數字調制信號接收技術(shù)

近年來(lái)，數字無(wú)線(xiàn)電技術(shù)日益受到人們的重視。數字無(wú)線(xiàn)電技術(shù)因采用軟件化數字化設計，工作穩定可靠，可生產(chǎn)性好，設備小巧，因而在通信中應用越來(lái)越廣泛。隨著(zhù)大規模集成電路的發(fā)展以及對通信設備小型化、智能化的要求，數字無(wú)線(xiàn)電技術(shù)已經(jīng)成為發(fā)展趨勢。全數字接收機的概念被提出后立刻引起了人們的興趣與關(guān)注，它和傳統的數字接收機不同，其解調和采樣所用的本地參考時(shí)鐘振蕩于固定的頻率，且不需要反饋控制，濾波、載波同步、時(shí)鐘同步、數據判決等全由采樣后的數字信號處理器來(lái)完成。本文設計提出了適于中頻數字化接收機的體制結構和實(shí)現方法。

1 全數字接收機組成

全數字接收機對中頻信號進(jìn)行采樣后，全部采用數字器件和數字處理方法，是一種全數字實(shí)現方案。因其采用數字解調方法，克服了由模擬器件構成的解調器同相與正交兩支路參數不一致的缺點(diǎn)。雖然對已調信號采樣要求ADC的采樣率較高，但現今的高速ADC器件已足夠滿(mǎn)足要求。

全數字接收機結構如圖1所示。數字中頻信號分別與兩路正交載波相乘，然后低通濾波抽取，濾除二次頻項，完成數字正交下變頻，得到I，Q兩路信號。存在定時(shí)誤差和載波誤差的I，Q兩路基帶信號要進(jìn)行定時(shí)恢復和載波相位恢復，然后進(jìn)行判決，得到數字碼流。在全數字接收機中，載波同步和碼元同步是最重要的關(guān)鍵技術(shù)。

2 載波恢復技術(shù)

數字解調器中的載波恢復方法很多，主要分為非判決反饋載波恢復和判決反饋載波恢復。非判決反饋載波恢復方法主要有平方環(huán)、科斯塔斯(Costas)環(huán)等。由于判決反饋載波恢復性能優(yōu)于非判決反饋載波恢復，所以采用判決反饋方法來(lái)進(jìn)行載波恢復，其結構如圖2所示。

全數字解調器將采樣后的中頻信號下變頻為基帶信號后載波相位誤差為：

其中，ω0是載波頻率偏差，θ0是固定相位偏差，Aj是相位抖動(dòng)幅度，ωj是相位抖動(dòng)頻率，解調器需要消除這部分偏差。判決反饋載波恢復環(huán)可以消除載波相位誤差。

假設載波恢復環(huán)的輸入信號為：

式中a(k)是第k個(gè)傳輸符號，v(k)是加性高斯白噪聲，θ(k)是載波相位誤差。判決反饋載波恢復環(huán)路相位誤差提取公式為：

式中Im表示取復數虛部，并忽略了加性高斯白噪聲，如果a(k)=z(k)，那么可求出載波相位誤差ε(k)：

由上式可見(jiàn)其載波相位誤差鑒相特性曲錢(qián)為sin(θ)函數。相位誤差經(jīng)環(huán)路濾波器_濾波后到達數控振蕩器，數控振蕩器產(chǎn)生相位估計值對輸入信號進(jìn)行相位旋轉以補償相位誤差。環(huán)路濾波器采用二階數字濾波器。

采用通用環(huán)來(lái)產(chǎn)生載波的相位誤差，通用環(huán)屬于判決反饋環(huán)。環(huán)路的核心為相位誤差檢測器，檢測器利用采樣信號與符號判決來(lái)產(chǎn)生誤差信號，該誤差信號反映了實(shí)際載波相位與當前載波相位的差別。假設定時(shí)恢復已建立，這樣，相位誤差檢測器是在符號的最佳判決點(diǎn)進(jìn)行相位檢測。

誤差檢測器輸出經(jīng)過(guò)環(huán)路濾波器后，得到對載波剩余偏差的估計。反饋給數字下變頻NCO單元，去除剩余載波。

3 內插定時(shí)技術(shù)

在全數字接收機中，碼元定時(shí)恢復是利用鎖相環(huán)路產(chǎn)生定時(shí)誤差信號來(lái)控制本地同步脈沖實(shí)現的。在全數字解調器中，采樣時(shí)鐘由自由振蕩器產(chǎn)生，并且與信號時(shí)鐘不同步，它被稱(chēng)為異步采樣解調器。因此在全數字解調器中由于采樣不同步而引入的定時(shí)速率和相位誤差，需要用數字信號處理的方法來(lái)補償。全數字解調器中一般是采用數字插值運算來(lái)使接收信號和發(fā)送信號同步，這個(gè)插值運算可由內插濾波器來(lái)實(shí)現。本文采用的典型的全數字解調器中的定時(shí)恢復環(huán)結構，如圖3所示。它由內插濾波器、定時(shí)誤差檢測器、環(huán)路濾波器、數控振蕩器組成。

