（信息与通信工程专业论文）800mbps高速数传接收机匹配滤波及定时恢复的研究和实现.pdf

国防科学技术人学研究生院1 1 i 学硕十学位论文 摘要 中继卫星通信系统是我国近年航天事业发展的重点项目之一，高速数据传输 技术则是其中的关键技术。随着我国航天事业的飞速发展，一些民用、军用卫星 对信息实时传输速率的要求也越来越高。高速数据传输技术的发展对解决未来天 地高速信息传输具有重大意义。 本文以研制信息速率8 0 0 m b p s 的8 p s k 高速数传接收机为背景，对8 0 0 m b p s 高速数传接收机中的一些关键技术及其f p g a 实现进行了深入研究，包括高速数 据并行接收、匹配滤波、定时恢复。 论文首先对高速数传接收机总体方案的选择和实现途径进行了概括性论述。 其次，分析了频域匹配滤波算法以及实现结构。这一部分主要对匹配滤波器 的简化结构进行了推导，同时考虑了速度与资源的利用关系。 然后，分析了符号定时同步的算法以及环路结构，并对其重要性以及性能进 行了分析，给出了几种可供选择的改进算法。 最后，完成了高速数据并行结构，匹配滤波并行结构和定时恢复环路的设计， 并在大规模f p g a 上实现了上述三个模块。结合工程实践和大量应用文献总结出 高速数字逻辑系统的设计方法，以及高速数字系统的性能测试方法。 主题词：高速数传，数字接收机，定时恢复，匹配滤波，f p g a 第i 页 国防科学技术人学研究生院1 ：学硕十学位论文 a b s t r a c t d a t ar e l a ys a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o ni so n eo ft h em a i ns p a c ep r o j e c t so fo u rc o u n t r y i nr e c e n ty e a r s ，a m o n gw h i c ht h eh i g h r a t ed m at r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yi so n eo ft h e k e yp o i n t s w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h es p a c ep r o j e c to fo u rc o u n t r y ，t h e r e q u i r e m e n to fr e a l - t i m et r a n s f e rd a t ar a t ef r o mt h es a t e l l i t et ot h eg r o u n di sg e t t i n g h i g h e ra n dh i g h e r s ot h ed e v e l o p m e n to ft h eh i g h r a t ed a t at r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yh a s h u g es i g n i f i c a n c ef o rs o l v i n gt h es p a c e t o - e a r t hh i g hs p e e dd a t at r a n s m i s s i o n t h i sa r t i c l e g r o u n d so nt h ep r o j e c to fa n8 0 0 m b p s8 p s kh i 曲一s p e e dd a t a t r a n s m i s s i o nr e c e i v e ra n di sd e v e l o p e df r o mi t i ts t u d i e ss o m ek e yt e c h n o l o g i e so f a l l d i g i t a lr e c e i v e rf o r8 p s km o d u l a t i o na n di t sf p g ai m p l e m e n t a t i o n s e v e r a ls u b j e c t s a r ed i s c u s s e d ；i n c l u d i n gp a r a l l e lr e c e i v ef o rh i g h r a t ed a t a , m a t c h e d f i l t e r i n g ，t i m i n g r e c o v e r y f i r s t l y ，t h ew h o l ef r a m e w o r ko fh i 曲s p e e dd i g i t a lt r a n s m i s s i o nr e c e i v