唐吉祥，賈德宇

（空軍第一航空學(xué)院 河南 信陽(yáng) 464000）

隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，高效調(diào)制以其頻帶利用率高、傳輸信息量大等特點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。目前，偵察對(duì)象大量使用高效調(diào)制方式進(jìn)行通信，此類信號(hào)數(shù)據(jù)量大、密級(jí)高，承載了偵察對(duì)象軍方核心內(nèi)幕情報(bào)。因此，對(duì)此類高效調(diào)制信號(hào)的有效解調(diào)與控守就變得非常必要。為拓展技偵情報(bào)來(lái)源，實(shí)現(xiàn)對(duì)偵察對(duì)象該類信號(hào)的接收解調(diào)，達(dá)成高質(zhì)量的偵察、控守能力，圓滿完成上級(jí)賦予的軍事斗爭(zhēng)準(zhǔn)備情報(bào)保障任務(wù)，進(jìn)行高效QAM信號(hào)解調(diào)設(shè)備的研制具有重大意義。

由于是第三方接收，接收信號(hào)質(zhì)量較差，目前通用的解調(diào)設(shè)備多個(gè)性能指標(biāo)無(wú)法滿足解調(diào)要求，例如無(wú)法解決解調(diào)入鎖門高，誤碼率高等問(wèn)題，文中著眼于解決以上問(wèn)題，研制高效QAM信號(hào)解調(diào)設(shè)備，以突破對(duì)高效QAM信號(hào)的有效解調(diào)。

1 設(shè)計(jì)思想

1.1 需求分析

1.1.1 功能指標(biāo)

1）液晶顯示及鍵盤控制功能

液晶面板可以顯示解調(diào)方式、解調(diào)速率、信噪比，指示正反譜、指示軟復(fù)位；并可以通過(guò)鍵盤設(shè)置液晶顯示的參數(shù)。

2）計(jì)算機(jī)USB監(jiān)控功能

利用計(jì)算機(jī)通過(guò)該設(shè)備自研USB監(jiān)控軟件能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)AGC、定時(shí)、載波、均衡器、鎖相環(huán)等參數(shù)鎖定狀態(tài)。

1.1.2 技術(shù)指標(biāo)

該設(shè)備的輸入中頻信號(hào)要求為70MHz，輸入電平范圍在-5～-60 dBm，帶寬范圍在20 MHz，解調(diào)的主要類型為QPSK，16QAM，32QAM，64QAM，128QAM，256QAM，在 210 kBd～15 MB的解調(diào)速率范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)[1]。入鎖門限由不同解調(diào)方式所決定，具體入鎖門限如表1所示。根據(jù)不同的解調(diào)方式和固定的信噪比，確定誤碼率，具體如表2所示。設(shè)備的輸入接口為BNC接頭，特性阻抗為50Ω。另外，設(shè)備采用串行和并行兩種輸出方式輸出數(shù)據(jù)。采用串行輸出方式時(shí)數(shù)據(jù)輸出將判決后的線性星座數(shù)據(jù)按組成高速比特流的形式輸出，此時(shí)為TTL電平；而時(shí)鐘輸出為1:1的占空比，TTL電平，并且時(shí)鐘上升沿對(duì)準(zhǔn)數(shù)據(jù)中央。采用并行輸出方式數(shù)據(jù)輸出將判決后I、Q路數(shù)據(jù)并行輸出（I路 4位、Q路 4位），此時(shí)TTL電平；而時(shí)鐘輸出也為1:1占空比，TTL電平，時(shí)鐘上升沿對(duì)準(zhǔn)數(shù)據(jù)中央。機(jī)箱結(jié)構(gòu)采用19英寸的1U。

