通用PSK和QAM解調接收機

呂巖，李勁

（1.內蒙古工業大學信息工程學院，內蒙古呼和浩特 010062；2.武漢大學電子信息學院，湖北武漢 430072）

通用PSK和QAM解調接收機

呂巖1，李勁2

（1.內蒙古工業大學信息工程學院，內蒙古呼和浩特 010062；2.武漢大學電子信息學院，湖北武漢 430072）

在航天和衛星通信領域的CCSDS，DVB等多個標準中，都采用PSK和QAM調制方式，此外PSK和QAM調制也在其他商用標準中予以采用，因而通用PSK和QAM解調接收機的研究是十分必要的.本文基于通用的正交解調結構，根據模塊共用和參數通用的設計原則，提出一種數據率可變的通用PSK和QAM解調接收機.接收機PSK解調的載波恢復采用Costas環，QAM解調的載波恢復采用減星座的Costas環，而PSK和QAM解調的定時恢復采用Gardner算法.解調性能的仿真結果表明：與理論值相比，BPSK、QPSK的解調性能惡化在1dB以內，16QAM的性能惡化在2dB以內，通用接收機可以較好地實現PSK和QAM解調.

軟件無線電；CIC濾波；半帶濾波；PSK調制；QAM調制

根據中國航天科技的發展規劃，在航天通信領域逐漸采用CCSDS（consultative committee for spacedata systems）［1］標準已經成為必然.在CCSDS標準中，建議采用BPSK，QPSK，8PSK，GMSK等作為調制方式，而中國現有的航天通信系統也多采用PSK（phase shift keying）調制方式.此外，衛星通信的DVB［2］（digital video broadcasting）標準DVB－SH，DVB－S2等也選擇BPSK，QPSK，8PSK，16QAM，32QAM等作為調制方式.因而，為了滿足不同航天器、不同體制、不同傳輸速率的通信需求，從而實現不同航天器系統的兼容和相互通信，在統一的硬件平臺上實現不同PSK和QAM調制信號的接收是十分必要的.而且由于PSK和QAM調制在現代通信中應用廣泛，例如在WCDMA，TD－LTE，IEEE802.11，IEEE 802.16等標準中予以采用，因而通用PSK和QAM解調接收機也具有很好的應用前景.為了實現不同通信體制的兼容和互通，在相同的硬件平臺上實現多種調制方式和可變傳輸速率的解調接收，可以采用軟件無線電［3］技術.

1 通用PSK和QAM解調接收機

要實現調制方式和傳輸速率的通用PSK和QAM解調，需要實現調制方式、傳輸速率和載波頻率可配置，因此需要A／D采樣頻率可調，并能通過上位機進行參數配置.通用接收機的硬件結構如圖1所示，輸入中頻（IF）信號經AGC和帶通濾波（BPF）后，進行A／D轉換為數字信號，然后在FPGA上實現IF信號的數字解調.

圖1 通用接收機的硬件結構Fig.1 Hardware configuration of universal receiver

為了避免數字信號對模擬部分的干擾，AGC和BPF以及A／D轉換器的采樣時鐘生成都采用單獨的子板，這種方式也便于子板替換，從而改變子板參數以滿足不同的應用需求.為了降低電源噪聲，母板和各個子板都采用單獨供電，電源子板的輸入電壓由線性電源模塊提供，板上模擬電路的供電采用線性穩壓芯片，數字電路供電采用低噪聲的開關穩壓芯片，從而保證整個硬件平臺的模、數電路噪聲隔離.

FPGA數字解調后的信號可以由LVDS接口輸出.電路母版上留有與工控機進行通信的USB和PCIE接口，用來實現解調參數的配置和數據輸出，上位機程序和操作界面在工控機上實現.由于可以通過PCIE接口傳送數據到工控機上，因而解調輸出也可通過網口輸出，不過傳輸速率要受到PCIE接口和網口速率的限制.

為了實現通用解調，應采用結構相似的解調算法，以便內部模塊和參數能夠盡可能共用.通用PSK和QAM解調的結構如圖2所示，輸入中頻（IF）信號由A／D轉換器變為數字信號后，分別與載波的同相和正交分量相乘，經級聯梳狀積分（CIC）和半帶（HB）濾波進行降采樣，再經低通和匹配濾波得到I，Q兩路基帶信號.數字混頻［4］所需的相干載波由基帶信號經載波恢復和NCO得到.基帶信號經取樣判決、符號映射和并／串變換即可得到解調輸出，取樣判決后的數據經定時恢復即可得到取樣所需的峰值時刻.為了獲得較大范圍的可調符號速率，并保證相應的解調性能和復雜性，可選擇采樣率 與符號速率 之比為1∶8.根據A／D轉換器的采樣率和解調的符號速率，選擇合適的抽取倍數，即可實現不同數據率的解調接收.

