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1 引 言 在IEEE 802.11g物理層中�；鶐幚砥饕幚�3種不同的幀結(jié)構(gòu)SSS_CCK(直接序列擴(kuò)頻補(bǔ)碼鍵控)、OFDM(頻分復(fù)用)和DSSS_OFDM(直接序列擴(kuò)頻正交頻分復(fù)用)。圖1顯示了這3種不同的幀結(jié)構(gòu)。因此在設(shè)計接收機(jī)時，首先要考慮數(shù)據(jù)幀的檢測與判別問題，因為檢測算法的正確性與準(zhǔn)確性就決定了整個接收機(jī)的性能上限。 因此在設(shè)計接收機(jī)時，必須考慮不同類型信號的檢測問題。在接收機(jī)前端，要先檢測到接收的信號，再判別是哪種前導(dǎo)格式，才能進(jìn)行余下的處理。 2 802.11g標(biāo)準(zhǔn)的幀頭格式 在IEEE 802.11g標(biāo)準(zhǔn)中，其幀頭可以采用兩種形式中的一種：正交頻分復(fù)用(OFDM)類型和直接序列擴(kuò)頻(DSSS)類型。 在OFDM類型的幀頭中，位于基帶信號最前端的是short preamhie前導(dǎo)信號，這是由10個相同的符號序列組成，一個符號的周期為0.8μs。每個符號序列由16個點構(gòu)成，每個點都可以看成是有實部和虛部的復(fù)數(shù)，該幀頭字列以20 M速率發(fā)送。 在DSSS類型的幀頭中，前導(dǎo)信號以11 M速率發(fā)送，由多個同相或反相的符號周期地重復(fù)構(gòu)成，周期為1μs。一個符號由11個點組成，每個點都可以看成是有實部和虛部的復(fù)數(shù)，前導(dǎo)(preamble)最基本的作用就是用來指示分組的到來，實際上對前導(dǎo)的檢測是接收的準(zhǔn)備。設(shè)計檢測算法要考慮兩個方面的指標(biāo)：有效性與可靠性。 首先，不能在有分組到達(dá)時候檢測不到，這就是所謂的丟幀，網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量會因此而下降。提高分組到來時的檢測率就是提高有效性。其次，不能在沒有分組到達(dá)到時做出錯誤的到達(dá)指示，或者將一種分組誤判無另外一種，引起網(wǎng)絡(luò)資源的浪費，為了防止這種情況的發(fā)生，就要提高檢測的可靠性。除了用來進(jìn)行接收信號檢測，無線局域網(wǎng)設(shè)備還要利用preamble完成其他接收中的任務(wù)。比如在OFDM類型preamble情況下，接收機(jī)還要用他來進(jìn)行自動增益控制(AGC)，頻偏估計等。 因此，preamble檢測必須在AGC調(diào)整的同時進(jìn)行。AGC調(diào)整算法可以看作一個反復(fù)迭代的過程，目的是將信號幅度調(diào)整到A／D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換范圍之內(nèi)，這就使得檢測算法的輸入信號幅度是在不停變化的，因此檢測算法必須能夠應(yīng)對這種情況。 3 檢測算法 檢測信號最簡單的方法就是偵聽周圍環(huán)境中能量的增加，能量監(jiān)測器可以在模擬域也可以在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)�？梢栽O(shè)置一個門限，然后采用門限觸發(fā)方式來實現(xiàn)。這種方法可能會不實用，特別在11g這樣存在潛在噪聲的環(huán)境中。如果有許多其他信號存在并且接收機(jī)檢測設(shè)備的靈敏度非常高，則數(shù)字信號處理器件就會被頻繁地喚起，引起能耗增加。 一種好的辦法是利用preamble自身的周期性，這種性質(zhì)可以抵抗無線環(huán)境中的所有損傷，可以通過自相關(guān)結(jié)構(gòu)利用preamble的周期性。