（电路与系统专业论文）高阶qam数字快速解调及电路设计.pdf

摘要 摘要 失了解决信惠传输量靼有限带竟这对矛詹，各种现代调利解调技术都在遣求 可靠的高速数据传输。q a m ( q 麟l r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ) 技术具有较高的频 谱利用率和抗噪声性能等优点，可以满足数字通信系统的这些要求。 逶常高阶q a m 调制信号在传输时会遇到多径等因素的影响，这样就需要进 行自适应均衡设计。与此同时，由于发射端和接收端的本地振荡源不同会产生相 位镳差甚至旋转，就必须对接收舞酶信号进行载波恢复。传统的囱适应均衡算法 大多是基于固定星座相位的，星座相位较大的抖动都会使其不能收敛。予是就需 要一种对相位不敏感酶算法，最常用的一种算法就是c m a ( c o n s t a n tm o d u l u s a l g o r i t h m ) ，但是其收敛后产生的误差较大，只能用于初步均衡。同时，载波恢复 算法在正常稳定工柞之前需要均餐算法壳服多径等干扰，均衡输滋鼢误差遭大也 会使得前者收敛性能下降，甚至失锁。这对矛盾会使缛在整体设计中很难找到一 静鼹全其美的设计方案。 针对这一矛盾，本论文针对一些解调算法徽了一定的研究，在此基础上，提 出了c m a - - h c m a ( h c m a ，h i e r a r c h i c a lc o n s t a n tm o d u l u sa l g o r i t h m ) g g 模式自适 应均衡算法，并且改进了载波恢复算法。c m a - - h c m a 双模式囱适应均簿算法 利用了信号羔阶矩对楣位不敏感的特性，采用敲阶q a m 信号的二阶统计量进行 运算。囊予这种算法对于载波相位并不敏感，可以在载波恢复之前就酉戬快速收 敛，而且产生的最小均方误差较小，从而减少了载波恢复算法性麓的下降。对于 6 4 阶q a m 薅言，本文提出麴载波恢复算法可 ；走在5 0 0 0 个符号周期海快速捕获 l l ( 置是波特率) 的频差。基于算法的改进，电路结构可以作如下调整，将独 立性较强豹符号犀步模块放到接收撬解调毫路的最蓠端，鑫适应均衡模块次之， 载波恢复模块放在最后。这样，电路结构显得更加清嗽。仿真表明，在6 4 q a m 信号通过黧轴电缆信道模塑著置发生l l f 频编懿情况下，这种结构珂以在 1 2 5 0 0 个符号周期内实现解调。 隽了验诞上述算法，本文应用了彝顶惫下的设计方法，使爱v e r i l o gh d l 对 6 4 阶q a m 调制和解调算法进行了r t l 级设计。基于a l t e r a 公司的 摘要 e p 2 c 8 q 2 0 8 c 8 n 型号f p g a 芯片，完成硬件电路设计，在这个硬件平台上初步实 现了调制和解调算法，从蔼验证了算法的正确性。 关键词；q a m 解调，符号圈步，盘适应均衡，载波恢复 a b s t r a c t a b s t r a c t t os o l v et h ec o n t r a d i c t i o no fv a s tc o m m u n i c a t i o nd a t aa n dt h el i m i t e df r e q u e n c y b a n d w i d t h ，av a r i e t yo fm o d e mm o d u l a t i o n d e m o d u l a t i o nt e c h n i q u e s a r e s e e k i n g s t a b l e c a p a b i l i t y o fh i g h s p e e dr a t e q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ( q a m ) t e c h n i q u eh a st h ea d v a n t a g e so fh i 曲b a n d w i d t he f f i c i e n c ya n dn o i s er e s i s t a n c es ot h a t i tc o u l dm e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s g e n e r a l l y , t h et r a n s m i t t e dh i g h - o r d e rq a ms i g n a l sw o u l db ea f f e c t e db yt h e m u l t i p a t hp r o b l e m t oe l i m i n a t e t h ed i s t u r b a n c eo fm u l t i - p a t ht ot h e s i g n a l t r a n s m i s s i o n , t h ed e m o d u l a t o rn e e d sas e l f - a d a p te q u a l i z e r w h e nt h el o c a lc l o c k so f t r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e ra r en o tm a t c h e d ，t h e r ei sap h a s ee x c u r s i o no re v e nap h a s e r o t a t i o n t or e s o l v et h eu n m a t c h e dl o c a lc l o c k s 。