1.2 設(shè)計(jì)思路

高效QAM信號(hào)解調(diào)設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)考慮的主要問(wèn)題有兩個(gè)：一是由于信道帶寬限制導(dǎo)致的碼間干擾；二是信號(hào)經(jīng)無(wú)線信道傳輸后可能存在的多徑衰落[2]，信號(hào)衰落后產(chǎn)生的信號(hào)幅度的變化，接收端與發(fā)送端本振頻率不同所導(dǎo)致的載波不同步的問(wèn)題。所以解調(diào)器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)采取有效措施解決這些問(wèn)題。首先，設(shè)計(jì)與發(fā)送端脈沖相匹配的濾波器，減少因成形濾波器不匹配而帶來(lái)的碼間干擾；第二，采用自適應(yīng)均衡技術(shù)，減少因多徑衰落導(dǎo)致的符號(hào)間干擾；第三，設(shè)計(jì)載波恢復(fù)算法，為解調(diào)器提供與接收信號(hào)載波完全相同的相干載波；第四，采用自動(dòng)增益控制技術(shù)跟蹤接收信號(hào)幅度的變化；第五，根據(jù)已知的信號(hào)波特率設(shè)計(jì)相應(yīng)的定時(shí)同步機(jī)制，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的定時(shí)取樣。

表1 入鎖門限值Tab.1 Capture broadband

表2 誤碼率（Pe）Tab.2 The bit error rate

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 基本組成

該解調(diào)器的實(shí)現(xiàn)采用了全數(shù)字QAM解調(diào)算法。運(yùn)用連續(xù)濾波內(nèi)插技術(shù)，對(duì)70 MHz中頻信號(hào)直接采樣；在解調(diào)過(guò)程中運(yùn)用了數(shù)字下變頻、連續(xù)內(nèi)插、載波同步、符號(hào)定時(shí)同步、環(huán)路自動(dòng)增益控制等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了速率連續(xù)可調(diào)、多種解調(diào)方式可變。系統(tǒng)組成如圖1所示，主要由前端處理模塊、基帶信號(hào)處理模塊、信道處理模塊、控制與顯示模塊組成[3]。

2.2 工作原理

2.2.1 前端信號(hào)處理模塊

圖1 系統(tǒng)組成框圖Fig.1 System composition diagram

此模塊是該數(shù)字解調(diào)設(shè)備的模擬處理部分，此模塊的處理效果，在很大程度上，會(huì)影響解調(diào)效果。同時(shí)，該模塊也是解決大動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)解調(diào)的關(guān)鍵技術(shù)所在，采用模擬與數(shù)字自動(dòng)增益控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大動(dòng)態(tài)信號(hào)解調(diào)[4]。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，主要包含固定增益放大器、模擬AGC（Automatic Generation Control）、聲表面波濾波器、模/數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換（AD 采樣）等模塊。

圖2 前端信號(hào)處理模塊框圖Fig.2 Diagram of front-end signal processingmodul

70MHz中頻模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)40MHz采樣后，在10MHz處形成一個(gè)譜反轉(zhuǎn)的鏡像信號(hào)，經(jīng)濾波器、兩級(jí)AGC綜合控制使信號(hào)達(dá)到一個(gè)比較理想的電平范圍。

2.2.2 基帶信號(hào)處理模塊

整體硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)中，基帶信號(hào)處理模塊是其核心部分，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，主要包含數(shù)字下變頻、連續(xù)內(nèi)插濾波，成形濾波器、符號(hào)定時(shí)同步、數(shù)字自動(dòng)增益控制、均衡器、載波恢復(fù)等模塊。

圖3 基帶信號(hào)處理模塊框圖Fig.3 Diagram of based-band signal processingmodule

對(duì)輸入10 MHz數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)字下變頻后得到數(shù)字基帶信號(hào)，該基帶信號(hào)經(jīng)過(guò)連續(xù)內(nèi)插濾波后獲得與符號(hào)速率一致的采樣信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)成形濾波器濾除帶外噪聲，其中成形濾波器滾降系數(shù)采用自適應(yīng)方式獲取，時(shí)鐘恢復(fù)采用Gardner方法獲取時(shí)鐘。利用數(shù)字AGC模塊對(duì)濾波后信號(hào)平均功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，然后以最佳幅度輸入均衡器。均衡器算法采用戈達(dá)爾盲均衡和LMS算法相結(jié)合的方式。載波恢復(fù)模塊估計(jì)基帶信號(hào)的剩余頻差和相位差，以細(xì)調(diào)載波的相差和小的頻差。

