付出的代價就是增加接收機的複雜性(如多RF接收鏈)、加大功耗及類比晶片的尺寸並延長設計時間。

而多載波多頻帶系統則採用正交分頻多工傳輸(OFDM)技術傳輸每個子帶上的資訊。OFDM擁有一些非常好的特性,包括高頻譜效率、內在的RF抗干擾性、多通道穩健性以及高效擷取多通道能量等功能。我們已對該技術非常熟悉,並在其它商業技術(如IEEE 802.11a/g)上通過驗正。

該技術的主要優勢在於它使用單個RF鏈,因此在較寬鬆的交換時間條件下對組延遲差異不感應,在接收機處毋需犧牲子帶或數據傳輸速度就能處理窄頻干擾,因而能更方便地收集多通道能量。它的唯一缺點就是發送器稍顯複雜,因為需要一個IFFT,且峰值平均值之比可能比基於脈衝的多頻帶方法略高。

深入探討多頻帶OFDM

我們已經簡單討論了設計人員可以利用的各種多頻帶方法,那麼下面我們不妨進一步談一談基於OFDM的多頻帶方法。

鑒於頻帶範圍在3.1GHz至4.8GHz之間,以及FCC要求UWB訊號必須至少為500MHz,因此多頻帶OFDM系統的初始部署中只有三個子帶可用,圖1顯示了以特定頻率分配子帶的一種方法。圖3:CP長度對被擷取的多通道能量的影響。

之所以選擇圖1顯示的頻率規劃,原因有二。首先,它能夠在通道1的低階以及通道3的高階形成足夠的防護頻帶,因而簡化預選擇過濾器的設計;第二,它能保證發送器與接收機都能在幾奈秒內轉換至下一個中心頻率。

圖2給出了如何在多頻帶OFDM系統中傳輸OFDM符號。從圖中可看到,在通道1上傳輸第一個OFDM符號,在通道3上傳輸第二個OFDM符號,在通道2上傳輸第三個OFDM符號,而第四個OFDM符號則在通道1上進行傳輸,然後以此類推。

圖2中,我們假定只在三個OFDM符號間進行時域頻域交錯(TFI)。實際上,TFI週期可能長得多。TFI的確切長度和模式可能隨不同的超訊框或微網而有所差異。

我們從圖2可以看出,前綴(CP)插在每個OFDM符號的開頭,而保護間隔(9.5ns)則加在每個OFDM符號之後。已插入的保護間隔可以確保所有通道環境和所有數據傳輸速度只需單個RF發送器和RF接收機,就能確保發送器與接收機有足夠的時間轉換至下一個通道。

多通道穩健性

OFDM系統可以用複雜性較低的接收機為多通道頻散增加穩健性。添加一個CP迫使具有通道脈衝響應的線性卷積與循環卷積相似,在時域中的循環卷積相當於離散傅立葉變換(DFT)域中的乘法運算。因此,單抽頭頻域均衡器將足可以消除多工徑通道的影響。

CP的長度決定著被擷取多通道能量的大小,CP之外的任何多通道能量都會導致載波間干擾(ICI)。CP長度的選擇應最大程度地使收集到的多通道能量損失和相關ICI造成的性能影響降為最小,同時還保證CP開銷較小。

UWB通道模型具有很高的離散性,最糟糕的通道環境出現25ns均方根(rms)延遲分散。圖3顯示了CP長度對4至10公尺非視距(NLOS)通道環境的影響。

在圖3中,ICI和訊號之比顯示在解碼器輸入處具有110Mbps處理增益,為了充分擷取多通道能量並盡量減少ICI/ISI對所有通道環境的影響,CP持續時間應選擇為60.6ns。

音調分配

增加OFDM系統中的音調數量會降低CP引起的開銷,另一方面,快速傅?葉變換╱快速傅立葉逆變換(FFT/IFFT)塊的複雜性也會增加,且相鄰音調間的間距將減少。

為了在CP開銷和FFT複雜性之間取得最佳平衡,多頻帶OFDM系統使用128音調。為了符合FCC規定的標準,UWB訊號的10dB頻寬應至少為500MHz,這就意味著需使用至少122個音調。因此,128個音調分為100個數據音調、22個導頻音調及6個空音調。

