鄧元策，陳巧艷，馬 路，石立國，王竹剛

(1. 中國科學院大學，北京 100190；2.中國科學院 空間科學與應用研究中心，北京 100190)

基于商業(yè)零中頻芯片的BPSK/QPSK解調器設計

鄧元策1,2，陳巧艷2，馬 路1,2，石立國1,2，王竹剛2

(1. 中國科學院大學，北京 100190；2.中國科學院 空間科學與應用研究中心，北京 100190)

提出基于商業(yè)零中頻芯片MAX2837的BPSK/QPSK解調器設計，詳細分析了零中頻芯片MAX2837的特性、AGC環(huán)路、載波同步及位同步環(huán)路的設計。工程實測結果表明：該系統(tǒng)在誤比特率為10-5時，解調損耗約2.5 dB，完成系統(tǒng)設計要求；該系統(tǒng)集成度高、體積小、重量輕、成本低。

零中頻；MAX2837；BPSK/QPSK解調器

零中頻接收機直接將射頻信號下變頻到基帶信號進行處理，不需要中頻放大、高Q值鏡像頻率濾波器等結構，使其接收系統(tǒng)的數(shù)字集成度提高，既簡化了設計，又減小了接收設備的體積和成本，越來越受到軍用和民用通信的青睞。但是零中頻結構接收機由于直接將信號搬移到基帶也有它固有的缺陷，如I/Q 不平衡、直流偏移、偶次諧波、閃爍噪聲等問題。文獻[1-3]分別從時域補償?shù)慕嵌取⒄幌嘁苹祛l拓撲和基于查找表的數(shù)字域補償?shù)慕嵌葘/Q不平衡問題進行了改善。關于零中頻接收機中由“本振泄漏自混頻”和“干擾自混頻”引起的直流偏移問題的解決辦法在文獻[4-5]有相應的討論和對比。文獻[6]討論了零中頻結構在數(shù)字電視接收機系統(tǒng)中應用。實踐表明利用商業(yè)零中頻芯片的高集成度、可靠性強、可在線靈活配置的優(yōu)點，使得研發(fā)設備體積小、重量輕、功耗低的同時簡化了設計，縮短了研發(fā)周期，實際研制系統(tǒng)已應用于探空火箭高速數(shù)據(jù)傳輸鏈路的地面接收設備中。

1 系統(tǒng)構架及設計指標

文中設計的BPSK/QPSK解調器主要需要完成對BPSK/QPSK信號的解調、幀同步、解擾、RS解碼以及和后續(xù)終端之間的接口。其系統(tǒng)框圖如圖1所示，系統(tǒng)包括了射頻單元、中頻單元、USB接口和電源4個部分。其中射頻單元接收來自天線的射頻信號，完成下變頻到零中頻，并且完成I/Q不平衡補償、中頻AD輸出。中頻處理單元除了完成常規(guī)的解調任務之外，還需完成幀同步、解擾和解碼的功能，其功能框圖如圖2所示。解調器需完成2.048 Mbit/s的BPSK信號、10 Mbit/s的QPSK信號和4.096 Mbit/s的QPSK信號的解調，且要求在10-5誤碼率的情況下，解調損耗小于3 dB。

