（微电子学与固体电子学专业论文）数字qam基带解调技术研究与实现.pdf

摘要 摘要 数字q a m ( q u a d r a t u r e a m p l i t u d em o d u l a t i o n ) 调制技术因其频谱利用率高、抗干扰能力强等优 点被广泛应用于数字电视等广播通信领域。在q a m 传输系统中数字解调器所采用的解调算法与 v l s i ( v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t i o n ) 实现是保证高速、稳定传输数据的关键。因此，本文主要研究 的是q a m 数字解调算法和v l s i 结构优化与实现。通过对解调算法的改进，最大限度地消除信道 对信号的干扰，提高q a m 解调器的性能和稳定性。算法到芯片实现过程中，在确保解调性能的同 时，通过优化v l s i 实现结构，降低电路实现的复杂度。 首先，本文建立了q a m 传输系统的m a t l a b 算法模型。分析研究了影响q a m 解调器性能的 主要因素。然后，针对采样和频率偏差大、且信道失真严重时的q a m 解调器工作稳定性问题，对 q a m 解调器的组成模块和控制策略进行算法层面的设计和改进：1 ) 采用最佳平方逼近算法拟合数 字频率合成器的正余弦三阶多项式，其s f d r 小于7 5 d b c ；2 ) 利用均衡器输出误差补偿信号增益， 采用这种方法设计的后置a g c 电路不仅不需要传统的增益检测模块，而且增益补偿捕捉速度比传 统a g c 快一倍以上；3 ) 改进了基于符号率的m & m 码元误差检测算法，扩大了码元同步环路的采 样定时偏差捕捉范围：4 ) 通过在载波恢复环路中的积分环路上增加一路寄存器实现扫频功能解决 了因均衡器延迟和频偏过大对q a m 解调器性能的影响：5 ) 用分阶段控制策略有效地解决了码元同 步与载波偏移之间，均衡与码元同步环路之间以及均衡和载波恢复环路之间的影响。最后，设计了 q a m 解调器芯片，并对关键模块的v l s i 结构进行了优化。采用n u s 算法量化了数字滤波器的系 数，使其具有良好的频率空间特性。通过复用、折叠等技术，在确保解调器的性能的前提下，降低 了电路实现的复杂度。芯片采用02 5 a m c m o s 工艺设计，面积为4 2 42 m m 2 。 本文芯片已通过c h a r t e d 流片验证。芯片测试结果表明，q a m 解调器的动态增益范围为7 5 + 7 d b m ，载波捕捉范围1 5 f s ，采样定时偏差的捕捉范围+ - 4 0 0 p p m ，功率消耗为 4 0 0 m w 6 9 m b a u d 。该芯片完全可以满足q a m 接收系统要求，并己经成功完成了数字有线电视的 接收。 关键词；q a m 解调器；载波恢复；码元同步：数字频率合成器；自动增益控制 a b g a b s t r a c t d u et ot h eh i g hb a n d w i d t hn $ a g ea n di n t e r f e r e rr e s i s t a n c e ，q u a d r a t m ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ( q a m ) i su s e dw i d e l yi nd i g i t a lc o m m u n i c a t i o n t h eh i g hp e r f o r m a n c eq a md e m o d u l a t o ra l g o r i t h ma n di t sv l s i i m p l e m e n t a t i o na l et h ek e y st oe 1 1 5 1 f f eh i g h - s p e e da n ds t a b l et r a n s m i s s i o no f d a t ai nq a mc o m m u n i c a t i o n s y s t e m s t h e r e f o r et h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e sb o t ht h eq a md e m o d u l a t o ra l g o r i t h ma n di t sv l s i i m p l e m e n t a t i o n b yi m p r o v i n gt h ed e m o d u l a t i o na l g o r i t h m , i tc a nm i n i m i z et h ec h a n n e li n t e r f e r e n c et ot h e s i g n a la n de l 】l l a n c et h ep e r f o r m a n c ea n ds t a b i l i t yo fq a md e m o d u l a t i o n d u r i n gt h ep r o g