在22個導頻音調中,12個為標準定義的導頻音調,10個為用戶定義的導頻音調。12個標準定義的導頻音調足可以評估╱追蹤由載波╱計時頻率不匹配造成的相位變化。為了放寬對通道選擇過濾器的規格,頻譜邊緣的音調或為空音調,或為用戶定義的導頻音調。

PAPR:關鍵性參數

OFDM系統的峰均值功率比(PAPR)在評估系統能否實施於CMOS中是一個關鍵的參數,較大PAPR要求傳輸DAC提供較高峰值傳輸功率,如果允許在DAC上出現較小削波可能會減少PAPR。

就OFDM多頻帶UWB系統而言,限制PAPR為9dB所得到的性能衰減低於0.1dB。此外,由於FCC限制UWB系統的傳輸功率為-41.25dBm/MHz,因此多頻帶OFDM系統的平均傳輸功率為-9.5dBm。PAPR為9dB而得到小於0dBm的峰值傳輸功率在CMOS技術中是可以實現的,毋需外部功率放大器。

頻譜靈活性

UWB頻譜不需要專門許可這一點相當關鍵,這樣UWB元件可與其它使用相同頻譜的元件共存。此外,UWB頻譜分配在世界不同區域還可以不同,舉例來說,日本政府就希望無線系統開發商避免使用UWB頻譜中已經分配用於射電天文的幾個窄頻帶。

多頻帶OFDM可以在軟體中動態關閉特定音訊或通道,因而符合本地規定,此功能有助於在世界範圍內採用多頻帶OFDM系統。多頻帶OFDM系統的靈活性和動態特性使其可在廣泛範圍內與目前及未來無線技術有效並存,OFDM的主要優勢之一就是它對窄頻干擾的穩健性。

由於音調間距為4.125MHz,因此多頻帶OFDM系統的解析度比基於脈衝的多頻帶系統的解析度(500MHz)要窄很多,任何窄頻帶干擾最多也只會影響幾個OFDM音訊而已。上述音訊中的資訊可透過前向糾錯程式碼加以恢復。

複雜性與功耗

有些人可能認為OFDM是一種相當複雜的調變技術,但多頻帶OFDM系統經過專門設計,是一種複雜度較低的解決方案。透過限制傳輸符號為正交相移鍵控(QPSK)組,DAC/ADC的解析度和數位基頻的內部精確度(特別是FFT)可以降低。有關類比顯示,接收機的四位量化就典型數據傳輸速度而言衰減少於0.1dB。

系統複雜程度降低的原因也在於載波間距相對於IEEE 802.11a系統而言較大,較大的間距放寬了載波合成電路系統的相位噪音要求,也提高了對同步誤差的容錯性。在簡單性和多通道能量擷取效率方面,多頻帶OFDM較其它可能的UWB方案具有明顯的優勢。對102.4MHz時脈速度來說,多頻帶OFDM要求的128點IFFT/FFT每個時脈週期可執行10個複雜乘法運算,這種複雜性相當於一個執行在256MHz上的複雜四抽頭RAKE接收機,可以實現單載波多頻帶。

多頻帶OFDM系統經過專門設計,適用於單個類比接收機鏈,這大幅簡化了總體架構。它利用目前可用並通過市場檢驗的RF設計技術和組件,縮短產品投放市場的時間。表1提供了採用90nm CMOS技術的多頻帶OFDM功耗的估算數值。

作者:Anuj Batra博士


DSPS研發中心技術研究員


Email: batra@ti.com

Jaiganesh Balakrishna博士


DSPS研發中心技術研究員


Email: jai@ti.com

Anand Dabak博士


DSPS研發中心資深技術研究員


行動無線部門經理


Email: dabak@ti.com


德州儀器公司




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