作者丨鼎陽科技 尤嘉

本文介紹Siglent SigIQPro波形制作軟件的用戶自定義OFDM調(diào)制信號(hào)的生成功能，同時(shí)講解OFDM系統(tǒng)的常見幀結(jié)構(gòu)和子載波、導(dǎo)頻、同步和數(shù)據(jù)部分等概念。

概述

OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing），即正交頻分復(fù)用技術(shù)，本質(zhì)上屬于多載波調(diào)制（Multi-Carrier Modulation，MCM）的一種形式。其核心原理在于：首先將信道分割成多個(gè)正交子信道，隨后將高速數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換為并行的低速子數(shù)據(jù)流，每個(gè)子數(shù)據(jù)流分別調(diào)制到對(duì)應(yīng)的子載波上進(jìn)行傳輸。

由于每個(gè)子載波上的信號(hào)帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此信號(hào)在每個(gè)子載波上的傳輸可以視為經(jīng)歷平坦性衰落，這有助于消除符號(hào)間的干擾。此外，鑒于每個(gè)子載波的帶寬僅僅是原始信道帶寬的一小部分，信道的均衡處理也相應(yīng)變得更為容易。

OFDM技術(shù)以其卓越的頻譜效率著稱，這得益于快速傅里葉變換（FFT）處理使得各子載波能夠部分重疊，從而在理論上接近奈奎斯特（Nyquist）極限。

OFDM技術(shù)

當(dāng)前，OFDM技術(shù)普遍采用逆快速傅里葉變換（IFFT）方法實(shí)現(xiàn)，這不僅增強(qiáng)了帶寬的擴(kuò)展性，還使得在已高度擁擠的頻譜環(huán)境中能靈活配置和使用帶寬。每個(gè)OFDM子載波內(nèi)的信道可看作水平衰落信道，多天線（MIMO）系統(tǒng)帶來的額外復(fù)雜度可以控制在較低的水平（隨天線數(shù)量呈線性增加）。

根據(jù)上述種種優(yōu)勢(shì)， OFDM技術(shù)現(xiàn)在被廣泛的應(yīng)用于各種寬帶通信系統(tǒng)，如非對(duì)稱的數(shù)字用戶環(huán)路（ADSL）、數(shù)字音頻廣播（DAB）、數(shù)字電視（DVB）、高清晰度電視（HDTV）、無線局域網(wǎng)（WLAN），以及最新的第4代移動(dòng)通信LTE中。

由于OFDM系統(tǒng)的靈活性， 每一個(gè)的標(biāo)準(zhǔn)有各自不同的物理層參數(shù)，例如NFFT、符號(hào)長度（子載波間隔）、CP（循環(huán)前綴）長度、導(dǎo)頻（或者叫做參考信號(hào)）的插入方式、 是否有Preamble等。

盡管針對(duì)諸如WLAN、DVB、LTE等標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)已有成熟的商用信號(hào)生成軟件，但對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)OFDM信號(hào)，如用戶自定義標(biāo)準(zhǔn)或前沿研發(fā)的新標(biāo)準(zhǔn)，特別是在專網(wǎng)系統(tǒng)、科研等領(lǐng)域的應(yīng)用，用戶可以利用Matlab等數(shù)學(xué)工具生成IQ數(shù)據(jù)，并將其導(dǎo)入信號(hào)源進(jìn)行播放。

Siglent SigIQPro等商用軟件提供了Custom OFDM模塊，以圖形化和模塊化的方式，使用戶能夠定義OFDM幀結(jié)構(gòu)，生成并下載到Siglent的矢量信號(hào)源中。SigIQPro的Custom OFDM模塊集成了常見的OFDM資源類型，如Preamble、Pilot、Data等，并內(nèi)置了多種數(shù)據(jù)調(diào)制方式。對(duì)于特殊信號(hào)，如Zadoff-Chu序列，用戶還可以直接導(dǎo)入每個(gè)子載波的IQ值，從而滿足多樣化的應(yīng)用需求。

配置

描述OFDM系統(tǒng)時(shí)涉及許多參數(shù)，其中一些基本參數(shù)如傅里葉變換次數(shù)（NFFT）、采樣速率、載波頻率和CP長度。然而，最復(fù)雜的部分是定義各個(gè)子載波和每個(gè)符號(hào)單元（Rl,k）的調(diào)制方式、功能類型（如數(shù)據(jù)或?qū)ьl）以及增益/相對(duì)功率。