e ri sg i v e n ， a n di ti sd i s c u s s e df o rt h ei m p l e m e n tm e t h o do ft h ef r a m e w o r k s e c o n d l y ，t h ea l g o r i t h ma n dt h es t r u c t u r eo fm a t c h i n gf i l t e ro nf r e q u e n c yd o m a i n a r ea n a l y z e d i ti n f e r st h es i m p l es t r u c t u r eo fm a t c h i n gf i l t e r ，a l s oc o n s i d e r st h e r e l a t i o n s h i po fs p e e da n dr e s o u r c e t h e n ，t h ea l g o r i t h ma n dt h el o o ps t r u c t u r eo fs y m b o lt i m i n gr e c o v e r ya r ea n a l y z e d i ta l s og i v e ss o m ek i n d so ft i m i n ge s t i m a t ea l g o r i t h mt oc o m p a r eb a s e do nt h eh i g h s p e e dd i g i t a lt r a n s m i s s i o nr e c e i v e rs t r u c t u r e f i n a l l y ，h i g hs p e e dd a t ar e c e i v es t r u c t u r e ，t h ep a r a l l e ls t r u c t u r eo fm a t c h i n gf i l t e r a n dt h et i m i n gr e c o v e r yl o o pi sd e s i g n e da n dr e a l i z e di nf p g a f u r t h e r m o r e ，t h ed e s i g n r u l e so fh i g h s p e e dd i g i t a ls y s t e m sa n dt h e i rs e l f - c h e c k i n ga n dt e s t i n gt e c h n i q u e sa r e s u m m e du p b yc o m b i n i n gt h ep r o je c te x p e r i e n c ea n dl o t so f a p p l i c a t i o nl i t e r a t u r e k e yw o r d s ：h i g h r a t ed a t at r a n s m i s s i o n ，d i g i t a lr e c e i v e r ，t i m i n gr e c o v e r y 。 m a t c h i n gf i l t e r f p g a 第i i 页 国防科学技术大学研究生院：r 学硕七学位论文 图目录 图2 1 不同调制方式+ l d p c 编译码的频带利用率5 图2 2 最基本的无线电全数字接收机6 图2 3 零中频数字接收机基本结构8 图2 4 低中频数字接收机基本结构8 图2 5 低中频信号频谱示意图9 图2 6 高速数传8 p s k 数字中频接收机系统模块组成1 0 图3 。i 简化基带传输系统框图1 2 图3 2 单位冲击响应设计1 5 图3 3 频率特性1 6 图3 43 2 点匹配滤波器频域幅度特性1 8 图3 53 2 点f f t i f f t 匹配滤波器并行实现结构2 0 图3 6 高速a d c 采样速据的复接和串并变换2 l 图4 1 传统锁相环的定时恢复环路方框图2 5 图4 ，2 高速数传数字接收机的定时恢复环路实现方案2 5 图4 3 不同定时偏差时8 p s k 误码率曲线2 6 图4 4 定时估计精度与输入信噪比关系性2 9 图4 5 定时相位误差估计的高速数据并行结构算法2 9 图4 6 输入不同的信噪比，定时相位误差估计值2 9 图4 7 定时相位误差估计算法控制关系3 0 图4 8 定时相位误差频域校正实现框图j 3 2 图4 9 基于频率校正算法的8 p s k 误码率3 2 图4 1 0 符号频率跟踪环路与d d s 接口电路3 3 图4 1l 不同的滚降系数下，定时估计值的方差仿真图3 4 图4 1 2 包络平方定时相位误差估计算法实现方框图3 5 图4 13m l b a s e dl o g n 算法实现方框3 