關(guān)建新 劉建新 胡 華

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院1) 武漢 430033)(中國人民解放軍92823部隊(duì)2) 三亞 572021)(中國人民解放軍91982部隊(duì)3) 三亞 572021)

1 引言

數(shù)字振幅調(diào)制、數(shù)字頻率調(diào)制和數(shù)字相位調(diào)制是數(shù)字調(diào)制的基礎(chǔ),然而這三種數(shù)字調(diào)制方式都存在不足之處,如頻譜利用率低、抗多徑衰落能力差、功率譜衰減慢、帶外輻射嚴(yán)重等。為了改善這些不足,幾十年來人們不斷提出一些新的數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù),以適應(yīng)各種通信系統(tǒng)的要求,其主要研究內(nèi)容圍繞減小信號帶寬以提高頻譜利用率、提高功率利用率以增強(qiáng)抗干擾性能等。正交幅度調(diào)制(Quadrature Amplitude Modulation,QAM)就是一種高效的數(shù)字調(diào)制方式,它在中、大容量數(shù)字微波通信系統(tǒng)、有線數(shù)字電視、高清晰數(shù)字電視、衛(wèi)星通信等需要進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)念I(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

QAM是一種幅度、相位聯(lián)合調(diào)制的技術(shù),有16QAM 、32QAM 、64QAM 、128QAM 、256QAM 等多種形式。寬帶QAM波形是通信系統(tǒng)中的一種新的非常重要的波形,頻譜利用率和信息傳輸速率高,是一種高效的數(shù)字調(diào)制體制。目前發(fā)達(dá)國家在許多重要的信道中都采用了寬帶QAM信號,而我國由于在寬帶QAM信號的波形技術(shù)研究方面起步較晚,面臨的技術(shù)難度較大,與國外先進(jìn)技術(shù)相比尚有較大的差距,QAM設(shè)備和主要芯片也基本靠國外進(jìn)口,極大制約了寬帶QAM系統(tǒng)的應(yīng)用。

2 寬帶QAM調(diào)制的基本原理

單獨(dú)使用振幅或相位攜帶信息時(shí),不能最充分地利用信號平面,這可由矢量圖中信號矢量端點(diǎn)的分布直觀地觀察到。采用多進(jìn)制振幅調(diào)制時(shí),矢量端點(diǎn)在一條軸上分布;采用多進(jìn)制相位調(diào)制時(shí),矢量點(diǎn)在一個(gè)圓上分布。隨著調(diào)制進(jìn)制數(shù)的增大,這些矢量端點(diǎn)之間的最小距離也隨之減少。但如果采用一種調(diào)制方式充分利用整個(gè)平面,即綜合利用幅度和相位信息,則可將矢量端點(diǎn)重新合理地分布,并可能在不減小最小距離的情況下增加信號的端點(diǎn)數(shù),這種方式就是正交幅度調(diào)制。

所謂正交振幅調(diào)制,就是利用2路數(shù)字信號分別對同一頻率互相正交的2路載波進(jìn)行同步調(diào)制,再將2個(gè)已調(diào)雙邊帶信號合成后進(jìn)行傳輸。在調(diào)制過程中,輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過串并變換后分為I路和Q路,兩路信號再分別經(jīng)過2電平到L(L=log2M)電平的變換。為了抑制已調(diào)信號的帶外輻射,I路和Q路還要經(jīng)過預(yù)調(diào)制低通濾波器,才分別與相互正交的兩路載波相乘,最后將兩路信號相加就可以得到不同幅度和相位已調(diào)的QAM輸出信號。在解調(diào)時(shí),輸入信號與本地恢復(fù)的2個(gè)正交載波信號相乘以后,經(jīng)過低通濾波器,多電平判決,L電平到2電平轉(zhuǎn)換,再經(jīng)過并串變換就得到輸出數(shù)據(jù)。QAM調(diào)制和解調(diào)的基本原理如圖1所示。

