數(shù)字調(diào)制信號(hào)接收技術(shù)

近年來，數(shù)字無線電技術(shù)日益受到人們的重視。數(shù)字無線電技術(shù)因采用軟件化數(shù)字化設(shè)計(jì)，工作穩(wěn)定可靠，可生產(chǎn)性好，設(shè)備小巧，因而在通信中應(yīng)用越來越廣泛。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展以及對(duì)通信設(shè)備小型化、智能化的要求，數(shù)字無線電技術(shù)已經(jīng)成為發(fā)展趨勢(shì)。全數(shù)字接收機(jī)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(tǒng)的數(shù)字接收機(jī)不同，其解調(diào)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(shù)據(jù)判決等全由采樣后的數(shù)字信號(hào)處理器來完成。本文設(shè)計(jì)提出了適于中頻數(shù)字化接收機(jī)的體制結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方法。

1 全數(shù)字接收機(jī)組成

全數(shù)字接收機(jī)對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行采樣后，全部采用數(shù)字器件和數(shù)字處理方法，是一種全數(shù)字實(shí)現(xiàn)方案。因其采用數(shù)字解調(diào)方法，克服了由模擬器件構(gòu)成的解調(diào)器同相與正交兩支路參數(shù)不一致的缺點(diǎn)。雖然對(duì)已調(diào)信號(hào)采樣要求ADC的采樣率較高，但現(xiàn)今的高速ADC器件已足夠滿足要求。

全數(shù)字接收機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。數(shù)字中頻信號(hào)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(xiàng)，完成數(shù)字正交下變頻，得到I，Q兩路信號(hào)。存在定時(shí)誤差和載波誤差的I，Q兩路基帶信號(hào)要進(jìn)行定時(shí)恢復(fù)和載波相位恢復(fù)，然后進(jìn)行判決，得到數(shù)字碼流。在全數(shù)字接收機(jī)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(fù)技術(shù)

數(shù)字解調(diào)器中的載波恢復(fù)方法很多，主要分為非判決反饋載波恢復(fù)和判決反饋載波恢復(fù)。非判決反饋載波恢復(fù)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(fù)性能優(yōu)于非判決反饋載波恢復(fù)，所以采用判決反饋方法來進(jìn)行載波恢復(fù)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

全數(shù)字解調(diào)器將采樣后的中頻信號(hào)下變頻為基帶信號(hào)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(diào)器需要消除這部分偏差。判決反饋載波恢復(fù)環(huán)可以消除載波相位誤差。

假設(shè)載波恢復(fù)環(huán)的輸入信號(hào)為：

式中a(k)是第k個(gè)傳輸符號(hào)，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(fù)環(huán)路相位誤差提取公式為：

式中Im表示取復(fù)數(shù)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)：

由上式可見其載波相位誤差鑒相特性曲錢為sin(θ)函數(shù)。相位誤差經(jīng)環(huán)路濾波器_濾波后到達(dá)數(shù)控振蕩器，數(shù)控振蕩器產(chǎn)生相位估計(jì)值對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行相位旋轉(zhuǎn)以補(bǔ)償相位誤差。環(huán)路濾波器采用二階數(shù)字濾波器。

采用通用環(huán)來產(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(hào)與符號(hào)判決來產(chǎn)生誤差信號(hào)，該誤差信號(hào)反映了實(shí)際載波相位與當(dāng)前載波相位的差別。假設(shè)定時(shí)恢復(fù)已建立，這樣，相位誤差檢測器是在符號(hào)的最佳判決點(diǎn)進(jìn)行相位檢測。

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

3 內(nèi)插定時(shí)技術(shù)

在全數(shù)字接收機(jī)中，碼元定時(shí)恢復(fù)是利用鎖相環(huán)路產(chǎn)生定時(shí)誤差信號(hào)來控制本地同步脈沖實(shí)現(xiàn)的。在全數(shù)字解調(diào)器中，采樣時(shí)鐘由自由振蕩器產(chǎn)生，并且與信號(hào)時(shí)鐘不同步，它被稱為異步采樣解調(diào)器。因此在全數(shù)字解調(diào)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(shù)字信號(hào)處理的方法來補(bǔ)償。全數(shù)字解調(diào)器中一般是采用數(shù)字插值運(yùn)算來使接收信號(hào)和發(fā)送信號(hào)同步，這個(gè)插值運(yùn)算可由內(nèi)插濾波器來實(shí)現(xiàn)。本文采用的典型的全數(shù)字解調(diào)器中的定時(shí)恢復(fù)環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。它由內(nèi)插濾波器、定時(shí)誤差檢測器、環(huán)路濾波器、數(shù)控振蕩器組成。