5 图4 1 4 基于两种算法下不同滚降系数的方差3 5 图4 1 5 改进后的定时误差估计算法框图3 6 图4 1 6 计算定时信号系数示意图3 7 图4 1 7 基于平方包络和带通滤波器算法下不同滚降系数的方差3 7 图5 1 接收机数字解调电路板组成框图4 l 图5 2 焊接和安装后的数字解调电路板j 4 l 图5 3 高速数据并行接收结构的总体方案4 4 第1 i j 页 国防科学技术人学研究生院l ：学硕士学位论文 图5 5i s e r d e s 结构图4 5 图5 6 利用3 2 个i s e r d e s 硬件模块实现数据并行的结构示意图4 6 图5 7 校f 模块动态调整采样时钟一4 8 图5 8 校正模块电路结构图一4 8 图5 9c l k 上升沿相对数据长度的位置4 9 图5 1 0 高速数据并行模块的时序仿真5 0 图5 1 1a d c 测试时输入的7 5 m h z 三角波5 l 图5 1 2a d c 对7 5 m h z 三角波的1 2 g s p s 采样效果5 1 图5 1 3 不加校f 模块，a d c 对7 5 m h z 三角波的1 2 0 0 m s p s 采样效果5 2 图5 1 4 完整匹配滤波与简化匹配滤波输出的e v m 曲线图5 3 图5 15f f t 并行模块的f p g a 实现方框图5 4 图5 16 频域运算流水线实现框5 5 图5 1 7i f f t 运算定点量化流水线实现框图5 5 图5 1 8 乘法器位置约束在f p g a 里的实现结构5 6 图5 1 9 为频域匹配滤波时序仿真图5 7 图5 2 0 频域匹配滤波器模块的f p g a 功能检测电路方框图5 8 图5 2 l 仿真输出与理想输出波形对比图5 8 图5 2 2 平方根升余弦冲激响应的仿真输出与理想输出对比图5 8 图5 2 38 p s k 信号的仿真输出与理想输出对比图5 9 图5 2 4 符号定时相位与频率跟踪校正实现方框图6 0 图5 2 5f p g a 内部i q 数据分离的实现结构图j 6 1 图5 2 6 环路切换控制电路的实现结构6 1 图5 2 7 一阶i i r 滤波器的实现结构6 1 图5 2 8 定时校f 前后的星座图对比6 2 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院丁学硕十学位论文 表目录 表4 1 各种定时估计算法的误符号率3 7 表5 1 高速并行接收模块在f p g a 芯片内的资源消耗情况5 0 表5 2 频域匹配滤波模块在f p g a 芯片内的资源消耗情况5 7 表5 3 定时恢复模块的资源利用情况6 2 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目： q q 坠仑墨直逮熬佳蕉监扭匹壅遗这丛塞盟迭复煎堑窥塑塞丑 ：学雠文亲毒签备，猕弋魄2 叼钏月嘶 学位论文版权使用授权书 术人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权国 防h ! 技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许沦文被查阅和借阅：可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， i i j 以采用影印。缩印或扫描等复制手段保存，汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) ! 学位论文题目：g q 型垒巳兰壶运熬佳蕉蝗扭堕墼遗遮区塞盟这复鲍丛窥塑塞盈 学位论文作者签名： f l i 者指导教师签名： 日期：z 岬年i 1 月l 歹日 日期：沙7 年l 1 月i 亨日 国防科学技术大学研究生院t 学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 随着人们获取信息手段的r 益复杂，所关注的信息也越来越多，信息膨胀已 成为信息社会发展的一个重要特征。由此对信息传输速率的要求也越来越高，从 以往的几十m b p s 、几百m b p s ，直至目前上g b p s 的数据传输系统也已得到研究应 用。从军事应用来看，各种侦察卫星、军事卫星、资源探测卫星、空间s a r 等获 取的数据成倍增长，大气内的飞行器也加入了资料精确获取的任务，预警机、高 空侦察机、空间探测、登月计划等等都迫切需要高速的数传系统来传输和获取海 量信息。 我国规划中的数据中继卫星系统就是一个能对空间各种应用提供海量数据转 发、下传服务的高速数传和测控系统。我国第一代数据中继卫星系统的建设即将 启动，但鉴于技术和国力的局限，第一代跟踪与数据中继卫星系统只是一个试验 和试用系统，信息传输速率只有2 x1 5 0 m b p s ，只能全透明转发，远远不能满足未 来航天事业发展的要求。