r e s sf r o m 柚 a l g n d t h mm e t h o dt oar e a lc h i p ，w ec o u l do p t i m i z ev l s is a - u u t a r et or e d u c ec i r c u i tc o m p l e x i t yw h i l e e n s u r i n gt h ed e m o d u l a t i o nc a p a b i l i t i e s ， i nt h i st h e s i s ，w ef i r s tc r e a t e dt h em a t l a ba l g o r i t h mm o d e l sf o rt h eq a mt r a n s m i s s i o ns y s t e m b a s e do na l g o r i t h mm o d e s ，s e v e r a lk e yi s s u e s ，w h i c hi n f l u c et h ep e r f o r m a n c eo ft h ed i g i t a lq a m d e m o d u l a t o r ，a g ei n v e s t i g a t e d s e c o n d l y , w ep u to l f ff o c u so nt h ei n s t a b i l i t yi s s u eo fq a md e m o d u l a t o r d u et ot h ec h a n n e l si m p e r f e c t i o n s ，s u c h ，c a r r i e r 姻m c yo f 融，s y m b o ls a m p l i n go t = e $ e ta n d i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e t h eq a m d e m o d u l a t o r sm o d e l sa n ds t r a t e g ya r ed e s i g n e da n di m p r o v e do nt h e a l g o d t h r aa s p e c t 1 ) t h ea l g o r i t h mo f d i r e c td i g i t a lf r e q u e n c ys y n t h e s i z e r ( d d f s ) ，w h i c hi sb a s e do nl e a s t s q u a r e ( l s ) a p p r o x i m a t i o n , i sp r e s e n t e dt oo p t i m i z es i n e - c o s i n ew a v et om a k es f d ro f o u t p u ts i g n a ll e s s t h a n - 7 5 d b c 2 1a ne q u a l i z e r - b a s e da g ca p p r o a c hi sp r o p o s e d , w h i c hu e q u a l i z e r se r r o rt oc o m p e n s a t e f o rt h ei i l p l i ts i g n a la d a p t i v e l ya n dr e d u c e st h ec o m p l i c a t i o no ft h eh a r d w a r ee f f i c i e n t l y 3 ) b a s e do nt h e r e s u i c t e dc o n d i t i o no fm & m a l g o r i f l f l l _ n a ni m p r o v e ds y m b o lr e c o v e r yf u n c t i o ni sa d o p t e d w h i c hc a n i m p r o v et h ec a p a b i l i t yo f s y m b o ls a m p l i n go f t s e ta n dr e d u c et h ep h a s ej i t t e r 4 1a d o p t i o np o l a r j u d g m e n t a n dr e d u c e dc o n s t e l l a t i o na l g o r i t h mt oc a t c hc a n r i e l f r e q u e n c yo f f $ c t b u td u et oe q u a l i z e rd e l a ya n d c h a n n e ld i s t o r t i o n , t h ep e r f o r m a n c eo ft h i sa l g o r i t h