圖1 QAM調(diào)制和解調(diào)的一般原理框圖

在QAM調(diào)制中,通常把信號矢量端點(diǎn)的分布圖稱為星座圖,可以采用的有方型星座和星型星座兩種。對QAM調(diào)制而言,如何設(shè)計(jì)QAM信號的結(jié)構(gòu),即如何設(shè)計(jì)星座圖,不僅影響到已調(diào)信號的功率譜特性,而且影響已調(diào)信號的解調(diào)和性能。常用的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是在信號功率相同的條件下,選擇信號空間中信號點(diǎn)之間最小距離最大的信號結(jié)構(gòu),當(dāng)然還要考慮解調(diào)的復(fù)雜性。根據(jù)上述準(zhǔn)則,如果進(jìn)行16QAM調(diào)制,當(dāng)信號點(diǎn)間最小距離相同時(shí),采用方形星座比采用星形星座的平均發(fā)射功率小。但在實(shí)際中常采用星型星座,因?yàn)?6QAM方型星座有3個(gè)振幅環(huán),相位有12種,而星型星座有2個(gè)振幅環(huán),相位為8種,改善了方型星座的接收性能,有利于接收端的自動增益控制和載波相位跟蹤,如圖2所示。

圖2 16QAM的星座圖

QAM調(diào)制除了具有頻譜效率高的優(yōu)點(diǎn)外,還可以根據(jù)傳輸環(huán)境和傳輸信源的不同,通過自適應(yīng)地調(diào)整其進(jìn)制數(shù)來調(diào)整其數(shù)據(jù)傳輸速率,能夠很好地緩和可用頻帶緊張的狀況及實(shí)現(xiàn)多速率的多媒體綜合業(yè)務(wù)傳輸,也即一種采用自適應(yīng)多進(jìn)制QAM的方式,感興趣的讀者可參考相關(guān)文獻(xiàn)。

3 寬帶QAM波形的解調(diào)需要考慮的問題

寬帶QAM信號經(jīng)過信道傳輸時(shí),信道會對QAM信號產(chǎn)生許多影響,這些影響包括[1]:信號的幅度會有不同的衰減,且衰減量隨時(shí)間變化,體現(xiàn)在星座圖上就是星座縮小;信道會產(chǎn)生各種各樣的噪聲,比較典型的是高斯白噪聲,使星座點(diǎn)模糊;信道中會產(chǎn)生碼間干擾和信道間干擾;如果是移動信道,還會產(chǎn)生多普勒頻移;由于多次反射(有線電視信道等)或者瑞利衰落、多徑延遲(各種無線傳輸?shù)男诺?等,信號幅度會發(fā)生畸變,星座會變成不規(guī)則的形狀;另外由于發(fā)送端和接收端的本振時(shí)鐘不一致以及信道的時(shí)變特性,信號相位在傳輸中會受到損害,引起相位抖動,而且用于載頻和中頻上下變換的射頻振蕩器的頻率的不確定性會引起一定的頻偏,體現(xiàn)在星座圖上就是星座圖的轉(zhuǎn)動。因此QAM波形的解調(diào)器必須完成如下功能[1]:設(shè)置與發(fā)端的脈沖成形相應(yīng)的匹配濾波器以消除碼間干擾;調(diào)整輸入信號幅度,也即進(jìn)行自動增益控制(AGC);估計(jì)并去除載波分量的偏移;采用均衡技術(shù)以補(bǔ)償信道并消除發(fā)散的影響;恢復(fù)符號時(shí)鐘以及進(jìn)行定時(shí)判決以獲得脈沖幅度和相位;判決實(shí)際發(fā)送的脈沖幅度和相位;由于信道編碼的存在,必須有相應(yīng)的信道解碼以減少誤碼率。在上述必須完成的功能中,自動增益控制可以先行完成,方法也比較成熟,匹配濾波則與發(fā)端的脈沖成型濾波器相對應(yīng),不確定的或者關(guān)鍵的只剩下定時(shí)同步、載波恢復(fù)以及信道均衡這三個(gè)功能,構(gòu)成了寬帶QAM波形解調(diào)時(shí)的關(guān)鍵技術(shù)。

4 寬帶QAM波形解調(diào)的關(guān)鍵技術(shù)