在第二代数据中继卫星系统中，数传速率将从1 5 0 m b p s 提高到3 0 0 m b p s 以上。 目前高速数传的调制方式仍然以m p s k 调制为主，如q p s k 等。这是由于p s k 调制方式实现起来较为简单、成熟，特别是其低信噪比条件下出色的解调能力，适 于卫星信道传输。一般建议在几百m b p s 的数传应用中，窄带调制和宽带调制均采 用q p s k 调制方式。但随着数传速率的进一步提高，空间信道频谱资源的日趋紧 张，使用q p s k 所带来的带宽激增，传输效率低下等问题也日益突出，因此更高的 多相调制体制被使用到高速数传上来，如8 p s k 、8 q a m 、1 6 q a m 等。 本课题来源于8 0 0 m b p s 速率高速数传接收机，其内容为研制8 0 0 m b p s 信 息速率的8 p s k 中频接收机系统，不包含信道译码( 含差分译码) 。该课题项目的 研究与实现，可以更好地满足航天、测绘、遥感等多种军用和民用方面的需求。 1 2 国内外研究状况 美国、欧盟等在2 0 世纪8 0 年代末开展了l o o m b p s 数据速率的t c m 8 p s k 高 速数传系统的研制【1 1 ；美国n a s a3 0 0 m b p sq p s k 卫星传输系统已实用化，6 5 0 m b p s 和1 g b p s 卫星高速数传系统正在研究或实验，并且提出了l d p c 码外加q p s k 调 制或者更高阶调制如8 p s k 的方案已被c c s d s 考虑采纳。欧空局( e u r o p e a ns p a c e a g e n c y ，e s a ) 支助的m h o m s ( m o d e m sf o rh i g h o r d e rm o d u l a t i o ns c h e m e s ) 计 第1 页 国防科学技术人学研究生院t 学硕十学位论文 划瞄准研究设计丌发新型的高码率、高速率、o n t h e n y 可重配置的宽带卫星数字 调制解调器，其最大比特速率达1 g b p s ，调制样式包括8 p s k ，1 6 q a m ，1 6 a p s k ， 3 2 a p s k ，6 4 a p s k ，支持0 5 5 4b p s h z 的频谱效率。 国内高速数传的研究产品仍然未进入应用阶段。“九五 期间，中国电子科 技集团五十四所等单位分别研制了信息速率1 5 0 m b p s 的q p s k 原理样机。“十五 期间，清华大学做出了3 0 0 m b p s 的q p s k 调制解调器；国防科大与五十四所合作， 七零四所与五十七所合作，分别研制信息速率为3 0 0 m b p s 的高速数传调制解调器 样机。在国防科大与五十四所的合作中，国防科大负责研制采用新技术的 t c m 一8 p s k 体制原理样机，五十四所负责研制采用传统q p s k 体制工程样机。2 0 0 6 年上半年，国防科大和五十四所的样机已经经过性能测试，均满足合同指标，其 中的t c m - 8 p s k 原理样机的指标比合同提高了近7 d b ，是目前国内高速数传中 t c m 体制性能最好的样机【3 翊。 更高速的数传技术研制在国内尚属空白。鉴于商业竞争及其他一些原因，美 国及一些西方国家对我国实行技术封锁，不能进行技术引进。因此，进行高速数 传系统及其工程化关键技术的研究工作显得尤为迫切，它直接决定着整星系统性 能能否赶超世界先进技术水平。 1 3 本文的主要工作 课题项目来源于8 0 0 m b p s 速率高速数传接收机。本人承担了该项目中的 “8 0 0 m b p s 高速数传接收机的定时同步模块及频域匹配滤波模块的研究与实现”。 8 0 0 m b p s 速率高速数传接收机是基于教研室前期3 0 0 m b p s 固定速率 t c m 8 p s k 译码解调系统原理样机项目上实现的。8 0 0 m b p s 速率高速数传接收 机的原理及结构体制均与其相似，区别在于3 0 0 m b p s t c m 8 p s k 接收机是采用 a t e r l 芯片实现，而且其滚降系数采用o 6 ；而8 0 0 m b p s 接收机将采用x i l i n x 公 司最新的v i r t e x 4f p g a 芯片实现，并且其滚降系数降至0 4 。由于信息速率成倍 的提高和滚降系数的减小，前端a d c 采样数据的接收和f p g a 芯片编程会变得更 加困难，而且对于定时估计的精确度也会带来影响。 在数字接收系统中，为了正确恢复出发送端的符号信息，必须做到定时同步。 根据最佳接收理论【5 儿6 1 ，对于升余弦特性的传输信道，发送端波形成型滤波器和接 收端匹配滤波器采用平方根升余弦滤波器，而其中的滚降系数对接收机性能有很 大的影响：滚降系数越大，接收端的定时估计参数就会越准确，码间干扰越小， 性能越好，但信号占用的带宽越大，频谱利用率低；反之则定时估计不准确，码 间干扰大，性能恶化，但占用的带宽小，频谱利用率高。