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射頻波形生成和測(cè)量的復(fù)雜性
很難想象還有什么東西能比在天空和太空中傳送太拉字節(jié)信息的信號(hào)更好地說明21 世紀(jì)電子技術(shù)的復(fù)雜性。這些信號(hào)在無線局域網(wǎng)、先進(jìn)蜂窩系統(tǒng)、基于地面和衛(wèi)星的多媒體數(shù)字廣播系統(tǒng)中的有線網(wǎng)絡(luò)電纜和光網(wǎng)絡(luò)光纖中傳輸。這些通信系統(tǒng)和廣播系統(tǒng)非常復(fù)雜，它們產(chǎn)生并發(fā)送的那些滿載信息的信號(hào)也是非常復(fù)雜。幸運(yùn)的是，您或許可以在不完全了解這些信號(hào)如何傳輸數(shù)據(jù)或這些系統(tǒng)如何把信息加到數(shù)千兆赫射頻載波上的情況下，使用這些信號(hào)并測(cè)量它們的主要特性。盡管如此，在選擇儀器或軟件來生成測(cè)試信號(hào)或確定數(shù)據(jù)有時(shí)在到達(dá)目的地的途中遭到破壞的方式或原因時(shí)，您或許需要更好地了解它們。UWB（超寬帶）技術(shù)仍處于初始階段，它使用數(shù)百兆赫來發(fā)送數(shù)據(jù)速率很高的信號(hào)，發(fā)送的距離通常為幾十米或更短。UWB技術(shù)的存在一點(diǎn)也不影響以下斷言的有效性：有限的帶寬和數(shù)據(jù)量的爆炸性增長(zhǎng)需要更加復(fù)雜的通信系統(tǒng)和信號(hào)。事實(shí)上，UWB 強(qiáng)化了這一觀點(diǎn)。UWB 并不試圖找到射頻頻譜中的空閑點(diǎn)，將信號(hào)置入其中，而是在其它服務(wù)占用的頻段內(nèi)發(fā)送信號(hào)。UWB 系統(tǒng)設(shè)計(jì)得可以共享帶寬，而不會(huì)對(duì)其它服務(wù)產(chǎn)生干擾，或受到其它服務(wù)的干擾。高數(shù)據(jù)速率、寬帶寬和占用相同頻率的干擾信號(hào)的存在這三個(gè)因素，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)極具挑戰(zhàn)性。
正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)
有兩種互相競(jìng)爭(zhēng)的技術(shù)是 UWB 的基礎(chǔ)，其中之一就是一種稱為OFDM（正交頻分復(fù)用）的 DSP 密集型系統(tǒng)。OFDM 還是 IEEE 802.11 無線聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)系列、幾種 DBS（直接廣播衛(wèi)星）電視系統(tǒng)、iBiquity Digital 公司 () 面向美國(guó)市場(chǎng)的 HDRadio TDAB（陸基數(shù)字音頻廣播）系統(tǒng)、歐洲 DVB（數(shù)字電視廣播）系統(tǒng)（它既支持陸基傳輸又支持衛(wèi)星傳輸）中的一種關(guān)鍵技術(shù)。
您可能聽說人們把 OFDM 稱為一種數(shù)字調(diào)制形式，嚴(yán)格地說，它不是。OFDM 使用數(shù)百甚至數(shù)千個(gè)不同頻率的副載波，使裝入每個(gè)符號(hào)周期中的信息比大多數(shù)其它數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)能裝入每個(gè)符號(hào)周期的信息更多。因此，OFDM 使用數(shù)量更少、持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)、復(fù)雜性更高的符號(hào)來達(dá)到與其它幾種數(shù)字傳輸系統(tǒng)相同的數(shù)據(jù)傳輸速率。（有些人認(rèn)為這些符號(hào)是一個(gè)符號(hào)周期中的多個(gè)符號(hào)。）而且無須增加占用帶寬就可以維持這一數(shù)據(jù)速率。
OFDM 的符號(hào)時(shí)間長(zhǎng)，相應(yīng)地符號(hào)速率就低，這就使 ISI（符號(hào)間干擾）能減少到最低程度而ISI在射頻通信中通常是由多路徑失真等信號(hào)減損引起的。當(dāng)某個(gè)信號(hào)通過幾條路徑到達(dá)接收天線時(shí)，就會(huì)發(fā)生多路徑傳播。其中一條路徑可能是從發(fā)射天線直接到達(dá)接收天線，而其它路徑則涉及到固定物體或運(yùn)動(dòng)物體的反射信號(hào)。只要延長(zhǎng)符號(hào)持續(xù)時(shí)間，使之超過延遲時(shí)間最長(zhǎng)的反射信號(hào)到達(dá)接收天線所花的額外時(shí)間，OFDM就能消除此類反射信號(hào)通常造成的 ISI。還有一個(gè)好處是，信息散布在多個(gè)載波中，能提高信號(hào)的抗干擾能力以及信號(hào)對(duì)多路徑傳播的頻率響應(yīng)影響的抵抗力。
它是一種數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)