t h ed e m o d u l a t o rn e e d st or e c o v e r y 也e c a r r i e rw a v eo ft h er e c e i v e ds i g n a l s t h et r a d i t i o n a ls e l f - a d a p te q u a l i z a t i o na l g o r i t h m s t h a tb a s e do nt h ef i x e dc o n s t e l l a t i o np h a s ec a l ln o tc o n v e r g ei nt h ec o n d i t i o n so fa s t r o n gp h a s ej i t t e r s oi ti sn e c e s s a r yt of i n da l la l g o r i t h mt h a ti so fl i t t l ec o r r e l a t i o no f p h a s e t h em o s tc o m n l o na l g o r i t h mi sc o n s t a n tm o d u l u sa l g o r i t h m ( c m a ) ，b u ti t s m s ei sr e l a t i v e l yl a r g ea f t e rc o n v e r g e n c e c m ai s o n l yu s e di nt h ep r i m a r y e q u a l i z a t i o n i nt h es a m et i m e , b e f o r et h ec a r r i e rw a v er e c o v e r ym o d u l ew o r k ss t a b l y , t h e e q u a l i z e rn e e d s t oe l i m i n a t et h ei n t e r f e r e n c e ( i e m u l t i - p a t h ) 。s i n c et h e e q u a l i z a t i o nh a sal a r g ee r r o r , t h ec a r r i e rr e c o v e r ym o d u l ew i l ls p e n dal o n gt i m ei n c o n v e r g i n g , o re v e nc a nn o tc o n v e r g e t h e r e f o r e ，i ti sh a r dt of i n dap e r f e e th o l i s t i e s c h e m eb e c a u s eo ft h ec o n t r a d i c t i o n b a s e do nr e s e a r c h i n gs o m ed e m o d u l a t i o na l g o r i t h m st os o l v et h ep r o b l e m ，t h e a r t i c l ep r o p o s e dt h ec m a h c m a ( h c m a ，h i e r a r c h i c a lc o n s t a n tm o d u l u sa l g o r i t h m ) d u a ls e l f - a d a p te q u a l i z a t i o na l g o r i t h mt os o l v et h ea b o v ep r o b l e m s ，a n di m p r o v e dt h e c a r r i e rr e c o v e r ya l g o r i t h m 。