寬帶QAM波形解調的關鍵技術研究*

關建新 劉建新 胡 華

(海軍工程大學電子工程學院1) 武漢 430033)(中國人民解放軍92823部隊2) 三亞 572021)(中國人民解放軍91982部隊3) 三亞 572021)

1 引言

數字振幅調制、數字頻率調制和數字相位調制是數字調制的基礎,然而這三種數字調制方式都存在不足之處,如頻譜利用率低、抗多徑衰落能力差、功率譜衰減慢、帶外輻射嚴重等。為了改善這些不足,幾十年來人們不斷提出一些新的數字調制解調技術,以適應各種通信系統的要求,其主要研究內容圍繞減小信號帶寬以提高頻譜利用率、提高功率利用率以增強抗干擾性能等。正交幅度調制(Quadrature Amplitude Modulation,QAM)就是一種高效的數字調制方式,它在中、大容量數字微波通信系統、有線數字電視、高清晰數字電視、衛星通信等需要進行高速數據傳輸的領域被廣泛應用。

QAM是一種幅度、相位聯合調制的技術,有16QAM 、32QAM 、64QAM 、128QAM 、256QAM 等多種形式。寬帶QAM波形是通信系統中的一種新的非常重要的波形,頻譜利用率和信息傳輸速率高,是一種高效的數字調制體制。目前發達國家在許多重要的信道中都采用了寬帶QAM信號,而我國由于在寬帶QAM信號的波形技術研究方面起步較晚,面臨的技術難度較大,與國外先進技術相比尚有較大的差距,QAM設備和主要芯片也基本靠國外進口,極大制約了寬帶QAM系統的應用。

2 寬帶QAM調制的基本原理

單獨使用振幅或相位攜帶信息時,不能最充分地利用信號平面,這可由矢量圖中信號矢量端點的分布直觀地觀察到。采用多進制振幅調制時,矢量端點在一條軸上分布;采用多進制相位調制時,矢量點在一個圓上分布。隨著調制進制數的增大,這些矢量端點之間的最小距離也隨之減少。但如果采用一種調制方式充分利用整個平面,即綜合利用幅度和相位信息,則可將矢量端點重新合理地分布,并可能在不減小最小距離的情況下增加信號的端點數,這種方式就是正交幅度調制。

所謂正交振幅調制,就是利用2路數字信號分別對同一頻率互相正交的2路載波進行同步調制,再將2個已調雙邊帶信號合成后進行傳輸。在調制過程中,輸入數據經過串并變換后分為I路和Q路,兩路信號再分別經過2電平到L(L=log2M)電平的變換。為了抑制已調信號的帶外輻射,I路和Q路還要經過預調制低通濾波器,才分別與相互正交的兩路載波相乘,最后將兩路信號相加就可以得到不同幅度和相位已調的QAM輸出信號。在解調時,輸入信號與本地恢復的2個正交載波信號相乘以后,經過低通濾波器,多電平判決,L電平到2電平轉換,再經過并串變換就得到輸出數據。QAM調制和解調的基本原理如圖1所示。

圖1 QAM調制和解調的一般原理框圖

在QAM調制中,通常把信號矢量端點的分布圖稱為星座圖,可以采用的有方型星座和星型星座兩種。對QAM調制而言,如何設計QAM信號的結構,即如何設計星座圖,不僅影響到已調信號的功率譜特性,而且影響已調信號的解調和性能。常用的設計準則是在信號功率相同的條件下,選擇信號空間中信號點之間最小距離最大的信號結構,當然還要考慮解調的復雜性。根據上述準則,如果進行16QAM調制,當信號點間最小距離相同時,采用方形星座比采用星形星座的平均發射功率小。但在實際中常采用星型星座,因為16QAM方型星座有3個振幅環,相位有12種,而星型星座有2個振幅環,相位為8種,改善了方型星座的接收性能,有利于接收端的自動增益控制和載波相位跟蹤,如圖2所示。

圖2 16QAM的星座圖

QAM調制除了具有頻譜效率高的優點外,還可以根據傳輸環境和傳輸信源的不同,通過自適應地調整其進制數來調整其數據傳輸速率,能夠很好地緩和可用頻帶緊張的狀況及實現多速率的多媒體綜合業務傳輸,也即一種采用自適應多進制QAM的方式,感興趣的讀者可參考相關文獻。

