突發(fā)解調(diào)器在寬帶無線接入系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　1 　STEL-9257簡(jiǎn)介

    在寬帶無線接入系統(tǒng)中，經(jīng)常使用基站到用戶站模式的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)TDMA方式。此時(shí)，上行數(shù)據(jù)（由用戶站到基站）采用突發(fā)數(shù)據(jù)包的方式。為了提高頻譜利用率，一方面采用某些調(diào)制效率比較高的調(diào)制方式（如QPSK、16QAM等）提高每個(gè)符號(hào)傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)；另一方面，要求基站的解調(diào)具同步時(shí)間短、突發(fā)包之間保護(hù)間隔時(shí)間短的特性，以減少冗余比特，進(jìn)一步提高頻譜利用率?；镜耐话l(fā)解高性能常常直接決定了點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)寬帶無線接入系統(tǒng)的上行傳輸速率。另外，由于現(xiàn)今寬帶無線接入系統(tǒng)中多種不同業(yè)務(wù)同時(shí)傳輸?shù)囊?，使得用戶站的帶寬分配（TDMA系統(tǒng)中即為時(shí)隙分配）不能再采用固定帶寬分配方法，而要求根據(jù)用戶的實(shí)際需求動(dòng)態(tài)分配帶寬。這就要求基站的突發(fā)解調(diào)能夠隨著用戶站的帶寬（時(shí)隙）分配的變化這次時(shí)解調(diào)不同長(zhǎng)度突發(fā)包。

    圖1  STEL-9257內(nèi)部結(jié)構(gòu)

    STEL-9257是一款能很好滿足以上要求的差分QPSK突發(fā)解調(diào)器，與IEEE802.14、MCNS和DAVIC解標(biāo)準(zhǔn)兼容，可直接輸入5MHz～65MHz中頻信號(hào)，解調(diào)速率最高可達(dá)5.12Mbps。STEL-9257采用固定前置碼（4種，長(zhǎng)度為14或16個(gè)碼元周期），大大縮短了同步的時(shí)間并節(jié)省了獨(dú)特字所需的系統(tǒng)開銷。STEL-9257所要求的突發(fā)包之間保護(hù)間隔最小為4個(gè)碼元周期（當(dāng)采用可變長(zhǎng)度突發(fā)包模式時(shí)為11個(gè)碼元周期）。

    2  STEL-9257的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

    圖1為STEL-9257的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，主要由變頻模塊、解調(diào)模塊和微處理器模塊組成。

    (1)變頻模塊

    變頻模塊將輸入STEL-9257的載頻為5MHz～65MHz的中頻信號(hào)下變頻后再通過聲表面濾波器濾波輸入解調(diào)模塊。

    (2)解調(diào)模塊

    解調(diào)模塊由四部分功能電路組成：數(shù)字處理電路、解調(diào)制電路、同步和估計(jì)電路以及時(shí)鐘和控制電路。

    數(shù)字處理電路首先對(duì)輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，再對(duì)數(shù)字采樣信號(hào)進(jìn)行濾波和抽取，而后將數(shù)字信號(hào)輸出到下級(jí)處理模塊。STEL-9257要求傳輸?shù)幕鶐盘?hào)頻譜為alpha=0.25～0.30的均方根余弦。FIR濾波器的互相關(guān)系數(shù)見圖2。

    (3)微處理器模塊

    微處理器模塊通過串口接收外部的配置命令。當(dāng)外部Reset啟動(dòng)后，微處理器模塊將對(duì)變頻模塊和數(shù)字解調(diào)模塊進(jìn)行配置。

    3  STEL-9257功能介紹

    STEL-9257使用固定前置碼（14或16個(gè)碼元）以縮短捕獲時(shí)間，提高頻譜利用率；使用差分編碼消除相位模糊度；對(duì)長(zhǎng)突發(fā)包進(jìn)行比特跟蹤同步以避免失步。STEL-9257可以解調(diào)輸入載波頻率范圍為5MHz～65MH、固定長(zhǎng)度或可變長(zhǎng)度的TDMA或FDMA信號(hào)。

    3.1突發(fā)包長(zhǎng)度選擇

    STEL-9257可以工作在固定長(zhǎng)度突發(fā)包模式或可變長(zhǎng)度突發(fā)包模式。在固定長(zhǎng)度突發(fā)包模式中可以設(shè)置6種不同的突發(fā)包長(zhǎng)度，用戶可以通過模式控制引腳進(jìn)行快速切換。固定長(zhǎng)度突發(fā)包工作模式要求相鄰兩突發(fā)包之間保護(hù)間隔長(zhǎng)度不小于4個(gè)碼元周期。

