基于并行處理的E－band高速調(diào)制解調(diào)關(guān)鍵技術(shù)研究

張 航，徐 信

（1.中國電子科技集團(tuán)第五十四研究所，河北石家莊050081；2.濟(jì)南軍區(qū)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)管理中心，山東濟(jì)南250002）

基于并行處理的E－band高速調(diào)制解調(diào)關(guān)鍵技術(shù)研究

張 航1，徐 信2

（1.中國電子科技集團(tuán)第五十四研究所，河北石家莊050081；
2.濟(jì)南軍區(qū)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)管理中心，山東濟(jì)南250002）

針對E－band調(diào)制解調(diào)的需求，提出了對高速數(shù)據(jù)并行處理的方法。闡述了所采用的載波頻偏恢復(fù)和前向定時(shí)恢復(fù)算法的原理，并提出和分析了相應(yīng)的并行結(jié)構(gòu)。通過計(jì)算機(jī)仿真，驗(yàn)證了在AWGN信道下，該并行結(jié)構(gòu)能較好地完成相應(yīng)功能，具有硬件的可實(shí)現(xiàn)性，滿足高速數(shù)據(jù)處理的需求，適用于E－band高速調(diào)制解調(diào)。

E－band；并行結(jié)構(gòu)；載波恢復(fù)；定時(shí)恢復(fù)

0 引言

近年來，寬帶大容量信息傳輸、個(gè)人通信及軍事保密/抗干擾通信的需求持續(xù)增長。由于高頻微波頻段有著極為豐富的頻譜資源，毫米波乃至亞毫米波領(lǐng)域逐漸成為國際電磁波頻譜資源研究、開發(fā)和利用的活躍領(lǐng)域［1］。E－Band工作在71～76 GHz或81～86 GHz毫米波頻段，其中頻帶寬可支持250 MHz 和500 MHz，目前調(diào)制模式最大可支持64QAM。因此E－Band分組微波設(shè)備在500 M中頻帶寬和64QAM調(diào)制模式下的系統(tǒng)單頻點(diǎn)容量可達(dá)2.5 Gbps。

超高的數(shù)據(jù)速率給系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)帶來了挑戰(zhàn)。串行數(shù)據(jù)處理所需的高頻時(shí)鐘超出了硬件設(shè)備的承受范圍，因此對于調(diào)制解調(diào)的關(guān)鍵算法需要采用并行處理結(jié)構(gòu)［2－4］。文獻(xiàn)［5］中提出了一種利用兩段相同序列估計(jì)OFDM系統(tǒng)各子載波的頻率偏差的算法，文獻(xiàn)［6］中提出了一種利用頻域信息估計(jì)時(shí)鐘誤差的平方率算法。針對以上關(guān)鍵技術(shù)提出了相應(yīng)的并行處理方法，給出了E－Band毫米波通信適用的高速調(diào)制解調(diào)器頻偏估計(jì)和定時(shí)方法，并通過計(jì)算機(jī)仿真得到在AWGN信道下的仿真結(jié)果，驗(yàn)證其可行性，測試系統(tǒng)的性能。

1 系統(tǒng)模型

調(diào)制模塊數(shù)字部分的原理框圖如圖1所示。對于調(diào)制信號來說，前導(dǎo)序列－SP和LP序列以及UW獨(dú)特字均采用IQ兩路相同的QPSK調(diào)制方式，數(shù)據(jù)段的調(diào)制方式QPSK、16QAM、32QAM、64QAM等可選（本文僅針對64QAM進(jìn)行仿真驗(yàn)證）。基帶成型濾波器采用平方根升余弦（SRRC）濾波器進(jìn)行基帶脈沖成形。

圖1 調(diào)制模塊數(shù)字部分原理框圖

解調(diào)模塊數(shù)字部分的原理框圖如圖2所示。由于系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到2.5 Gbps，所以以上數(shù)字部分實(shí)現(xiàn)均采用8路并行處理。

圖2 解調(diào)模塊數(shù)字部分原理框圖

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 載波頻偏恢復(fù)

采用有數(shù)據(jù)輔助載波恢復(fù)算法，利用幀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)中已知的前導(dǎo)序列SP和LP序列，采用基于前導(dǎo)的最大似然算法完成載波恢復(fù)，結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 載波頻偏恢復(fù)算法結(jié)構(gòu)框圖

2.1.1粗/細(xì)載波頻偏估計(jì)

前導(dǎo)序列中相鄰兩段相同的SP序列進(jìn)行自相關(guān)，可以得到相鄰兩段SP序列之間的相位差，粗載波頻偏估計(jì)算式［5］如下：

式中：N為SP序列的周期。由于反正切函數(shù)的范圍為（－π，π），所以粗載波頻偏的估計(jì)范圍為（－1/2TSN，1/2TSN），頻偏估計(jì)范圍與SP序列的周期相關(guān)，SP序列的周期越長，估計(jì)精度越高，頻偏估計(jì)的范圍就越窄。粗載波頻偏估計(jì)精度不夠，因此必須在粗載波估計(jì)后進(jìn)行精細(xì)載波估計(jì)。采用幀結(jié)構(gòu)中的LP序列完成精細(xì)載波估計(jì)，計(jì)算法仍然采用式（1）。

