文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
文章編號: 0258-7998(2013)03-0047-03
隨著無人機(jī)、衛(wèi)星等領(lǐng)域?qū)?a class="innerlink" href="http://forexkbc.com/tags/測控通信" title="測控通信" target="_blank">測控通信對信息傳輸量的要求不斷增加,傳輸數(shù)據(jù)率越來越高,,在信道帶寬一定的條件下,,最好使用多進(jìn)制調(diào)制體制,。16QAM的頻譜利用率為4 bit/s/Hz,是目前常用的BPSK/QPSK體制的4/2倍,,在頻帶利用率和誤碼率之間得到很好的折衷[1],。考慮到功率利用率,、噪聲性能與設(shè)備復(fù)雜度等多方面因素,,16APSK(星型16QAM)是一種合適的信號體制。以上需求促進(jìn)了對該體制解調(diào)接收技術(shù)的研究以及關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān),。
1 16APSK體制介紹
16APSK體制又稱為星型16QAM,,不同于一般的QAM信號,它的星座圖是由內(nèi)外2個同心圓組成,,通過這樣的星座設(shè)計,,減少了信號的幅度變化,更易于對放大器的非線性進(jìn)行補(bǔ)償,,適應(yīng)線性特性不好的傳輸信道,,以獲得更高的頻譜利用率,也有利于降低解調(diào)難度[2],。如果將16個星座點的APSK調(diào)制分解為2個獨立的8PSK調(diào)制,,這樣形成的APSK星座圖是直徑不同的2個圓形,得到APSK調(diào)制的仿真結(jié)果如圖1所示,。
2 16APSK信號相干解調(diào)算法
16APSK信號采用相干算法進(jìn)行解調(diào),,圖2所示為16APSK信號相干算法解調(diào)框圖。從圖中可見,,涉及到的關(guān)鍵技術(shù)和算法有:相干載波恢復(fù)算法,、定時同步算法、幅值相位判決算法等,。
2.1 相干載波恢復(fù)算法
采用相干解調(diào)算法,需要對載波進(jìn)行精確的相位同步,。同時,,考慮到須在較短時間內(nèi)建立載波同步,采用一種鎖相環(huán)(PLL)聯(lián)合基于頻率檢測環(huán)路算法的鎖頻環(huán)(AFC)的結(jié)構(gòu)來做載波恢復(fù),?;窘Y(jié)構(gòu)如圖3所示。
載波恢復(fù)首先用頻率檢測環(huán)路FD(Frequency Detector)對接收信號進(jìn)行載波頻率恢復(fù),,此時環(huán)路工作于捕獲模式,。FD采用了基于最大似然估計的GFD(GardnerFD)簡化算法,其頻率誤差實現(xiàn)公式為:
ε(t)=IFMF×QMF-IMF×QFMF (1)
其中,,t為時間,,I為同相支路,,Q為正交支路。IMF是I經(jīng)過匹配濾波后的數(shù)據(jù),,IFMF是I經(jīng)過頻率匹配濾波后的數(shù)據(jù),,QMF是Q經(jīng)過匹配濾波后的數(shù)據(jù),QFMF是Q經(jīng)過頻率匹配濾波后的數(shù)據(jù),。由GFD算法得到的頻率誤差結(jié)果經(jīng)過環(huán)路濾波器后去更新NCO頻率值,。
頻率檢測器的捕獲范圍大,但是跟蹤精度較差,。所以在FD鎖定(頻率鎖定檢測到載波頻偏小于符號速率的1/1 000時FD鎖定)之后,,要切換到鎖相環(huán)上對載波進(jìn)行精確跟蹤。
針對APSK信號載波同步有一些經(jīng)典算法,,如判決引導(dǎo)(DD)算法,、極性判決算法等。但都存在不足:DD算法可以穩(wěn)定跟蹤載波,,但同步建立時間長,、跟蹤范圍較窄;極性判決算法同步建立時間較短,,但跟蹤精度沒有DD算法好,。經(jīng)綜合考慮,本設(shè)備采用一種簡化星座圖(RC-DD)算法[3],。