內(nèi)插濾波器就是完成從輸入的非同步采樣數(shù)據(jù)中，通過重采樣得到符號(hào)的最佳采樣點(diǎn)，恢復(fù)出原始符號(hào)。

發(fā)送的線性調(diào)制信號(hào)符號(hào)周期為T，采樣率為T，t=kTi，表示在kTi時(shí)刻重新采樣，采樣周期為Ti。由于Ts的定時(shí)來源于獨(dú)立的本地振蕩時(shí)鐘，所以T／Ts的值通常是無理數(shù)。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(shù)，因Ti與T是同步的，所以應(yīng)有Ti=T／k，k是一小整數(shù)。然后，數(shù)據(jù)濾波器根據(jù)k值降抽樣恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)。對(duì)重新采樣的結(jié)果適當(dāng)操作，可以得到：

對(duì)于定時(shí)誤差的提取，采用Gardner算法。Gardnet算法需要每個(gè)符號(hào)有2個(gè)采樣值，一個(gè)在符號(hào)判決點(diǎn)附近，另一個(gè)在符號(hào)交界點(diǎn)附近，并且與載波相位偏差無關(guān)，因此定時(shí)調(diào)整可先于載波恢復(fù)完成，定時(shí)恢復(fù)環(huán)獨(dú)立于載波恢復(fù)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(hào)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(hào)采樣兩次。

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

根據(jù)定時(shí)誤差信號(hào)抖動(dòng)的統(tǒng)計(jì)特性可知：滾降因子越小，抖動(dòng)越大；信號(hào)包絡(luò)起伏越大，抖動(dòng)越大。如果單靠環(huán)路濾波器來減小定時(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(duì)稱的帶通信號(hào)，其定時(shí)抖動(dòng)近似為零。并且特別強(qiáng)調(diào)了1／2T為中心的偶對(duì)稱信號(hào)，信號(hào)過零點(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(yù)濾波器，盡可能使信號(hào)波形滿足上述要求，就可以達(dá)到減小定時(shí)誤差信號(hào)抖動(dòng)的目的。簡單的預(yù)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(hào)同步中采用理想積分濾波器。它由積分支路和比例支路構(gòu)成，誤差信號(hào)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(hào)同步環(huán)路就能對(duì)定時(shí)誤差信號(hào)跟蹤并鎖定同步。另外，G1和G2的取值決定了系統(tǒng)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(shù)0.707。

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

數(shù)控振蕩器如圖4所示，W(m)為NCO控制字，由定時(shí)誤差信號(hào)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(shù)的W(m)后將產(chǎn)生過零點(diǎn)，每出現(xiàn)一次過零點(diǎn)，則產(chǎn)生一個(gè)定時(shí)調(diào)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(hào)值參加內(nèi)插運(yùn)算，同時(shí)還可求出μk。

4 仿真實(shí)驗(yàn)

通過對(duì)所采用的技術(shù)方案的建模仿真，并對(duì)信號(hào)源的調(diào)制數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(diào)制信號(hào)有定時(shí)誤差時(shí)，定時(shí)恢復(fù)前和定時(shí)恢復(fù)后的眼圖，可以看出定時(shí)恢復(fù)前，眼睛張開最大的位置不在采樣的最佳點(diǎn)，而定時(shí)恢復(fù)后眼睛張開最大點(diǎn)在采樣的最佳點(diǎn)。

圖6給出了16QAM調(diào)制信號(hào)有載波頻差時(shí)，載波恢復(fù)前和載波恢復(fù)后的星座圖，可以看出載波恢復(fù)前的星座圖是旋轉(zhuǎn)的，載波恢復(fù)后信號(hào)的星座圖明顯分開了。

5 結(jié) 語

本文針對(duì)適用于多種數(shù)字調(diào)制信號(hào)接收解調(diào)所采用的的全數(shù)字接收機(jī)進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)。對(duì)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(yàn)。結(jié)果表明：通用環(huán)和內(nèi)插定時(shí)兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)PSK、QAM數(shù)字調(diào)制信號(hào)的接收解調(diào)。全數(shù)字接收機(jī)設(shè)計(jì)靈活，易于實(shí)現(xiàn)通用高集成度接收機(jī)。

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