mw i l lb ea f f e c t e dt os o l v et h i si s s u e ，ac o u p l eo f r e g i s t e r sa r ea d d e dt ot h ei n t e g r a ll o o po fc a r r i e rr e c o v e r yl o o p ，s ut h a tc a l t a - f r e q u e n c ye i t o rc a nb e d r a u g h tw i t h i nc a p t u r i n gr a n g eo fc b i t i e rr e c o v e r yl o o p 5 ) b a s e do nt h ea l g o r i t h m i cs p e c i a l i s m ，t h e s t r a t e g yo f q a m d e m o d u l a t o ri si m r o d e c e d , w h i c hc a ni m p r o v et h er o b u s t n e s so f d e m o d u l a t o ri nt h ee v w o r s ec o n d i t i o n f i n a l l y , t h ea r c h i t e c t u r eo fq a md e m o d u l a t o ra n dt h ev l s ii m p l e m e n t a t i o no fk e y m o d u l e sa g e “p l a l n o d t h en u sa l g o r i t h mi su s e dt oo p t i m i z et h em a t c h e df i l t e ra n dh a l f b a n df i l t e r , w h i c hh a ss i g n i f i c a n t l yi m p r o v e dt h ec h a r a c t e r i s t i co fn 明u c yd o m a i n t h r o l l g ha p p l y i n gm u l t i p l e x i n g , f o l d i n ga n do t h e ro p t i m i z a t i o nt e c h n o l o g i e st or e d u c ec i r c u i tc o m p l e x i t yw h i l ee n s u r i n gt h ed e m o d u l a t i o n c a p a b i l i t i e s t h eq a md e m o d u l a t o ri sd e s i g n e du s i n g0 2 5 “mc m o st e c h n o l o g ya n di t sa c ai s4 2 4 2 m m 2 c h i pm e n t i o n e di nt h i sp a p e rh a sb e e np l o c e s s e da n dv e r i f i e db yc h a t t e d t h et e s tr e s u i t ss h o wt h a t t h eg a i nc o n t r o lr a n g ec mb ew i t h i n 7 5 + 7 d b m ，t h ef r e q u e n c yo f f s e tr a n g ec a l lb e l5 几，t h e s y m b o lo 凰e tr a n g eg a l lr e a c h + _ 4 0 0 p p m ，a n dt h ep o w e rc o u s m n p t i o ni s4 0 0 m a 6 9 m b a a c t , w h i c h s a r i s 母t h er e q u i r e m e n to ft h er e c e i v e rs y s t e ma b s o l u t e l y t h ed v b ct u n e rw i t ht h eq a md e m o d u l a t o r r c c o i v e rc h i pa l s oh a sr e c e i v e dd i g i t a lc a b l e i vp r o g r a m ss u c c e s s f u l l y k e yw o r d s ：q a md e m o d u l a t o r , c m r i e rr e c o v e t y ，s y m b o lt i m i n gr e c o v e r y , d d f s ，a g c 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南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 表示了谢意。 