t h es i g n a l s m o m e n ti si n d e p e n d e n to ft h es i g n a lp h a s e , s o t h ec m a - h c m ae q u a l i z a t i o na l g o r i t h mu s e st h es e c o n d o r d e rs t a t i s t i c so fh i g h o r d e r q a md e m o d u l a t i o ns i g n a l st oc o m p u t et h ee q u a l i z a t i o nc o e f f i c i e n t s n ea l g o r i t h m c a nc o n v e r g eb e f o r ec a r r i e rr e c o v e r y , a n di t sm s ei ss m a l l f o rt h e6 4 q a m ，t h ec a r r i e r r e c o v e r ya l g o r i t h mi nt h i sa r t i c l ec a nc a p t u r et h ef r e q u e n c yd i f f e r e n c eo f11 o ft h e l a b s t r a c t b a u dr a t ei n5 0 0 0s y m b o lp e r i o d s b a s e do nt h ea l g o r i t h m si m p r o v e m e n t ，t h es y s t e m c i r c u i ts t r u c t u r ec o u l db ea d j u s t e d 鑫sf o l l o w s ：t h ef n s tc i r c u i tm o d u l ei st h es y m b o l s y n c h r o c y c l o t r o nm o d u l e ，w h i c hh a ss t r o n gi n d e p e n d e n c e t h en e x ti st h es e l f - a d a p t e q u a l i z e rm o d u l e ，a n dt h el a s ti st h ec a r r i e rr e c o v e r ym o d u l e o b v i o u s l y , t h i sc i r c u i t s t r u c t u r ei sd e a r e ra n ds i m p l e rt h a nb e f o r e i nt h ec o n d i t i o nt h a tt h e6 4 q a m s i g n a l s h a v ep a s s e dt h ec a b l ec h a n n e lm o d e la n dh a v et h ef r e q u e n c yd i f f e r e n c eo f11 o ft h e b a u dr a t e , t h em a t l a bs i m u l a t i o np r o v e st h a tt h i ss t r u c t u r ef i n i s h e s 也ed e m o d u l a t i o ni n 12 5 0 0s y m b o lp e r i o d s t o p r o v et h ea b o v ea l g o r i t h m , t h ea r t i c l eu s e st h ev e r i l o gh d l t oc o m p l e t et h e r t ld e s i g n a tl a s t ，ah a r d w a r ec i r c u i th a sb e e nd e s i g n e db a s e do nt h ef p g ao f e p 2 c 8 q 2 0 8 c 8 np r o d u c e db ya l t e r a i nt h ep l a t f o r m ，t h em o d u l a t i o na n d d e m o d u l a t i o na l g o r i t h m sa r er e a l i z e dp r i m a r i l y , w h i c hp r o v e st h ea l g o r i t h m sc o r r e c t k e yw o r d s ：q a md e m o d u l a t i o n , s y m b o ls y n c h r o c y c l o t r o r t , s e l f - a d a p te q u a l i z a t i o n , c a r r i e rr e c o v e r i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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 为获得电子科技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。 