基于分時(shí)處理的多載波多速率解調(diào)關(guān)鍵技術(shù)研究

楊葉，王宇

（中國空間技術(shù)研究院 西安分院，陜西 西安　710100）

基于分時(shí)處理的多載波多速率解調(diào)關(guān)鍵技術(shù)研究

楊葉，王宇

（中國空間技術(shù)研究院 西安分院，陜西 西安710100）

本文介紹了針對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的多載波多速率解調(diào)系統(tǒng)（MCMRM）的結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的方法相比，MCMRM由于使用了精確的同步技術(shù)，電路規(guī)模大大減小。最后，通過實(shí)例對(duì)多載波信號(hào)用MCMRM結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)字分路與解調(diào)，仿真結(jié)果表明，MCMRM方法可以有效的對(duì)多載波信號(hào)進(jìn)行數(shù)字分路，且比傳統(tǒng)的單載波解調(diào)器的誤碼性能好，誤碼率非常接近QPSK的理論值。

多載波多速率；數(shù)字分路；解調(diào)；定時(shí)同步；載波同步

多媒體衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有覆蓋范圍廣、多播能力強(qiáng)和安全性能好等優(yōu)點(diǎn)，被公司和政府廣泛應(yīng)用于企業(yè)內(nèi)聯(lián)網(wǎng)。然而，企業(yè)內(nèi)聯(lián)網(wǎng)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)需要在不同的地點(diǎn)支持多點(diǎn)的實(shí)時(shí)連接，并應(yīng)根據(jù)用戶所需的數(shù)據(jù)速率來分配衛(wèi)星信道。因此，如何在有限的帶寬下根據(jù)不同用戶需求靈活調(diào)整帶寬，并同步處理不同速率的多信道并行傳輸成為了一個(gè)我們當(dāng)前必須要解決的問題?；诖?，為了更加靈活的分配時(shí)間和頻率資源以滿足不同類型用戶的需求，本文介紹了一種可以支持地面站上數(shù)百個(gè)載波的多載波多速率調(diào)制解調(diào)器（MCMRM），MCMRM由一個(gè)多速率濾波器組和一組在FPGA上實(shí)現(xiàn)的調(diào)制解調(diào)模塊組成，可根據(jù)當(dāng)前的需求來讓用戶轉(zhuǎn)發(fā)多載波多速率信號(hào)，易于實(shí)現(xiàn)多速率頻分復(fù)用（MR-FDMA）。

文中介紹的這種基于分時(shí)機(jī)制的MCMRM處理方法，其分路器由樹形半帶濾波器組組成，可同時(shí)支持上百個(gè)信道的并行傳輸，且無需子頻帶連續(xù)，該模塊電路規(guī)模僅與傳統(tǒng)的單載波modem相同，使用起來靈活多變；同時(shí)，在該模塊中解決了突發(fā)通信中的定時(shí)同步和載波同步問題。

1　頻率分路器

文中介紹了一種可變帶寬的頻率分路器，這種分路器可以同時(shí)處理上百個(gè)載波信號(hào)，而且，每個(gè)信號(hào)的帶寬都是與用戶需求所匹配的，即帶寬互不相同［1，3］。

如圖1所示是MCMRM頻率分路器的框圖。它由8階濾波器單元組合而成［2，5］。每個(gè)濾波器單元主要由RAM和FIR濾波器組成。輸入信號(hào)先被緩存在每個(gè)濾波器單元中的RAM中，濾波器系數(shù)則被存放在ROM中。之后通過指定的地址將輸入數(shù)據(jù)從RAM中讀出，并將其通過FIR濾波器。與此同時(shí)，通過FIR濾波器輸出的信號(hào)將進(jìn)一步被輸入到下一級(jí)的濾波器中。

為了支持不同的帶寬，一些符合速率較大的寬帶寬信號(hào)可以在濾波器組的中間階段直接輸出。也就是說，帶寬較寬的信號(hào)只要通過前面幾階的濾波器單元就可以被正確的分離出來了。