研究生签名：! k 日期：丝互! ：! 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容 和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以 公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究 生院办理。 期：喀! ， 第一章绪论 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 分析当代通信的发展趋势，数字通信成为引领通信变革的主潮流。在数字通信之前，人们主要 用的是模拟通信。模拟通信是使用连续信号来表示和传输信息的通信系统而数字信号是一种离散 的、脉冲有无的组合形式，是承载离散信息的信号。 模拟信号在传输过程中和叠加的噪声很难分离，噪声会随着信号被传输、放大，严重影响通信 质量。而数字通信中的信息是包含在脉冲的有无之中，只要噪声绝对值不超过某一个门限值，数字 接收机就可以通过判别脉冲有无，以确保通信的可靠性。另外，数字通信还可以采用再生中继方式 消除噪声，再生的数字信号和原来的数字信号一样，可继续传输下去，这样通信质量便不受距离的 影响，可高质量地进行远距离通信。因此，数字通信与模拟通信相比具有抗干扰能力强和适于远距 离传输等优点。 在数字通信中调制解调方式有三种基本方式：振幅键控、频移键控和相位键控。但单纯的这 三种基本方式在实际应用中都存在频谱利用率低、系统容量少等不足。而在现代通信系统中，通信 用户数量不仅在不断增加，人们亦不满足传统通信系统的单一语音服务，希望进行图像、数据等多 媒体信息的通信。因此，传统通信调制解调方式的容量已经越来越不能满足现代通信的要求。近年 来，如何在有限的频率资源中提供高容量、高速率和高质量的多媒体综合业务，是数字通信调制解 调领域中一个令人关注的课题。 通过近十多年来的研究，分别针对无线通信信道和有线通信信道的特征，提出了不同的高频谱 利用率和高质量的调制解调方案。其中的q a m ( q u a d r a t e a m p l i t u d em o d u l a t i o n ) 调制解调方案为： 发送数据在比特符号编码器内被分成速率各为原来1 2 的两路信号，分别与一对正交调制分量相乘， 求和后输出。接收端完成相反过程，解调出两个正交码流均衡器补偿由信道引起的失真，判决器 识别复数信号并映射回二进制信号。不过采用q a m 调制技术，信道带宽至少要等于码元速率， 为了码元同步，还需要另外的带宽，一般要增加1 5 左右。 o a m 调制方式的多媒体高速宽带数据广播系统采用d v b 有线数字视频广播标准”且2 心，代表 者数字化发展方向有1 6 q a m 、3 2 q a m 、“q a m 、1 2 8 q a m 、2 5 6 q a m 之分，采用“q a m 调制方 式，可在传统的8m h z 模拟频道带宽上传输约4 0m b p s 数据流，一个标准队l 通道上可以传输和8 套致 宇电视节目，它的末端用户可以是计算机，也可以是带数字机项盒的电视机。 q a m 数字调制还被广泛用于宽带接入应用中【4 】【，】【6 】。局部多点分布服务网( l m d s ) 和有线c a b l e m o d e m 基本采用t q a m 调制方式，而a d s l 采用的是d m t 调制方式，v d s l 传输速率要比a d s l 更高， 因此，v d s l 标准采用的调制方式有d m r 、q a m 和c a p 几种方式，其6 e c a p 方式和q a m 调制非常的 相似。 另外，在移动通信的应用中，w t w e h b 等人提出了将变速率q a i v l 应用于r i c i a n 信道的构想 他们提出了变速率q a m 的方案，并进行了研究证明这种调制方式具有良好的性能1 7 l p j 。q a i v l 在 相同的码元传输速率下，其基带信号带宽与2 d p s k ( d i f f e r e n t i a lp h a s es h i f tk e y i n g ) 相同，但是每 码元所代表的信息比特却可以比2 d p s k 多。 在数字q a m 系统设计时，首先需要关注数字调制解调的“速度和信息传输的“质量”这一 对互相矛盾的问题。 从“速度”方面说，m 进制的q a m 数字调制，其每一个传输信号携带了l 0 9 2m b i t 的信息， q a m 调制的频谱利用率就等于l o g ，m ( ( b i t s ) h z ) 因此，6 4 q a m 的频谱利用宰为6 ( ( b i t s ) ，h z ) ，而2 5 6 q a b t 的频谱利用率为8 ( ( b i t s ) h z ) 。 从“质量”方面说，在理论上，通过提高q a m 调制信号的阶教可以相应提高相同波特率下的 1 东南大学博士学位论文 传输速率，但在实际应用中，数字解调系统的抗干扰能力等各种因素的限制，q a m 调制信号的阶 数不能无限升高。