配置過程及菜單詳解

我們使用Siglent的SigIQPro軟件。SigIQPro采用結(jié)構(gòu)化的方式定義幀結(jié)構(gòu)。

打開軟件之后，在主界面點(diǎn)擊Custom OFDM，即可進(jìn)入自定義OFDM界面。

“Waveform Setup”界面

可以設(shè)置基本參數(shù)：過采樣速率，幀個(gè)數(shù)，是否削峰（Crest Factor Reduction），是否需要開啟多載波，是否需要鏡像頻譜（即IQ交換，又稱頻譜翻轉(zhuǎn)），其他參數(shù)根據(jù)本頁和下面的參數(shù)自動(dòng)計(jì)算。

Custom OFDM基本參數(shù)

Idel Interval：在尾部增加空白時(shí)間，即IQ值為0，主要用于類似WLAN場景中，相鄰2個(gè)幀（重復(fù)播放時(shí)的相鄰2幀）之間的空白。

Half Subcarrier Shift：主要是某些應(yīng)用為了避免本振泄漏，把子載波偏移一半（但是LTE中直接不用0號(hào)子載波）。

System Sample Frequency：系統(tǒng)采樣頻率。

FFT Length：即FFT次數(shù)。

Cyclic Prefix Length：循環(huán)前綴長度，例如40(0:7:133);36表示0、7、133號(hào)符號(hào)的CP為40，其他的為36，單位是Sample。

Guard Lower/Upper Subcarriers：上邊/下邊的保護(hù)子載波的個(gè)數(shù)。

Subcarrier Spacing：根據(jù)System Sample Frequency和FFT Length自動(dòng)計(jì)算子載波間隔。

Actual Signal Bandwidth：根據(jù)FFT Length和Guard Subcarrier自動(dòng)計(jì)算有效的帶寬。

Power Reference Type：功率參考模式，以那種方式作為功率的參考，如All Symbols就是儀器設(shè)置的射頻功率就是所以Symbol的平均功率。

Spectrum Control：設(shè)置濾波器，或者Window加窗，以限制帶寬，代價(jià)是對(duì)EVM有些影響。

Resource Mapping資源映射

資源映射是最復(fù)雜也是最關(guān)鍵的功能，需要使用者對(duì)OFDM的基本元素，自定義的幀結(jié)構(gòu)有深刻的理解，其核心思想就是通過菜單的參數(shù)設(shè)置，定義OFDM幀的二維平面上每個(gè)元素RE（Resource Element）的功能、屬性、調(diào)制方式、載荷數(shù)據(jù)。

資源塊（一個(gè)共同功能屬性的RE的集合）基本屬性有：Symbol Index（時(shí)域/符號(hào)）坐標(biāo)范圍，Subcarrier Index（子載波/頻域）坐標(biāo)范圍；功能/特性/用途---Preamble、Pilot、Data；Boost Level—相對(duì)功率；Payload—載荷數(shù)據(jù)類型。

點(diǎn)擊表格上方的“Add”右側(cè)箭頭，選擇一個(gè)類型（Preamble/Pilot/Data）即可添加一個(gè)資源塊。

由于RE數(shù)量眾多，需要一些簡寫的方式，來實(shí)現(xiàn)多個(gè)元素的映射定義。其基本語法和C語言或者M(jìn)atlab的語法類似。

以LTE的Cell RS為例（在Quick Settings 菜單下拉，選擇 LTE：Downlink）：在當(dāng)前的Cell ID情況下， Cell RS是在時(shí)域、頻率離散插入的。類型是Pilot，Pilot需要定義固定的載荷數(shù)據(jù)。所以需要定義時(shí)、頻域坐標(biāo)。