2.2.3 信道處理模塊

此模塊由FPGA編程實(shí)現(xiàn)，技術(shù)難度較大。其結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示，主要包含星座軟判決、均值計(jì)算、專用信道處理、FARROW結(jié)構(gòu)濾波器等模塊[5]。

圖4 FPGA框圖Fig.4 FPGA diagram

經(jīng)基帶信號(hào)處理模塊解調(diào)后的數(shù)據(jù)首先傳送到FPGA中進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，將輸入的串行信號(hào)轉(zhuǎn)換成兩路并行信號(hào)；第一路數(shù)據(jù)傳送到D/A輸出，連接示波器可以顯示I路、Q路星座圖；第二路數(shù)據(jù)進(jìn)行星座軟判決，判決后數(shù)據(jù)進(jìn)行并行格式、監(jiān)控格式、串行格式、專用信道譯碼格式等方式輸出[6]。

其中星座軟判決、專用信道處理、FARROW結(jié)構(gòu)濾波器模塊是信道處理模塊的核心部分。

2.2.4 控制與顯示模塊

該模塊功能主要是由一個(gè)單片機(jī)（SST89V516RD2）來(lái)完成。其結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示，主要完成功能包括與基帶信號(hào)處理模塊進(jìn)行通信，并設(shè)置其參數(shù)；將鍵盤的控制指令傳送到各個(gè)模塊，完成解調(diào)參數(shù)配置、液晶顯示（LCD1602）、USB監(jiān)控、信道處理等功能。

圖5 控制與顯示模塊Fig.5 Diagram of control and display

單片機(jī)通過(guò)IIC總線與基帶信號(hào)處理模塊進(jìn)行通信，并設(shè)置中頻、載波、速率、數(shù)字AGC、均衡等參數(shù)。單片機(jī)將鍵盤的指令轉(zhuǎn)換成一定格式，然后傳送到基帶信號(hào)處理模塊，以實(shí)現(xiàn)多種解調(diào)方式、速率連續(xù)可調(diào)的解調(diào)。

單片機(jī)將控制狀態(tài)信息傳送到USB監(jiān)控軟件。以實(shí)現(xiàn)USB監(jiān)控軟件對(duì)解調(diào)方式、解調(diào)速率、數(shù)字AGC、定時(shí)鎖定、載波鎖定、均衡器鎖定、鎖相環(huán)鎖定等狀態(tài)的監(jiān)控。將基帶信號(hào)處理模塊解調(diào)數(shù)據(jù)通過(guò)FPGA的FIFO（First-In First-Out），經(jīng)USB接口傳送到USB監(jiān)控軟件，以實(shí)現(xiàn)對(duì)解調(diào)質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)控[7]。

3 構(gòu)建系統(tǒng)解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

3.1 自適應(yīng)信道跟蹤和均衡的算法實(shí)現(xiàn)

通過(guò)綜合運(yùn)用戈達(dá)爾盲均衡和LMS算法[8-9]，自動(dòng)調(diào)整均衡器系數(shù)，使其性能指數(shù)最佳化，自適應(yīng)地補(bǔ)償信道特性時(shí)變，較好地解決了多徑干擾難題，有效降低了解調(diào)入鎖門限與解調(diào)誤碼率，在第三方信號(hào)接收條件下提高了情報(bào)生成能力。

戈達(dá)爾盲均衡算法是最陡下降算法，該算法廣泛地應(yīng)用于實(shí)際中沒(méi)有訓(xùn)練可用時(shí)。戈達(dá)爾研究了均衡、載波相位恢復(fù)和跟蹤的組合問(wèn)題。載波相位跟蹤在基帶進(jìn)行，跟隨在均衡器之后，均衡器輸出表示為

解調(diào)器的信道均衡器采用的是戈達(dá)爾盲均衡算法和LMS（自適應(yīng)直接型FIR濾波器）算法相結(jié)合的算法，在均衡器鎖定之前，由于無(wú)法知道信道參數(shù)，需要采用自適應(yīng)的盲信道估計(jì)方法對(duì)信道進(jìn)行估計(jì)，一旦盲均衡鎖定之后，則切換到采用LMS算法的線性均衡 （LE）算法或者判決反饋算法（DFE）進(jìn)行信道的自適應(yīng)跟蹤和均衡。此種均衡方法，有效克服了載頻偏差導(dǎo)致的星座圖旋轉(zhuǎn)，在低信噪比條件下具有較快的收斂速度和較好的收斂效果。