根据合同的要求，信息 速率要达到8 0 0 m b p s 。在现有8 p s k 调制方式下，符号速率将到达2 6 6 7 7 m s p s 左 第2 页 国防科学技术大学研究生院1 ：学硕士学位论文 右。假设以滚降系数0 6 作为参考，那么要求的带宽将到达2 6 6 7x1 6 = 4 2 6 7 2 m h z ， 这么高的带宽要求会对模拟前端的实现带来很大的困难。这就要求数字接收机的 定时同步算法不仅仅能够适应带宽非常宽的信号，同时也能够在成形滤波系数较 小时保持较高的精度。 匹配滤波器是高速数传数字接收机的一个核心组成部分。一方面，希望它与 发射端波形成型滤波器以及其它传输媒介构成一个完整的升余弦频率特性信道， 以完成无码间干扰的数字通信传输；另一方面，当发射端调制信号经过实际传输 媒介后，引入了噪声分量( 假设为加性高斯白噪声) ，这时希望在接收端经过匹 配滤波器后输出信噪比最大。实际上还存在系统设计误差与数字实现的量化误差 等噪声分量。同时，在这一部分可以实现接收机的模拟通道的非理想特性的补偿， 以有效减弱信号的畸变，改善系统的性能。而且本项目中匹配滤波器不同于一般 的时域信号处理方法，采用了f f t i f f t 频域算法，实现高速数据的并行结构处理 与运算，可以使得高速数传的接收处理变得更有效，而且也为定时校正模块的实 现搭建了一个频域平台。 因此根据上述项目内容安排，本论文按以下组织结构展开： 第1 章绪论。介绍了项目研究背景和国内外在该领域研究的状况，并简要介 绍了本文的主要工作。 第2 章高速数传接收机总体方案的选择。对总体方案的选择和实现途径进行 概括性论述。 第3 章宽带数字接收机匹配滤波的设计以及实现。这一部分的难点主要在于 匹配滤波器简化结构的推导和高速f p g a 的实现，并且同时还要考虑速度与资源 的折中。 第4 章符号定时同步的研究以及实现。这一部分对定时同步算法进行了介绍， 并对其重要性以及性能进行了分析，给出了几种可供选择的方案，并对在本课题 设计中应用到的基于反馈回路的定时同步方法原理进行了分析。 第5 章高速数据的f p g a 实现。在分析了定时同步算法原理基础上，得出了 高速匹配滤波和定时同步的并行结构。综合考虑f p g a 设计实现的资源利用和速 度，选定v 4 l x l 0 0 芯片。在x i l i n xi s e8 2 i 开发平台上进行了仿真和综合，并用 仪器进行了测试。 第3 页 国防科学技术人学研究生院f ：学硕十! 学位论文 第二章高速数传调制体制及总体方案 2 1 高速调制解调体制的选择 对数字卫星通信来说，选择合适的调制解调方式是非常重要的，其原因有二【7 】 1 8 】：( 1 ) 如前所述，卫星信道是带宽受限的信道，这就要求调制解调方式占用射频 频带窄并高效率地利用可用频带，即要求单位频带内传送的比特速率高。( 2 ) 同时， 卫星信道是功率受限的，这就要求在低信噪比的情况下尽可能降低误码率。 在数字通信系统中，调制解调器的设计有两个重要技术指标：传输比特误码 率( 即功率利用率) 与传输信号的频谱带宽( 即频带利用率) 。功率利用率是误 比特率达到某一规定值所需的最低归一化信噪比，即每比特信息能量与单边噪声 功率谱密度( e n o ) 之比来表示。频带利用率即频带效率是指单位频带内允许 传输的最高比特速率。提高频带利用率，通常采用多电平或者多相位调制解调方 式；提高功率利用率，通常采用信道纠错编码方式，以降低误码率。两者是一对 矛盾，而且可以彼此互换，因此在功率受限信道中总是以频带利用率换取功率利 用率；而在频带受限信道中总是以功率利用率换取频带利用率。 分析表明，p s k ( 相移键控) 调制解调技术在频带利用率和抗干扰两方面都优于 a s k ( 幅度键控) 、f s k ( 频移键控) 。所以在数字卫星通信中广泛采用p s k 调制解调 技术【8 j 。为进一步提高频带利用率，从b p s k ( _ 二- 相相移键控) 发展到q p s k ( 正交相 移键控) 、8 p s k ( 八相相移键控) 等。目前用得最多的还是q p s k 和8 p s k 两种调制 方式。q p s k 与8 p s k 相比，8 p s k 的频带利用率高，但维持相同误码率所要求的 e n 比q p s k 有所增加，总的载波功率高。显然q p s k 调制解调体制具有明显 的功率利用率方面优势，而8 p s k 调制解调体制具有明显的频带利用率方面优势。 因此针对高速卫星通信系统，如何选择一种适当的调制方式，使之能很好的兼顾 卫星的频带利用率和功率利用率是十分必要的。 近年来所研究的高效编译码方式l d p c ( l o wd e n s i t yp a r i t yc h e c k ，l d p c ) 码 具有很高的编码效率和编码增益，在带宽利用率较高的同时也获得了较高的功率 利用率。