其中：

Name：給當(dāng)前的資源塊取一個(gè)名字

Symbol Index時(shí)域坐標(biāo)：有兩組，注意兩個(gè)大組是對(duì)應(yīng)的，

起始0，終止133，步進(jìn)7

起始4，終止137，步進(jìn)7

Subcarrier Index頻域坐標(biāo)：有兩組，每組又分成2個(gè)小組，

起始-150，終止-6，步進(jìn)6；起始1，終止145，步進(jìn)6；

起始-147，終止-3，步進(jìn)6；起始4，終止148，步進(jìn)6

Resource Mapping Order：資源映射順序：

Given Order：表示將資源塊Payload IQ值序列按照參數(shù)Symbol Index 與參數(shù)Subcarrier Index 給出資源單元的順序進(jìn)行映射。

Resource Order：表示按照信道資源單元的OFDM符號(hào)與子載波編號(hào)由小到大的順序進(jìn)行映射。

兩種映射順序都按照子載波優(yōu)先的規(guī)則進(jìn)行映射，即先填充當(dāng)前給出的OFDM符號(hào)上的所有給出子載波，再填充下一個(gè)給出OFDM符號(hào)上的信道資源單元。

Resource Mapping：當(dāng)前資源塊的類型（Add的時(shí)候已經(jīng)指定）：

Preamble—前導(dǎo)，實(shí)際中不一定非要在幀的前面，其功能和Pilot類似，是發(fā)一些已知約定好的固定數(shù)據(jù)，其Data Mode部分只能是IQ Value，需要指定每一個(gè)RE的IQ值（會(huì)有表格編輯菜單彈出）

Pilot—導(dǎo)頻，發(fā)一些已知約定好的固定數(shù)據(jù)，其Data Mode部分可以是IQ Value或Payload Bit，如果是IQ Value類型，需要指定每一個(gè)RE的IQ值（會(huì)有表格編輯菜單彈出）

Data—數(shù)據(jù)，如果選擇數(shù)據(jù)類型，用戶可以設(shè)定調(diào)制方式和數(shù)據(jù)類型（PN序列或者自定義數(shù)據(jù)）

LTE的例子中Cell-RS（小區(qū)參考信號(hào)）選擇Pilot模式，Data Mode選擇IQ Value，并點(diǎn)擊下一行的“IQ Values”后面的編輯區(qū)域，會(huì)彈出窗口，讓用戶輸入每個(gè)Cell-RS內(nèi)部的RE的IQ數(shù)據(jù)，其Subcarrier和Symbol序號(hào)根據(jù)剛剛設(shè)置的Subcarrier Index和Symbol Index自動(dòng)生成，只需給每一個(gè)RE填上對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)即可。

本例中的數(shù)據(jù)，根據(jù)3GPP的LTE物理層定義和當(dāng)前的Cell ID，帶寬等參數(shù)填入。

類似的，本例中的PSS（主同步）部分，這里類型是Preamble，IQ Value是Zadoff-chu序列對(duì)應(yīng)的IQ值。

圖示

屏幕下方可以顯示當(dāng)前配置下的IQ時(shí)域圖，頻譜圖，資源映射圖（二維），資源塊調(diào)制方式（二維），方便使用者觀看每個(gè)資源塊的映射和調(diào)制狀態(tài)。

在上面的表格中選中的資源塊，其Resource Mapping和Resource Modulation中會(huì)用紅色顯示。

文件操作和更新

任何參數(shù)改變之后，Update菜單會(huì)閃爍，提示需要點(diǎn)擊Update，才能把當(dāng)前的IQ數(shù)據(jù)更新，更新完即可下載到儀器。

Save有兩種功能，如果選擇文件類型是*.state，可以把當(dāng)前的狀態(tài)保持，以便下次調(diào)用；如果選擇文件類型是*.arb，即導(dǎo)出數(shù)據(jù)波形文件，arb文件可以直接在儀器上打開播放。

小結(jié)

本文介紹了OFDM調(diào)制的基本組成部分，以LTE下行幀為例，介紹Siglent SigIQPro波形配置該波形的具體步驟和主要參數(shù)的解釋，以此例為基礎(chǔ)，用戶可以方便地使用SigIQPro配置自定義的OFDM信號(hào)。

SigIQPro功能齊全，設(shè)置方便，并具有完善的圖形顯示功能，讓用戶直觀的看到生成的信號(hào)的時(shí)、頻域分布，并可以下載到Siglent矢量信號(hào)源和任意波形發(fā)生器，是專用OFDM信號(hào)生成和分析的有力助手。

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