3.2 解調(diào)星座軟判決與譯碼技術(shù)

采用解調(diào)星座軟判決與譯碼相結(jié)合的技術(shù)，對(duì)解調(diào)I、Q數(shù)據(jù)軟判決后數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼，針對(duì)數(shù)據(jù)特定幀格式來(lái)判斷解調(diào)星座的正確性，并對(duì)判決結(jié)果進(jìn)行調(diào)整、糾錯(cuò)，達(dá)到降低信號(hào)解調(diào)誤碼率的目的。

譯碼主要包括差分、卷積、RS譯碼以及去擾等部分，其中實(shí)現(xiàn)最復(fù)雜、糾錯(cuò)能力最強(qiáng)的為RS譯碼，可以糾8個(gè)字節(jié)以內(nèi)的錯(cuò)，效率很高。RS譯碼采用Berlekamp提出的迭代算法來(lái)求解關(guān)鍵方程，該方法不僅求解了錯(cuò)位多項(xiàng)式的系數(shù)，同時(shí)也求解了forney算法的部分參數(shù)。在該算法中，關(guān)鍵方程的獲得是RS譯碼中最困難、最為關(guān)鍵的一步。迭代算法運(yùn)算量最大，占用資源最多。為解決這個(gè)難題，采用FPGA進(jìn)行算法實(shí)現(xiàn)，程序經(jīng)過(guò)多次優(yōu)化，使得糾錯(cuò)譯碼速度更加快速，性能更加穩(wěn)定、可靠。該算法在信號(hào)質(zhì)量較差的情況下，可以明顯提高解調(diào)能力。

3.3 FARROW結(jié)構(gòu)連續(xù)內(nèi)插濾波技術(shù)

偵控的信號(hào)對(duì)于我方來(lái)講屬于非協(xié)作信號(hào)，信號(hào)種類繁多、符號(hào)速率也高低不一致，因此本解調(diào)器也必須適應(yīng)不同符號(hào)速率的信號(hào)。由于本解調(diào)器是全數(shù)字化解調(diào)器，ADC信號(hào)采樣時(shí)鐘是固定頻率的時(shí)鐘，采樣率與信號(hào)符號(hào)速率的關(guān)系不一定是有理數(shù)的關(guān)系，不可能采用內(nèi)插再抽取的有理數(shù)采樣率轉(zhuǎn)換方式，必須采用連續(xù)內(nèi)插的方式，只有這樣，信號(hào)符號(hào)速率才能連續(xù)可變。

匹配濾波器輸入的信號(hào)采樣率是2倍符號(hào)速率，因此，連續(xù)內(nèi)插濾波器輸出的信號(hào)采樣率是2倍符號(hào)速率，而連續(xù)內(nèi)插濾波器輸入的信號(hào)采樣率必須大于2倍符號(hào)速率。經(jīng)過(guò)綜合考慮選擇了FARROW結(jié)構(gòu)濾波器。FARROW結(jié)構(gòu)進(jìn)行信號(hào)之間的內(nèi)插實(shí)質(zhì)上是在濾波器系數(shù)間內(nèi)插出對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)的濾波器系數(shù)，該內(nèi)插的濾波器系數(shù)隨樣點(diǎn)的時(shí)間而變化。FARROW濾波器結(jié)構(gòu)如圖6所示。

3.4 模擬與數(shù)字自動(dòng)增益控制相結(jié)合的技術(shù)

