802.11a頻偏測量及估計問題研究

摘要：介紹了一種提高802.11a無線局域網(wǎng)系統(tǒng)的頻偏估計的準確度的方法。介紹了無線局域網(wǎng)的概念和特點及其應(yīng)用，給出了802.11a接收機的結(jié)構(gòu)，并介紹了頻偏估計的問題和解決方法，給出了仿真結(jié)果。

　　關(guān)鍵詞：WLAN 802.11a 頻偏估計

1 無線局域網(wǎng)

　　隨著人們與網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系日漸緊密，社會對于網(wǎng)絡(luò)的需求也逐日增加，無線接入的市場也在逐步擴大。IEEE制定了一系列的無線局域網(wǎng)標準，這些標準一般都是針對物理層（PHY）和媒體接入層（MAC），數(shù)據(jù)鏈路層的標準采用與有線網(wǎng)絡(luò)相同的802.3標準，這就保證了無線局域網(wǎng)與有線網(wǎng)絡(luò)之間的傳輸順暢。

　　802.11是IEEE最初制定的一個無線局域網(wǎng)標準，工作在2.4GHz ISM頻段，物理層采用紅外、擴頻等方式，其擴頻方式使用11bit的巴克碼，雖然碼片速率達到了11Mbps，但是信息速率最高只能達到2Mbps。由于802.11在速率和傳輸距離上都不能滿足人們的需要，因此，IEEE小組又相繼推出了802.11b、802.11a和802.11g三個新標準。



　　802.11a和802.11協(xié)議組中是第一個出臺的標準，802.11a工作在5GhzU-NII頻帶，物理層速率可達54Mbps。在802.11a中采用OFDM*（正交頻分復(fù)用）。OFDM是多載波技術(shù)中的一種，多載波技術(shù)使用FFT/IFFT實現(xiàn)數(shù)字載波。由于以前FFT/IFFT實現(xiàn)比較困難，所以這種技術(shù)實際中一直沒有廣泛應(yīng)用，隨著芯片生產(chǎn)和制造技術(shù)的發(fā)展，用ASIC、DSP甚至FPGA實現(xiàn)FFT/IFFT變得比較容易。802.11a標準在剛出臺時，由于芯片成本方面的問題，并沒有得到廣泛應(yīng)用，隨著對帶寬需求的不斷增加以及成本的下降，這一標準被視為一種極具潛力的技術(shù)。

　　802.11g是802.11b和802.11a的集大成者，它可以兼容802.11b，而且也引入了802.11a，從而使速率達到了54Mbps。但是，802.11g為了兼容802.11b，仍然工作在2.4GHz頻段。而2.4GHz頻段目前已被藍牙、微波爐等多種系統(tǒng)占用，工作在這一頻段上的系統(tǒng)很容易受到干擾，802.11g雖然支持54Mbps的通信速率，但在實際中很難達到這一要求。

　　目前市場上802.11b的產(chǎn)品非常多，下面主要討論802.11a系統(tǒng)實現(xiàn)中的一些問題，802.11g中也集成了802.11g的基帶部分，因此下面的頻偏估計方法也適用于802.11g的OFDM模塊的實現(xiàn)。



2 802.11a系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

　　802.11a系統(tǒng)的核心 技術(shù)是OFDM技術(shù)，OFDM技術(shù)的核心是FFT/IFFT變換。為了實現(xiàn)OFDM技術(shù)所需的同步捕捉、頻偏補償?shù)裙δ埽?02.11a定義的幀格式如圖1。

　　其中，Short Preamble包括10個重復(fù)的16symbol的序列，Long Preamble包括2個相同的80symbol的序列，這兩部分可以用來進行同步捕捉和頻偏補償。在Signal Field定義了這一幀的數(shù)據(jù)速率、幀長度等信息。Data段包含要傳送的數(shù)據(jù)。圖2是一個802.11a收發(fā)系統(tǒng)的基帶框圖。

3 頻偏估計的問題

　　頻偏是由于收發(fā)晶振不可能很準確地定位到同一個頻率，按照802.11a標準，可晶振穩(wěn)定度的規(guī)定是20ppm，對應(yīng)于200kHz的頻偏。802.11b系統(tǒng)中也存在頻偏，但是，由于802.11b工作在2.4GHz，同樣對應(yīng)于20ppm的晶振平穩(wěn)定，其最大頻偏約為100kHz，比802.11a系統(tǒng)小將近一半。