既然DSSS preamble與OFDM preamble都有嚴(yán)格定義的周期，接下來需要做的就是設(shè)計一種結(jié)構(gòu)來尋找兩種周期。將接收到的采樣值與0.8 μs以及1μs之前的采樣值做比較，不管接收的是哪一種preamble，都會產(chǎn)生一個匹配。 兩種preamble周期的不同可以用來區(qū)分他們，為了提高檢測的可靠性，可以用好幾個周期。用4μs之內(nèi)的采樣值會比較方便，因為正好包含了4個DSSS preamble周期，5個OFDM preamble周期。因此，延遲線結(jié)構(gòu)的4μs之內(nèi)的采樣值相關(guān)并將相關(guān)值與設(shè)定的門限做比較就構(gòu)成了一個非常有效的區(qū)分兩種不同preamble的算法。 因為在相關(guān)檢測的同時，AGC正在調(diào)整接收信號的幅度，將信號的幅度限制在AD轉(zhuǎn)換器工作范圍之內(nèi)。因此采樣幅度受AGC影響而變化，這樣做相關(guān)就會很難得到正確定判斷，所以不能簡單的進(jìn)行抽樣值的相關(guān)。不過仍然存在簡單且節(jié)省能量的方法，可以用接收信號采樣值的符號位做相關(guān)，這實現(xiàn)起來很簡單，而且將被證明非常有效。 圖2為具體的電路實現(xiàn)是示意圖，將I，Q兩路采樣值的符號位組合成幅度，相位各不相同的復(fù)數(shù)，可以規(guī)定當(dāng)采樣幅度大于或者等于零時，符號位設(shè)為-1，小于零時設(shè)為1。這樣一來，進(jìn)行自相關(guān)的值就是實部與虛部為1或者-1的一系列值，這樣做是為了充分利用前導(dǎo)的周期性，測試結(jié)果也表明此種方法優(yōu)于將I路與Q路的符號位分開進(jìn)行自相關(guān)。當(dāng)頻偏50 ppm，多徑與其他損傷都一樣的情況下，信噪比7 dB，測得檢測錯誤率降低2／3。圖3為用兩種幀頭I，Q兩路采樣值的符號位組合成的復(fù)信號進(jìn)行相關(guān)的結(jié)果，可以清楚地看出，因為周期的不同，出現(xiàn)峰值的位置也不同，可以由此分辨出不同的幀頭。 4 性能評估 既然發(fā)送的preamble是嚴(yán)格定義好的，所以是否能夠正確接收取決于信號在發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間遇到的損傷。比如頻偏，多徑以及噪聲都使得preamble難以辨別。所以檢測算法必須要考慮這些損傷。 頻偏的影響使得信號的頻譜發(fā)生搬移，也可以看作時域的旋轉(zhuǎn)。多徑可以看作原始信號的幾個拷貝以不同的幅度與相位疊加在一起，在一些情況下，這些因素已經(jīng)使得信號難以辨別。在極端接收情況下，熱噪聲的幅度可以和有用信號差不多大，使得信號非常難以辨別。所有這些損傷都源自802.11協(xié)議的自然屬性，所以不能預(yù)見也不能消除。 上述提到的信號損傷只是純的WLAN環(huán)境下存在的，如果考慮相同頻帶的微波爐、藍(lán)牙、無繩電話以及許多其他信號的影響，這些干擾信號都能夠使得WIAN的preamble檢測失敗。 經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，各種不利因素中，只有當(dāng)頻偏比較大時，檢測的性能才會嚴(yán)重惡化，其他的諸如多徑、采樣偏差以及噪聲對性能的影響都是很小的，可以說算法對這些因素來說是健壯的，經(jīng)過下面的分析將會揭示其中的原因。 假設(shè)發(fā)送的信號沒有任何偏差的接收，采樣值必定為嚴(yán)格滿足周期性的，表示為：A1ejβ1，A2ejβ2，…，A16ejβ16，A1ejβ1，A2ejβ2，…，A16ejβ16，…(以O(shè)FDM preamble為例，20 M采樣時，每16個采樣點為一周期)，因為可以只取他們的符號位做相關(guān)，所以幅度上的誤差不會影響性能，而相位的劇變則是致命的。 