签名：酱揭 日期：刀留年4 月孑日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 躲翅捣一铈徘，巡 日期：如l l r 年牟月孑e t 第一章引言 第一章引言 数字调制的主要目的是将二进制信息序列映射成信号波形【1 1 ，并且将这种信号 波形搬移到规定的频带上。数字调制解调技术主要有三种基本方式：幅移键控( a s k , a m p l i t u d es h i f tk e y i n g ) 、频移键控( f s k , f r e q u e n c ys h i f tk e y i n g ) 与相移键控( p s k ， p h a s es h i f tk e y i n g ) 。但是，单纯的这三种基本方式在实际通信系统应用时存在着 诸多不足，比如频谱利用率低，抗多径和抗衰落能力差等。因此，为了改善这种 情况，在现代通信应用中，人们提出了新的数字调制解调方式。其中包括正交幅 度调制方式( q a m ) ，它是对载波振幅和相位同时进行数字调制的一种复合调制方 式。 围绕着q a m 这种调制方式，本章节首先阐述其调制和解调技术的基本原理和 结构框图，再根据基本概念和公式分析其性能，最后简单介绍一下研究背景及其 本人主要工作。 1 1q a m 调制解调技术原理 一般来讲，q a m 可以看成幅度调制与相位调制的一种联合调制方式。需要发 送的二进制数据经过串并转换、格雷差分编码和图形映射分成i 路和q 路两路幅 度信号4 ，。和如，再通过成形滤波器g ( f ) 产生基带信号，( f ) 和q ( t ) ，最后由这两 个独立的基带波形对两个正交的同频载波进行调制，利用其在同一带宽内频谱正 交的性质来实现两路并行的数字信息传输，如图1 - 1 所示。 所以其信号波形可以表示为： s ( f ) = i ( t ) e o s ( c o 。t ) 一q ( t ) s i n ( o t ) ( 1 - 1 ) 其中，( f ) 和q ( f ) 是两个独立的带宽受限的基带信号；e o s ( o d 。t ) 和- s i n ( c o j ) 是相 互正交的载波信号。其中l ( t ) c o s ( c ot ) 通常称为同相信号，而一q ( t ) s i n ( c o 。t ) 称为正 交信号，这两路信号相加就构成了q a m 调制后的中频信号s ( f ) 。实际上，q m v t 信号的调制过程就是两路独立的p a m ( p u l s e a m p l i t u d em o d u l a t i o n ) 信号经过载波调 制后相加而成的。 这种中频发射信号的表达式经过三角变换可以写成： 电子科技人! 学硕+ 学位论文 s ( f ) = a ( t ) c o s ( q t + 口( f ) ) ( 1 - 2 ) 其中 a ( t ) = 4 i ( t ) 2 + q ( f ) 2 ( 1 3 ) 阶舳( 器m ( 1 - 4 ) 这里可以从式( 卜2 ) 、式( 卜3 ) 和式( 卜4 ) 中看出q a m 就是一种幅度和相位的 联合调制方式。 ( f ) q ( t ) ( f ) q ( f ) 图1 - 1q a m 调制解调基本框图 在这里为了简化推导公式，假设信道是理想信道，也就是说s ( t ) = s ( f ) 。则 q a m 解调的数学推导公式如下： l ( f ) = s ( t ) c o s ( c o t ) = s ( t ) c o s ( c e ? ) = i ( t ) c o s ( c ot ) 一q ( f ) s i n ( q f ) 】c 0 s ( 碰f ) ( 1 5 ) = i ( t ) e o s ( c ot ) e o s ( o ：f ) 一q ( t ) s i n ( t ) e o s ( d d ) ：昙( f ) c o s ( 吐一吐v + c o s ( q + 吐) f 】一丢q ( f ) s i n ( 啡一越弘+ s i n ( 吐+ 越) f 】 q ( f ) = 5 ，( f ) ( 一s i n 以f ) = - s ( t ) s i n ( d t ) = - i ( t ) e o s ( c o d ) 一q ( t ) s i n ( c o 。