高效QAM信號解調(diào)設(shè)備的研制

唐吉祥，賈德宇

（空軍第一航空學(xué)院 河南 信陽 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，得到了廣泛應(yīng)用。目前，偵察對象大量使用高效調(diào)制方式進行通信，此類信號數(shù)據(jù)量大、密級高，承載了偵察對象軍方核心內(nèi)幕情報。因此，對此類高效調(diào)制信號的有效解調(diào)與控守就變得非常必要。為拓展技偵情報來源，實現(xiàn)對偵察對象該類信號的接收解調(diào)，達成高質(zhì)量的偵察、控守能力，圓滿完成上級賦予的軍事斗爭準(zhǔn)備情報保障任務(wù)，進行高效QAM信號解調(diào)設(shè)備的研制具有重大意義。

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

1 設(shè)計思想

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；并可以通過鍵盤設(shè)置液晶顯示的參數(shù)。

2）計算機USB監(jiān)控功能

利用計算機通過該設(shè)備自研USB監(jiān)控軟件能夠?qū)崟r檢測AGC、定時、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，此時為TTL電平；而時鐘輸出為1:1的占空比，TTL電平，并且時鐘上升沿對準(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TTL電平；而時鐘輸出也為1:1占空比，TTL電平，時鐘上升沿對準(zhǔn)數(shù)據(jù)中央。機箱結(jié)構(gòu)采用19英寸的1U。

1.2 設(shè)計思路

高效QAM信號解調(diào)設(shè)備設(shè)計時考慮的主要問題有兩個：一是由于信道帶寬限制導(dǎo)致的碼間干擾；二是信號經(jīng)無線信道傳輸后可能存在的多徑衰落[2]，信號衰落后產(chǎn)生的信號幅度的變化，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題。所以解調(diào)器設(shè)計時應(yīng)當(dāng)采取有效措施解決這些問題。首先，設(shè)計與發(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)致的符號間干擾；第三，設(shè)計載波恢復(fù)算法，為解調(diào)器提供與接收信號載波完全相同的相干載波；第四，采用自動增益控制技術(shù)跟蹤接收信號幅度的變化；第五，根據(jù)已知的信號波特率設(shè)計相應(yīng)的定時同步機制，實現(xiàn)準(zhǔn)確的定時取樣。

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

2.1 基本組成

該解調(diào)器的實現(xiàn)采用了全數(shù)字QAM解調(diào)算法。運用連續(xù)濾波內(nèi)插技術(shù)，對70 MHz中頻信號直接采樣；在解調(diào)過程中運用了數(shù)字下變頻、連續(xù)內(nèi)插、載波同步、符號定時同步、環(huán)路自動增益控制等技術(shù)，實現(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，會影響解調(diào)效果。同時，該模塊也是解決大動態(tài)范圍信號解調(diào)的關(guān)鍵技術(shù)所在，采用模擬與數(shù)字自動增益控制技術(shù)，實現(xiàn)了對大動態(tài)信號解調(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 前端信號處理模塊框圖Fig.2 Diagram of front-end signal processingmodul

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

2.2.2 基帶信號處理模塊

整體硬件平臺的設(shè)計中，基帶信號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、符號定時同步、數(shù)字自動增益控制、均衡器、載波恢復(fù)等模塊。

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

對輸入10 MHz數(shù)字信號進行數(shù)字下變頻后得到數(shù)字基帶信號，該基帶信號經(jīng)過連續(xù)內(nèi)插濾波后獲得與符號速率一致的采樣信號，然后經(jīng)過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，時鐘恢復(fù)采用Gardner方法獲取時鐘。利用數(shù)字AGC模塊對濾波后信號平均功率進行動態(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爾盲均衡和LMS算法相結(jié)合的方式。載波恢復(fù)模塊估計基帶信號的剩余頻差和相位差，以細調(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)基帶信號處理模塊解調(diào)后的數(shù)據(jù)首先傳送到FPGA中進行串并轉(zhuǎn)換，將輸入的串行信號轉(zhuǎn)換成兩路并行信號；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)進行星座軟判決，判決后數(shù)據(jù)進行并行格式、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單片機（SST89V516RD2）來完成。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處理模塊進行通信，并設(shè)置其參數(shù)；將鍵盤的控制指令傳送到各個模塊，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