通過使用分時(shí)處理技術(shù)和直通技術(shù)，MCMRM可以以較小的電路規(guī)模實(shí)現(xiàn)對(duì)上百個(gè)載波的數(shù)字分路。

2　多載波突發(fā)信號(hào)解調(diào)

為了實(shí)現(xiàn)FDMA/TDMA系統(tǒng)可以處理TDMA突發(fā)信號(hào)和FDMA連續(xù)信號(hào)的這個(gè)目的，本文介紹了一種多載波突發(fā)解調(diào)器的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)［4］。其中所有突發(fā)信號(hào)載波共用一個(gè)突發(fā)解調(diào)器，并且每個(gè)信號(hào)都是采用分時(shí)處理機(jī)制來進(jìn)行處理的。如圖2所示為突發(fā)QPSK數(shù)字解調(diào)系統(tǒng)總體系統(tǒng)框圖。從圖中可以看出，突發(fā)數(shù)字解調(diào)系統(tǒng)由突發(fā)檢測及捕獲、時(shí)鐘同步、載波同步等部分功能模塊組成。

圖1　新的分路器結(jié)構(gòu)

圖2　突發(fā)QPSK數(shù)字解調(diào)系統(tǒng)總體系統(tǒng)框圖

經(jīng)過基于樹形分路的多載波多速率解調(diào)器的處理以后，每路輸出信號(hào)的實(shí)部是QPSK信號(hào)的同相之路，虛部是QPSK信號(hào)的正交之路。但是，經(jīng)過分路出來的信號(hào)都具有一定的的頻率偏差、相位偏差和定時(shí)偏差，因此在對(duì)信號(hào)進(jìn)行判決以前必須首先進(jìn)行基帶解調(diào)，也就是載波同步和定時(shí)同步。

信號(hào)經(jīng)過數(shù)字分路后就進(jìn)入基帶解調(diào)部分，基帶突發(fā)信號(hào)的解調(diào)與一般突發(fā)信號(hào)的解調(diào)在原理上是一樣的，但多路突發(fā)信號(hào)的基帶解調(diào)卻不同于單路突發(fā)信號(hào)的解調(diào)。這主要是因?yàn)樵谌航庹{(diào)中，多路信號(hào)共用一個(gè)A/D采樣，每一路的最佳采樣點(diǎn)并不能通過調(diào)整原始輸入信號(hào)采樣相位來得到，只能通過內(nèi)插濾波器內(nèi)插出最佳采樣點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)定時(shí)同步。

2.1定時(shí)同步

定時(shí)同步即符號(hào)同步，也叫碼元同步，是獲取接收信號(hào)最佳采樣點(diǎn)的過程［6-7］。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，為了正確的恢復(fù)發(fā)送信息，必須建立首發(fā)信號(hào)之間的定時(shí)同步。

文中采用的是數(shù)字平方濾波符號(hào)同步算法 （O&M算法）。這種算法屬于典型的前饋式符號(hào)同步算法。它一般工作在每符號(hào)4個(gè)采樣點(diǎn)下，不需要輔助序列，并且估計(jì)精度比較高。數(shù)字平方濾波算法的主要特點(diǎn)是用數(shù)字信號(hào)處理方法，直接從抽樣的數(shù)字基帶信號(hào)中提取抽樣相位誤差信息，算法實(shí)現(xiàn)比較簡單。整個(gè)符號(hào)定時(shí)偏差估計(jì)算法結(jié)構(gòu)如圖3所示?？梢钥闯觯?jīng)過卡爾曼濾波后，估值抖動(dòng)逐漸變小，并趨于穩(wěn)定。

