摘 要：為了實(shí)現(xiàn)對(duì)多種數(shù)字信號(hào)的解調(diào)，設(shè)計(jì)了一種全數(shù)字接收機(jī)體制。對(duì)通用環(huán)載波同步方法及內(nèi)插濾波碼元同步方法進(jìn)行了深入分析和設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果表明，在誤比特率為10-4時(shí)，所需Eb/N0比理論值高2 dB?；谕ㄓ铆h(huán)和內(nèi)插定時(shí)技術(shù)的全數(shù)字接收機(jī)適用于對(duì)PSK，QAM數(shù)字調(diào)制信號(hào)的接收解調(diào)，滿足數(shù)字VSLI硬件實(shí)現(xiàn)高集成度、小型化接收機(jī)的要求。

關(guān)鍵詞：載波恢復(fù);定時(shí)恢復(fù);內(nèi)插濾波;全數(shù)字接收

中圖分類號(hào)：TN911.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1004373X(2008)1517103

Receiving Technique for Digital Modulation Signal

SUN Haixiang，LIU Jie

(The 54 Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shijiazhuang，050081，China)

Abstract：All-digital receiver is designed for various digital signals demodulation.A universal loop and interpolating filter are designed and analyzed in detail.The simulation result shows that the needed value of Eb/N0 is the theoretical value plus 2 dB when the BER is 10-4.The all-digital receiver based on technique of universal loop and interpolating filter timing loop suit for PSK and QAM signal demodulation and satisfy the design request of high degree of integration and miniaturization with VSLI hardware.

Keywords：carrier recovery;timing recovery;interpolating filter;all-digital receiver

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。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)。

圖1 全數(shù)字接收機(jī)結(jié)構(gòu)框圖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：θ(n)=ω0nT+∑jAjsin(ωjnT)+θ0其中，ω0是載波頻率偏差，θ0是固定相位偏差，Aj是相位抖動(dòng)幅度，ωj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。

圖2 判決反饋載波恢復(fù)環(huán)結(jié)構(gòu)假設(shè)載波恢復(fù)環(huán)的輸入信號(hào)為：y(k)=a(k)ejθ(k)+v(k)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：ε(k)=Imu(k)z(k)=Ima(k)ejθ(k)×e－j(k)z(k)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)：ε(k)=Im(ej(θ(k)－(k)))=sin(θ(k)－(k)) 由上式可見其載波相位誤差鑒相特性曲線為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。

通用環(huán)的基帶處理函數(shù)可表示為：ud=sgn(u1－1)⊕sgn(u2)－

sgn(u2－2)⊕sgn(u1)其中u1，u2為正交鑒相器輸出的兩路基帶信號(hào)；1，2為u1，u2的估值。

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。

圖3 內(nèi)插結(jié)構(gòu)定時(shí)恢復(fù)環(huán)路框圖內(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s，t=kTi，表示在kTi時(shí)刻重新采樣，采樣周期為Ti。由于Ts的定時(shí)來源于獨(dú)立的本地振蕩時(shí)鐘，所以T/Ts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(kTi)，它是以Ti為周期的函數(shù)，因Ti與T是同步的，所以應(yīng)有Ti=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：y(kTi)=y［(mk+μk)Ts］

=∑I2i=I1x［(mk－i)Ts］hI［(i+μk)Ts］其中， mk=int［kTiTs］是內(nèi)插基點(diǎn)， μk=int［kTiTs］－mk，(0≤μk<1)是分?jǐn)?shù)間隔，這里n即nTs。插值濾波器實(shí)際上完成了時(shí)變插值和抽取的功能，從而可以用內(nèi)插濾波器來實(shí)現(xiàn)符號(hào)同步。

對(duì)于定時(shí)誤差的提取，采用Gardner算法。Gardner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：ε(τ)=yI((n－12)T+τ)［yI(nT+τ)－

yI((n－1)T+τ)］+yQ((n－12)T+τ)·

［yQ(nT+τ)－yQ((n－1)T+τ］式中yI，yQ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：ε(τ)=［2×yI((n－12)T+τ)－yI(nT+τ)－

yI((n－1)T+τ)］·［yI(nT+τ)－

yI((n－1)T+τ)］+［2×yQ((n－12)T+τ)－

yQ(nT+τ)－yQ((n－1)T+τ)］·

［yQ(nT+τ)－yQ((n－1)T+τ)］ 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G1和積分增益G2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，G1和G2的取值決定了系統(tǒng)的環(huán)路帶寬和收斂的快慢。ωn是環(huán)路的自然頻率，ξ是鎖相環(huán)的阻尼因子。G1=2ξωnTs， G2= ω2n T2s其中Ts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μk，數(shù)控振蕩器的時(shí)鐘頻率為1/Ts。

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TS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Ti，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μk。

圖4 數(shù)控振蕩器

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)，Eb/N0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5 定時(shí)恢復(fù)前后信號(hào)的眼圖圖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。

圖6 消除載波頻差前后信號(hào)的星座圖

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)。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］Gardner F M.Interpolation in Digital Modems-Part I:Fundamentals［J］.IEEE Trans.Commun.，1993，41:501-507.

［2］Gardner F M，Harris R A.Interpolation in Digital Modems-Part II:Implementation and Performance［J］.IEEE Trans.Commun.，1993，41，998-1 008.

［3］Fred Harris，Chris Dick.On Structure and Implementations of Algorithms for Carrier and Symbol Synchronization in Software Defined Radios［C］.EUSIPCO-2000(European Association for Signal Processing)，Tampere，F(xiàn)inland，2000.

［4］Proakis J G.Digital Communication［M］.McGraw-Hill，1989.

［5］John Stensby.A New Lock Detector for Phase-locked Receivers［C］.Southeastern Symposium on System Theory，IEEE，Proceeding of the 33rd，2001:215-219.

［6］Douglas A.Carrier Detection of PSK Signals［J］.IEEE Transactions on Communications，2001:49(3):487-496.

［7］許華，鄭輝.對(duì)高階QAM信號(hào)盲載波相位捕獲算法的一種改進(jìn)方法［J］.通信學(xué)報(bào)，2005，26(8):62-66.

［8］楊知行，鄧擁軍，潘長勇，等.動(dòng)態(tài)群時(shí)延的自適應(yīng)補(bǔ)償算法［J］.通信學(xué)報(bào) 2006，27(8):87-92.

［9］呂海軍，陳前斌，吳小平.基于SystemView的16QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真［J］.通信技術(shù)，2007(12):113-115.

［10］邱兆坤，馬云，王偉，等.基于FPGA的數(shù)字化正交解調(diào)接收機(jī)最優(yōu)設(shè)計(jì)［J］.電子與信息學(xué)報(bào)，2006，28(1):41-44.

［11］鄧青，吳建輝，姜愛鵬.高性能數(shù)字電視QAM初始解調(diào)器的VLSI結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.電路與系統(tǒng)學(xué)報(bào)，2007，12(2):16-20.

［12］何煦，田忠.基于FPGA的數(shù)字解擴(kuò)解調(diào)模塊設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，31(5):43-45.

［13］王飛，劉濤，吳超宇，等.基于GC4016的SDR數(shù)字中頻接收機(jī)濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電訊技術(shù)，2008(1):71-74.

作者簡介 孫海祥 男，1975年出生，工程師，學(xué)士。研究方向?yàn)橥ㄐ判盘?hào)處理，數(shù)字接收技術(shù)。

劉 杰 男，1975年出生，工程師，碩士。研究方向?yàn)闊o線電監(jiān)測技術(shù)，通信信號(hào)處理技術(shù)。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文