內插濾波器就是完成從輸入的非同步采樣數據中，通過(guò)重采樣得到符號的最佳采樣點(diǎn)，恢復出原始符號。

發(fā)送的線(xiàn)性調制信號符號周期為T(mén)，采樣率為T(mén)，t=kTi，表示在kTi時(shí)刻重新采樣，采樣周期為T(mén)i。由于Ts的定時(shí)來(lái)源于獨立的本地振蕩時(shí)鐘，所以T／Ts的值通常是無(wú)理數。把采樣值輸入插值器，輸出的抽樣值表示為y(kTi)，它是以Ti為周期的函數，因Ti與T是同步的，所以應有Ti=T／k，k是一小整數。然后，數據濾波器根據k值降抽樣恢復出原始數據。對重新采樣的結果適當操作，可以得到：

對于定時(shí)誤差的提取，采用Gardner算法。Gardnet算法需要每個(gè)符號有2個(gè)采樣值，一個(gè)在符號判決點(diǎn)附近，另一個(gè)在符號交界點(diǎn)附近，并且與載波相位偏差無(wú)關(guān)，因此定時(shí)調整可先于載波恢復完成，定時(shí)恢復環(huán)獨立于載波恢復環(huán)。Gardner算法提取的定時(shí)誤差為下式：

式中yI，yQ表示同相和正交分量，T為符號周期，τ為定時(shí)延時(shí)誤差，Gardner算法適用于跟蹤和捕獲模式，它要求每個(gè)符號采樣兩次。

Gardner算法最初是針對恒包絡(luò )MPSK信號提出的，可以先于載波誤差補償之前進(jìn)行。若將它應用于MQAM(M>4)信號中，特別是滾降因子較小時(shí)，其定時(shí)誤差信號抖動(dòng)太大。

根據定時(shí)誤差信號抖動(dòng)的統計特性可知：滾降因子越小，抖動(dòng)越大；信號包絡(luò )起伏越大，抖動(dòng)越大。如果單靠環(huán)路濾波器來(lái)減小定時(shí)抖動(dòng)，那么必然使環(huán)路等效噪聲帶寬減小，從而增加環(huán)路捕獲時(shí)間。L．E．FRANKS已經(jīng)證明通帶范圍為(1／4T，3／4T)，以1／2T為中心的偶對稱(chēng)的帶通信號，其定時(shí)抖動(dòng)近似為零。并且特別強調了1／2T為中心的偶對稱(chēng)信號，信號過(guò)零點(diǎn)將發(fā)生在T／2處。如果在定時(shí)誤差探測器前加一個(gè)預濾波器，盡可能使信號波形滿(mǎn)足上述要求，就可以達到減小定時(shí)誤差信號抖動(dòng)的目的。簡(jiǎn)單的預濾波處理是將誤差檢測公式修正如下：

環(huán)路濾波器是鎖相環(huán)路的另外一個(gè)重要組成部分，在符號同步中采用理想積分濾波器。它由積分支路和比例支路構成，誤差信號在送入比例支路和積分支路時(shí)，與比例增益G1和積分增益G2相乘。由于比例支路可以跟蹤相位誤差，積分支路可以跟蹤頻率誤差，符號同步環(huán)路就能對定時(shí)誤差信號跟蹤并鎖定同步。另外，G1和G2的取值決定了系統的環(huán)路帶寬和收斂的快慢。ωn是環(huán)路的自然頻率，ξ是鎖相環(huán)的阻尼因子。

其中Ts為采樣周期，通常ξ取臨界阻尼系數0.707。

定時(shí)恢復環(huán)的內插濾波器由數控振蕩器(Number-Controlled Oscillator)控制，它接收定時(shí)誤差信號，給內插濾波器提供內插運算所需的參數m(k)和μk，數控振蕩器的時(shí)鐘頻率為1／Ts。

數控振蕩器如圖4所示，W(m)為NCO控制字，由定時(shí)誤差信號經(jīng)環(huán)路濾波器濾波后提供，NCO寄存器中的η(m)值每TS時(shí)間減一次W(m)，寄存器減掉一定個(gè)數的W(m)后將產(chǎn)生過(guò)零點(diǎn)，每出現一次過(guò)零點(diǎn)，則產(chǎn)生一個(gè)定時(shí)調整抽樣脈沖Ti，從而可以決定m(k)，也就是決定哪些采樣信號值參加內插運算，同時(shí)還可求出μk。

4 仿真實(shí)驗

通過(guò)對所采用的技術(shù)方案的建模仿真，并對信號源的調制數據進(jìn)行解調實(shí)驗。實(shí)驗結果表明，在誤比特率為10-4時(shí)，Eb／N0比理論值多2 dB。圖5給出了16QAM調制信號有定時(shí)誤差時(shí)，定時(shí)恢復前和定時(shí)恢復后的眼圖，可以看出定時(shí)恢復前，眼睛張開(kāi)最大的位置不在采樣的最佳點(diǎn)，而定時(shí)恢復后眼睛張開(kāi)最大點(diǎn)在采樣的最佳點(diǎn)。

圖6給出了16QAM調制信號有載波頻差時(shí)，載波恢復前和載波恢復后的星座圖，可以看出載波恢復前的星座圖是旋轉的，載波恢復后信號的星座圖明顯分開(kāi)了。

5 結 語(yǔ)

本文針對適用于多種數字調制信號接收解調所采用的的全數字接收機進(jìn)行了分析和設計。對載波同步技術(shù)和碼元定時(shí)技術(shù)進(jìn)行了理論分析和仿真實(shí)驗。結果表明：通用環(huán)和內插定時(shí)兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)可以實(shí)現PSK、QAM數字調制信號的接收解調。全數字接收機設計靈活，易于實(shí)現通用高集成度接收機。

作者：孫海祥，劉 杰 (中國電子科技集團公司 第54研究所 河北 石家莊 050081)