數(shù)字調(diào)制信號接收技術(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，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。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鐘振蕩于固定的頻率，且不需要反饋控制，濾波、載波同步、時鐘同步、數(shù)據(jù)判決等全由采樣后的數(shù)字信號處理器來完成。本文設(shè)計提出了適于中頻數(shù)字化接收機(jī)的體制結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)方法。

1 全數(shù)字接收機(jī)組成

全數(shù)字接收機(jī)對中頻信號進(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。雖然對已調(diào)信號采樣要求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(shù)字正交下變頻，得到I，Q兩路信號。存在定時誤差和載波誤差的I，Q兩路基帶信號要進(jìn)行定時恢復(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是相位抖動幅度，ωj是相位抖動頻率，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)的輸入信號為：

式中a(k)是第k個傳輸符號，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(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)生相位估計值對輸入信號進(jìn)行相位旋轉(zhuǎn)以補償相位誤差。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與符號判決來產(chǎn)生誤差信號，該誤差信號反映了實際載波相位與當(dāng)前載波相位的差別。假設(shè)定時恢復(fù)已建立，這樣，相位誤差檢測器是在符號的最佳判決點進(jìn)行相位檢測。

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

3 內(nèi)插定時技術(shù)

在全數(shù)字接收機(jī)中，碼元定時恢復(fù)是利用鎖相環(huán)路產(chǎn)生定時誤差信號來控制本地同步脈沖實現(xiàn)的。在全數(shù)字解調(diào)器中，采樣時鐘由自由振蕩器產(chǎn)生，并且與信號時鐘不同步，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速率和相位誤差，需要用數(shù)字信號處理的方法來補償。全數(shù)字解調(diào)器中一般是采用數(shù)字插值運算來使接收信號和發(fā)送信號同步，這個插值運算可由內(nèi)插濾波器來實現(xiàn)。本文采用的典型的全數(shù)字解調(diào)器中的定時恢復(fù)環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。它由內(nèi)插濾波器、定時誤差檢測器、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的最佳采樣點，恢復(fù)出原始符號。

發(fā)送的線性調(diào)制信號符號周期為T，采樣率為T，t=kTi，表示在kTi時刻重新采樣，采樣周期為Ti。由于Ts的定時來源于獨立的本地振蕩時鐘，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)。對重新采樣的結(jié)果適當(dāng)操作，可以得到：

對于定時誤差的提取，采用Gardner算法。Gardnet算法需要每個符號有2個采樣值，一個在符號判決點附近，另一個在符號交界點附近，并且與載波相位偏差無關(guān)，因此定時調(diào)整可先于載波恢復(fù)完成，定時恢復(fù)環(huán)獨立于載波恢復(fù)環(huán)。Gardner算法提取的定時誤差為下式：

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

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(yīng)用于MQAM(M>4)信號中，特別是滾降因子較小時，其定時誤差信號抖動太大。

根據(jù)定時誤差信號抖動的統(tǒng)計特性可知：滾降因子越小，抖動越大；信號包絡(luò)起伏越大，抖動越大。如果單靠環(huán)路濾波器來減小定時抖動，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為中心的偶對稱的帶通信號，其定時抖動近似為零。并且特別強(qiáng)調(diào)了1／2T為中心的偶對稱信號，信號過零點將發(fā)生在T／2處。如果在定時誤差探測器前加一個預(yù)濾波器，盡可能使信號波形滿足上述要求，就可以達(dá)到減小定時誤差信號抖動的目的。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(gòu)成，誤差信號在送入比例支路和積分支路時，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)路就能對定時誤差信號跟蹤并鎖定同步。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，它接收定時誤差信號，給內(nèi)插濾波器提供內(nèi)插運算所需的參數(shù)m(k)和μk，數(shù)控振蕩器的時鐘頻率為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時間減一次W(m)，寄存器減掉一定個數(shù)的W(m)后將產(chǎn)生過零點，每出現(xiàn)一次過零點，則產(chǎn)生一個定時調(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值參加內(nèi)插運算，同時還可求出μk。

4 仿真實驗

通過對所采用的技術(shù)方案的建模仿真，并對信號源的調(diào)制數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)實驗。實驗結(jié)果表明，在誤比特率為10-4時，Eb／N0比理論值多2 dB。圖5給出了16QAM調(diào)制信號有定時誤差時，定時恢復(fù)前和定時恢復(fù)后的眼圖，可以看出定時恢復(fù)前，眼睛張開最大的位置不在采樣的最佳點，而定時恢復(fù)后眼睛張開最大點在采樣的最佳點。

圖6給出了16QAM調(diào)制信號有載波頻差時，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)后信號的星座圖明顯分開了。

5 結(jié) 語

本文針對適用于多種數(shù)字調(diào)制信號接收解調(diào)所采用的的全數(shù)字接收機(jī)進(jìn)行了分析和設(shè)計。對載波同步技術(shù)和碼元定時技術(shù)進(jìn)行了理論分析和仿真實驗。結(jié)果表明：通用環(huán)和內(nèi)插定時兩個關(guān)鍵技術(shù)可以實現(xiàn)PSK、QAM數(shù)字調(diào)制信號的接收解調(diào)。全數(shù)字接收機(jī)設(shè)計靈活，易于實現(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)