對QAM波形的解調(diào),可以采用在線解調(diào)的方式,也可以先將QAM波形采集下來存儲在磁盤陣列中之后再進(jìn)行離線解調(diào)。不論采用在線解調(diào)還是離線解調(diào),按照目前流行的軟件無線電的設(shè)計(jì)思想,都是先將模擬中頻數(shù)字化之后,再對數(shù)字信號利用數(shù)字信號處理軟件在通用的硬件平臺上進(jìn)行處理,這些數(shù)字信號處理軟件需要完成的功能主要包括數(shù)字下變頻、自動增益控制(AGC)、符號定時(shí)同步、載波恢復(fù)、均衡以及前向糾錯(cuò)功能等。目前就實(shí)際實(shí)現(xiàn)而言,對數(shù)字下變頻一般采用專用的下變頻器,待下變頻器將數(shù)據(jù)的速率降下來之后,再利用數(shù)字信號處理軟件完成其他功能。在這些功能中,最主要的功能如前所述,分別是定時(shí)同步、載波恢復(fù)以及信道均衡,圖3給出了包含這三個(gè)功能的寬帶QAM信號解調(diào)器的模塊構(gòu)成。

圖3 寬帶QAM信號解調(diào)器的構(gòu)成框圖

4.1 寬帶QAM波形解調(diào)時(shí)的定時(shí)同步技術(shù)

在同步數(shù)字通信系統(tǒng)中,符號同步是接收機(jī)必須完成的一個(gè)重要工作,它包括定時(shí)誤差信息的提取和位定時(shí)的調(diào)整兩部分。在傳統(tǒng)的接收機(jī)中,位定時(shí)信息的提取是通過對模擬連續(xù)信號的處理實(shí)現(xiàn)的,如過零檢測法、插入導(dǎo)頻法、信號微分法等,而位定時(shí)的恢復(fù)是通過調(diào)整采樣脈沖的相位來實(shí)現(xiàn)的。隨著軟件無線電概念的提出,接收機(jī)正朝著全數(shù)字化的方向發(fā)展,即數(shù)模轉(zhuǎn)換盡可能向天線端推移,進(jìn)行直接中頻采樣,甚至對射頻直接采樣,而大部分接收機(jī)的功能通過數(shù)字信號處理的方法來實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在在符號同步恢復(fù)方面,發(fā)展的趨勢是符號定時(shí)利用高精度的固定本振產(chǎn)生采樣時(shí)鐘,無需調(diào)整,而用數(shù)字信號處理算法對定時(shí)誤差進(jìn)行估計(jì),采用插值算法進(jìn)行糾正。

在高速Q(mào)AM解調(diào)器中,定時(shí)同步是數(shù)據(jù)傳輸中的碼元判決基準(zhǔn),也是均衡器的時(shí)間基準(zhǔn),準(zhǔn)確與否將直接關(guān)系到數(shù)據(jù)判決的準(zhǔn)確性和均衡的有效性。由于傳輸信道的變參特性及多徑干擾,致使到達(dá)接收端的信號嚴(yán)重畸變,給位同步提取帶來相當(dāng)大的困難,為了解決這個(gè)問題,許多文獻(xiàn)[2～5]對QAM解調(diào)器的定時(shí)恢復(fù)算法進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[2]提出了一種以最大似然估計(jì)準(zhǔn)則為理論基礎(chǔ)所推導(dǎo)出的兩種面向判決(Decision Directed)的載波相位恢復(fù)方法和時(shí)鐘恢復(fù)方法,主要方便載波恢復(fù)和定時(shí)及均衡的聯(lián)合進(jìn)行;文獻(xiàn)[3]提出了一種基于最大功率的符號同步算法,該算法用統(tǒng)計(jì)的方法直接從時(shí)域提取定時(shí)誤差信息,并利用了功率與相位的無關(guān)性,采用過采樣擇優(yōu)選擇技術(shù)實(shí)現(xiàn)定時(shí)同步。文獻(xiàn)[4]提出了一種對載波頻偏不敏感的、基于非同步采樣(即用一個(gè)固定的采樣時(shí)鐘對輸入信號進(jìn)行采樣)、用插值濾波實(shí)現(xiàn)對符號定時(shí)同步的方法。文獻(xiàn)[5]中也提出了一種基于插值的符號定時(shí)同步方法,其原理框圖如圖4所示。文獻(xiàn)中設(shè)計(jì)的符號定時(shí)模塊獨(dú)立于其后模塊,主要包括內(nèi)插濾波器、匹配濾波器、定時(shí)誤差檢測以及環(huán)路濾波器、數(shù)控振蕩器(NCO)等部分。內(nèi)插濾波器以兩倍符號率輸出數(shù)據(jù),經(jīng)匹配濾波器后送入采用定時(shí)誤差檢測模塊,這種使匹配濾波器參與定時(shí)環(huán)路的結(jié)構(gòu)可以使得定時(shí)誤差減小。