2.1.2并行結(jié)構(gòu)

載波恢復(fù)算法并行結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 載波恢復(fù)算法并行結(jié)構(gòu)

假設(shè)輸入為粗/細(xì)載波頻偏估計(jì)模塊的信號為xj（i），j＝0，1，2，…，7，j代表并行輸入路，i代表采樣時(shí)刻，N代表SP序列/LP序列的長度。圖5給出8路并行粗/細(xì)載波頻偏估計(jì)結(jié)構(gòu)框圖，根據(jù)頻偏估計(jì)值對并行輸入的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行并行相位旋轉(zhuǎn)消除載波頻偏。

圖5 8路并行粗/細(xì)載波頻偏估計(jì)原理框圖

2.2 定時(shí)恢復(fù)

2.2.1 前向定時(shí)恢復(fù)算法

Oerder.M和Myer.H提出了數(shù)字濾波平方算法［6］，設(shè)符號周期為T，采樣時(shí)鐘Ts＝T/N，對每段間隔為LTs的信號分別進(jìn)行處理。即對每接收到的LN個(gè)采樣數(shù)據(jù)，先進(jìn)行平方運(yùn)算，然后計(jì)算傅里葉系數(shù)，則ε的無偏估計(jì)為：

前饋結(jié)構(gòu)定時(shí)恢復(fù)算法如圖6所示。

圖6 前饋結(jié)構(gòu)定時(shí)恢復(fù)算法

對于式（2），若接收數(shù)據(jù)采用4倍過采樣，則ε的無偏估計(jì)等效于：

根據(jù)上述算法得到的采樣時(shí)鐘偏差ε通過立方插值算法對該段數(shù)據(jù)進(jìn)行插值濾波，對得到的過采樣數(shù)據(jù)通過與數(shù)據(jù)幀頭的CP進(jìn)行相關(guān)，以確定最佳采樣點(diǎn)，輸出1倍采樣率信號。

2.2.2 并行結(jié)構(gòu)

前向定時(shí)恢復(fù)算法并行結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 前向時(shí)鐘恢復(fù)算法并行結(jié)構(gòu)

并行時(shí)鐘誤差檢測仍然采用式（3），8路并行輸入數(shù)據(jù)的時(shí)鐘誤差檢測如圖8所示。

圖8 8路并行時(shí)鐘誤差檢測原理框圖

8個(gè)并行過采樣數(shù)據(jù)輸入到內(nèi)插控制單元［7－8］，內(nèi)插輸入控制為8個(gè)內(nèi)插器提供正確的數(shù)據(jù)。如果內(nèi)插運(yùn)算利用Ni個(gè)采樣點(diǎn)計(jì)算出一個(gè)插值點(diǎn)，則內(nèi)插輸入控制的輸出為8路數(shù)據(jù)，每路數(shù)據(jù)有Ni個(gè)點(diǎn)。內(nèi)插輸入控制是長度為8＋Ni－1的數(shù)據(jù)緩存區(qū)，其更新方程為：

即將緩存區(qū)中的后Ni－1個(gè)數(shù)據(jù)依次移到最前端，從Ni個(gè)數(shù)據(jù)開始更新為輸入的8個(gè)數(shù)據(jù)。式中din（iTs），i＝1，2，…，8表示輸入數(shù)據(jù)，dici（iTs），i＝1，2，…，8＋Ni－1表示緩存區(qū)中數(shù)據(jù)。其輸出給并行內(nèi)插器的8路數(shù)據(jù)為：

式中：i＝1，2，…，Ni，j＝1，2，…，8，rj（iTs）表示輸出給第j個(gè)內(nèi)插器的第i個(gè)數(shù)據(jù)。

并行插值運(yùn)算公式：式中n，j與μn，j分別為第個(gè)內(nèi)插器的插值估值整數(shù)部分與分?jǐn)?shù)部分。

并行最佳點(diǎn)的選取是從1、4，2、5，3、7，4、8四種情況中，選取出和已知的UW獨(dú)特字相關(guān)峰最大的一種作為最終時(shí)鐘恢復(fù)的輸出。

2.3 載波相位跟蹤

信號在經(jīng)過粗/細(xì)載波頻偏恢復(fù)，定時(shí)恢復(fù)之后會(huì)存在很小的載波偏差值，由于信號幀的長度比較長，很小的載波偏差值在相位上的累積會(huì)導(dǎo)致解調(diào)性能下降［9－10］。為此利用信號幀中的UW獨(dú)特字進(jìn)行相位的跟蹤和糾正。采用接收到的UW信號和原始的UW獨(dú)特字進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，相關(guān)值的復(fù)數(shù)相角即為需要旋轉(zhuǎn)的相位值。計(jì)算公式如下：