圖1 系統(tǒng)框圖

圖2 中頻處理單元功能框圖

2 MAX2837簡介

MAX2837零中頻射頻收發(fā)器設計用于2.3 ～2.7 GHz無線寬帶系統(tǒng)中。在芯片內部集成實現(xiàn)RF發(fā)送器功能所需的全部電路，提供射頻至基帶接收通道、基帶至射頻發(fā)送通道、壓控振蕩器(VCO)、頻率合成器、晶體振蕩器和基帶/控制接口。器件包含具有快速建立時間的∑-Δ射頻合成器，具有小于20 Hz的頻率步長的振蕩器，允許使用低成本的晶體代替高成本的溫度補償晶振(TCXO)。該收發(fā)器IC還集成了片上DC偏移消除和I/Q不平衡誤差檢測電路以及載波泄漏檢測電路。其豐富的內部結構使得只需要幾個簡單的外圍元件即可以組成一個完整的無線寬帶射頻收發(fā)器。MAX2837為接收器和發(fā)送器集成了完整的片上濾波器，完全無需外部SAW濾波器。Rx和Tx信號通道上的基帶濾波器已經按嚴格的噪聲系數(shù)和線性度指標進行了優(yōu)化。該器件支持高達2048 FFT的OFDM，并且可為1.75～28 MHz射頻帶寬提供可配置的信道濾波器。其收發(fā)器在發(fā)送和接收之間的切換時間僅需2 μs，并且已經包括頻率瞬態(tài)建立時間[7]。

如圖3所示，MAX2837內部集成了DC偏移消除、I/Q誤差檢測以、載波泄漏檢測、幅度檢測、抗混疊濾波、溫度補償接口等電路，所以使用MAX2837作為零中頻射頻單元不需要在外部設計額外直流偏移、I/Q支路不平衡專用處理電路，并且該芯片對外提供了標準的串行配置接口(SPI)，可以大大簡化了后續(xù)處理單元的結構和成本，是非常經濟而且可靠的射頻解決方案。

3 BPSK/QPSK解調器設計

模擬的零中頻信號經過ADC采樣，由FPGA進行數(shù)字信號處理。BPSK/QPSK的解調器主要包含了AGC、載波跟蹤環(huán)路以及位同步環(huán)路。整個解調器的功能框圖如圖4所示。圖中的AGC輸出的增益控制字由SPI配置接口寫入到MAX2837的增益控制寄存器中，以此來控制信號輸入的幅度。判決輸出模塊輸出的比特流接入到后續(xù)的幀同步模塊完成幀同步。位同步模塊輸出了I/Q數(shù)據(jù)信號和兩個同步后輸出的參考時鐘。其中載波恢復和位同步分別采用了零中頻特有的交叉鑒相器和數(shù)據(jù)轉換跟蹤環(huán)結構。

圖3 MAX2837內部框圖(截圖)

圖4 BPSK/QPSK解調器功能框圖

3.1 數(shù)字AGC設計

數(shù)字AGC是數(shù)字中頻接收機的重要輔助電路[8]，數(shù)字中頻接收機設置自動增益控制的目的在于使接收機的增益隨著信號的強弱進行調整，或者保持接收機的輸出恒定在一定的范圍[9]。本文討論的AGC屬于前一種在接收機輸入端的數(shù)字AGC設計，它的作用是保證輸入信號幅度在一定范圍之內，即在信號幅度較弱的時候提高接收機的增益，使得信噪比提高，在接收到強信號時使接收機工作在正常范圍之內(保證A/D轉換器不會溢出)。本方案中，數(shù)字AGC采用了非相干反饋形式，其框圖如圖5所示。圖中的Z-1模塊為單位延遲模塊，Σ模塊為累加模塊?？梢钥闯鯝GC首先對輸入的I/Q信號進行平方運算，經過累積之后，和基準信號比較輸出差值進行累加，最后將差值累加的結果轉換成MAX2837中增益寄存器的控制字。

圖5 數(shù)字AGC功能結構框圖

(1)

由文獻[9]中可得到其概率密度函數(shù)的詳細表達式，其期望、方差和偏度的表達式為

E[Y]=2N+2Nγ

(2)

Var[Y]=4N+8Nγ

(3)

(4)

而如果圖5中①點處的信號表示為隨機過程X，則③點處的信號表達式Y′和上文中的隨機變量Y的關系為

Y′=σ2Y

(5)

得出相應的期望和方差的表達式為

E[Y′]=2N(σ2+μ2)

(6)

Var[Y′]=4Nσ4+8Nσ2μ2

(7)