噪聲只是混雜在有用信號中，使得信號難以分辨，并不能影響信號本身的幅度與相位，測試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)信噪比在3 dB以上時，噪聲對檢測算法的影響就很微小了。 采樣時刻偏差同樣不能惡化算法性能，假設(shè)存在采樣偏差，使得采樣時刻比標(biāo)準(zhǔn)時刻延遲了一個點，但是采樣點的周期性依然保持，沒有受到任何影響，20 m采樣時鐘下，OFDM preamble依然是16個點為一個周期。同理，DSSS也是如此。下面再來看看多徑效應(yīng)對算法的影響，以O(shè)FDM preamble為例，20 MHz采樣時，每16個采樣點為一周期，第k個周期的采樣點可以表示為： 假設(shè)信號存在3個獨立的傳播路徑，在3個不同的時刻到達(dá)，不失一般性，假設(shè)3條路徑分別延遲一個采樣點。 第一條路徑到達(dá)的信號在一個周期內(nèi)可以表示為： 第二，第三路徑分別為： 三條路徑接收的信號矢量相加，就是接收機(jī)接收到的信號，因為分信號的周期相同，所以復(fù)合信號依然保持了周期性，所以多徑效應(yīng)對本檢測算法的影響不大，實際的仿真結(jié)果也驗證了這一結(jié)論。 最后再來看載波頻率偏差(CFO)對算法的影響。攜帶信息的載波信號可以表示為： 而當(dāng)有了載波偏差以后，信號變?yōu)椋?br /> 所以上述的例子經(jīng)變頻、采樣后會產(chǎn)生相位偏差，第n個采樣點的相位偏差為： 11g標(biāo)準(zhǔn)中允許的發(fā)射機(jī)與接收機(jī)頻偏范圍均為+25 ppm，也就是發(fā)射機(jī)與接收機(jī)最大可能頻偏為±50 ppm，在此條件下經(jīng)過一個周期16個采樣點后，相位相差： 可以看出相差較大，符號位的周期性會因此而惡化。 如果直接取接收信號符號位做相關(guān)，其性能會比較差，載波頻率偏差會對其判定的性能產(chǎn)生較大影響，例如在50 ppm載波偏差情況下，低信噪比時，檢測的錯誤率就比較大，如圖4所示。 5 改進(jìn)措施 通過進(jìn)一步測試可以得出結(jié)論，頻偏超過40 ppm，對算法的影響可以說是比較大的，必須要找到合適的辦法對付頻偏大影響。 仔細(xì)研究測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，頻偏在30 ppm時的性能比50 ppm時有了大幅度的提高，完全可以接受，由此得到啟發(fā)，對算法做如下修正： 將采樣值得符號位復(fù)信號分為兩路，分別進(jìn)行相位補(bǔ)償，一路補(bǔ)償25 ppm頻偏造成的相位偏差，一路補(bǔ)償-25 ppm造成的相位偏差，這樣一來，總有一路信號的相位偏差在±25 ppm之內(nèi)。再對兩路經(jīng)過補(bǔ)償?shù)姆栁恍盘栠M(jìn)行相關(guān)、門限比較等操作。如圖5所示。 對上述檢測方法做一點改進(jìn)，首先對接收信號進(jìn)行調(diào)制，分別將接收信號的調(diào)制到25 ppm和-25 ppm，然后分別將這兩路信號，用上述方法分別檢測，只要有一路檢測達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，即可判定接收信號的幀頭是這種類型的幀頭，電路結(jié)構(gòu)見圖3。檢測的錯誤率如圖6所示，可以看出，經(jīng)過這樣的改進(jìn)后，判定的錯誤率大大減小。 6 結(jié) 語 本設(shè)計的主要目的是利用11g中兩種不同preamble的周期不同把他們在幾個周期內(nèi)檢測判別出來，為了應(yīng)對AGC的影響，降低實現(xiàn)的復(fù)雜度，又巧妙地利用了采樣值的符號位進(jìn)行自相關(guān)判決。此外，為了消除大的載波頻率偏差的影響，又將信號采樣結(jié)果人為地添加了不同的載波頻偏，再做相關(guān)判決，取得了很好的效果，使得算法完全可以用于在IEEE 802.11g的幀類型檢測。 |