　　另外，考慮到802.11a采用多載波的OFDM技術(shù)，其各個子載波是相互正交的數(shù)字載波，如圖3所示。



　　從圖3中可以看到，正交性是依靠相鄰載波的中心點與零點相重合取得的，當頻偏存在時，這種正交性就遭到了破壞。此外，由于802.11a使用了從BPSK到64QAM的星座映射。對于64QAM由于其歐拉距離的減小，更容易受到頻偏的干擾。仿真證明，不同速率對頻偏的敏感程度是不同的。圖4是在無頻偏補償措施的情況下，在無噪聲信道中，6Mbps和54Mbps時，長度為100byte的數(shù)據(jù)，其誤幀率隨頻偏的變化曲線。

　　100byte的長度在802.11a系統(tǒng)中屬于較小的幀長度，在這種情況下，當頻偏達到15kHz的6Mbps也受到了影響，而54Mbps的數(shù)據(jù)在15kHz時，由于頻偏造成的誤幀率高達64%，而20kHz的頻偏可使幾乎所有的54Mbps的數(shù)據(jù)幀都發(fā)生錯誤�？梢�，頻偏對802.11a系統(tǒng)的影響是相當大的。

3．1 通常的頻偏估計方法

　　一般的設(shè)計中，使用802.11a前面的shortpreamble的自相關(guān)進行頻偏估計：

　　設(shè)頻偏為θ，則接收到的數(shù)據(jù)y(N)可表示為：



　　ρ為第N點對應(yīng)的頻偏值，與y(N)相隔k個數(shù)據(jù)點的數(shù)據(jù)y(N+k)可表示為：



　　其中，T為兩個數(shù)據(jù)點之間的采樣間隔。



　　根據(jù)shortpreamble每16個數(shù)據(jù)點就重復(fù)一次的特性，可以得到k=16時：



　　按照（4）式可以估計出頻偏的值。但當系統(tǒng)中存在噪聲時，上述估計方法的準確度會明顯下降。

3．2 通過低通濾波改善頻偏估計的精度

　　為了解決噪聲影響頻偏估計的問題，筆者在上面的估計中又加入了一步平滑濾波的過程，在連續(xù)若干個點，估計出來的頻偏值應(yīng)該是一個穩(wěn)定的值，即使有抖動，也是低頻抖動。因此，在上面的估計中可以加入一個低通濾波步驟，去掉由于噪聲引入的高頻抖動，這里使用一個IIR的等效低通：

V（N+1）=V（N）+（W（N）-V（N）/8　　 （5）

　　然后，再使用V（N）估計頻偏的值。



　　3．3 仿真結(jié)果

　　筆者能頻偏為200kHz的數(shù)據(jù)進行了仿真，仿真中使用100包200kHz頻偏的數(shù)據(jù)，對于未來平滑的結(jié)果取其16點平均值，對于平滑后的結(jié)果，也取其16點的平均值，可以得到如下結(jié)果：

　　圖5是估計出來的100包頻偏值的平均值隨信噪比變化的結(jié)果。顯然，對于信噪比較低的情況而言，其估計值偏離理想值較遠，隨信噪比增大而接近估計值。由圖5可明顯看出，平滑前的頻偏估計值比平滑后的頻偏估計值要差。



　　圖6是估計出來的100幀頻偏值求標準差的結(jié)果�？擅黠@看出，隨信噪比的增大，頻偏估計值的標準差在減小，而且平滑后的頻偏估計值的標準差明顯小于平滑前的頻偏估計值的標準差。

　　頻偏估計是多載波系統(tǒng)面臨的一個較為復(fù)雜的問題。本文根據(jù)802.11a系統(tǒng)的特點，提出了一種頻偏估計方法的改進方法，通過仿真，可以看出這種方法取得了較好的效果。而且，這種方法實現(xiàn)起來較簡單。從數(shù)字信號處理的角度而言，還有更好的方法，但是這些方法一般比較復(fù)雜，在實際實現(xiàn)中的困難較大。本文的這種方法以較小的復(fù)雜度換取了較大的成效。