當自由度2N和λ較大時(信噪比較大)，非中心帶參數(shù)λ的卡方亦趨近于正態(tài)分布N(E[Y′],Var[Y′])，使用3Sigma原則有

(8)

所以相對于AGC環(huán)路的理想信號的波動幅度可以表示為

(9)

由式(5)～式(9)可知，當信噪比較大時AGC調節(jié)的能量累積部分的輸出范圍和累積次數(shù)的關系如式(9)所示。當信號AGC的調節(jié)范圍在如式(9)所示的比例范圍內時，環(huán)路才是穩(wěn)定的。當信噪比較低時，應按文獻[9]中給出的累積分布函數(shù)，利用式(1)～式(4)求得在均值附近所需的動態(tài)范圍內的取值，然后由式(5)反解出累積門限，最后求得累積次數(shù)。

3.2 載波跟蹤設計

因為接收機的晶振頻偏和發(fā)射信號的多普勒頻移以及多普勒頻移的變化，所以MAX2837中的下變頻器后ADC采樣的輸出的零中頻信號，實際上還是有一定頻偏的。需要用載波跟蹤環(huán)來將剩余的頻偏糾正過來。載波同步算法采用常規(guī)的Costas形式的鎖相結構。但因為輸入信號為零中頻信號，與本地載波相乘之后的倍頻項無法采用低通濾波器濾除，因此需采用交叉結構的零中頻復數(shù)鑒相器來完成復數(shù)鑒相，其結構如圖6所示。

圖 6 QPSK/BPSK零中頻復數(shù)鑒相器結構

圖6中的⑧點處的切換開關是對QPSK和BPSK的區(qū)分，當切換開關閉合的時候，圖6構成的是QPSK的零中頻復數(shù)鑒相器；當其斷開時，構成了BPSK的鑒相結構。當作為BPSK鑒相器的時候，設信號I，Q輸入信號為

I(m)=A·D·cos(2πfdmTs+φ0)+n1(mTs)

(10)

Q(m)=A·D·sin(2πfdmTs+φ0)+nQ(mTs)

(11)

式中：D表示調制符號，取值為{1，-1}；A，fd，φ0和Ts分別表示信號的幅度、發(fā)送載波頻偏、載波初始相位和采樣間隔。所以⑥點和⑤點處的信號表達式分別為

(12)

(13)

(14)

由上式可以得到BPSK的鑒相增益。當圖6所示鑒相結構作為QPSK的鑒相器時，令I，Q路輸入信號分別為

XI(m)=I(m)sin(φ(m))+Q(m)cos(φ(m))

(15)

XQ(m)=I(m)cos(φ(m))-Q(m)sin(φ(m))

(16)

為了討論方便，使用φ代替φ(m)且I，Q路信號用簡略表達式表示，由圖中所示結構得此時⑤，⑥處的信號表達式分別為

Phq(m)=I(m)cos(θ)+Q(m)sin(θ)

(17)

Phi(m)=-I(m)sin(θ)+Q(m)cos(θ)

(18)

式中：θ表示本地載波和接收信號載波的相位差。又當進入跟蹤狀態(tài)，θ很小的時候，有sgn(Phq(m))≈I(m)且sgn(Phi(m))≈Q(m)，所以⑦，⑧點的信號為

sgn(Phi(m))·phq(m)≈I(m)Q(m)cosθ+sinθ

(19)

sgn(Phq(m))·phi(m)≈I(m)Q(m)cosθ-sinθ

(20)

因此，⑨點的相差輸出為

Δθ≈2sinθ

(21)

綜上對BPSK和QPSK鑒相器的討論，可以得到相應的鑒相增益。本方案中的環(huán)路濾波器的設計，采用一階環(huán)路濾波器，二階鎖相環(huán)的形式，其數(shù)字實現(xiàn)結構如圖7所示。