3 寬帶QAM波形的解調需要考慮的問題

寬帶QAM信號經過信道傳輸時,信道會對QAM信號產生許多影響,這些影響包括[1]:信號的幅度會有不同的衰減,且衰減量隨時間變化,體現在星座圖上就是星座縮小;信道會產生各種各樣的噪聲,比較典型的是高斯白噪聲,使星座點模糊;信道中會產生碼間干擾和信道間干擾;如果是移動信道,還會產生多普勒頻移;由于多次反射(有線電視信道等)或者瑞利衰落、多徑延遲(各種無線傳輸的信道)等,信號幅度會發生畸變,星座會變成不規則的形狀;另外由于發送端和接收端的本振時鐘不一致以及信道的時變特性,信號相位在傳輸中會受到損害,引起相位抖動,而且用于載頻和中頻上下變換的射頻振蕩器的頻率的不確定性會引起一定的頻偏,體現在星座圖上就是星座圖的轉動。因此QAM波形的解調器必須完成如下功能[1]:設置與發端的脈沖成形相應的匹配濾波器以消除碼間干擾;調整輸入信號幅度,也即進行自動增益控制(AGC);估計并去除載波分量的偏移;采用均衡技術以補償信道并消除發散的影響;恢復符號時鐘以及進行定時判決以獲得脈沖幅度和相位;判決實際發送的脈沖幅度和相位;由于信道編碼的存在,必須有相應的信道解碼以減少誤碼率。在上述必須完成的功能中,自動增益控制可以先行完成,方法也比較成熟,匹配濾波則與發端的脈沖成型濾波器相對應,不確定的或者關鍵的只剩下定時同步、載波恢復以及信道均衡這三個功能,構成了寬帶QAM波形解調時的關鍵技術。

4 寬帶QAM波形解調的關鍵技術

對QAM波形的解調,可以采用在線解調的方式,也可以先將QAM波形采集下來存儲在磁盤陣列中之后再進行離線解調。不論采用在線解調還是離線解調,按照目前流行的軟件無線電的設計思想,都是先將模擬中頻數字化之后,再對數字信號利用數字信號處理軟件在通用的硬件平臺上進行處理,這些數字信號處理軟件需要完成的功能主要包括數字下變頻、自動增益控制(AGC)、符號定時同步、載波恢復、均衡以及前向糾錯功能等。目前就實際實現而言,對數字下變頻一般采用專用的下變頻器,待下變頻器將數據的速率降下來之后,再利用數字信號處理軟件完成其他功能。在這些功能中,最主要的功能如前所述,分別是定時同步、載波恢復以及信道均衡,圖3給出了包含這三個功能的寬帶QAM信號解調器的模塊構成。

圖3 寬帶QAM信號解調器的構成框圖

4.1 寬帶QAM波形解調時的定時同步技術

在同步數字通信系統中,符號同步是接收機必須完成的一個重要工作,它包括定時誤差信息的提取和位定時的調整兩部分。在傳統的接收機中,位定時信息的提取是通過對模擬連續信號的處理實現的,如過零檢測法、插入導頻法、信號微分法等,而位定時的恢復是通過調整采樣脈沖的相位來實現的。隨著軟件無線電概念的提出,接收機正朝著全數字化的方向發展,即數模轉換盡可能向天線端推移,進行直接中頻采樣,甚至對射頻直接采樣,而大部分接收機的功能通過數字信號處理的方法來實現。現在在符號同步恢復方面,發展的趨勢是符號定時利用高精度的固定本振產生采樣時鐘,無需調整,而用數字信號處理算法對定時誤差進行估計,采用插值算法進行糾正。

在高速QAM解調器中,定時同步是數據傳輸中的碼元判決基準,也是均衡器的時間基準,準確與否將直接關系到數據判決的準確性和均衡的有效性。由于傳輸信道的變參特性及多徑干擾,致使到達接收端的信號嚴重畸變,給位同步提取帶來相當大的困難,為了解決這個問題,許多文獻[2～5]對QAM解調器的定時恢復算法進行了研究。文獻[2]提出了一種以最大似然估計準則為理論基礎所推導出的兩種面向判決(Decision Directed)的載波相位恢復方法和時鐘恢復方法,主要方便載波恢復和定時及均衡的聯合進行;文獻[3]提出了一種基于最大功率的符號同步算法,該算法用統計的方法直接從時域提取定時誤差信息,并利用了功率與相位的無關性,采用過采樣擇優選擇技術實現定時同步。文獻[4]提出了一種對載波頻偏不敏感的、基于非同步采樣(即用一個固定的采樣時鐘對輸入信號進行采樣)、用插值濾波實現對符號定時同步的方法。文獻[5]中也提出了一種基于插值的符號定時同步方法,其原理框圖如圖4所示。文獻中設計的符號定時模塊獨立于其后模塊,主要包括內插濾波器、匹配濾波器、定時誤差檢測以及環路濾波器、數控振蕩器(NCO)等部分。內插濾波器以兩倍符號率輸出數據,經匹配濾波器后送入采用定時誤差檢測模塊,這種使匹配濾波器參與定時環路的結構可以使得定時誤差減小。

