數(shù)字調(diào)制信號(hào)接收技術(shù)

近年來(lái)，數(shù)字無(wú)線電技術(shù)日益受到人們的重視。數(shù)字無(wú)線電技術(shù)因采用軟件化數(shù)字化設(shè)計(jì)，工作穩(wěn)定可靠，可生產(chǎn)性好，設(shè)備小巧，因而在通信中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展以及對(duì)通信設(shè)備小型化、智能化的要求，數(shù)字無(wú)線電技術(shù)已經(jīng)成為發(fā)展趨勢(shì)。全數(shù)字接收機(jī)的概念被提出后立刻引起了人們的興趣與關(guān)注，它和傳統(tǒng)的數(shù)字接收機(jī)不同，其解調(diào)和采樣所用的本地參考時(shí)鐘振蕩于固定的頻率，且不需要反饋控制，濾波、載波同步、時(shí)鐘同步、數(shù)據(jù)判決等全由采樣后的數(shù)字信號(hào)處理器來(lái)完成。本文設(shè)計(jì)提出了適于中頻數(shù)字化接收機(jī)的體制結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方法。

1 全數(shù)字接收機(jī)組成

全數(shù)字接收機(jī)對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行采樣后，全部采用數(shù)字器件和數(shù)字處理方法，是一種全數(shù)字實(shí)現(xiàn)方案。因其采用數(shù)字解調(diào)方法，克服了由模擬器件構(gòu)成的解調(diào)器同相與正交兩支路參數(shù)不一致的缺點(diǎn)。雖然對(duì)已調(diào)信號(hào)采樣要求ADC的采樣率較高，但現(xiàn)今的高速ADC器件已足夠滿足要求。

全數(shù)字接收機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。數(shù)字中頻信號(hào)分別與兩路正交載波相乘，然后低通濾波抽取，濾除二次頻項(xiàng)，完成數(shù)字正交下變頻，得到I，Q兩路信號(hào)。存在定時(shí)誤差和載波誤差的I，Q兩路基帶信號(hào)要進(jìn)行定時(shí)恢復(fù)和載波相位恢復(fù)，然后進(jìn)行判決，得到數(shù)字碼流。在全數(shù)字接收機(jī)中，載波同步和碼元同步是最重要的關(guān)鍵技術(shù)。

2 載波恢復(fù)技術(shù)

數(shù)字解調(diào)器中的載波恢復(fù)方法很多，主要分為非判決反饋載波恢復(fù)和判決反饋載波恢復(fù)。非判決反饋載波恢復(fù)方法主要有平方環(huán)、科斯塔斯(Costas)環(huán)等。由于判決反饋載波恢復(fù)性能優(yōu)于非判決反饋載波恢復(fù)，所以采用判決反饋方法來(lái)進(jìn)行載波恢復(fù)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

全數(shù)字解調(diào)器將采樣后的中頻信號(hào)下變頻為基帶信號(hào)后載波相位誤差為：

其中，ω0是載波頻率偏差，θ0是固定相位偏差，Aj是相位抖動(dòng)幅度，ωj是相位抖動(dòng)頻率，解調(diào)器需要消除這部分偏差。判決反饋載波恢復(fù)環(huán)可以消除載波相位誤差。

假設(shè)載波恢復(fù)環(huán)的輸入信號(hào)為：

式中a(k)是第k個(gè)傳輸符號(hào)，v(k)是加性高斯白噪聲，θ(k)是載波相位誤差。判決反饋載波恢復(fù)環(huán)路相位誤差提取公式為：

式中Im表示取復(fù)數(shù)虛部，并忽略了加性高斯白噪聲，如果a(k)=z(k)，那么可求出載波相位誤差ε(k)：

由上式可見(jiàn)其載波相位誤差鑒相特性曲錢為sin(θ)函數(shù)。相位誤差經(jīng)環(huán)路濾波器_濾波后到達(dá)數(shù)控振蕩器，數(shù)控振蕩器產(chǎn)生相位估計(jì)值對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行相位旋轉(zhuǎn)以補(bǔ)償相位誤差。環(huán)路濾波器采用二階數(shù)字濾波器。

采用通用環(huán)來(lái)產(chǎn)生載波的相位誤差，通用環(huán)屬于判決反饋環(huán)。環(huán)路的核心為相位誤差檢測(cè)器，檢測(cè)器利用采樣信號(hào)與符號(hào)判決來(lái)產(chǎn)生誤差信號(hào)，該誤差信號(hào)反映了實(shí)際載波相位與當(dāng)前載波相位的差別。假設(shè)定時(shí)恢復(fù)已建立，這樣，相位誤差檢測(cè)器是在符號(hào)的最佳判決點(diǎn)進(jìn)行相位檢測(cè)。

誤差檢測(cè)器輸出經(jīng)過(guò)環(huán)路濾波器后，得到對(duì)載波剩余偏差的估計(jì)。反饋給數(shù)字下變頻NCO單元，去除剩余載波。

3 內(nèi)插定時(shí)技術(shù)

在全數(shù)字接收機(jī)中，碼元定時(shí)恢復(fù)是利用鎖相環(huán)路產(chǎn)生定時(shí)誤差信號(hào)來(lái)控制本地同步脈沖實(shí)現(xiàn)的。在全數(shù)字解調(diào)器中，采樣時(shí)鐘由自由振蕩器產(chǎn)生，并且與信號(hào)時(shí)鐘不同步，它被稱為異步采樣解調(diào)器。因此在全數(shù)字解調(diào)器中由于采樣不同步而引入的定時(shí)速率和相位誤差，需要用數(shù)字信號(hào)處理的方法來(lái)補(bǔ)償。全數(shù)字解調(diào)器中一般是采用數(shù)字插值運(yùn)算來(lái)使接收信號(hào)和發(fā)送信號(hào)同步，這個(gè)插值運(yùn)算可由內(nèi)插濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)。本文采用的典型的全數(shù)字解調(diào)器中的定時(shí)恢復(fù)環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。它由內(nèi)插濾波器、定時(shí)誤差檢測(cè)器、環(huán)路濾波器、數(shù)控振蕩器組成。

內(nèi)插濾波器就是完成從輸入的非同步采樣數(shù)據(jù)中，通過(guò)重采樣得到符號(hào)的最佳采樣點(diǎn)，恢復(fù)出原始符號(hào)。

發(fā)送的線性調(diào)制信號(hào)符號(hào)周期為T，采樣率為T，t=kTi，表示在kTi時(shí)刻重新采樣，采樣周期為Ti。由于Ts的定時(shí)來(lái)源于獨(dú)立的本地振蕩時(shí)鐘，所以T／Ts的值通常是無(wú)理數(shù)。把采樣值輸入插值器，輸出的抽樣值表示為y(kTi)，它是以Ti為周期的函數(shù)，因Ti與T是同步的，所以應(yīng)有Ti=T／k，k是一小整數(shù)。然后，數(shù)據(jù)濾波器根據(jù)k值降抽樣恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)。對(duì)重新采樣的結(jié)果適當(dāng)操作，可以得到：

對(duì)于定時(shí)誤差的提取，采用Gardner算法。Gardnet算法需要每個(gè)符號(hào)有2個(gè)采樣值，一個(gè)在符號(hào)判決點(diǎn)附近，另一個(gè)在符號(hào)交界點(diǎn)附近，并且與載波相位偏差無(wú)關(guān)，因此定時(shí)調(diào)整可先于載波恢復(fù)完成，定時(shí)恢復(fù)環(huán)獨(dú)立于載波恢復(fù)環(huán)。Gardner算法提取的定時(shí)誤差為下式：