圖 7 載波跟蹤環(huán)路濾波器實現(xiàn)結構

從圖7可以看出環(huán)路濾波器的主要設計工作就是確定兩個環(huán)路濾波器的增益參數(shù)。在g2支路的累加中加入了限幅器是因為當沒有信號進入環(huán)路的時候，高斯白噪聲進入環(huán)路濾波器，高斯白噪聲經過積分之后成為了維納過程也就是布朗運動，所以有可能使得初始的頻差游離到捕獲帶以外去，致使信號進入的時候不能入鎖。環(huán)路濾波器的兩個系數(shù)可表示為

(22)

(23)

式中：T為采樣率；ωn為二階環(huán)路的自由振蕩頻率；K為環(huán)路增益，其中包含了鑒相增益和NCO的增益。

3.3 位同步設計

位同步環(huán)路采用了數(shù)據(jù)轉換跟蹤環(huán)路(DTTL)結構，其設計結構亦可以等效為一個鎖相環(huán)的結構。兩者的差別唯有鑒相器輸入輸出的物理量不同，前者輸入輸出的物理量是相位，而后者是時間。但是另一方面，通過式(24)這種簡單的比例關系即可將時間誤差亦可以等效為相位的誤差，所以兩者的設計思路基本是一致的。

(24)

式中：εθ，ετ和Tc分別表示相位誤差、時間誤差和基帶數(shù)據(jù)周期。位同步環(huán)的設計應在滿足環(huán)路的穩(wěn)定性條件，盡可能提高環(huán)路進入鎖定的時間，同時兼顧一些位同步的精確度要求。環(huán)路的穩(wěn)定性條件一般認為是環(huán)路的最大抖動(4σ～6σ環(huán)路定時誤差ετ)小于半個碼元周期。在本項目中，采用的環(huán)路帶寬的主要設計目標是讓任務書規(guī)定的最大頻差在位同步環(huán)路的快捕帶內，該環(huán)路帶寬遠小于穩(wěn)定性要求所規(guī)定的環(huán)路帶寬。

4 Simulink仿真實現(xiàn)及驗證

利用Simulink搭建了BPSK/QPSK的仿真模型，其中主要的載波同步環(huán)路如圖8所示，位同步環(huán)路如圖9所示。載波環(huán)路采用了Costas環(huán)結構，其中的鑒相器結構在第3.2節(jié)已有說明，位同步環(huán)路采用DTTL環(huán)路。

樣本數(shù)量為107級，載波頻偏為3.2 kHz的情況下，各種調制制式的誤碼情況如表1所示，符號“—”表示在樣本量中沒有出現(xiàn)誤碼。

圖 8 載波跟蹤環(huán)路Simulink模型

圖 9 位同步環(huán)路Simulink模型

5 實測性能

本文所述BPSK/QPSK解調器已用于探空火箭高速數(shù)據(jù)傳輸鏈路的地面接收設備中，其工程實物圖如圖10所示，MAX2837輸出的正交零中頻信號，經過雙路ADC采樣，由Xilinx Spartan6 XC6SLX16 FPGA進行后續(xù)處理。FPGA完成所有解調、幀同步、解擾、解交織和RS譯碼以及通過USB接口芯片輸出的工作，占用了78%的Slice資源。在項目中的實測誤碼結果和理論誤碼曲線的對比如圖11所示。從圖中可以看出在10-5誤碼率附近，該解調器的解調損耗為約2.5 dB，滿足設計指標的要求。

6 結論

本文總結了基于商業(yè)零中頻芯片MAX2837和FPGA的BPSK/QPSK解調算法的設計，詳細分析了AGC環(huán)路、載波恢復以及定時環(huán)路的設計，給出了仿真和工程實測結果，該解調器具有成本低、結構簡單的特點同時大大降低了設備的體積、重量、功耗。該調制器已經被應用到探空火箭高速數(shù)傳鏈路的地面接收設備的研制中。文中所采用的零中頻載波跟蹤算法經過適當改造，可以推廣到任意正交調制體制信號的解調。這種基于零中頻結構的接收機，集成度高、體積小、重量輕、功耗低，在軍用和民用領域都具有很高的推廣價值。

圖10 BPSK/QPSK解調器實物圖

[1]唐世剛，龔克，潘長勇，等. 數(shù)字接收機I/Q支路不平衡的時域補償[J]. 清華大學學報：自然科學版,2007(1): 49-52.