t ) s i n ( c o d ) ( 1 - 6 ) = 一，( f ) c o s ( q f ) s i n ( 越f ) + q ( f ) s i n ( 哆f ) s i n ( 哇f ) = 导，( f ) 【s i n ( q 一畦) f s i n ( q + 吐) 幻+ 吾q ( 研c 0 s ( 吐一4 弘一c o s ( q + 4 ) 力 2 第一章引言 ( f ) 和o a t ) 再分别通过低通滤波器，滤除高频分量，即可以得到公式： j 如) = 三，( f ) c o s ( q 一吐弦一主q ( f ) s i n ( q 一礁) f ( 1 - 7 ) q q ) = i 1 ，( f ) s i n ( 哆一吐v + 三q ( f ) c o s ( q 一越弦( 1 - 8 ) 假设q = 吐，即相干解调时式( 卜7 ) 和式( 卜8 ) 可以化简为 八f ) - 三m ) 0 - 9 ) q u ) ：委q ( f ) 0 - ：o ) 这样除幅度上衰减一半外，就可以将传输的基带信号无失真的恢复出来，再 根据成形滤波器的眼图特点找出最佳采样点将幅度信息转化为二进制形式，最后 经过格雷差分解码和并串转换，就得到了最终的数据。 1 2q a m 调制方式的错误概率 矩形q a m 信号星座具有容易产生的优点，即通过在两个正交载波上施加两个 p a m 信号来产生，而且它们容易被解调。对于要达到给定最小距离的要求来说， 该星座所需的平均发送功率仅仅稍大于最好的q a m 星座所需的平均功率。正因为 如此，本人所采用的高阶q a m 星座图就是矩形星座图。 在对于m = 2 且k 为偶数的矩形信号星座图q a m 信号星座等效为两个正交 载波上的两个p a m 信号，其中每个具有m = 2 剧2 个信号点。因为在解调器中可 以将相位正交的两个信号分量完全分开，所以q a m 的错误概率可以由p a m 的错 误概率求得。即这种m 阶q a m 系统的正确判决概率是： = ( 1 一) 2 ( 1 1 1 ) 其中p 瓜是4 m 阶p a m 的错误概率，在等效q a m 系统的每一个正交信号中， m 阶p a m 具有一半平均功率，通过适当修改m 阶p a m 的错误概率，可得： = 2 ( 1 一击) q ( ( 1 1 2 ) 式( 1 - 1 2 ) 中的急是平均符号信噪比( s n r ，s i g n a l n o i s er a t i o ) ，并且定义积分 电子科技人学硕十学位论文 函数q ( 工) 2 面1 r p 。，2 出。因此，m 阶q a m 的符号错误概率为： 昂= l 一( 1 一) 2 ( 1 - 1 3 ) 该结果对于m = 2 且k 是偶数时是准确的。当k 为奇数时，使用最佳距离度 量作为判决依据对于矩形信号集进行错误概率计算，其符号错误概率的紧密上边 界为： 邵1 - 【1 堑2m “q ( 鳖( m - 1 ) n o ) 该式适用于任何尼1 的情况，其中瓦售 b a v 是平均比特信噪比。根据以上的知识 j 正 辨 留 噻 尝 筮 ：；。：2 2 c ：2 一k - 2 乏! 三警，! 乏；j ：羞事：! ：爱 ：二：霉：譬0 蔓兰蔓 - 一。；。? 。一一、j 一_ 一- ；一一i 一= 一r 一一一一：- 一p 一 - 一屯一一一：i 一一一一 一一一! 一：一一一一 ：= = = = = = = = ：= = ；：二z = = = = ： = = = = = = = - - - - i = ! = = = = = = ：- v ! - ：一- ：艾： ：i = ：= ： 一一一l 一一一二j 一一一、一j 一j 一一1 一一一 ： - 1 0 2 4 阶 。一：= 、：二二一- ：荨：二：- 一i - 二二：二二二： + 2 5 6 阶 ：- ：j ：一- ：i ：一一一- i - ：二 一一6 4 阶 f 1 6 阶 一一r 一一k 一一- j 一一一一1 一一一一一一 ：撕 i 一 图1 - 2 q a m 比特错误概率 1 3 研究背景及其本人主要工作 q a m 技术具有较高的频谱利用率和较好的抗噪声性能等优点，在近年光缆调 制解调、甚高速数字用户环路哪一h i g h - b i t r a t ed i g i t a ls u b s c r i b e rl o o p ，缩写为 v d s l ) 、高清数字电视广播及数字微波传输的宽带通信领域中受到了广泛的重视 4 第一章引言 和研究。在我国的第四代移动通信研发中就是使用q a m 作为子载波进行调制的， 这种调制方式可以根据不同的环境选用不同的阶数，以适应复杂的环境。 q a m 系统所支持的模式通常有4 阶q a m ( 也叫做四相相移键控，o p q u a t e m a r y p h a s es h i f tk e y i n g ，缩写为q p s k ) 、1 6 阶q a m 、3 2 阶q a m 、6 4 阶q a m 、1 2 8 阶q a m 、 2 5 6 阶q a m q b 的一种或者几种。近年来日本s h i n i c h in o m o t ok d d ir & d 实验室声称 设计出支持1 0 2 4 q a m 模式的宽度固定无线接入系统( b r o a d h a n df i x e dw i r e l e s s a c c e s s ，简称b f w a ) t 2 1 ，它是在信道相对较好的情况下在8 5 m h z 的带宽上传输1 0 2 4 阶q a m 信号，实际频带利用率可以达到7 9 4 b i t s h z 。