l d p c 码是麻省理工学院罗伯特哥拉格( r o b e r tg a l l a g h e r ) 于1 9 6 3 年在 他的博士论文中提出的一种码，其性能接近香农极限。在上世纪六十年代有的公 司曾试图实现l d p c 译码器，但不成功。随后在很长一段时间内，没有受到人们 的重视，早已被人遗忘。1 9 9 3 年法国人b e r r o u 等提出了t u r b o 迭代译码后，人们 研究发现t u r b o 码其实就是一种l d p c 码，重新引起了l d p c 研究的热潮。1 9 9 6 年m a c k a y 的研究，使得l d p c 的研究进入了个新的阶段。欧洲d v b 组织更是 把b c h + l d p c 串行级联码选为了第二代卫星数字电视广播的纠错编码方案。近 第4 页 围防科学技术人。孚：研究生院：学硕十学位论文 来又被i e e e8 0 2 】1 n 、i e e e8 0 2 1 6 e 等诸多标准采用。l d p c 码的各项技术趋于成 熟。 q p s k 调制方：r + l d p c 编译码具有最佳的功率利用率。这种调制编译码方式 的结合可以应用于信息速率4 0 0 m b p s 以内的高速数传系统。然而，随着信息速率 的f ：断增加，q p s k 调制方式占用的带宽也不断加大，而卫星信道是频带受限的。 存信启、速率为8 0 0 m b p sh , j ，信道不可能提供如此大的带宽来满足q p s k 调制方式。 采用8 p s k 调制方r + l d p c ，既可以很好发挥频带利用率方面的优势，又可以利 用l d p c 这种高效的编码方式束补偿功率利用率，这样就兼顾了卫星的频带利用 率和功率利用率，如图2 1 所示j 。综上所述，本课题采用的是8 p s k 调制解调方式。 幽2 1 不同调制方式- k - l d p c 编泽码的频带利用率 2 2 高速解调器总体方案的选择 近2 0 年来随着超大规模集成电路( v l s i ) 和工艺的进步，数字集成电路的复 杂度和功能达到了前所未有的程度。专用集成电路( a s i c ) 、数字信号处理器( d s p ) 和现场可编程门5 - 车歹i j ( f p g a ) 已经在工业生产中得到大规模的应用，这些电子元件 水平的发展促使了全数字接收机的诞生和发展。 全数字接收机和传统的无线电数字通信接收机不同，在数字通信接收机的模 拟处理区引入了数字处理技术。在传统的数字通信接收机中，各解调单元都是用 模拟处理的方法和器件实现的，它们的共同之处在于使用了模拟滤波器，鉴相器 和压控振荡器( v c o ) 这些传统的模拟解调单元，电路体积大，形式复杂，调试 周期长，而且受人为因素影响大，可靠性差。这种传统的接收机不能完全发挥数 字通信的优势，不能实现数字信号的最佳接收，因此全数字接收机的研究越来越 第5 页 国防科学技术大学研究生院r 学硕士学位论文 受到人们的重视。 如图2 2 ，最基本的全数字接收机是在接收机的解调器前插入刖d 变换器，把 接收机下变频后的模拟信号变成数字信号。图中的解码系统包括信道解码和信源 解码。输入到解调器的信号是数字信号不再是模拟信号，因此可以用全新的数字 技术实现调制信号的解调。称这种技术为全数字解调【1 0 1 。全数字接收机追求的目 标是a d 尽可能靠近天线，a d 越靠近天线，接收机的数字化程度越高。 图2 2 最基本的无线电全数字接收机 2 2 1 全数字接收机相对模拟接收机的优势 全数字接收机不仅仅是一种技术上先进的接收机实现形式，它还具有传统的 模拟解调无法比拟的多项优势，具体表现在以下方面： 1 可避免宽带模拟解调器的各种非理想特性的影响： 通常在信号带宽超过1 5 0 m h z 之后，使用模拟解调器件来完成解调功能将会 产生较大的损失。原因首先在于，模拟器件精度低，误差大，很难保证通带内的 线性相位和幅度的平坦；其次宽带信号通过模拟正交解调器会产生i 、q 支路增益 不平衡，相位不平衡；第三，本地相干载波的正交误差对m p s k 信号影响较大； 第四，模拟解调器中宽带i q 支路泄漏串扰造成带内信号间的干扰严重；第五，直 流偏置等失配问题致使调制器输出信号中混有不期望的载频信号和镜频信号，使 期望信号失真，解调星座图偏移、变形。以上五种问题很难满意的解决，尤其8 p s k 是多电平f 交调制，它对这些失真更加敏感，特别是调制带宽达到3 0 0 m h z 以上 时，带内的干扰更加严重。这些将大大降低系统性能。依据我们以往的工程经验， 使用宽带模拟解调器时，因为对以上问题解决不好，仅仅模拟解调器一项就可能 产生4 - 6 d b 的损失，甚至可能解调完全失败。而全数字接收机不包含模拟解调器， 有效绕过了以上五种闯题，避免了模拟解调器的各种非理想特性的影响。 