当高阶q a m 调制时，尤其q a m 的调制阶数越高时信号间的影响也就越大。 所以，在q a m 系统方案设计时，“速度”和“质量”这对矛盾通常只能依据实际要求取得相对 的统一。可以在满足可靠性指标的前提下，尽量提高信息的传输速度：或者、在维持一定传输速度 的前提下，使得信息传输质量尽可能的提高。比如，在数字电视广播系统中，卫星电视系统因为无 线信道的多经衰落等干扰，通常采用的是q p s k ( q u a d r a t u r ep h a s es h i rk e y i n g ) 调制方式增加整个 系统的抗干扰性；有线数字电视传输因信号传输质量较高，则采用“阶正交幅度调制( q a m ) 提 高系统的传送速率。这就要求在设计通用q a m 解调器时，需要充分考虑不同q a m 调制的星座和 误差特性。仔细分析和选择解调方式以及解调算法。 和普通模拟通信系统相比，数字q a m 调制解调具有的突出优点为：通过差错控制编码等手段， 原则上可以控制信道噪声或干扰所造成了差错。具有代表性的差错控制编码有v i t e r b i 编码、c r c 码、b c h 码 9 i o l 等等，它们是利用数字信号可以进行数值计算这一特点，将若干个数字传输信号作 为一组，按照某种运算法则进行数值运算，然后将传输信号和运算结果一起传送给接收机。不过， 无论哪种纠错编码的纠错能力都是有限的。因为信号在信道中的传播过程中，会因为各种原因使被 传送信号产生严重的畸变，比如：1 ) 由通信系统内部组成器件引起的加性噪声；2 ) 来自信道上其 它用户的同频干扰；3 ) 信号在信道上传输时遇到的信号衰减、幅度和相位失真、频率偏移、多径失 真等。这些畸变会导致传输信号和编解码运算结果之间的关系破坏，传输信号或运算结果会因此产 生错误码，当信号传输过程中的干扰较为严重，传输信号中造成的误码超出纠错能力以后，纠错编 码将无法纠正错误。 因此，为了实现信号的可靠传输与接收，最大限度地减少和降低信道的干扰，满足纠错编解码 器的误差纠错能力，q a m 接收机需要对接收信号进行必要的适当处理： 针对异步q a m 解调系统，为了在没有训练序列情况下，迅速去除信号传输时附加的频率 偏移和符号偏差，必须设计出捕捉范围大、收敛速度快且误差抖动小的信号处理算法。 为了消除传输信道对q a m 解调系统的性能影响，需要分析出传输信道特征，合理选择自 适应均衡器的抽头阶数、均衡结构以及均衡算法。 增益控制、码元同步、载波恢复以及均衡之间园选择算法的不同而会使得各个模块之间 互相影响。需要充分考虑这些因素，合理设计解调器中每个模块的工作步骤。 因此，在q a m 数字解调系统的设计中还需要关注如何通过研究、改进接收算法有效消除传输所 造成的各种干扰保证在恶劣环境下正确接收的误码率性能。 最后，随着芯片制造工艺不断进步和集成度不断提高，使得全数字实现q a m 解调技术成为可 能1 采用全数字q a m 解调实现方案，可以减少相关模拟电路的数量提高解调芯片的集成度和 可靠性，使得整个系统的性能得到提高。但在解调芯片设计中，性能并不是越高越好，因为性能越 高则往往意味着芯片功耗和面积也要求越高。所以追求性能最大化的同时，应该尽可能地降低功耗 和芯片面积。从某种意义上说，通信算法是一种无休止的计算程序，相同的程序在一个无限的时间 序列上重复地执行。通过发掘在同一迭代过程内或多重迭代过程中间的任务依赖性，可以利用这种 无休止的性质来设计更高效的q a m 数字解调系统。同时，在实际设计中，还需要考虑较长关键路 径会限制芯片的性能，需要适当在算法的实现结构方面作出相应的变换，以便得到高速度、小面积 或低功耗实现的设计。所以一在q a m 数字解调的v l s i 实现上，需要将重点放在高效的架构和算 法方面，最终得到功耗、成本、性能三者的最佳折中 1 2 相关研究现状 根据上节的分析，信号在信道传输过程中会产生各种畸变。为了消除这些畸变影响，q a m 数 字解调器是由多个完成不同任务的模块和环路组成的复杂体系。因此，需要重点考虑一个关键问题： 如何在未知信道特征的情况下正确完成增益补偿、初始解调、匹配滤波、码元同步、载波恢复和 - 2 第一章绪论 自适应均衡等盲解调功能。其中，增益补偿、匹配滤波以及初始解调模块不容易受到其它因素的影 响，在设计时只需要关注提高自身模块的性能。但是，由载波恢复环路和码元同步环路等环路组成 的同步模块不仅容易受其它干扰参数的影响，而且算法的切换也需要和其它模块配合，所以，码元 同步环路、载波恢复环路的设计不仅需要考虑自身性能的提高，还需要与其他模块协同设计。 近期，对数字q a m 研究的相关文献较多。下面针对q a m 解调技术中的频率合成器 ( d d f s d i r e c td i g i t a lf r e q u e n c ys y n t h e s i z e r ) 、码元同步、载波恢复等几个主要模块和环路的研究状 况作详细的综述，其余组成模块和环路的研究状况在每个单独章节中再作介绍。 数字频率合成器主要用于初始解调和载波恢复模块中，完成正余弦载波的产生功能数字频率 合成器的实现分为基于r o m 和基于函数计算这两种实现方法。 