式中，z為接收到的UW信號，c為已知UW獨(dú)特字。

3 仿真結(jié)果

3.1 AWGN信道下仿真

在AWGN信道下對本系統(tǒng)方案進(jìn)行仿真，發(fā)射信號幀頭采用BPSK調(diào)制，幀體數(shù)據(jù)采用64QAM調(diào)制方式，數(shù)據(jù)傳輸符號速率為420 Msps。在接收端對接收信號采用近似4倍過采樣，fs/f＝4.000 2，fs為采樣速率，f為符號速率。載波頻率偏差1.530 MHz（相當(dāng)于0.364％符號速率，約0.09％采樣速率），相位偏差70°。AWGN信道SNR＝26 dB，對應(yīng)于64QAM調(diào)制體制Eb/N0＝18.22 dB。前向定時(shí)估計(jì)的仿真圖如圖9所示。

圖9 采樣時(shí)鐘偏差估計(jì)仿真圖

在AWGN信道下，粗/細(xì)載波頻偏恢復(fù)和定時(shí)恢復(fù)并行模塊均能實(shí)現(xiàn)功能。過采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過粗載波頻偏恢復(fù)、定時(shí)恢復(fù)、精細(xì)載波恢復(fù)、相位跟蹤與糾正之后的星座圖如圖10所示。

圖10 AWGN信道下各模塊處理之后星座圖

3.2 系統(tǒng)性能仿真

對本系統(tǒng)方案的性能進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，圖11是本系統(tǒng)方案在AWGN信道下的64QAM調(diào)制體制下誤碼率曲線，可以看到在AWGN信道下，本系統(tǒng)誤碼率曲線基本接近理論曲線。

圖11 64QAM數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)誤碼率曲線仿真圖

4結(jié)束語

針對E－band調(diào)制解調(diào)的超高速數(shù)據(jù)處理問題，在已有的載波頻偏恢復(fù)和定時(shí)恢復(fù)算法基礎(chǔ)上，提出了并行處理結(jié)構(gòu)，以使得其可適用于硬件的處理速度。所提出的并行處理結(jié)構(gòu)具有可擴(kuò)展性，以適應(yīng)更高速的數(shù)據(jù)處理。通過仿真分析，各關(guān)鍵模塊在AWGN信道下均表現(xiàn)出了較好的性能，其誤碼率曲線基本接近理論曲線，具有硬件的可實(shí)現(xiàn)性。

［1］王曉海.毫米波通信技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用［J］.電信快報(bào)，2007（10）：19－21.

［2］劉會(huì)紅并行數(shù)字匹配濾波器的設(shè)計(jì)［J］.無線電工程2011，41（7）：62－64.

［3］劉會(huì)紅，林春霞基于帶通采樣QPSK高速解調(diào)器的技術(shù)分析［J］.無線電通信技術(shù)，2011，37（1）：59－61.

［4］劉春冉，殷玉濤，李志勇.300 Mbps地空通信的調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)［J］.無線電通信技術(shù)，2013，39（3）：32－35.

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［9］Mengali U，Andrea AND.Synchronization Techniques for Digital Receivers［M］.New York：Plenum Press，1997.

［10］張航一種OFDM剩余載波頻偏估計(jì)算法的FPGA實(shí)現(xiàn)［J］.無線電工程，2008，38（4）：62－64.

Research on the Key Technologies of E-band M odulation and Demodulation Based on Parallel Processing

ZHANG Hang1，XU Xin2
（1.The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei050081，China；
2.Communication and Network Technique Management Centre of Jinan MinistryRegion，Ji＇nan Shandong 250002，China）

Aiming at the requirement of E－band modulation and demodulation，themethod of parallel structure in high－speed data processing is proposed.The principle of carrier frequency recovery and feed－forward timing recovery algorithm is firstly expatiated，then the parallel structure of those key technologies is proposed and analyzed.Under the Gaussian channel with computer simulations，the parallel structure can complete the functionswell and have the feasibility of hardware.Themethod meets the requirement of high－speed data processing and can be applied to E－band high－speed modulation and demodulation.

E－band；parallel structure；carrier recovery；timing recovery

TN928

A

1003－3114（2015）04－43－4

10.3969/j.issn.1003－3114.2015.04.11

張 航，徐 信.基于并行處理的E－band高速調(diào)制解調(diào)關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.無線電通信技術(shù)，2015，41（4）：43－46.

2015－03－17

張航（1983—），工程師，主要研究方向：微波通信技術(shù)。

徐信（1970—），男，博士后，高級工程師，主要研究方向：無線通信技術(shù)。