圖4 基于內插的符號定時同步模塊的實現框圖

本文獻還重點介紹此結構中非常關鍵的內插濾波器的改進實現,設計了一種采用分段拋物內插算法的內插濾波器,并驗證了其可以滿足256QAM的精度要求。這種方法也是QAM解調中定時恢復的熱點算法,我們可以借鑒之,需要做的就是根據系統的設計對此算法做適當的改進。

4.2 寬帶QAM波形解調時的載波恢復技術

QAM系統收發兩端的本振時鐘不精確相等,或者信道特性的快速變化使得被傳送信號偏離其中心頻譜,都會導致下變頻后的“基帶信號”中心頻率偏離零點。同時信號的相位在傳輸中也會受到損害,其來源有信道的時變特性、高頻頭的寬帶濾波器、下變頻電路、接收端自適應均衡器的步長噪聲等,都會引起信號的相位抖動。因此需要經過載波恢復把偽基帶信號搬移至基帶,同時跟蹤該基帶信號的相位,即QAM 系統的載波恢復分為“同頻”和“同相”兩步。在數字QAM 通信系統中,一般采用一個高精度固定本振對中頻信號解調,并利用數字信號處理算法對模數采樣后的信號進行載波頻偏和載波相偏的估計,并進行頻偏和相偏補償來恢復信號。

QAM系統的載波恢復方法一般分為兩類:一類是直接提取法,發送端不專門傳送載波或有關載波的信息,接收端直接從收到的已調信號中提取載波,也即環路提載法;另一類是插入導頻法,發送端在發送數據信息的同時,也送出載波或與之相關的導頻信號,以供接收端提取。隨著QAM階數的升高和調制電平數的增多,使用直接提取法不但會使硬件實現變得很復雜,而且容易導致環路的不穩定。使用插入導頻法,雖然會損失一定的信號功率,可是實現卻非常簡單,系統的性能也較為穩定,即使在嚴重衰落的情況下,仍能得到較高的恢復載波信噪比。由于恢復出的載波不存在相位模糊問題,也就不存在因差分編碼引起誤碼擴散造成的3dB系統信噪比惡化。文獻[6]對基于插入導頻法進行載波恢復的方法進行了理論估計和計算機模擬,結果表明在QAM系統中用插入導頻法能取得令人滿意的效果。

另外文獻[7～8]針對高階QAM系統提出了幾種可以捕獲較大頻偏的載波恢復算法,而文獻[9]的載波恢復算法具有較快的捕獲速度,這些算法從不同方面對傳統載波恢復算法進行了改進,縮短了載波頻偏的捕獲時間,擴大了捕獲范圍,但未考慮信道失真對高階QAM解調性能及穩定性產生的影響。文獻[10]在假定采樣時鐘無偏差且信噪比足夠高的情況下提出了數據輔助(DA)的載波相位估計算法,該算法無需載波環路和壓控振蕩器。文獻[11]中對N次方環法和Decision Directed載波恢復算法進行了分析和仿真,發現N次方環法并不適合于所有場合,DD載波恢復算法雖然可以應用于星座圖是任意形式的QAM解調過程中,但是它的應用取決于誤比特率門限。文獻[3]針對短波信道中的16QAM調制的載波恢復算法進行了研究,歸納總結了Decision Directed算法和判決反饋環算法,發現DD算法只能在相偏和頻偏都較小的情況下更高精度的恢復出載波,判決反饋環算法能糾正較大頻偏但計算量較大,基于COSTAS環的載波恢復算法不僅能糾正更大的頻偏,并且大大減小了計算量。不過這種方法只是針對特定信道下的特定調制,缺乏普適性的驗證過程。文獻[2]中研究了基于最大似然估計的載波恢復方法,這種方法首先通過估計提取載波的相位偏差(將頻偏和相偏造成的影響歸并到相偏之中),然后采用面向判決(Decision Directed)的方法進行載波相位恢復,其方法實際上是對解調后的接收信號乘以估計出的誤差旋轉角度而實現的,這種方法非常適合用數字信號處理軟件實現。