对于如此高的频带利用率， 在现如今频带资源紧张的情况下，q a m 尤其是高阶q a m 调制解调器应当得到广泛 的研究。 q a m 信号的解调方法很多，主要方法有以下三种【3 】：模拟相干解调、数字相 干解调和全数字解调。分析以上描述的三种q a m 信号的解调方法的实现情况：模 拟相干解调是用模拟器件实现。首先，系统的整体性能对模拟器件的多种非理想 情况很敏感，如模拟滤波器相位失真、放大器及混频器的非线形等，为保证系统 性能，需要增加许多辅助电路，这使系统构成相当困难，且成本很高。其次，模 拟器件构成的通信系统体积大、功耗大、测试不便、易出故障，也不能满足智能 化处理的要求，而且i 、q 两路模拟通路参数不一致容易造成系统性能变差。随着 数字信号处理芯片和v l s i 技术以及数字信号处理技术的迅速发展，用数字化方 法解调成为现实，数字相干解调和全数字解调均属于数字解调，其算法灵活，易 于集成，体积小，可以克服模拟解调的诸多缺点。数字解调方法比模拟解调的缺 点是需要a d 变换的速率比较高。 全数字解调的本地参考载波和采样时钟都独立振荡于固定的频率，不需要同 数字相干解调一样利用反馈进行同步，因而可以利用v l s i 中的并行处理方式增加 数字信号处理速率，从而可以处理更高速率的数据传输，适应于高速的数字通信 系统。另外，全数字解调不需要将载波误差信号反馈到混频器进行调整，从而简 化了解调器前端设计，并可在不采用复杂补偿技术情况下，通过算法来精确消除 各种失真，从而使解调器性能最优。 全数字q a m 解调器存在四大关键环路： ( 1 ) 自动增益控制( a u l t o m a t i cg a i nc o n t r o l ，缩写为a g c ) 电路，功能是用来调节采 样信号的功率，使得接收信号保持恒定的平均功率； ( 2 ) 符号同步( s y m b o ls y n c h r o n i s m ) 电路，功能是用来调节数字内插器来获得符号 同步，从而得到i 、q 两路信号的正确采样值； 5 电子科技人学硕+ 学位论文 ( 3 ) 载波恢复( c a r r i e rr e c o v e r y ) 电路，功能是用来获得载波同步，之后进行相位恢 复和跟踪； ( 4 ) 信道均衡( c h a n n e le q u a l i z a t i o n ) 电路，功能是消除传输信道的各种非理想效应， 例如多径效应等。 这四个环路都有各种各样的算法，并且它们之间也相互影响，从而影响解调 器的性能。采用何种的算法以及什么样的体系结构形式才能更好的实现解调器的 功能，这就是所从事的主要研究工作。另外，还要完成对研究的验证工作，即使 用f p g a 设计硬件实现其解调功能。在这里自动控制电路要涉及到射频模拟电路 的设计，并且相对来说除非存在极其严重的干扰，其可以独立于其它环路先行锁 定，所以在本文中未涉及。 6 第二章高阶q a m 信号数字调制结构原理 第二章高阶q a m 信号数字调制结构原理 因为q a m 调制是解调的基础，也是所从事工作的一部分，所以在本章要进行 简要的介绍。调制结构相对于解调结构来讲，相对简单，如图2 一l 所示，主要分成 几个步骤【3 】【4 ： 从二 进制符号低位 一 i 基带成形滤波卜- 输入 数据 _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ - 一 图形 ，k 转换 叫怡置盖 一- 映射 为符 g 陋成形滤波垤 i 分编码+ 号形 风l 式 符号最高 婊 。 图2 1 调制框图 2 1 串并转换及其格雷差分编码 譬旦 根据调制q a m 方式符号位数的不同，将二进制数据分成不同长度的符号，再 将数据进行串并转换，分成i 、q 两路数据。以6 4 阶q a m 为例，如表2 - l 表2 - i 第一步数据转换举例( 6 4 q a m ) 二进制数据b 1 1b l ob 9 b 8 b 7b 6b 5b 4b 3b 2b lb o 第一步转第二、符号第一个符号 换之后的ab 1 0b 8b 6b 4b 2b o 数据bb 1 1b 9b 7b 5b 3b l 对i 、q 两路符号的高位进行格雷差分编码，低位保持不变。编码公式如 下： 厶= ( 40 反) ( 4o l 。) + ( 40 反) ( 40 9 一)( 2 - 1 ) g = ( 40 反) ( b ko g 一。) + ( 40 最) ( 壤0 厶一t ) ( 2 2 ) 通过1 、2 步操作并在解调后做相反的操作，可以防止解码时因为星座发生旋 转造成错误的解码。 7 电子科技人学硕十学传论文 解码时对应的格雷解码公式如下【5 】： 2 2 图形映射 4 = ( 0g ) ( ，。0g 一。) + ( l0g ) ( t0 ，) 鼠= ( 厶。绞) ( g0 厶一。) + ( 0 幺) ( q0 幺一。) ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) 对生成的i 、q 两路数据进行幅度映射，假设相邻点的最小距离是2 个单位， 则对应的4 q a m 、1 6 q a m 和6 4 q a m 的矩形星座图如图2 2 所示，其他高阶星座 图映射方式可以以此类推。 