某種形式的數(shù)字調(diào)制，如 BPSK（雙相移鍵控）或 QAM（正交調(diào)幅，參見參考文獻(xiàn) 2），把信息加在每個(gè) OFDM 副載波上。一個(gè) OFDM 系統(tǒng)能在不同副載波上使用不同類型的調(diào)制，任何副載波使用的調(diào)制類型都可以隨時(shí)改變。也就是說，一個(gè) OFDM 副載波可以使用 BPSK，然后改用 QAM，接著再改回來，或者改用另一種調(diào)制形式。因此，您或許不應(yīng)該把 OFDM 稱為一種調(diào)制，而應(yīng)稱為一種數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。
OFDM 的魅力部分來自其多個(gè)副載波之間的正交性。不同頻率的信號(hào)可以正交，這一思想也許需要人們花些時(shí)間來習(xí)慣它，這是因?yàn)槿藗円话惆颜恍钥醋魍l率信號(hào)的一種特性。例如，兩個(gè)正交的同頻率正弦波信號(hào)分量（即在時(shí)間上相差 90°）是垂直的，因?yàn)槿魏我粋�(gè)分量的幅度變化都不影響另一個(gè)的幅度。同樣，調(diào)制一個(gè) OFDM 副載波不會(huì)影響系統(tǒng)的其它副載波，因?yàn)槊總�(gè)副載波頻譜的幅度在所有其它副載波頻率上都是零（圖 1）。
圖1，查看某個(gè) OFDM 信號(hào)的多個(gè)副載波的頻譜，您會(huì)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)是如何避免載波間干擾 (ICI) 的。間隔很近的各個(gè)載波互相重疊。每個(gè)載波的頻譜在所有其它載波的中心均為零，從而產(chǎn)生零 ICI（ Agilent 公司供稿）。
OFDM 系統(tǒng)有時(shí)使用數(shù)千個(gè)副載波。與不使用OFDM而使用簡(jiǎn)單調(diào)制（如每符號(hào)傳輸一個(gè)比特的 BPSK） 的系統(tǒng)相比， OFDM 系統(tǒng)在理論上能以相同的比特率傳輸數(shù)據(jù)，盡管符號(hào)速率較低，與副載波數(shù)量成正比。有些系統(tǒng)把 OFDM 與運(yùn)載 64QAM（64 級(jí) QAM）等復(fù)雜調(diào)制的副載波結(jié)合起來，它們至少在理論上能夠維持?jǐn)?shù)據(jù)速率，同時(shí)仍舊能進(jìn)一步降低符號(hào)速率——在 64QAM（每符號(hào)傳輸 6 個(gè)比特）的情況下，可降低到1/6，因?yàn)?64=26。
數(shù)百兆赫信號(hào)的產(chǎn)生
產(chǎn)生一個(gè)用 64QAM 調(diào)制的 2.5 GHz或 5GHz 或更高頻率的信號(hào)，這就夠難了（參考文獻(xiàn) 3）。再則，當(dāng)您在外部生成基帶信號(hào)時(shí)，至少有兩種儀器——Rohde and Schwarz 公司的 SMU200A 和 Agilent 公司的 PSG 系列——能分別達(dá)到 200MHz 和 1GHz 的調(diào)制帶寬。合成此類信號(hào)并仿真在典型環(huán)境中使這些信號(hào)劣化的因素，會(huì)使問題進(jìn)一步復(fù)雜化（參考文獻(xiàn) 4）。而且，如果 QAM 不直接調(diào)制主載波，而是調(diào)制全部數(shù)百個(gè)或數(shù)千個(gè)副載波（每個(gè)副載波運(yùn)載不同信息），而這些副載波又調(diào)制主載波，那么信號(hào)生成問題就會(huì)復(fù)雜得令人頭腦麻木。不過，現(xiàn)代射頻信號(hào)發(fā)生器——通常在獨(dú)立PC 上運(yùn)行的軟件包的幫助下——可以輕松地應(yīng)付這種復(fù)雜性。
能產(chǎn)生已調(diào)制射頻載波的射頻信號(hào)發(fā)生器，大多數(shù)都有一對(duì) DAC，其中一個(gè)產(chǎn)生 I（同相）調(diào)制信號(hào)，另一個(gè)產(chǎn)生 Q（正交）調(diào)制信號(hào)。這種 IQ 方法不僅在概念上簡(jiǎn)單明了，而且效率也很高：它能使每個(gè)DAC的更新速率比合成整個(gè)調(diào)制波形的單個(gè) DAC 所需的更新速率低一半。因此， 把數(shù)模轉(zhuǎn)換功能分給I DAC 和 Q DAC去完成，就能實(shí)現(xiàn)更低的 DAC 更新速率，從而能輕而易舉地達(dá)到所需分辨率。然而，有幾種信號(hào)發(fā)生器的確只使用一個(gè) DAC 來合成所有調(diào)制信號(hào)。您也許會(huì)認(rèn)為，產(chǎn)生 OFDM 信號(hào)的信號(hào)發(fā)生器將使用大量 DAC，或許是每個(gè)副載波使用一個(gè)，但儀器制造商們報(bào)告說，用數(shù)學(xué)方法對(duì)副載波進(jìn)行合成并求和，然后再轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，這樣做更為簡(jiǎn)單。由于系統(tǒng)使用這么多副載波，因此多個(gè) DAC 會(huì)帶來一些不必要的技術(shù)問題，使設(shè)計(jì)復(fù)雜化，
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