圖4 基于內(nèi)插的符號定時(shí)同步模塊的實(shí)現(xiàn)框圖

本文獻(xiàn)還重點(diǎn)介紹此結(jié)構(gòu)中非常關(guān)鍵的內(nèi)插濾波器的改進(jìn)實(shí)現(xiàn),設(shè)計(jì)了一種采用分段拋物內(nèi)插算法的內(nèi)插濾波器,并驗(yàn)證了其可以滿足256QAM的精度要求。這種方法也是QAM解調(diào)中定時(shí)恢復(fù)的熱點(diǎn)算法,我們可以借鑒之,需要做的就是根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對此算法做適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)。

4.2 寬帶QAM波形解調(diào)時(shí)的載波恢復(fù)技術(shù)

QAM系統(tǒng)收發(fā)兩端的本振時(shí)鐘不精確相等,或者信道特性的快速變化使得被傳送信號偏離其中心頻譜,都會導(dǎo)致下變頻后的“基帶信號”中心頻率偏離零點(diǎn)。同時(shí)信號的相位在傳輸中也會受到損害,其來源有信道的時(shí)變特性、高頻頭的寬帶濾波器、下變頻電路、接收端自適應(yīng)均衡器的步長噪聲等,都會引起信號的相位抖動。因此需要經(jīng)過載波恢復(fù)把偽基帶信號搬移至基帶,同時(shí)跟蹤該基帶信號的相位,即QAM 系統(tǒng)的載波恢復(fù)分為“同頻”和“同相”兩步。在數(shù)字QAM 通信系統(tǒng)中,一般采用一個(gè)高精度固定本振對中頻信號解調(diào),并利用數(shù)字信號處理算法對模數(shù)采樣后的信號進(jìn)行載波頻偏和載波相偏的估計(jì),并進(jìn)行頻偏和相偏補(bǔ)償來恢復(fù)信號。

QAM系統(tǒng)的載波恢復(fù)方法一般分為兩類:一類是直接提取法,發(fā)送端不專門傳送載波或有關(guān)載波的信息,接收端直接從收到的已調(diào)信號中提取載波,也即環(huán)路提載法;另一類是插入導(dǎo)頻法,發(fā)送端在發(fā)送數(shù)據(jù)信息的同時(shí),也送出載波或與之相關(guān)的導(dǎo)頻信號,以供接收端提取。隨著QAM階數(shù)的升高和調(diào)制電平數(shù)的增多,使用直接提取法不但會使硬件實(shí)現(xiàn)變得很復(fù)雜,而且容易導(dǎo)致環(huán)路的不穩(wěn)定。使用插入導(dǎo)頻法,雖然會損失一定的信號功率,可是實(shí)現(xiàn)卻非常簡單,系統(tǒng)的性能也較為穩(wěn)定,即使在嚴(yán)重衰落的情況下,仍能得到較高的恢復(fù)載波信噪比。由于恢復(fù)出的載波不存在相位模糊問題,也就不存在因差分編碼引起誤碼擴(kuò)散造成的3dB系統(tǒng)信噪比惡化。文獻(xiàn)[6]對基于插入導(dǎo)頻法進(jìn)行載波恢復(fù)的方法進(jìn)行了理論估計(jì)和計(jì)算機(jī)模擬,結(jié)果表明在QAM系統(tǒng)中用插入導(dǎo)頻法能取得令人滿意的效果。

