一起來(lái)學(xué)802.11物理層測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)（11a的OFDM調(diào)制）

前面我們總結(jié)了11b的調(diào)制：一起來(lái)學(xué)802.11物理層測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)（11b的調(diào)制），所以16章HR/DSSS的內(nèi)容就基本可以pass了，因?yàn)槌嗽黾恿艘恍┹^高速率的調(diào)制外，測(cè)試方面基本都與15章類似。17章的OFDM是針對(duì)5GHz頻段的11a的，但我們知道從11a開始，之后的11g，11n，11ac，11ax。。。都一直在使用OFDM調(diào)制，所以17章是Wi-Fi OFDM的基礎(chǔ)。

01

—

為什么要使用OFDM

應(yīng)高速數(shù)據(jù)通信的需求，OFDM技術(shù)在WiFi，4G，5G中一直在使用著。既然本篇是OFDM的基礎(chǔ)，那就先來(lái)回顧一下OFDM的基本概念。舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)，假如需要一個(gè)100kbps的數(shù)據(jù)速率傳輸，那么對(duì)應(yīng)的bit時(shí)間為1/100000=10us，如下圖所示：但由于多徑的存在，接收端的信號(hào)就不會(huì)那么理想，可能會(huì)存在不同時(shí)延，不同幅度的信號(hào)成分。

如果早在二十年前，這些擾亂主信號(hào)的多徑成分也許算不了什么，因?yàn)槟菚r(shí)的人們對(duì)無(wú)線通信的速率要求不高，這種多徑的占比出現(xiàn)基本不會(huì)影響兩個(gè)bit之間的判別，我們?cè)诮邮諜C(jī)使用一個(gè)簡(jiǎn)單的均衡器就可以恢復(fù)出理想信號(hào)。但是十年后就不同了，人們對(duì)通信速率的要求可能上升到了10Mbps，那就是1/10000000=0.1us的bit時(shí)間，可自然環(huán)境下的多徑仍然沒變，那么1us和2us的多徑就會(huì)把信號(hào)變成這個(gè)樣子：

這種混疊的情況就比較棘手了，雖然使用復(fù)雜的均衡器并不是不可以解決，但付出的代價(jià)就太大了！均衡器其實(shí)是一堆計(jì)算處理，通信系統(tǒng)始終在做折中（Trade-off）。如果均衡器的計(jì)算量過(guò)于龐大，過(guò)于耗時(shí)，過(guò)于耗電，那么就不可取。所以大家只能使用其他途徑來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。這就是3G時(shí)代的CDMA技術(shù)，為什么不能再繼續(xù)靠單純的增加帶寬來(lái)提高速率的原因。

OFDM的出現(xiàn)解決了這個(gè)問(wèn)題，它的過(guò)程大家都已經(jīng)很熟悉，如下圖所示：

在時(shí)域上，OFDM將一個(gè)串行的快速比特流分解成許多并行的慢速比特流。然后，這些平行的慢速比特流與彼此正交的正弦波相乘，再將其疊加。這個(gè)過(guò)程就是IFFT變換。通過(guò)這種串行轉(zhuǎn)并行的方式，原來(lái)是在9T的時(shí)間傳了9個(gè)數(shù)據(jù)bit或符號(hào)，處理之后在同樣的時(shí)間也傳送了同樣多的數(shù)據(jù)流，只是變成了并行疊加傳輸，所以每個(gè)bit或符號(hào)的時(shí)間被拉長(zhǎng)為9T。在經(jīng)歷了多徑之后，在接收端得到最右下角的信號(hào)，由于子載波是相互正交的，所以很容易將他們彼此分離，分離之后的各個(gè)載波又可以按照低速率條件下的均衡去做簡(jiǎn)單的處理了。這就是DFT的過(guò)程。

在頻域上，OFDM的處理，就像切面包片一樣，通過(guò)利用正弦波子載波將可用帶寬分割成許多平行的幾乎平坦的通道。這種方式既方便了用戶資源的分配，需要幾片拿幾片，或者需要幾片就分幾片，又方便了大家在各自拿到的面包片上采取不同的吃法，比如烤著吃還是夾奶酪吃。通過(guò)切分頻譜，OFDM不僅使無(wú)線信道更容易均衡，而且使在不同的子載波上發(fā)送不同調(diào)制的信號(hào)成為可能。例如，信道條件較好的子載波可以用來(lái)發(fā)送高階調(diào)制信號(hào)取得更高的速率。

所以總結(jié)一下OFDM的好處，大概就是：克服寬頻信道中的頻率選擇性衰減和多徑失真；允許信道估計(jì)和均衡在每個(gè)子載波獨(dú)立發(fā)生；能夠很好地適應(yīng)MIMO和Massive MIMO系統(tǒng)，因?yàn)槊總€(gè)子載波經(jīng)歷的都是較為平坦的衰落；整體頻譜效率提高。

02

—

11a的OFDM

那么在802.11的11a中具體是如何使用OFDM的呢？以下是有關(guān)子載波分配和時(shí)域波形參數(shù)：

以及幀結(jié)構(gòu)：

我們通過(guò)信號(hào)的時(shí)頻域圖來(lái)具體了解一下。其實(shí)在WiFi功率你測(cè)對(duì)了沒？中，我們?cè)f(shuō)起過(guò)Time gate這種測(cè)試的方法，這里利用同樣的方法來(lái)具體看一下WiFi 11a信號(hào)的時(shí)頻域特性：

1. 最初的8us：將時(shí)域信號(hào)的最初8us用時(shí)間門觸發(fā)，看上面的頻譜，可以看到這是short training序列，每4個(gè)子載波一發(fā)，總共有12個(gè)子載波，以相同的相位和相同的幅度傳輸。它很容易被接收機(jī)檢測(cè)和實(shí)現(xiàn)最初的同步。它的作用，如上圖所示，有信號(hào)檢測(cè)，AGC，分集選擇，粗略的頻率估計(jì)，時(shí)間同步。

2. 接下來(lái)的8us，由所有52個(gè)子載波組成，同樣是以相同的幅度和相位。這個(gè)信號(hào)被接收機(jī)用來(lái)細(xì)調(diào)其對(duì)信號(hào)頻率和相位的估計(jì)，同時(shí)也用來(lái)設(shè)置其均衡器，以補(bǔ)償信道中的任何線性失真（平坦度、多徑等）。所以均衡器的基準(zhǔn)是在這里對(duì)齊的。

3.再往后的4us，叫做signal符號(hào)，這部分的調(diào)制使用的是抗干擾性能最優(yōu)的BPSK。因?yàn)樗撕苤匾?a target="_blank">信息，是要告訴接收機(jī)如何為接下來(lái)的數(shù)據(jù)符號(hào)進(jìn)行自我配置。包括告知接收機(jī)接下來(lái)要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率（6-54Mbps）是多少？以及數(shù)據(jù)所使用的調(diào)制和編碼速率是什么？以及該數(shù)據(jù)幀中所包含的符號(hào)的數(shù)量。

例如：如下表所示，這部分的最前面的四個(gè)bit；如果是1101，則表示數(shù)據(jù)速率為6Mbps@20MHzBW；如果是0011，則表示數(shù)據(jù)速率為54Mbps@20MHz BW。

4. 再往后就是真正要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)部分了：

數(shù)據(jù)部分在不同帶寬下不同調(diào)制方式下的數(shù)據(jù)速率和編碼參數(shù)如下表所示：

審核編輯 ：李倩