数字调制信号接收技术

近年来，数字无线电技术日益受到人们的重视。数字无线电技术因采用软件化数字化设计，工作稳定可靠，可生产性好，设备小巧，因而在通信中应用越来越广泛。随着大规模集成电路的发展以及对通信设备小型化、智能化的要求，数字无线电技术已经成为发展趋势。全数字接收机的概念被提出后立刻引起了人们的兴趣与关注，它和传统的数字接收机不同，其解调和采样所用的本地参考时钟振荡于固定的频率，且不需要反馈控制，滤波、载波同步、时钟同步、数据判决等全由采样后的数字信号处理器来完成。本文设计提出了适于中频数字化接收机的体制结构和实现方法。

1 全数字接收机组成

全数字接收机对中频信号进行采样后，全部采用数字器件和数字处理方法，是一种全数字实现方案。因其采用数字解调方法，克服了由模拟器件构成的解调器同相与正交两支路参数不一致的缺点。虽然对已调信号采样要求ADC的采样率较高，但现今的高速ADC器件已足够满足要求。

全数字接收机结构如图1所示。数字中频信号分别与两路正交载波相乘，然后低通滤波抽取，滤除二次频项，完成数字正交下变频，得到I，Q两路信号。存在定时误差和载波误差的I，Q两路基带信号要进行定时恢复和载波相位恢复，然后进行判决，得到数字码流。在全数字接收机中，载波同步和码元同步是最重要的关键技术。

2 载波恢复技术

数字解调器中的载波恢复方法很多，主要分为非判决反馈载波恢复和判决反馈载波恢复。非判决反馈载波恢复方法主要有平方环、科斯塔斯(Costas)环等。由于判决反馈载波恢复性能优于非判决反馈载波恢复，所以采用判决反馈方法来进行载波恢复，其结构如图2所示。

全数字解调器将采样后的中频信号下变频为基带信号后载波相位误差为：

其中，ω0是载波频率偏差，θ0是固定相位偏差，Aj是相位抖动幅度，ωj是相位抖动频率，解调器需要消除这部分偏差。判决反馈载波恢复环可以消除载波相位误差。

假设载波恢复环的输入信号为：

式中a(k)是第k个传输符号，v(k)是加性高斯白噪声，θ(k)是载波相位误差。判决反馈载波恢复环路相位误差提取公式为：

式中Im表示取复数虚部，并忽略了加性高斯白噪声，如果a(k)=z(k)，那么可求出载波相位误差ε(k)：

由上式可见其载波相位误差鉴相特性曲钱为sin(θ)函数。相位误差经环路滤波器_滤波后到达数控振荡器，数控振荡器产生相位估计值对输入信号进行相位旋转以补偿相位误差。环路滤波器采用二阶数字滤波器。

采用通用环来产生载波的相位误差，通用环属于判决反馈环。环路的核心为相位误差检测器，检测器利用采样信号与符号判决来产生误差信号，该误差信号反映了实际载波相位与当前载波相位的差别。假设定时恢复已建立，这样，相位误差检测器是在符号的最佳判决点进行相位检测。

误差检测器输出经过环路滤波器后，得到对载波剩余偏差的估计。反馈给数字下变频NCO单元，去除剩余载波。

3 内插定时技术

在全数字接收机中，码元定时恢复是利用锁相环路产生定时误差信号来控制本地同步脉冲实现的。在全数字解调器中，采样时钟由自由振荡器产生，并且与信号时钟不同步，它被称为异步采样解调器。因此在全数字解调器中由于采样不同步而引入的定时速率和相位误差，需要用数字信号处理的方法来补偿。全数字解调器中一般是采用数字插值运算来使接收信号和发送信号同步，这个插值运算可由内插滤波器来实现。本文采用的典型的全数字解调器中的定时恢复环结构，如图3所示。它由内插滤波器、定时误差检测器、环路滤波器、数控振荡器组成。