另外文獻(xiàn)[7～8]針對高階QAM系統(tǒng)提出了幾種可以捕獲較大頻偏的載波恢復(fù)算法,而文獻(xiàn)[9]的載波恢復(fù)算法具有較快的捕獲速度,這些算法從不同方面對傳統(tǒng)載波恢復(fù)算法進(jìn)行了改進(jìn),縮短了載波頻偏的捕獲時(shí)間,擴(kuò)大了捕獲范圍,但未考慮信道失真對高階QAM解調(diào)性能及穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響。文獻(xiàn)[10]在假定采樣時(shí)鐘無偏差且信噪比足夠高的情況下提出了數(shù)據(jù)輔助(DA)的載波相位估計(jì)算法,該算法無需載波環(huán)路和壓控振蕩器。文獻(xiàn)[11]中對N次方環(huán)法和Decision Directed載波恢復(fù)算法進(jìn)行了分析和仿真,發(fā)現(xiàn)N次方環(huán)法并不適合于所有場合,DD載波恢復(fù)算法雖然可以應(yīng)用于星座圖是任意形式的QAM解調(diào)過程中,但是它的應(yīng)用取決于誤比特率門限。文獻(xiàn)[3]針對短波信道中的16QAM調(diào)制的載波恢復(fù)算法進(jìn)行了研究,歸納總結(jié)了Decision Directed算法和判決反饋環(huán)算法,發(fā)現(xiàn)DD算法只能在相偏和頻偏都較小的情況下更高精度的恢復(fù)出載波,判決反饋環(huán)算法能糾正較大頻偏但計(jì)算量較大,基于COSTAS環(huán)的載波恢復(fù)算法不僅能糾正更大的頻偏,并且大大減小了計(jì)算量。不過這種方法只是針對特定信道下的特定調(diào)制,缺乏普適性的驗(yàn)證過程。文獻(xiàn)[2]中研究了基于最大似然估計(jì)的載波恢復(fù)方法,這種方法首先通過估計(jì)提取載波的相位偏差(將頻偏和相偏造成的影響歸并到相偏之中),然后采用面向判決(Decision Directed)的方法進(jìn)行載波相位恢復(fù),其方法實(shí)際上是對解調(diào)后的接收信號乘以估計(jì)出的誤差旋轉(zhuǎn)角度而實(shí)現(xiàn)的,這種方法非常適合用數(shù)字信號處理軟件實(shí)現(xiàn)。

從上面的分析可以看出,載波恢復(fù)的方法也是多種多樣的,具體恢復(fù)方法的選用需要根據(jù)實(shí)際的系統(tǒng)設(shè)計(jì)來決定,但應(yīng)該把握一個(gè)原則,即先進(jìn)行參數(shù)提取再用數(shù)字信號處理進(jìn)行補(bǔ)償,因?yàn)檫@種方法用開環(huán)結(jié)構(gòu)代替了傳統(tǒng)的反饋結(jié)構(gòu),非常適合于用數(shù)字信號處理實(shí)現(xiàn)。

4.3 寬帶QAM波形解調(diào)時(shí)的盲信道均衡技術(shù)

采用QAM波形的高速數(shù)字微波傳輸系統(tǒng),由于多徑衰落的嚴(yán)重影響可能使波形嚴(yán)重失真,即使采用前置普通中頻自適應(yīng)時(shí)域均衡,由于其自適應(yīng)控制信號的取得要依靠載波恢復(fù)環(huán)的正常工作來提供其自適應(yīng)均衡的控制信號,所以載波恢復(fù)的中斷將直接導(dǎo)致此自適應(yīng)時(shí)域均衡失效,從而盡管中頻均衡可對載波提取電路提供一定好處,但一般中頻時(shí)域均衡依然未能徹底解脫載波恢復(fù)環(huán)路工作不正常的交互影響。解決這一矛盾的一種有效途徑是采用盲均衡技術(shù)。盲均衡算法可與載波相位無關(guān),從而它能夠在載波恢復(fù)環(huán)路鎖定和QAM信號星座應(yīng)停止旋轉(zhuǎn)前有效工作,使之完成均衡器加權(quán)系數(shù)的粗調(diào),產(chǎn)生快速的初步收斂,使信號星座較為正常,有利于載波恢復(fù)的執(zhí)行,從而可檢測出載波相位誤差信號,產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)向量將載波相位鎖定,然后再轉(zhuǎn)換至包括判決反饋在內(nèi)的全時(shí)域均衡,進(jìn)行其均衡抽頭系數(shù)的精密調(diào)整,獲得最后良好的性能效果。因此,盲均衡已成為自適應(yīng)均衡技術(shù)中的一個(gè)重要的新的研究分支,其均衡算法也在一步步深入改進(jìn)。