2 解调性能较模拟接收机更优； 模拟接收机的载波恢复、符号定时、a g c 控制等功能均是采用模拟电路实现， 宽带模拟电路很难保持带内幅频和相频特性的一致性，本方案中调制信号的双边 带带宽为3 7 4 m h z ，要获得模拟通道的较好的特性很困难。全数字接收机从低中频 丌始就进入了a d c ，数字域的性能损失通常表现在算法本身误差和计算误差上， 从实现上几乎可以获得接近数字算法的理想性能，从而大大减少系统损失。这是 第6 页 国防科学技术大学研究生院工学硕十学位论文 模拟接收机所无法比拟的。 3 数字域易于实现通道的补偿校正； 接收机诗c 端放大器，下变频，抗混叠滤波等是在模拟域完成的，且从整个完 整的数传系统来说，发射机模拟通道，射频传输信道等都存在非线性和非理想的 特性，这些对系统都会产生比较大的影响。若采用模拟接收机，以模拟电路补偿 模拟电路非常困难，尤其是宽带模拟电路更是如此。采用全数字接收机很容易在 数字域完成这些功能，只要能获得模拟通道的冲击响应，就可以很容易计算出其 补偿特性，并通过数字处理来精确实现。同时射频传输信道是时变的，在数字域 也较容易完成自适应的均衡功能。 4 体积更小，结构更加简洁 模拟器件的体积较大，而且对于宽带模拟器件，各种隔离屏蔽装置，如高频 盒，隔离衰减器，各种高频接插件等等，使得模拟接收机的体积很难减下来，这 造成了系统的体积庞大沉重。而全数字接收机从低中频往下完全可以在一块数字 处理电路板上实现，这大大减小了体积，也更可靠更容易维护。 当然，全数字接收机也有其缺陷，主要是：它对抗混叠滤波器的带内特性要 求较高，给这一滤波器的指标提出了较高的要求；它的实现技术较复杂，对实现 技能要求也较高；同时大量的数字算法的高速实现，要求大量的计算和存储资源， 一般是大容量的f p g a 芯片；另外，它要求采样速率在1 g s p s 以上的宽带a d c ， 对a d c 的输出信噪比要求也较高。 2 2 28 0 0 m b p s 高速数传接收机的结构 对应于不同的正交解调和基带处理方式，数字化接收机通常存在三种结构形 式：零中频数字接收机、数字中频接收机和软件无线电接收机。针对本项目8 0 0 m b p s 数据速率的8 p s k 高速接收机系统，其接收机结构有两种形式可选择：零中频数 字接收机和数字中频接收机【l 。 零中频数字接收机结构，如下图： 这是一种传统的接收机模式。它采用一个模拟电路正交下变频器，当本振频 率与射频输入信号载波频率相干同步( 或者接近) 时完成正交解调，即将射频( 中 频) 信号变换为零中频的基带信号；然后在基带上按照基本采样定理进行数字化 接收处理。这时在i q 正交两路基带上完成抗混叠低通滤波，再进行模数变换 ( a d c ) ，最后在基带上实现信道匹配滤波、定时恢复和载波恢复等数字化处理。 零中频数字接收机结构的特点是：在基带上，抗混叠低通滤波器实现简单；a d c 采样时对其采样速率和工作频率的要求大大降低；对射频前端电路设计，如微波 中频中心频率与中频滤波器要求简化。 第7 页 国防科学技术人学研究生院1 ：学硕十学位论文 - 1 6 广_ 11 1 ： 世竺坚i i r 么 衄 佳 8 p s k 再一。 1r 载 接 波 收 矗号 i 一 - j l 二 二j 复 恢 柳 输入 判 复 决 r 器 l 1a 【习- 赢 赢酮 j 一一厂 r 图2 3 零中频数字接收机基本结构 但问题是：它需要一个特性平衡对称的模拟电路正交下变频器，实际上模拟 电路实现时，在宽频带内其i q 正交特性并不平衡对称，包括幅度、相位频率特 性的不平衡性和载波相位正交9 0 度偏差性；而且直流耦合的v q 支路上存在直流 偏置d co f f s e t ，并随着温度漂移，这使得i q 正交星座图对称分布产生偏差，也 导致系统性能恶化；模拟电路正交下变频器也存在非线性失真影响：高频宽带的 模拟电路正交下变频器实现、调试有相当难度； 对于数字中频接收机结构，它是将输入中频调制信号频谱适当地搬移到较低 的中频上，然后在此中频上按照带通采样定理进行全数字化接收处理，实现数字 币交下变频器、匹配滤波器、定时恢复和载波恢复等。 数字低中频接收机的突出特点是：正交下变频器和基带信号处理全数字化实 现，这有利于数字系统集成和小型化；更重要的是它在数字域上实现了理想平衡 对称特性的i q 正交混频解调，而且不需要高频的载波频率源，即免混频形式； 同时没有存在零中频接收机d co f f s e t 及其温度漂移问题；它只需要一个高速a d c 器件和一个i q 支路合并实现或者分时复用实现的数字匹配滤波器，其基带处理 的定时恢复与载波恢复实现也变得简单些。 低中频 最 卜j 信号 数字 匹定 载波 佳 变 a d c卜正交+ 配 + 时 +相位 判 滤恢 频解调估计 波复 决 图2 4 低中频数字接收机基本结构 当对m p s k 正交调制的带通信号进行带通采样，并且采样频率与载波中心频 率之间满足一定关系时即z z = ( 2 k + 1 ) 4 ( k = o ，1 ，2 ，3 ) ，采样与混频合二为 一，构成免混频形式的正交采样。