根據(jù)APSK星座特點,,對8-8APSK星座進(jìn)行三次方處理,得到如圖4所示星座,??梢钥吹剑湫亲钔馊?個點相當(dāng)于8PSK,,內(nèi),、外圓的半徑相比更加懸殊。在對其相位同步時,,可對內(nèi)圓的信號點忽略進(jìn)行粗調(diào),,其方法類似于對8PSK進(jìn)行相位同步,因為只考慮外圓,,所以其幅度最大,,相當(dāng)于提高了信噪比。
2.2 定時同步算法
16APSK解調(diào)端的定時同步模塊包括誤差提取和誤差校正兩個部分,,誤差提取模塊采用Gardner算法,,而誤差校正通過內(nèi)插實現(xiàn)。
其中,,r為采樣點,,yI,、yQ分別為I、Q支路的內(nèi)插值,。每個符號2個采樣點,,I、Q兩路數(shù)據(jù)同時參與運算,。提取的誤差信號送入環(huán)路濾波器以濾除噪聲的影響,。模塊利用同步定時誤差信號調(diào)整下一次進(jìn)行內(nèi)插的時刻,使由內(nèi)插值計算所得的同步誤差信號逐漸趨于零,。該算法適用于捕獲和跟蹤兩種模式,,并且定時誤差值與載波相位無關(guān),即符號同步可以在載波相位鎖定前達(dá)到收斂,。
定時同步模塊由內(nèi)插器,、時鐘誤差提取、環(huán)路濾波器以及控制器組成,。本系統(tǒng)采用多項式內(nèi)插器實現(xiàn)內(nèi)插計算,。多項內(nèi)插可視為低通濾波,對其頻率響應(yīng)的要求是:在0~1/(2TS)(TS為采樣時刻)的頻率范圍內(nèi)具有平坦的響應(yīng)和線性相位,,且能盡可能地抑制信號中的高頻分量,。通常的內(nèi)插器有線性、拋物線和三次內(nèi)插,,由于具有高效的Farrow結(jié)構(gòu),,即濾波器系數(shù)可以分解為固定系數(shù)與誤差量的冪次乘積之和的形式,并且內(nèi)插性能較好,,故選用了三次內(nèi)插器,,代價是增加了計算量。其結(jié)構(gòu)如圖5所示,。其中,,C(0)~C(3)為濾波器系數(shù),m為整數(shù)倍誤差,,?滋k為分?jǐn)?shù)倍誤差,。
軟件無線電的數(shù)字接收機(jī)實現(xiàn)。在本設(shè)計中只使用一片信號處理FPGA及CPCI接口FPGA即可完成整個16APSK信號數(shù)字接收機(jī),。
信號處理FPGA使用Xilinx公司的XC5VLX330,,在XC5VLX330芯片上的實現(xiàn)占用了21%的Slice資源,、43%的BlockRAM資源,。使用CPCI接口FPGA芯片可將解調(diào)接收到的基帶數(shù)據(jù)通過CPCI接口傳輸給與硬件平臺連接的工控機(jī)平臺,完成數(shù)據(jù)存儲,、處理等后續(xù)工作,。圖7所示為硬件實測16APSK信號在50 Mb/s碼速率下的解調(diào)星座圖,。
本文針對無線測控通信任務(wù)中的高速數(shù)據(jù)傳輸需求,提出了一種使用高階調(diào)制16APSK體制信號的相干解調(diào)算法,,給出其工作流程框圖,,說明各主要模塊的設(shè)計方法,并給出了在碼速率50 Mb/s下的數(shù)字接收機(jī)的實現(xiàn)結(jié)果,。該接收機(jī)兼顧解調(diào)性能與實現(xiàn)復(fù)雜度,,具有較高的工程應(yīng)用價值。
參考文獻(xiàn)
[1] 楊雪梅.QPSK與16QAM在衛(wèi)星通信中性能分析[J].空間電子技術(shù),,2002,,21(6):35-38.
[2] 雷菁,黃英,,劉志新.非線性衛(wèi)星信道中APSK信號星座優(yōu)化設(shè)計研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報,,2006,28(8):118-121.
[3] 劉志新.APSK信號星座優(yōu)化設(shè)計及其調(diào)制解調(diào)研究[D]. 湖南:國防科學(xué)技術(shù)大學(xué),,2007.