1 最早提出d d f s 的实现方法，是用r o m 实现相位幅值转换电路【1 1 。在论文【1 3 】中提出利用正余 弦函数的对称性压缩r o m ，只需存储0 石，2 相位之间的函数值，再加上一些附加的逻辑就可以 完成整个正弦或余弦波的输出。 2 s u n d e r l a n d 等人于1 9 8 4 年提s u n d e r l a n d 结构q 。该结构的基本思想是用两个较小的r o m 来代 替原本包含较大字节的r o m 。分解出来的粗采样点r o m ( c o u r s er o m ) 给出较低精度的正弦采样 值，而细采样点r o m ( f i n er o r v 0 n 在低精度采样值之间进行插值以取得更高的正弦幅值精度 3 与s u n d e r l a n d 结构相比，n i c h o l a s 结构【1 1 给出了更加优越的r o m 分割方法，其存储的采样值是 基于数值优化理论选择的，用以减少幅值的均方差或最大绝对误差。 除了采用r o m 实现相位幅值转换电路，也可以把给出的相位信息经过一定的计算而得到正弦或者余 弦值。基于函数计算的主要几种实现方法包括多项式插值、t a y l o r ：i l6 j m j 、c h e b y s h e v l l ”以 及二阶抛物线插值【l ”等，关于函数计算的频率合成器设计综述，将在第三章对频率合成器性能比较 时详细说明。 码元同步环路完成接收信号码元速率的估计和采样相位的估计，关键组成模块是码元误差检测 器和插值滤波器。码元误差检测器有多种不同的算法可以实现，目前常用的码元误差检测罂主要由 早迟门算法、g a r d n e r 算法和m & m 算法算法实现。 1 早迟门算法口0 1 需要接收端至少以三倍码元速率进行采样，如果采用这种算法则需要在码元同步 模块前面的电路至少工作在三倍码元速率，后面的模块可以通过信号的抽取使其工作在三倍码 元速率以下。 2 g a r d n e r 算法口1 1 需要接收端以两倍码元速率进行采样，与早迟门算法相比较，g a r d n e r 算法对 系统速度和硬件资源要求不是很高。另外，它还具有对载波偏移不敏感的特性。但是，g a r d n e r 算法的码元中间采样点会引入噪声，因此，在高阶q a m 调制采用g a r d a e r 算法时，码元中间 点的码间干扰比较大。 3 m & m 算法口4 的自身噪声比g a r d n e r 算法的要小嘲口l 。但是它不仅符号率偏差捕捉范围小，而 且对载波偏移敏感，在系统中需要载波恢复环路先锁定频偏。 码元同步环路中的插值滤波器有：线性插值，抛物线插值和立方插值等 t 2 0 1 1 2 刀。 1 线性内插是一种最为简单的内插形式，其冲击响应为三角形状，在冲击响应的中间点的值为l 。 2 三阶拉格朗日内插结构在通带范围内的主瓣比较宽，比线性插值的通带特性平坦，且边瓣的衰 减大约为3 0 d b ，因其在时域和频域都具有较好的特性，得到比较广泛的应用。 3 分段抛物内插可以通过调整盯因子来改变其频谱特性。当口= o 时，简化为线性内插；当口= 0 2 5 时，其频谱和立方内插相似立方内插因在频谱方面的性能优于分段抛物内插和线性内插， 得到比较广泛的应用。 数字解调中的载波恢复方法主要分为非面向判决载波恢复和面向判决反馈载波恢复。非面向判 决载波恢复方法( 平方环) 将数据处理为随机变量，平方环的优点在于无需精确的数据判决，即使信道 中存在严重的衰落，误比特率较高，载波也可以实现同步，这样载波环路可以独立于均衡器而实现 但是捕捉性能会随着q a m 阶数的增加而衰减，因为大多数符号没有位于对角线的位置而使环路跟踪 困难。而且平方运算都会引入较大的噪声，从而增加相位误差。 在面向判决的相位估计( 通用载波恢复环o ”、直接判决( d d - d e c i s i o nd i r e c t e d ) 删、减星座 3 东南大学博士学位论文 ( r c - r e d u c e dc o n s t e l l a t i o n ) 算法 3 1 1 3 2 1 p 3 ) ) 中。假设信息序列已经估计出来并且是正确的，通过 判决前数据与判决后数据的运算得到相位估计值。 1 莱耳特( a l e c l e n ) 于1 9 8 3 年提出了一种专门用于q a m 信号的通用载波恢复环。这种环路结构简 单、容易实现但它对基带信号进行了硬判决因此它并没有充分利用基带信号中的信息当 载波频差较大时，判决错误的概率较高。 2 直接判决( d d ) 在载波频偏或相偏太大时，因为无法得到正确的符号判决值，也会不能实现载 波同步，但这种算法相位抖动很小，比较适合环路的跟踪。 3 减星座( i k ) 相位检测算法假设所有星座点都受到白噪声的干扰，那么离原点最远的星座点受 到的影响最较小。于是，对于1 6 q a m 、6 4 q a m 、2 5 6 q a m 我们可以利用星座图中角上的进行相 位跟踪，通过判断星座点到原点的距离实现星座点的鉴别。这种算法可用于高阶q a m 的载波恢 复，并且能够纠正较大的频率偏差，但稳态时相位抖动较大。 具有代表性的关于q a m 盲解调技术的研究论文发表在1 9 9 8 年1 2 月的固态电路学报t 【”。