内插滤波器就是完成从输入的非同步采样数据中，通过重采样得到符号的最佳采样点，恢复出原始符号。

发送的线性调制信号符号周期为T，采样率为T，t=kTi，表示在kTi时刻重新采样，采样周期为Ti。由于Ts的定时来源于独立的本地振荡时钟，所以T／Ts的值通常是无理数。把采样值输入插值器，输出的抽样值表示为y(kTi)，它是以Ti为周期的函数，因Ti与T是同步的，所以应有Ti=T／k，k是一小整数。然后，数据滤波器根据k值降抽样恢复出原始数据。对重新采样的结果适当操作，可以得到：

对于定时误差的提取，采用Gardner算法。Gardnet算法需要每个符号有2个采样值，一个在符号判决点附近，另一个在符号交界点附近，并且与载波相位偏差无关，因此定时调整可先于载波恢复完成，定时恢复环独立于载波恢复环。Gardner算法提取的定时误差为下式：

式中yI，yQ表示同相和正交分量，T为符号周期，τ为定时延时误差，Gardner算法适用于跟踪和捕获模式，它要求每个符号采样两次。

Gardner算法最初是针对恒包络MPSK信号提出的，可以先于载波误差补偿之前进行。若将它应用于MQAM(M>4)信号中，特别是滚降因子较小时，其定时误差信号抖动太大。

根据定时误差信号抖动的统计特性可知：滚降因子越小，抖动越大；信号包络起伏越大，抖动越大。如果单靠环路滤波器来减小定时抖动，那么必然使环路等效噪声带宽减小，从而增加环路捕获时间。L．E．FRANKS已经证明通带范围为(1／4T，3／4T)，以1／2T为中心的偶对称的带通信号，其定时抖动近似为零。并且特别强调了1／2T为中心的偶对称信号，信号过零点将发生在T／2处。如果在定时误差探测器前加一个预滤波器，尽可能使信号波形满足上述要求，就可以达到减小定时误差信号抖动的目的。简单的预滤波处理是将误差检测公式修正如下：

环路滤波器是锁相环路的另外一个重要组成部分，在符号同步中采用理想积分滤波器。它由积分支路和比例支路构成，误差信号在送入比例支路和积分支路时，与比例增益G1和积分增益G2相乘。由于比例支路可以跟踪相位误差，积分支路可以跟踪频率误差，符号同步环路就能对定时误差信号跟踪并锁定同步。另外，G1和G2的取值决定了系统的环路带宽和收敛的快慢。ωn是环路的自然频率，ξ是锁相环的阻尼因子。

其中Ts为采样周期，通常ξ取临界阻尼系数0.707。

定时恢复环的内插滤波器由数控振荡器(Number-Controlled Oscillator)控制，它接收定时误差信号，给内插滤波器提供内插运算所需的参数m(k)和μk，数控振荡器的时钟频率为1／Ts。

数控振荡器如图4所示，W(m)为NCO控制字，由定时误差信号经环路滤波器滤波后提供，NCO寄存器中的η(m)值每TS时间减一次W(m)，寄存器减掉一定个数的W(m)后将产生过零点，每出现一次过零点，则产生一个定时调整抽样脉冲Ti，从而可以决定m(k)，也就是决定哪些采样信号值参加内插运算，同时还可求出μk。

4 仿真实验

通过对所采用的技术方案的建模仿真，并对信号源的调制数据进行解调实验。实验结果表明，在误比特率为10-4时，Eb／N0比理论值多2 dB。图5给出了16QAM调制信号有定时误差时，定时恢复前和定时恢复后的眼图，可以看出定时恢复前，眼睛张开最大的位置不在采样的最佳点，而定时恢复后眼睛张开最大点在采样的最佳点。

图6给出了16QAM调制信号有载波频差时，载波恢复前和载波恢复后的星座图，可以看出载波恢复前的星座图是旋转的，载波恢复后信号的星座图明显分开了。

5 结 语

本文针对适用于多种数字调制信号接收解调所采用的的全数字接收机进行了分析和设计。对载波同步技术和码元定时技术进行了理论分析和仿真实验。结果表明：通用环和内插定时两个关键技术可以实现PSK、QAM数字调制信号的接收解调。全数字接收机设计灵活，易于实现通用高集成度接收机。

作者：孙海祥，刘 杰 (中国电子科技集团公司 第54研究所 河北 石家庄 050081)