圖6 FARROW濾波器結(jié)構(gòu)Fig.6 The structure FARROW filter

偵控的信號(hào)由于是長(zhǎng)期控守，受對(duì)象移動(dòng)、傳播信道衰落和天線波束偏移的影響，接收的信號(hào)幅度變化很大，如果不加以解決，需要太多的人工控守，為解決這個(gè)問(wèn)題，解調(diào)器采用了兩種自動(dòng)增益控制器。第一種是模擬的中頻自動(dòng)增益控制器。模擬的自動(dòng)增益控制器采用了兩級(jí)的可變?cè)鲆娣糯?，總的?dòng)態(tài)范圍達(dá)到55 dB，自動(dòng)增益可控范圍從信號(hào)的-5 dBm到-60 dBm，極大地減少了信號(hào)大幅度變化時(shí)控守中斷的次數(shù)。此外，解調(diào)器也采用了數(shù)字自動(dòng)增益技術(shù)，即使信號(hào)偏離模擬AGC范圍，一樣可使得信號(hào)解調(diào)時(shí)處于最優(yōu)的信號(hào)幅度，有效地解決了大動(dòng)態(tài)信號(hào)的解調(diào)難題，有效改善了微波信號(hào)的解調(diào)質(zhì)量。

4 結(jié)束語(yǔ)

高效QAM信號(hào)解調(diào)設(shè)備運(yùn)用數(shù)字通信系統(tǒng)理論、數(shù)字信號(hào)處理及FPGA等技術(shù)，以滿足對(duì)高效QAM信號(hào)的有效解調(diào)，設(shè)備操作界面友好，使用簡(jiǎn)單方便。該設(shè)備以其解調(diào)入鎖門限低、譯碼技術(shù)優(yōu)越、通用性強(qiáng)、使用維護(hù)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)，受到使用單位的廣泛歡迎。設(shè)備使用以來(lái)，高效調(diào)制信號(hào)控守能力明顯增強(qiáng)，控守時(shí)間大大延長(zhǎng)，情報(bào)生產(chǎn)能力進(jìn)一步提高，推廣應(yīng)用前景廣闊。

[1]樊昌信，曹麗娜.通信原理 [M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2010.

[2]張賢達(dá)，保錚.通信信號(hào)處理[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2000.

[3]郭曉峰，鄭雪峰，盧滿宏，等.高速數(shù)傳QAM解調(diào)器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].遙測(cè)遙控，2011，32（5）:22-25.GUO Xiao-feng，ZHENG Xue-feng，LU Man-hong，etal.Design of high-data-rate QAM demodulator[J].Telemetry，Tracking and Command，2011，32（5）:22-25.

[4]黃翔東，王兆華，崔海濤.基于FFT頻譜校正的全數(shù)字QAM解調(diào)法[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2010， 26（1）:103-107.HUANG Xiang-dong，WANG Zhao-hua，CUIHai-tao.A fully digitalized QAM demodulation scheme based on correcting FFT spectrum[J].Application of Electronic Technique，2010，26（1）:103-107.

[5]邵懷宗，黃巍，周瑩.一種適用于QAM信號(hào)的數(shù)字載波估計(jì)算法[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，25（5）:888-892.SHAO Huai-zong，HUANGWei，ZHOU Ying.A novel carrier frequency estimating algorithm for QAM signals[J].Chinese Journal of Radio Science，2010，25（5）:888-892.

[6]李春燕.高速信號(hào)處理終端設(shè)備的設(shè)計(jì)[J].電訊技術(shù)，2011，51（8）:66-69.LI Chun-yan.Design of a high speed processing terminal equipment[J].Telecommunication Engineering，2011，51（8）:66-69.

[7]何賓.FPGA數(shù)字信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)原理及方法[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[8]孟玲玲，王曉東，李漢偉.基于QAM調(diào)制信號(hào)的修正構(gòu)造函數(shù)盲均衡算法[J].電視技術(shù)，2011，35（13）:73-77.MENG Ling-ling，WANG Xiao-dong，LI Han-wei.New multiple modulus blind equalization algorithm based on QAM signals[J].Video Engineering，2011，35（13）:73-77.

[9]王彬，葛臨東，霍亞娟.適用于高階QAM信號(hào)的多?；旌厦ぞ馑惴╗J].數(shù)據(jù)采集與處理，2011，26（1）:8-14.WANG Bin，GE Lin-dong，HUO Ya-juan.Multi-modulus based hybrid equalization algorithm for high-order QAM signals[J].Journal of Data Acquisition&Processing，2011，26（1）:8-14.