圖11 測試誤碼曲線和理論誤碼曲線比較

[2]徐建，吳建輝，時龍興，等. 雙正交零中頻接收機拓撲結構設計[J]. 電路與系統(tǒng)學報, 2000(2): 78-81.

[3]鄒世源，劉久文，陽輝. 數(shù)字域校正零中頻發(fā)射機IQ不平衡的研究[J].電視技術，2013，37(23): 163-166.

[4]唐琴，吳建輝. 零中頻直流偏移消除技術比較與分析[J]. 微電子學，2008(6): 811-81.

[5]胡雪惠，白獻林，雷梁. 零中頻接收機中的直流偏移抑制技術[J]. 空間電子技術, 2008(3): 48-50.

[6]楊霏，楊剛. 基于零中頻結構的數(shù)字電視調制系統(tǒng)研究[J].電視技術，2011，35(12): 25-27.

[7]Inc.MAXIM. 2.3GHz to 2.7GHz wireless broadband RF transceiver[EB/OL].[2014-04-11].http://wenku.baidu.com/link?url=YliTfcOzgxCjmwhb6_KpdDk845oNnmI9vXJzotCGo_cjShuyIYpnbcET1Z76kEy4mL71OnOh RokssIUlrbd1OfF-QPCXb4s5L3-VoJzNq3.

[8]王彥，曹鵬，費元春. 數(shù)字中頻接收機的設計與實現(xiàn)[J]. 電訊技術，2004，44(5): 41-44.

[9]周順，徐志軍，楊田. 數(shù)字中頻接收機中的數(shù)字AGC的設計與實現(xiàn)[J]. 軍事通信技術，2008(1): 9.

[10]武愛文，馮衛(wèi)國，衛(wèi)淑芝，等.概率論與數(shù)理統(tǒng)計[M]. 上海：上海交通大學出版社，2011.

[11]ABRAMOWITZ M，STEGUN I A. Handbook of mathematical Functions[M]. Washington：National Bureau of Standards，1972.

[12]URKOWITZ H，PHILADELPHIA P. Energy detection of unknown deterministic signals[J]. Proceeding of the IEEE，1967，55(4): 523-531.

責任編輯：李 薇

Design of BPSK/QPSK Demodulator Based on Direct-conversion Zero-IF RF Integrated Chip

DENG Yuance1,2，CHEN Qiaoyan2，MA Lu1,2，SHI Liguo1,2，WANG Zhugang2

(1.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China;2.NationalSpaceScienceCenter,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China)

The design of BPSK/QPSK demodulator is investigated in this paper based on direct conversion zero intermediate frequency (zero-IF) RF integrated chip MAX2837. The characteristics of zero-IF RF integrated chip MAX2837 are introduced in subsection II. The design of automatic gain control loop, carrier recovery loop and timing recovery loop is analyzed in detail. The measurement result shows: the gap between the measured bit error probability and theoretical value is about 2.5 dB when the measured bit error probability is 10-5; the designed demodulator has many advantages, such as high integration level, small size and high quality with low price.

zero-IF; MAX2837; BPSK/QPSK demodulator

TN712.2

A

10.16280/j.videoe.2015.01.014

2014-05-11

【本文獻信息】鄧元策，陳巧艷，馬路，等.基于商業(yè)零中頻芯片的BPSK/QPSK解調器設計[J].電視技術,2015，39(1).