圖3　數(shù)字平方濾波定時(shí)偏差估計(jì)及卡爾曼濾波

為了使最終判決前的信號(hào)達(dá)到最大信噪比，我們可以采用內(nèi)插濾波的方法，用來校正這些具有定時(shí)偏差的采樣數(shù)據(jù)。也就是說，我們?cè)诠烙?jì)出定時(shí)偏差以后，可以通過插值濾波的方法得到信號(hào)的最佳采樣點(diǎn)。文中采用的是三角函數(shù)內(nèi)插的方法，這是因?yàn)樵摲椒▋?nèi)插精度比較高，易于FPGA實(shí)現(xiàn)。由于要內(nèi)插出最佳的采樣點(diǎn)，因此我們必須要知道以下3個(gè)要素，分別是定時(shí)偏差的估計(jì)值、N個(gè)等間隔的已知采樣點(diǎn)以及基準(zhǔn)點(diǎn)。如圖4所示，為三角函數(shù)內(nèi)插濾波的示意圖，其中y（o）是內(nèi)插的基準(zhǔn)點(diǎn)，ε是符號(hào)定時(shí)偏差的估計(jì)值，N的值為4，即由4個(gè)點(diǎn)內(nèi)插出一個(gè)最佳采樣點(diǎn)，y（ε）是要我們需要的最佳采樣點(diǎn)。

圖4　插值濾波

三角函數(shù)內(nèi)插濾波的實(shí)現(xiàn)可以分為以下兩步：

1）通過N個(gè)采樣點(diǎn)y（n）的值計(jì)算出三角函數(shù)插值濾波的系數(shù)ck，計(jì)算公式如下：

2）根據(jù)已知的定時(shí)偏差估計(jì)值ε，計(jì)算最佳采樣點(diǎn)y（ε）：

2.2仿真分析

仿真輸入：條件1）QPSK調(diào)制，Eb/No為100 dB，滾降因子0.5；條件2）QPSK調(diào)制，Eb/No為10 dB，滾降因子0.5。頻偏、相偏均為0。

仿真輸出：

圖5　信噪比分別為100 db和10 db時(shí)的符號(hào)同步星座圖

仿真分析：由圖中可以看出，星座圖中的點(diǎn)匯聚很好，這說明輸出的最佳樣值非常精確。即采用平方濾波誤差估計(jì)加三角內(nèi)插濾波的全數(shù)字形式可以有效地實(shí)現(xiàn)定時(shí)同步。而且對(duì)兩圖進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，符號(hào)的信噪比越高，最佳符號(hào)采樣點(diǎn)的星座圖越集中。從圖中我們還可以發(fā)現(xiàn)，通過半帶濾波器后，給信號(hào)帶來了一定的相偏。

2.3載波同步

載波同步也稱載波恢復(fù)，即在接收設(shè)備中產(chǎn)生一個(gè)和接收信號(hào)的載波同頻同相的本地振蕩，供給解調(diào)器作相干解調(diào)用。而在通信系統(tǒng)中，在發(fā)送端由于發(fā)送設(shè)備發(fā)射的載頻不穩(wěn)定可能會(huì)引起頻偏，在信道傳輸時(shí)，也可能會(huì)由于多普勒效應(yīng)而產(chǎn)生頻偏，在信號(hào)接收端，如果接收設(shè)備的本振不穩(wěn)定，也有引起頻率偏移的可能性。這幾種頻偏都會(huì)對(duì)信號(hào)的正確解調(diào)帶來嚴(yán)重的影響。因此，我們應(yīng)通過載波同步的方法來消除這些頻偏［8］。

文中采用的是平方環(huán)載波同步法，用該方法來對(duì)信號(hào)進(jìn)行載波同步。它屬于直接載波同步法中的一種［9］。直接載波同步法就是指直接從接受信號(hào)中恢復(fù)出相應(yīng)的載波，不需要傳輸導(dǎo)頻，在一定程度上節(jié)省了頻帶，而這對(duì)于有限的頻譜資源來說是非常重要的。