低中频信号频谱示意图如下： 第8 页 国防科学技术大学研究生院工学硕十学位论文 f 图2 。5 低中频信号频谱不意图 通过带通采样定理来达到正交解调的效果还有两个好处： 第一、a d c 前端信号不包含直流成分，可以充分利用a d c 的有效采样位数。 第二、可以减小系统噪声。一般来说，器件噪声具有1 厂的热噪声分布特性( 见 图2 4 中虚线部分) 。当信号在低中频而不在基带时，显然可以避免低频的高噪声 部分，同时低端的频段间隔也有利于带通滤波器具有合适的过渡带。 当然，低中频接收机首先需要一个特性较为严格的抗混叠中频滤波器，同时 需要精心设计和实现前端射频电路；因此必须重视并且突破实现宽带信道的传输 失真检测与校正的关键技术；需要速度更高的a d c 器件以完成数字中频直接采 样；同时面临着更高速率的接收机数字信号处理电路实现难题。从带通采样的数 字信号处理来看，数字中频接收机与软件无线电思想是接近的。因此，数字中频 接收机实现需要运用软件无线电设计方法，并且采用系统可重构的高速数字电路 硬件来完成。 基于技术先进性和系统整体性能的优化( 即系统实现目标要求) ，同时也基 于实际电路实现的可行性( 即有高技术的物理支撑) ，8 0 0 m b p s 高速数传接收机 选择中频输入直接采样解调的数字中频接收机结构方案。这种高技术的物理支撑 主要是高速a d c 器件( 如e 2 v 公司的a t 8 4 a d 0 0 1 b ) 和f p g a 芯片( 如x i l i n x 公司v i r t e x 4 v i r t e x 5 系列) 。 2 2 38 0 0 m b p s 高速数传接收机的组成及工作原理 以上已经选择了数字宽带中频接收机结构，这里主要介绍整个8 0 0 m b p s 高速 解调器的实现方案及工作原理，如图2 6 所示。 数字中频宽带接收机系统的工作流程是这样：高速a d c 以每符号4 采样点对 中频符号速率为2 6 6 7 m s p s 的模拟信号直接数字采样，利用它本身的1 ：4 解复接 器，输出四路2 6 6 7 m s p s 速率的采样数据。此高速数据输入到本数字中频接收机， 首先经过四路1 ：4 解复接器构成l ：1 6 并行处理结构；接下来在并行结构上完成 数字正交下变频混频，解调输出i q 两路基带信号，当a d c 采样频率与中频中心 频率满足定关系时，数字正交解调是免混频形式的，无需高频的载波本振。经 过频域匹配f f t s f f t 处理，并且通过4 ：l 的高速数据复接器完成并串化处理， 第9 页 国防科学技术人学研究生院：i ：学硕十学位论文 得到了i q 两路2 6 6 7 m s p s 速率的符号峰值采样点数据。此高速符号峰值采样点 数据经过载波相位误差旋转后实现载波恢复的相干解调最后输出得到符号同步且 载波同步的2 6 6 7 m s p si q 符号数据，送入到后面的差分译码电路。 图2 6 高速数传8 p s k 数字中频接收机系统模块组成 1 2 g h z 射频8 p s k 调制信号由其它仪器提供；下变频器与抗混叠滤波器，以 及本地的各个频综部分为模拟电路，分别放置在不同的模拟高频盒中，a d c 之后 的部分集成在同一块高速电路板中，这样，可以同时保证可靠性和降低电路设计 复杂度。整个接收机系统将放置在4 u 高的机箱内，所有电路均装入高频屏蔽盒。 2 3 设计高速数传接收机时面临的难点 研究高速数传接收机遇到的问题有： 1 低速时有成熟的载波恢复和位同步等算法；高速时，由于算法复杂度太 高，无达到高速实时处理要求，不能直接应用，须对算法进行改进或研究新的算 法。 2 因为解调器的符号速率为2 6 6 7 m s p s ，那么按照1 ：4 采样的要求a d c 的 速率要达到1 0 6 7 g b p s 。由于国外器件的禁运，这么高采样速率的a d c 很难从国 内购买到，而且高速a d c 器件的开发应用与高速p c b 电路板上信号完整性设计 具有很大的难度。 3 高性能频综设计。时钟的稳定性、抖动性能对高速a d 的影响至关重要， 为获得高信噪比的输出信号，就必须要求时钟的相位抖动非常小。如何获得性能 优良的时钟是一个难点。 4 设计与实现高速数据l ：1 6 解复接器。其关键性难点是：1 0 6 g s p s 高速数 据的串并处理算法设计及其高速数字电路实现。这必须要借助f p g a 器件内部特 有的串并变化硬核来实现该功能。 5 设计与实现高速数据数字正交解调器及其i q 支路复用处理。其关键性难 第l o 页 国防科学技术大学研究生院- 丁学硕+ 学位论文 点是：高速数据的并行结构正交解调算法与i q 分时复用的高速复接电路实现。 6 在高速情况下，信道更加恶化，对信道均衡技术要求更高。在高速情况下， 均衡算法的实现具有相当的难度，主要困难在于其计算量与其高速实现相矛盾。 2 4 小结 本章首先介绍了高速调制解调体制，分析