    圖3  STEL-9257輸出時(shí)序

    在可變長(zhǎng)度突發(fā)包工作模式，無需設(shè)置突發(fā)包的長(zhǎng)度，STEL-9257將自動(dòng)檢測(cè)突發(fā)包的結(jié)束。但是，此時(shí)STEL-9257輸出的數(shù)據(jù)有效（DataValid）信號(hào)并不能準(zhǔn)確給出突發(fā)包的結(jié)尾，而會(huì)在突發(fā)包結(jié)束后延遲數(shù)個(gè)比特給出。由于系統(tǒng)中數(shù)據(jù)鏈路層帶寬分配的要求，數(shù)據(jù)鏈路層總是知道此時(shí)接收的突發(fā)包長(zhǎng)度，因此，突發(fā)包的準(zhǔn)確結(jié)尾將由系統(tǒng)判斷。可變長(zhǎng)度突發(fā)包工作模式要求相鄰兩突發(fā)包之間保護(hù)間隔長(zhǎng)度不小于11個(gè)碼元周期。

    3.2STEL-9257的MAC層相關(guān)功能

    STEL-9257的MAC層相關(guān)功能包括接收信號(hào)強(qiáng)度指示（RSSI）、噪聲功率測(cè)量、載波頻率差錯(cuò)估計(jì)、包碰撞檢測(cè)等。

    3.3STEL-9257的輸出時(shí)序

    STEL-9257輸出時(shí)序如圖3所示，tdav碼元周期如表1所示。STEL-9257的輸出信號(hào)主要為解調(diào)數(shù)據(jù)（DATA）、解調(diào)時(shí)鐘（ClkOut）和解調(diào)數(shù)據(jù)有效（DataValid）信號(hào)。其中解調(diào)數(shù)據(jù)有效信號(hào)指示突發(fā)數(shù)據(jù)包的起始和中止位置（可變長(zhǎng)度突發(fā)包工作模式時(shí)無法指示中止位置），在輸出的第一個(gè)有效解調(diào)數(shù)據(jù)前置高標(biāo)志數(shù)據(jù)開始。解調(diào)輸出是去除固定前置碼和解差分后的數(shù)據(jù)，在解調(diào)時(shí)鐘的下降沿變化。

    表1  tdav碼元周期表

    碼元速率（Msps）tdav 碼元速率（MHz）tdav

    0.128～0.320 39碼元 1.544 43碼元

    0.512～0.772 40碼元 2.048 44碼元

    1.024 41碼元 2.56 45碼元

    1.28 42碼元

    3.4STEL-9257的微處理器接口

    STEL-9257的微處理器模塊通過串口完成下載配置數(shù)據(jù)等操作，隨后配置STEL-9257的內(nèi)部電路。微處理器模塊的外部接口數(shù)率為19200bps，TTL電平串口，采用1位起始位、8位數(shù)據(jù)位為1位終止位、無奇偶校驗(yàn)位的格式。

    4  STEL-9257在寬帶無線接入系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)例

    圖4示出了點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)寬帶無線接入系統(tǒng)中基站解調(diào)上行突發(fā)包的原理框圖。微處理器AT89C51完成對(duì)系統(tǒng)的配置工作，包括對(duì)STEL-9257的工作參數(shù)的配置和FPGA初始參數(shù)的裝沒氣力的。FPGA完成與MAC層的交互。由于數(shù)字解調(diào)器直接輸出的時(shí)鐘相位是抖動(dòng)的，無法直接使用，F(xiàn)PGA同時(shí)完成換鐘工作。FPGA通過鎖相環(huán)由下行數(shù)據(jù)時(shí)鐘得到穩(wěn)定的上行數(shù)據(jù)時(shí)鐘后進(jìn)行換鐘。

    STEL-9257設(shè)置輸入中頻36MHz，碼元速率2.56MHz，前置碼選用16碼元的Hoffman編碼。輸入的70MHz中頻信號(hào)通過下變頻器和36MHz帶通濾波器之后輸入STEL-9257。STEL-9257輸出的數(shù)據(jù)、解調(diào)時(shí)鐘和數(shù)據(jù)有效信號(hào)輸入FPGA進(jìn)行基帶處理。由于STEL-9257選用可變長(zhǎng)度突發(fā)包模式，輸出的數(shù)據(jù)有效信號(hào)不能正確指示突發(fā)包結(jié)尾，突發(fā)包結(jié)尾的判斷工作由FPGA完成。

    系統(tǒng)采用STEL-1109作為用戶站上行突發(fā)調(diào)制器，完成差分QPSK的突發(fā)調(diào)制，調(diào)制信號(hào)經(jīng)中頻對(duì)接后由STEL-9257進(jìn)行解調(diào)，已經(jīng)正確解調(diào)，證明系統(tǒng)方案可行。

    由于系統(tǒng)采用了STEL-9257以及FPGA等器件，使得系統(tǒng)硬件大大簡(jiǎn)化。由于STEL-9257的同步時(shí)間短、無需獨(dú)特字及保護(hù)間隔短等特點(diǎn)，使得系統(tǒng)的頻譜利用率比較高。同時(shí)STEL-9257可以方便地解調(diào)不同長(zhǎng)度突發(fā)包及多種與MAC層交互的功能，減少了基帶部分及MAC層的設(shè)計(jì)工作。因此在點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的寬帶無線接入系統(tǒng)中使用STEL-9257作為上行基站的突發(fā)解調(diào)器十分方便有效