8PSK全數(shù)字解調(diào)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

張 浩，張 彧，潘長(zhǎng)勇

（清華大學(xué) 微波與數(shù)字通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

1 引言

調(diào)制方式8PSK能夠提供更高的比特率和頻帶利用率，它在數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星通信、有線電視網(wǎng)絡(luò)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)阮I(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并被數(shù)字衛(wèi)星電視標(biāo)準(zhǔn)DVBS2采用。筆者對(duì)8PSK全數(shù)字解調(diào)算法進(jìn)行研究，并采用Altera公司的FPGA進(jìn)行硬件實(shí)現(xiàn)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)設(shè)計(jì)的8PSK調(diào)制器，完成了8PSK中頻全數(shù)字解調(diào)。

2 8PSK解調(diào)的整體結(jié)構(gòu)

本接收機(jī)實(shí)現(xiàn)方案見(jiàn)圖1，接收到的中頻信號(hào)直接經(jīng)ADC采樣，送入FPGA進(jìn)行處理。采樣信號(hào)在FPGA內(nèi)先經(jīng)過(guò)數(shù)字下變頻（Digital Down Conversion，DDC），再送入時(shí)鐘環(huán)進(jìn)行時(shí)鐘恢復(fù)，經(jīng)過(guò)時(shí)鐘同步信號(hào)送入載波環(huán)，對(duì)載波頻差和相位差進(jìn)行恢復(fù)，最后經(jīng)過(guò)8PSK的解碼映射、解差分譯碼，恢復(fù)出發(fā)射信號(hào)。

圖1 8PSK數(shù)字接收機(jī)實(shí)現(xiàn)框圖

3 數(shù)字下變頻（DDC）

數(shù)字下變頻由數(shù)字混頻器、數(shù)字控制振蕩器（NCO）和低通濾波器3部分組成，如圖2所示。

圖2 數(shù)字下變頻

經(jīng)過(guò)數(shù)字下變頻后，得到數(shù)字基帶信號(hào)，再經(jīng)過(guò)抽取以降低數(shù)據(jù)速率，送入后續(xù)處理模塊。抽取濾波器采用FIR濾波器，通過(guò)設(shè)置參數(shù)，可達(dá)到較好的通帶特性和阻帶衰減特性。

4 時(shí)鐘恢復(fù)

全數(shù)字接收機(jī)采用固定的采樣頻率，一般獨(dú)立于調(diào)制端符號(hào)頻率，這就需要采用數(shù)字信號(hào)處理的方法進(jìn)行時(shí)鐘恢復(fù)，從采樣序列中恢復(fù)出最佳采樣點(diǎn)的值。根據(jù)Gardner提出的理論[1]，定時(shí)恢復(fù)可以由插值濾波完成（見(jiàn)圖3），由內(nèi)插器、定時(shí)誤差檢測(cè)器、環(huán)路濾波器、內(nèi)插控制器等組成[2]。

采樣時(shí)鐘獨(dú)立于發(fā)送端符號(hào)時(shí)鐘，兩者存在誤差，定時(shí)誤差檢測(cè)器（TED）估算出此誤差，經(jīng)過(guò)環(huán)路濾波器后，送入內(nèi)插控制器，通過(guò)控制內(nèi)插濾波器，完成時(shí)鐘恢復(fù)。

圖3 定時(shí)恢復(fù)環(huán)路

Gardner在文獻(xiàn)[3]中提出的定時(shí)誤差檢測(cè)算法，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，且獨(dú)立于載波恢復(fù)，因此得到了廣泛應(yīng)用。然而其明顯的缺點(diǎn)是對(duì)限帶信號(hào)會(huì)產(chǎn)生定時(shí)抖動(dòng)，所以對(duì)于8PSK信號(hào)，現(xiàn)實(shí)中采用文獻(xiàn)[4]中提出的改進(jìn)算法

定時(shí)誤差信號(hào)通過(guò)環(huán)路濾波器進(jìn)行濾波，提取出平穩(wěn)分量。環(huán)路濾波器采用二階濾波器，傳遞函數(shù)為

濾波器包括比例支路和積分支路，通過(guò)改變gp和gi來(lái)改變?yōu)V波器性能，將誤差信號(hào)傳遞給控制器。

內(nèi)插控制器根據(jù)定時(shí)誤差信號(hào)估算出內(nèi)插濾波器的控制量基本指針mk和分?jǐn)?shù)指針uk，傳遞給內(nèi)插濾波器。采樣信號(hào)經(jīng)過(guò)內(nèi)插濾波進(jìn)行速率轉(zhuǎn)換，使輸出信號(hào)周期Ti與調(diào)制信號(hào)的符號(hào)周期T同步，即 Ti=T/k，k是小的整數(shù)，現(xiàn)實(shí)中取k=2。插值濾波器采用多項(xiàng)式插值函數(shù)，用Farrow結(jié)構(gòu)[5]實(shí)現(xiàn)。Farrow結(jié)構(gòu)類似于FIR結(jié)構(gòu)，具有固定的乘法器系數(shù)，同時(shí)又具有可變數(shù)字延時(shí)元素，是一種易于硬件實(shí)現(xiàn)的濾波器結(jié)構(gòu)。對(duì)于拉格朗日三次多項(xiàng)式，有

5 載波恢復(fù)

圖4 三次多項(xiàng)式插值濾波器的Farrow結(jié)構(gòu)

經(jīng)時(shí)鐘恢復(fù)的信號(hào)，送入載波環(huán)路，對(duì)載波頻差和相位差進(jìn)行估計(jì)和恢復(fù)。載波環(huán)路如圖5所示，由相位旋轉(zhuǎn)器、相位誤差檢測(cè)器、環(huán)路濾波器和NCO等組成。