針對QAM系統(tǒng)中的盲均衡技術(shù),文獻(xiàn)[12]進(jìn)行了歸納總結(jié):自從1975年Sato提出盲均衡的思想以來,盲均衡技術(shù)受到了越來越廣泛的關(guān)注,各類盲均衡算法應(yīng)運(yùn)而生。其中比較著名的算法有Godard提出的恒模算法(CMA),Benveniste等提出的B-G算法(BGA),Godard等提出的精減星座圖算法(RCA),Picchi等提出的Stop-and-Go算法(SGA)等等。另外文獻(xiàn)[13]提出了一種稱為壓縮星座圖的盲均衡算法(CCA),其實(shí)質(zhì)是一種基于RCA的加權(quán)算法,穩(wěn)態(tài)殘差大,并不適合處理高階QAM信號。CCA在處理高階QAM信號時(shí)同樣具有收斂速度較慢,穩(wěn)態(tài)殘差較大的缺陷。近年,Yang提出了多模盲均衡算法 MMA,對于高階QAM信號,MMA收斂性能與CMA和RCA等算法相比有所提高,而且在穩(wěn)態(tài)時(shí)不需要相位旋轉(zhuǎn)器來消除相位模糊,是一種比較可行的盲均衡方法。

4.4 寬帶QAM波形解調(diào)時(shí)的聯(lián)合載波恢復(fù)與信道均衡技術(shù)

由于受到信道失真與載波頻偏的相互影響,解調(diào)器接收的QAM信號星座圖彌散且旋轉(zhuǎn),因此正確解調(diào)出QAM信號的前提為消除載波頻偏并補(bǔ)償信道失真。QAM信號星座點(diǎn)之間距離與相位差隨調(diào)制階數(shù)的升高而下降,從而使高階QAM 信號的正確解調(diào)難度變大。若直接進(jìn)行載波恢復(fù),由于經(jīng)過惡劣信道傳輸QAM信號失真嚴(yán)重,很難找到有效的載波恢復(fù)算法來直接消除載波頻偏;若直接進(jìn)行均衡,則由于載波頻偏造成QAM信號星座圖的旋轉(zhuǎn),均衡很難獲得全局收斂,一般只能部分補(bǔ)償信道失真。因此高階QAM信號的自適應(yīng)均衡和載波恢復(fù)需要兩者的協(xié)同工作,即均衡在載波恢復(fù)環(huán)路產(chǎn)生的解旋信號幫助下實(shí)現(xiàn)在大頻偏下的收斂,而均衡的收斂又進(jìn)一步提高載波恢復(fù)的性能。

文獻(xiàn)[2,5,14]等對載波恢復(fù)和均衡聯(lián)合進(jìn)行的方法進(jìn)行了研究,文獻(xiàn)[14]針對高階QAM信號的特點(diǎn),結(jié)合自適應(yīng)均衡與載波恢復(fù),提出一種高性能的混合算法。該算法包括基于CMA(constant modulus algorithm)與LMS(least mean squares)的雙模均衡算法以及改進(jìn)的鑒頻、鑒相載波恢復(fù)算法,通過分步驟的協(xié)同操作實(shí)現(xiàn)了載波頻偏的消除及均衡收斂,并通過仿真證明了該算法針對高階QAM能取得很好的性能。

5 結(jié)語

在介紹了QAM調(diào)制與解調(diào)的基本原理的基礎(chǔ)上,分析了寬帶QAM波形解調(diào)時(shí)需要考慮的問題,討論了寬帶QAM 波形解調(diào)時(shí)的關(guān)鍵技術(shù),重點(diǎn)對解調(diào)時(shí)涉及的定時(shí)同步技術(shù)、載波恢復(fù)技術(shù)和信道均衡技術(shù)進(jìn)行了分析和研究。

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