從上面的分析可以看出,載波恢復的方法也是多種多樣的,具體恢復方法的選用需要根據實際的系統設計來決定,但應該把握一個原則,即先進行參數提取再用數字信號處理進行補償,因為這種方法用開環結構代替了傳統的反饋結構,非常適合于用數字信號處理實現。

4.3 寬帶QAM波形解調時的盲信道均衡技術

采用QAM波形的高速數字微波傳輸系統,由于多徑衰落的嚴重影響可能使波形嚴重失真,即使采用前置普通中頻自適應時域均衡,由于其自適應控制信號的取得要依靠載波恢復環的正常工作來提供其自適應均衡的控制信號,所以載波恢復的中斷將直接導致此自適應時域均衡失效,從而盡管中頻均衡可對載波提取電路提供一定好處,但一般中頻時域均衡依然未能徹底解脫載波恢復環路工作不正常的交互影響。解決這一矛盾的一種有效途徑是采用盲均衡技術。盲均衡算法可與載波相位無關,從而它能夠在載波恢復環路鎖定和QAM信號星座應停止旋轉前有效工作,使之完成均衡器加權系數的粗調,產生快速的初步收斂,使信號星座較為正常,有利于載波恢復的執行,從而可檢測出載波相位誤差信號,產生旋轉向量將載波相位鎖定,然后再轉換至包括判決反饋在內的全時域均衡,進行其均衡抽頭系數的精密調整,獲得最后良好的性能效果。因此,盲均衡已成為自適應均衡技術中的一個重要的新的研究分支,其均衡算法也在一步步深入改進。

針對QAM系統中的盲均衡技術,文獻[12]進行了歸納總結:自從1975年Sato提出盲均衡的思想以來,盲均衡技術受到了越來越廣泛的關注,各類盲均衡算法應運而生。其中比較著名的算法有Godard提出的恒模算法(CMA),Benveniste等提出的B-G算法(BGA),Godard等提出的精減星座圖算法(RCA),Picchi等提出的Stop-and-Go算法(SGA)等等。另外文獻[13]提出了一種稱為壓縮星座圖的盲均衡算法(CCA),其實質是一種基于RCA的加權算法,穩態殘差大,并不適合處理高階QAM信號。CCA在處理高階QAM信號時同樣具有收斂速度較慢,穩態殘差較大的缺陷。近年,Yang提出了多模盲均衡算法 MMA,對于高階QAM信號,MMA收斂性能與CMA和RCA等算法相比有所提高,而且在穩態時不需要相位旋轉器來消除相位模糊,是一種比較可行的盲均衡方法。

4.4 寬帶QAM波形解調時的聯合載波恢復與信道均衡技術

由于受到信道失真與載波頻偏的相互影響,解調器接收的QAM信號星座圖彌散且旋轉,因此正確解調出QAM信號的前提為消除載波頻偏并補償信道失真。QAM信號星座點之間距離與相位差隨調制階數的升高而下降,從而使高階QAM 信號的正確解調難度變大。若直接進行載波恢復,由于經過惡劣信道傳輸QAM信號失真嚴重,很難找到有效的載波恢復算法來直接消除載波頻偏;若直接進行均衡,則由于載波頻偏造成QAM信號星座圖的旋轉,均衡很難獲得全局收斂,一般只能部分補償信道失真。因此高階QAM信號的自適應均衡和載波恢復需要兩者的協同工作,即均衡在載波恢復環路產生的解旋信號幫助下實現在大頻偏下的收斂,而均衡的收斂又進一步提高載波恢復的性能。

文獻[2,5,14]等對載波恢復和均衡聯合進行的方法進行了研究,文獻[14]針對高階QAM信號的特點,結合自適應均衡與載波恢復,提出一種高性能的混合算法。該算法包括基于CMA(constant modulus algorithm)與LMS(least mean squares)的雙模均衡算法以及改進的鑒頻、鑒相載波恢復算法,通過分步驟的協同操作實現了載波頻偏的消除及均衡收斂,并通過仿真證明了該算法針對高階QAM能取得很好的性能。

5 結語

在介紹了QAM調制與解調的基本原理的基礎上,分析了寬帶QAM波形解調時需要考慮的問題,討論了寬帶QAM 波形解調時的關鍵技術,重點對解調時涉及的定時同步技術、載波恢復技術和信道均衡技術進行了分析和研究。

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