鎖相環(huán)可以有效的跟蹤輸入信號(hào)的載波相位，在接收機(jī)中產(chǎn)生同頻同相的本地載波，能夠在一定程度上實(shí)現(xiàn)精確的載波同步，而且跟蹤帶寬比較窄，跟蹤精度相對(duì)較高。在鎖相環(huán)中，通過鑒相器對(duì)數(shù)字合成器（DDS）輸出的信號(hào)與輸入的信號(hào)進(jìn)行鑒相，產(chǎn)生一個(gè)誤差信號(hào)，此誤差信號(hào)與兩個(gè)輸入信號(hào)的相位差有關(guān)，然后通過環(huán)路濾波器將誤差信號(hào)中的高頻分量和噪聲進(jìn)行濾除，取出緩慢變化的直流分量控制振蕩器的頻率，使相位差保持在輸入信號(hào)與輸出信號(hào)之間的一個(gè)比較小的穩(wěn)定的值。如果輸入信號(hào)與輸出信號(hào)之間的相位差發(fā)生變化，則鑒相器的輸出電壓就會(huì)通過調(diào)整DDS的頻率來減小二者相位差的變化。當(dāng)輸入信號(hào)與輸出信號(hào)之間的相位差保持為一個(gè)穩(wěn)定的值時(shí)，我們就認(rèn)為該環(huán)路處于鎖定狀態(tài)，這個(gè)時(shí)候輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的頻率完全相同。

下圖為對(duì)上面定時(shí)同步以后的信號(hào)進(jìn)行載波同步，下面分別給出了鎖相環(huán)鎖定過程中的頻率響應(yīng)和相位響應(yīng)的曲線及鎖相環(huán)鎖定及穩(wěn)定后的數(shù)據(jù)星座圖。由圖中可以看出，當(dāng)鎖相環(huán)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后，即頻率響應(yīng)和相位響應(yīng)都趨于平穩(wěn)，且穩(wěn)定后的輸出信號(hào)星座圖也符合QPSK的星座圖。

圖6　鎖相環(huán)的頻率和相位響應(yīng)曲線

圖7　鎖相環(huán)鎖定及穩(wěn)定后的數(shù)據(jù)星座圖

圖8　誤碼率性能

仿真輸入：QPSK調(diào)制，Eb/No為10 dB，滾降因子0.5。頻偏、相偏均為0。

上面的圖中分別給出了鎖相環(huán)鎖定過程中的頻率響應(yīng)和相位響應(yīng)的曲線及鎖相環(huán)鎖定及穩(wěn)定后的數(shù)據(jù)星座圖。由圖中可以看出，當(dāng)鎖相環(huán)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后，即頻率響應(yīng)和相位響應(yīng)都趨于平穩(wěn)，且穩(wěn)定后的輸出信號(hào)星座圖也符合QPSK的星座圖。

3　結(jié)　論

文章主要介紹了一種新型的針對(duì)FDMA/TDMA系統(tǒng)的多載波多速率解調(diào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以靈活的處理MF-TDMA，TDMA和多速率FDMA信號(hào)，并且，相比于傳統(tǒng)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠更有效的利用頻率和時(shí)間資源。更重要的是，該方法在很大程度上減小了硬件資源，而且從仿真結(jié)果也可以看出，該方法的誤碼率非常接近QPSK的理論值。

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Research on the key technology of multicarrier multirate demodulation based on time-sharing process

YANG Ye，WANG Yu
（China Academy of Space Technology，Xi'an 710100，China）

This paper has described the structure of a multicarrier multirate modem for satellite communication system.The circuit scale be minimized by using accurate synchronization compared to the conventional method.At last，through examples of multicarrier signal shunt and demodulation in MCMRM structure，the simulation results show that MCMRM method can effectively obtain digital shunt of the multicarrier signal，moreover，the BER performance is better than traditional method and very close to that of QPSK theory.

multicarrier multirate；digital shunt；demodulation；timing synchronization；carrier synchronization

TN99

A

1674－6236（2016）06-0032-04

2015-05-03稿件編號(hào)：201505009

楊 葉（1989—），女，陜西西安人，碩士研究生。研究方向：空間通信技術(shù)。