但是， 该文献只能处理采样率为中频4 倍的数字信号，所以，文献中的q a m 解调器从功能上说并不是十 分完善。文献 3 】介绍了一款支持1 6 6 4 q a m 的解调器，该芯片捕捉频偏和定时误差能力并不是很强 而且不支持高阶q a m 信号模式。文献1 3 5 介绍的解调器采用了符号间隔和分数间隔的均衡结构，但 不支持1 2 8 q a m 信号模式，而且载波频偏捕捉范围较小。文献 2 】给出了较完整的q a m 解调器结构， 但只支持6 4 q a m 模式。文献 4 1 1 给出了支持4 - 2 5 6 q a m 解调的算法，均衡器采用m m a 和l m s 模 式，并且对载波频偏和码元定时偏差都作了较为详细的分析，但该文献没有给出恶劣信道下，如何 保证系统稳定性的控制方法。 数字q a m 解调技术自提出至今虽然已得到一定发展，但研究偏重于实现q a m 解调的各种模 块的算法实现。关于运用这些模块搭建整个q a m 解调结构使其满足设计性能要求。目前相关方法 并不是很多，如何在有限的面积和功耗情况下，增强q a m 解调的性能是该领域亟待解决和完善的 主要问题。另外，信道的复杂度对高阶q a m 解调也提出了更大的挑战。因此完善q a m 解调技术 的设计方法与理论，设计实现高性能q a m 解调器是十分值得研究的课题 1 3 论文的主要工作和创新点 1 3 1 论文的主要研究工作 本文主要研究工作内容具体包括以下四个方面： q a m 系统的性能、影响参数和系统结构的研究 首先针对传输信道的特点，深入分析了q a m 解调系统的性能指标以及影响这些性能的干扰因 素。通过性能指标的确定和传输信道干扰的分析，系统地研究了q a m 解调系统的体系结构以及关 键功能模块。 增益补偿、数字滤波器和频率合成器的优化设计 对于前置a g c 电路设计，考虑到a g c 环路的捕获速度和跟踪误差两个性能指标，增加了可调 环路带宽和辅助幅度误差设置的功能。另外，通过双路a g c 控制，使得系统的增益控制环路具有 更大的增益控制范围。最后，通过对输出p w m 脉宽的限制，使得本文设计的前置a g c 有更好的通 用性。另外，输入信号的频率偏移等因素会导致滤波器输出信号能量损失，带来信号精度不足的问 题。针对这个问题，本文通过分析均衡器输出误差的特性给出基于均衡输出误差的后置a g c 增 益误差提取方法，并证明了这种方法的稳定性。对于数字频率合成器。在算法上提出用最佳平方逼 近法优化输出载频的正余弦输出幅度精度提高了频谱纯度。对于奈奎斯特匹配滤波器和半带滤波 器在结构设计方面，采用n u s 算法优化了系数量化方法，获得较好的阻带抑制和通带纹波这两个关 键性能指标。 码元同步和载波恢复环路的优化设计 4 第一章绪论 传统m & m 算法因其对系统速度和硬件资源要求晟低，自身噪声比g a r d n e r 算法小而被广泛用 于码元同步环路设计中。但其最大符号率误差捕捉范围一般只能达到+ - 5 0 p p m + - 8 0 p p m 。本文 在分析m m 算法约束条件基础上，改进了码元误差检测方程。基于该误差检测方程的码元同步环 路不仅具有符号率偏差捕捉范围大的特点，而且当环路捕捉到符号率偏差且均衡器收敛后，还可以 利用传统m & m 算法，对残留码元偏差进行跟踪，获得较小的稳态相位误差。在前人研究基础上， 采用减星座加极性判决算法捕捉载波频率偏差，并在稳定后切换到直接判决算法，获得较小的频率 误差抖动。但因均衡器延迟和信道严重失真的影响，频偏捕捉算法的性能会有所下降。通过在载波 恢复环路中的积分环路上增加一路寄存器实现扫频功能，可以将载频误差牵引至载波恢复环路能够 捕捉到的范围中。这种设计的突出优点为：硬件资源开销不大；增强q a m 解调器在大频偏、强干 扰下的工作稳定性：自动锁定频率误差，无需人工停止扫频功能。 全数字q a m 解调器的控制策略和v l s i 实现 着重研究了q a m 解调器中的关键环路之间的影响，优化设计了基于均衡器输出的均方误差基 础上的分阶段控制策略。对全数字解调芯片的v l s l 实现进行了研究以全数字实现方案为基础， 给出了关键模块的v l s i 结构优化设计方法 1 3 2 论文的创新点 论文的主要创新点体现在： 1 提出利用最佳平方逼近算法( l s ) 设计了数字频率合成器，提高了数字频率合成器的关键性能 指标s f d r ( s p u r i o u s f r e e d y n a m i c r a n g e ) 。数字频率合成器有两种方式实现：相位幅度查表 法和函数计算法。相位幅度查表法为了得到满意的频谱纯度( s f d r ) ，就必须加大查找表r o m 的容量。而目前通用的函数计算法存在阶数较少时，拟合近似不精确的问题。本文根据最佳平 方逼近算法能得到整个拟合区间最小平方误差的特点，提出利用该算法来产生数字频率合成器 的正余弦输出信号。采用最佳平方逼近算法设计的数字频率合成器只需要3 阶多项式，输出的 s f d r 就可以达到7 5 d b c 。 2 改进并设计了q a m 解调罂的关键环路以及控制策略。