1 0 口 0 0 j - l l o l l q p s k 0 1 ，- 口，1 0 l o i l o o1 0 i l1 0i 1 1 0l i o l l 们i o i i i l 1 0 0 i i i1 1 1 0 1 1 0 1 0 0 l1 0 1 0 l l1 0 0 0 l i1 0 0 0 0 i o l o 1 0 1 0 1 0 l o 1 0 1 0 0 0 0 0 i i q l = 1 0q l t q 。； 0 1 1 1 0 0 1 j 00 0 1 0 0 0 i 0 1 0 1 0 0 0 - l 0 0 0 0 0 0 0 3ii3 r i o | 1 1 0 0 - 1 0 0 1 0 0 6 1 1 i l i l i i i o o一0 1 0 1 0 1 1 3 ，n = 1 l，d 。= l o o l o l 0l o i l0 0 i l i li l l 0 5 o o o o l 00 0 0 0 i i0 0 0 i ll0 0 0 l1 0 3 o o o o o o 0 0 0 0 0 l 0 0 0 1 0 l 0 0 0 i ：! 。：! 。：! i ! 。! ，!l 二 # i ， - i 0 i 1 1 0 1 0 il i 0 li1 0 0 0 0 1 0 1 1 01 1 0 1 l i 1 1 0 0 1 11 1 0 0 1 0 i l l l 0i i l i i i1 1 1 0 l i1 1 1 0 1 0 | j i i i i l l 0 i1 1 1 0 0 i1 1 1 0 0 0 g = 1 1 0 1 0 0 0 0 0 t o o l 0o i1 0 1 0 o i1 0 0 0 二 q 0 1 0 0 0 10 i i10j 1 0 i l 0 i1 0 0 i 5 0 1 0 1 0 10 1 0 1 1 10 1 i i l l0 1 i l o i 一 7 0 1 0 1 0 00 1 0 11 0 0 i l i l 00 1 1 1 0 0 ，口；0 i 图2 - 2 映射星座图举例( g 是对应一个符号的高位) m - m 姒 一 洲 啪 8 q ， 第二章高阶q a m 信号数字调制结构原理 2 3 基带成形滤波 菖 - 4 1 0 善 i 苎 正 图2 - 3 参数= 4 5 5 的k a i s e r 窗波形 o l 。1 萋瑚 要- 3 0 0 皿 - 4 0 0 oo 10 2o 30 40 5 0 6 0 7 0 80 9 1 n o r m a l i z e df r e q u e n c y ( x 丌t a d s a m p l e ) 图2 4 未加窗函数的匹配滤波器波形 因为在频域上矩形脉冲波形是无限延伸的，所以要加上一个成形滤波器，使 其i 、q 两路信号成为带限信号，以便于传输。根据奈奎斯特第一准则，升余弦滚 降信号满足抽样无失真的条件。为了得到接收端抽样时最大的信噪比，将升余弦 滚降滤波器分成两个相同的平方根升余弦滚降滤波器。一个在发送端作为成形滤 波器，一个在接收端作为匹配滤波器。在文献 6 r p 有详细的公式推导来从数学原 9 电子科技人学硕+ 学位论文 理上进行解释。根据d 一c 的标准，设其滚降系数为口= 0 1 5 ，阶数为1 5 ，并 且为了使得信号有更好的阻带抑制和较小的过渡带，所以在成形滤波器的上边再 加上一个参数p _ - 4 5 5 的k a i s e r 窗，如图2 3 、图2 4 和图2 5 所示。 已 d 鼍 皇 c 2 ： o l 舢 口 m 刁 硼 c a 一 枷 卜净1 一二毛二号哥 = 寸专。 r i j ：r ? 。一一：一一：一r i i ： 00 10 20 30 40 50 60 70 80 91 n o r m a l i z e df r e q u e n c y ( x 兀t a d s a m p l e ) 2 4 正交载波调制 图2 5 加窗函数的匹配滤波器波形 图2 - 6 数据通过滤波器后产生波形 将i 、q 两路信号分别乘上两个正交同频载波后两者相加，即得到中频调制数 l o 第二章高阶q a m 信号数字调制结构原理 字信号，这个过程在第一章中已经进行了阐述。这罩进行说明的是，q 路信号是 对正弦一s i n c o t 进行调制，这里的负号仅仅是为了与星座图相对应，只要在调制解 调时两者对应一致就可以了。 在这里采用的是1 5 阶加上了k a i s e r 窗的平方根升余弦滚降滤波器，其中一路 数据通过滤波器后产生波形如图2 - 6 所示。 为了在硬件设计时减少资源消耗，正弦载波分别采用 010 1 】和 10 10 】的形 式表示。