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

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

3 構(gòu)建系統(tǒng)解決的關(guān)鍵技術(shù)問題

3.1 自適應(yīng)信道跟蹤和均衡的算法實現(xiàn)

通過綜合運用戈達爾盲均衡和LMS算法[8-9]，自動調(diào)整均衡器系數(shù)，使其性能指數(shù)最佳化，自適應(yīng)地補償信道特性時變，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，在第三方信號接收條件下提高了情報生成能力。

戈達爾盲均衡算法是最陡下降算法，該算法廣泛地應(yīng)用于實際中沒有訓(xùn)練可用時。戈達爾研究了均衡、載波相位恢復(fù)和跟蹤的組合問題。載波相位跟蹤在基帶進行，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，由于無法知道信道參數(shù)，需要采用自適應(yīng)的盲信道估計方法對信道進行估計，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)，對解調(diào)I、Q數(shù)據(jù)軟判決后數(shù)據(jù)進行譯碼，針對數(shù)據(jù)特定幀格式來判斷解調(diào)星座的正確性，并對判決結(jié)果進行調(diào)整、糾錯，達到降低信號解調(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，其中實現(xiàn)最復(fù)雜、糾錯能力最強的為RS譯碼，可以糾8個字節(jié)以內(nèi)的錯，效率很高。RS譯碼采用Berlekamp提出的迭代算法來求解關(guān)鍵方程，該方法不僅求解了錯位多項式的系數(shù)，同時也求解了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。迭代算法運算量最大，占用資源最多。為解決這個難題，采用FPGA進行算法實現(xiàn)，程序經(jīng)過多次優(yōu)化，使得糾錯譯碼速度更加快速，性能更加穩(wěn)定、可靠。該算法在信號質(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)

偵控的信號對于我方來講屬于非協(xié)作信號，信號種類繁多、符號速率也高低不一致，因此本解調(diào)器也必須適應(yīng)不同符號速率的信號。由于本解調(diào)器是全數(shù)字化解調(diào)器，ADC信號采樣時鐘是固定頻率的時鐘，采樣率與信號符號速率的關(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，信號符號速率才能連續(xù)可變。

匹配濾波器輸入的信號采樣率是2倍符號速率，因此，連續(xù)內(nèi)插濾波器輸出的信號采樣率是2倍符號速率，而連續(xù)內(nèi)插濾波器輸入的信號采樣率必須大于2倍符號速率。經(jīng)過綜合考慮選擇了FARROW結(jié)構(gòu)濾波器。FARROW結(jié)構(gòu)進行信號之間的內(nèi)插實質(zhì)上是在濾波器系數(shù)間內(nèi)插出對應(yīng)時間點的濾波器系數(shù)，該內(nèi)插的濾波器系數(shù)隨樣點的時間而變化。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

偵控的信號由于是長期控守，受對象移動、傳播信道衰落和天線波束偏移的影響，接收的信號幅度變化很大，如果不加以解決，需要太多的人工控守，為解決這個問題，解調(diào)器采用了兩種自動增益控制器。第一種是模擬的中頻自動增益控制器。模擬的自動增益控制器采用了兩級的可變增益放大，總的動態(tài)范圍達到55 dB，自動增益可控范圍從信號的-5 dBm到-60 dBm，極大地減少了信號大幅度變化時控守中斷的次數(shù)。此外，解調(diào)器也采用了數(shù)字自動增益技術(shù)，即使信號偏離模擬AGC范圍，一樣可使得信號解調(diào)時處于最優(yōu)的信號幅度，有效地解決了大動態(tài)信號的解調(diào)難題，有效改善了微波信號的解調(diào)質(zhì)量。

4 結(jié)束語

高效QAM信號解調(diào)設(shè)備運用數(shù)字通信系統(tǒng)理論、數(shù)字信號處理及FPGA等技術(shù)，以滿足對高效QAM信號的有效解調(diào)，設(shè)備操作界面友好，使用簡單方便。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、使用維護簡單、穩(wěn)定性強等特點，受到使用單位的廣泛歡迎。設(shè)備使用以來，高效調(diào)制信號控守能力明顯增強，控守時間大大延長，情報生產(chǎn)能力進一步提高，推廣應(yīng)用前景廣闊。

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