设计出一种利用均街器输出误差补偿信 号增益的后置a g c 电路，采用这种方法设计的后置a g c 电路不仅不需要传统的增益检测模块， 而且增益补偿捕捉速度比传统a g c 快一倍以上；改进了基于符号率的m & m 码元误差检测算 法，可以使得环路的采样定时偏差捕捉范围扩大到+ _ 4 0 0 p p m ，而且当环路捕捉到符号率偏差 且均衡器收敛后，还能获得较小的稳态相位误差：通过在载波恢复环路中的积分环路上增加一 路寄存器实现扫频功能，解决了因均衡器延迟和频偏过大的影响，频偏捕捉算法的性能会有所 下降的问题；设计了基于均方误差控制的q a m 解调器关键环路控制策略，有效地解决了码元 同步与载波偏移之间，均衡与码元同步环路之间以及均衡和载波恢复环路之间的影响。 3 优化设计并实现了q a m 解调芯片。以q a m 解调器全数字实现方案为基础，优化了敷字滤波 器、增益补偿环路、载波恢复环路、码元同步环路、以及自适应均衡器等关键模块的v l s i 实 现结构。在确保q a m 解调器性能的前提下，降低了电路实现的复杂度。芯片采用c h a r t e d 0 2 5 丘c m o s 工艺设计并已经成功完成了数字有线电视的接收。 1 4 论文的结构 本文总共包含六个部分。除去本章外，后续各章的内容如下： 第二章首先对数字通信系统的基本组成进行了简要概述。然后系统分析了q a m 调制解调技术和 q a m 数字接收机的结构。最后，在论述系统性能指标和影响性能的关键问题基础上，提出 全数字q a m 解调系统的设计规范、需要优化设计的关键点 第三章首先根据功能模块是否不易受其它模块性能参数的影响划分出相对独立的增益补偿、频率 合成器和数字滤波器等模块，然后详细阐述这些模块的设计原理和方法：考虑到a g c 环路 的捕获速度和跟踪误差两个性能指标，增加了可调环路带宽和辅助幅度误差设置的功能， 一5 一 东南大学博士学位论文 并通过双路a g c 控制，使得系统的增益控制环路具有更大的增益控制范围和更小的信号失 真特点；设计的数字频率合成器在算法上提出了用最佳平方逼近法优化输出载频的正余弦 输出幅度精度：对半带滤波器和奈奎斯特滤波器进行相应的结构优化，在保证性能要求的 情况下，进一步节省硬件消耗资源。 第四章在分析传输信道模型的基础上，通过仿真确定自适应均衡器的算法和抽头阶数；并且，针 对接收信号存在幅度衰减的问题，采用均衡器自身误差自适应补偿信号增益，有效降低了 后置a g c 实现的复杂度；通过改进m & m 误差检测方程，增大了码元同步环路的误差捕捉 范围，另外，用频率响应最小均方误差的方法优化设计了插值滤波器。用m a t l a b 对滤波器 的性能进行了仿真，结果表明其对镜像信号的抑制性能比其它通用插值滤波器更好；最后 采用了不同的鉴频算法保证了不同q a m 模式的频率捕捉性能。 第五章在上述研究成果的基础上，进一步分析了不同模块之间的相互影响，优化设计了在复杂环 境下保证q a m 解调器稳定工作的控制镱略；并给出了q a m 解调器的v l s i 设计结果和性 能分析。 第六章总结本文的研究成果，指出有待改善的地方，明确将来的研究重点 6 第- - 章q a m 数字解调系统 第- - 章q a m 数字解调系统 2 1 数字调制解调概述 数字调制解调系统主要研究的课题为数字形式的信息从产生该信息的信源到目的地的传输问 题。在整个数字调制解调系统的分析和研究中，特别重要的是信息传输通过的物理信道的特征，根 据信道的特征规划设计系统的基本组成和功能。下面简单阐述数字通信系统的组成部分、信道特征 及调制信号的表示法。 圈2 1 显示了一个数字通信系统的功能特性框图和基本组成部分信源、信源编码器、信道编 码器和数字调制器组成了通信系统的发射器；数字解调器、信道译码器、信源译码器和输出变换器 组成了通信系统的接收器唧j 田2 1数字通信系统的基本组成框田 在发送端，信源输出的可以是模拟信号。也可以是数字离散信号，如音频或者视频信号。通过 信源编码器将这些信号处理成压缩后的二进制数字序列，尽量减少信源输出的信号冗余。由信源编 码器产生的二进制数字序列称为信息序列，它被传送到信道编码器。信道编码器的目的是在二进制 信息序列中以算术的方式引入一些冗余，以便在接收机中用于克服信号在信道中传输时所遭受到的 噪声和干扰的影响。例如，有线数字电视系统中的r s ( r e e d s o l o m o n ) 信道编码一次提取1 8 8 个信 息，并将每1 8 8 个信息字符映射成唯一的2 0 4 字符序列。通过r s 信道编码。虽然增加了1 6 个冗余 字符，但可以最多纠正8 个错误字符。信道编码器输出的二进制序列送至数字调制器，它是通信信 道的接口。因为在实际中遇到的几乎所有的通信信道都能够传输电信号波形，所以数字调制的目的 是将二进制信息序列映射成信号波形。假定己信道编码的信息序列以均匀速率r ( b s ) 一次一个比 特传输，如果采用m 元调制( m 2 ) 数字调制器采用m = 2 6 个不同的波形墨( f ) ， f = 0 ，l ，z ，m ，每一个波形用来传输2 6 个可能的b 比特序列中的一个序列因此，当信道比特率 r 固定，每b r 秒就有一个新的b 比特序列进入m 元字调制器。 数字通信系统的通