这样加上载波时仅仅只用二选一和一个求补码操作就可以了，在i 、q 两 路信号相加产生s ( n ) 时也只用选择器，如表2 2 所示： 表2 - 2 数字调制波形产生情况 i f i r ( n ) i f i r ( s )i f i r ( 7 ) i f i r ( 6 ) ，一步( 5 ) q f r ( n )q 加( 8 )q f i r ( 7 )q f i r ( 6 ) qf i r ( 5 ) c o s 吐珊101o s m 吐册01o1 s 一( 甩)，一f i r ( 8 ) o - i f i r ( 6 ) 0 s q ( 咒) o - q f i r ( 7 ) 0 q f i r ( 5 ) s ( ，z )i f i r ( 8 ) 一qf i r ( 7 ) - i f i r ( 6 )qf i r ( 5 ) i f i r ( n ) i f i r ( 4 ) ，一f i r ( 3 ) j 抄( 2 ) i f i r ( 1 ) q f i r ( n )qf i r ( 4 )q f i r ( 3 )q f i r ( 2 )q f i r ( 1 ) c o s 咒1010 s 1 n 门010 1 8 一j r ( ，1 ) i f i r ( 4 ) 0 一，一少( 2 ) o s q ( 咒) 0 - q f i r ( 3 ) o q0 r ( 1 ) s ( 聆) i f i r ( 4 )- q f i r ( 3 )- i f i r ( 2 ) qf i r ( 1 ) 其中i f i r ( n ) 和q 一步( ，z ) 是通过成形滤波的信号；c o s c o n 和s i n c o n 是正交载 波信号；sl ( n ) 和s q ( n ) 是i 、q 两路信号分别乘上载波后的信号：s ( n ) 是中频 调制信号。 剩下的工作就是进行d a 变换，使其生成中频模拟信号，最后调制到高频进 行发射。 电子科技人学硕+ 学位论文 第三章常用的解调方法介绍及性能分析 全数字q a m 解调器主要完成的两大功能 7 1 ：符号同步与载波恢复，以及补偿 信道传输造成的非理想效应。具体来讲，q a m 解调器需要完成的工作包括：调整 输入信号幅度；将中频采样信号经过数字混频器变为基带信号，并滤除高频镜像 分量，再使用与发送端相对应的脉冲成形匹配滤波器消除码间干扰；恢复符号时 钟以及进行定时抽样判决以获得发送的脉冲幅度与相位；估计并消除载波分量， 完成载波恢复；完成信道均衡。 现有高阶q a m 全数字解调器基本上都是分成四大模块：自动增益控制、符号 同步、载波恢复和信道均衡。第一章已经提到，这四大模块的主要作用，以及自 动增益控制要涉及到模拟端放大器的设计，而且技术相对成熟，所以以下重点讨 论后三个模块的现有算法和总体框架结构及其性能。 3 1 符号同步 使用a d 转换器将模拟中频信号转换成数字信号后，乘上正交载波将信号进行 初步解调生成同相与正交两路基带信号，通过低通匹配滤波器，滤除高频分量。 接下来就需要对i 、q 两路信号进行周期采样以得到正确的采样信号，使得信道均 衡和载波恢复得以正常的进行，所以说它是后两个模块工作的前提条件。 图3 1 全数字符号同步环路的基本框图 1 2 第二章常用的解调方法介纠及性能分析 符号同步模块主要完成的功能是从接收信号中恢复出符号的时钟速率和相 位，使其在信号眼图最大时进行采样，而且要支持可变波特率的内插。符号同步 环路的主要性能指标包括：波特率偏差的捕捉范围、稳态的定时抖动( t i m i n gj i t t e r ) 和插值电路引起的信噪比损失。 全数字符号同步环路的基本框图如图3 1 所示【8 】，其主要部分包括定时误差检 测器、环路滤波器、数控振荡器f n c o ) 和内插滤波器，其中内插器从输入的非同步 a d 转换器采样信号中恢复出发送的符号，分数间隔计算器用于控制内插相位， n c o 是用于产生波特率时钟或2 倍波特率时钟信号。 考虑到算法的实现复杂度和性能，内插器通常采用f a r r o w 结构【9 】，其又分为线 性结构、分段抛物线结构、三次f a r r o w 结构、三次直接型，其中线性插值器最简单， 三次型滤波性能最好。性能的改善就要以资源的消耗为代价，所以在实际操作中 根据实际的情况找出最佳的内插器结构。例如，线性插值器结构最简单，在一般 的符号同步计算时也可以满足要求，计算公式为： 少( 后互) = g e t s i ( m ) + 吒 g e t s i ( m + 1 ) 一静f s i ( m t ) 】 ( 3 一1 ) 其中聊。表示对第阶符号周期最佳内插时刻对应的前一个采样时刻；m 。+ 1 表 示其后一个采样时刻；蚝表示第k 个符号周期最佳内插时刻与基点之间的分数间 隔。可以看出它仅仅需要一个乘法器和两个加减法器。 参数a = 0 5 的四点分段抛物线插值滤波器的f a r r o w 结构如下： 图3 2 参数a = 0 5 的四点分段抛物线插值滤波器的f a r r o w 结构 1 3 电子科技人学硕+ 学位论文 当环路锁定后，内插器从一个符号周期内从i 、q 两路基带数据中抽取两个数 据，交给时钟误差检测器进行误差提取。时钟误差提取一般采用g