圖5 載波恢復(fù)環(huán)路

瞬時(shí)相位差φn估計(jì)由下式給出

連續(xù)2個(gè)采樣點(diǎn)處的瞬時(shí)相位差之間的差值，可以用來(lái)表示對(duì)頻率誤差信號(hào)的估計(jì)，即

載波環(huán)應(yīng)能完全糾正載波頻差和相位差，因此需對(duì)式（5）進(jìn)行修正，以較低的硬件復(fù)雜度完成頻差和相位差的恢復(fù)，此時(shí)環(huán)路誤差信號(hào)變?yōu)閇6]

載波恢復(fù)的環(huán)路濾波器與時(shí)鐘恢復(fù)的環(huán)路濾波器相似，數(shù)據(jù)位寬和具體系數(shù)按仿真有所不同。

NCO根據(jù)環(huán)路濾波器傳遞的環(huán)路誤差En，累加計(jì)算出相位偏差ΔΦ，結(jié)合載波環(huán)工作頻率，產(chǎn)生cos（2π/T＋ΔΦ）和 sin（2π/T＋ΔΦ），再送入相位旋轉(zhuǎn)模塊中，與接收到的信號(hào)相乘，糾正載波頻差和相位偏差，從而獲得兩路基帶信號(hào)。

8PSK載波恢復(fù)存在8重相位模糊度問(wèn)題，因此加入了差分編解碼。

6 8PSK解碼映射、差分解碼

圖6 8PSK正交調(diào)制星座圖

在8PSK調(diào)制方式中，輸入的串行二進(jìn)制序列經(jīng)串并轉(zhuǎn)換，每次產(chǎn)生3位并行碼組 b1b2b3。b1和 b3分別決定I路的極性和幅度，b2和分別決定Q路的極性和幅度，星座圖如圖6所示[7]。

經(jīng)過(guò)時(shí)鐘恢復(fù)和載波恢復(fù)后的I，Q兩路信號(hào)，會(huì)因?yàn)橐恍┰颍ㄈ缧诺浪ヂ涞龋?dǎo)致幅度的變化，只需根據(jù)I，Q兩路極性和相對(duì)大小來(lái)判決接收到的信息，算法為

此時(shí)判決出的并行碼組b1b2b3需要經(jīng)過(guò)差分解碼才能恢復(fù)出調(diào)制端發(fā)射序列。本方案8PSK的差分編解碼采用文獻(xiàn)[8]提供的邏輯運(yùn)算。

7 FPGA實(shí)現(xiàn)結(jié)果

采用Altera公司Stratix II芯片實(shí)現(xiàn)，針對(duì)EP2S90F 1020C3進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。在Modelsim仿真通過(guò)后，采用Quartus II 8.0軟件根據(jù)芯片內(nèi)部各種資源和設(shè)計(jì)工具提供的優(yōu)化功能，進(jìn)行程序優(yōu)化和硬件調(diào)試。

未加信道解碼的8PSK數(shù)字解調(diào)器FPGA芯片占用資源如圖7所示。

圖7 8PSK數(shù)字解調(diào)器FPGA芯片資源占用

實(shí)驗(yàn)室8PSK調(diào)制器暫未加入信道編碼模塊。用電纜線將調(diào)制器和解調(diào)器環(huán)接起來(lái)，進(jìn)行測(cè)試。Signal Tap是Quartus中提供的虛擬邏輯分析儀，在JTAG下載的同時(shí)，下載Signal Tap邏輯模塊，采樣片上信息并存儲(chǔ)下來(lái)，通過(guò)JTAG接口傳回計(jì)算機(jī)，在Quartus中顯示。將載波恢復(fù)后的I，Q兩路信號(hào)從Quartus中提取存為.txt文件，用Matlab畫星座圖如圖8所示。由圖8可以看出，8PSK解調(diào)后的星座點(diǎn)已經(jīng)收斂為8個(gè)點(diǎn)。8PSK中頻全數(shù)字解調(diào)器在功能上通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)，下一步需要根據(jù)不同應(yīng)用，加入信道編解碼、信道均衡、多普勒補(bǔ)償?shù)饶K，使系統(tǒng)性能更優(yōu)良。

圖8 Signal Tap采樣數(shù)據(jù)的星座圖

[1]GARDNER F M.Interpolation in digital modems-part I:fundamentals[J].IEEE Trans.Commun.， 1993， 41（3）:501-507.

[2]MEYR H，MOENECLAEY M，F(xiàn)ECHTEL S A.Digital communication receivers[M].New York:Wiley，1998.

[3]GARDNER F M.A BPSK/QPSK timing-error detector for sampled receivers[J].IEEE Trans.Commun.， 1986， 34（5）:423-429.

[4]LENG Weimin， ZHANG Yu， YANG Zhixing.A modified Gardner detector for multilevel PAM/QAM system[C]//Proc.ICCCAS 2008.[S.l.]:IEEE Press，2008:891-895.

[5]張公禮.全數(shù)字接收機(jī)理論與技術(shù)[M].北京：科技出版社，2005.

[6]LIU Qijia， YANG Zhixing， SONG Jian， et al.A novel QAM joint frequency-phase carrier recovery method[C]//Proc.IEEE International Conference on Advanced Communication Technology 2006.Phoenix Park,Korea:IEEE Press， 2006， 2（3）:1617-1621.

[7]曹志剛，錢亞生.現(xiàn)代通信原理[M].北京：清華大學(xué)出版社，1992.

[8]馮重熙.現(xiàn)代數(shù)字通信技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，1987.