由圖2可見，通用PSK和QAM解調器中，NCO、數字混頻、CIC和HB濾波［5］、低通和匹配濾波、定時恢復部分都完全共用，只是載波恢復、符號映射、并／串變換部分有所不同，且載波恢復中只是相位誤差檢測部分有區別，而其他部分也可共用，因此最大限度地實現了PSK和QAM解調結構的優化設計.根據調制方式，選擇相應的載波恢復、符號映射和并／串變換，即可實現不同調制方式的解調.

1.1 CIC和HB濾波

為了實現整倍數抽取濾波，通常可采用CIC和HB濾波.由于CIC濾波器級數越多則位數擴展越高，因此本設計中CIC濾波器采用3級級聯，而HB濾波可采用1級或2級濾波器級聯.根據抽取倍數選擇合適的CIC濾波和HB抽取，例如抽取倍數為80則CIC和HB抽取倍數分別為20和4，抽取倍數為10則CIC和HB抽取倍數分別取5和2.

圖2 通用PSK和QAM解調器的結構Fig.2 Universal PSK and QAM demodulator block diagram

I，Q兩路輸入信號分別經3級積分后，進行整倍數抽取，再經3級差分和增益調整，即可實現CIC濾波.若抽取倍數為k，對于3級CIC抽取濾波器，其增益調整倍數為k－3，可采用2的冪次近似以便用移位操作來實現增益調整.

2級HB濾波器HB1和HB2的抽頭系數分別為19級和23級，其系數如表1所示.

表1 HB濾波器的系數Tab.1 Coefficients of HB filter

1.2 低通和匹配濾波

降采樣后的信號經過低通和匹配濾波，即可得到I、Q兩路基帶信號.匹配濾波采用50級抽頭系數的平方根升余弦滾降（SRRC）濾波器，窗函數為Blackman－Harris窗.低通濾波器的通帶帶寬可根據匹配濾波器進行設定，例如匹配濾波器的滾降系數為α＝0.5，其帶寬為1.5fsymbol，相應低通濾波器的帶寬可取1.8fsymbol，抽頭系數為51級，窗函數為Blackman－Harris窗.為了降低濾波器所占的資源，并保證載波恢復閉環的收斂性，低通和匹配濾波采用濾波器級聯和系數截取來實現，經截取后的濾波器抽頭系數為50級.相應濾波器的幅頻響應如圖3所示.

由于SRRC匹配濾波器也具有低通濾波的作用，低通和匹配濾波通常也可以只用匹配濾波器實現.

圖3 濾波器的幅頻響應Fig.3 Amplitude－frequency response of filter

1.3 載波恢復和NCO

PSK解調無導頻的載波恢復主要有2種方法：M次方和Costas環［6］.這2種方法性能相當，但M次方載波恢復的電路結構較為復雜，因此本文介紹的通用接收機中PSK解調的載波恢復也采用Costas環.QAM解調的載波恢復方法有4倍環、面向判決的載波恢復［7］、減星座點Costas環等，為了盡可能實現與PSK載波恢復的模塊共用，通用接收機中QAM解調的載波恢復采用減星座點的Costas環.

載波恢復和NCO的結構如圖4所示，載波恢復由相位誤差檢測器和環路濾波器組成，NCO由加法器、積分器和查找表組成.I、Q兩路基帶信號由相位誤差檢測器得到相位誤差信號，再經環路濾波器得到所恢復的載波相位誤差，最后經NCO即可恢復載波.

圖4 載波恢復和NCO的結構Fig.4 Carrier recovery and NCO structure

其中環路濾波器采用二階環路，由乘積部分和積分部分組成.乘積部分的系數C1和積分部分的系數C2分別控制環路的相位跟蹤和頻率跟蹤的性能，其值為

式中ξ為環路阻尼系數，通常取0.707，ωn為環路阻尼振蕩頻率，t為NCO頻率字的更新周期，Kd為環路增益.

1.4 定時恢復

PSK和QAM解調的定時恢復可以分為開環同步和閉環同步2類［8］.開環同步是從接收信號中提取時鐘信息或生成位于時鐘頻率的譜線，一般需要輔助數據，因此在數字解調中通常采用閉環同步方法.閉環同步的定時誤差提取通常有早遲門、Gardner算法［9］、O＆M算法、M＆M算法，其中Gardner算法由于結構簡單、需要樣點少而得到廣泛應用.因而本文的通用接收機也采用Gardner算法.

通常Gardner定時恢復［10］的結構如圖5所示，I，Q兩路基帶輸入經內插器后得到峰值信號，然后經取樣判決即可得到解調輸出.由內插器輸出中取出峰值和過渡值，經Gardner定時誤差檢測、環路濾波和內插器估值，即可得到內插器所需的插值，并確定峰值采樣點時刻.

圖5 Gardner定時恢復的結構Fig.5 Gardner time recovery structure

由于通用接收機設計的基帶信號采樣間隔為1／8符號周期，峰值采樣點與實際峰值的誤差不超過1／8符號，誤差對解調性能的影響較小，因而在通用接收機中為了簡化結構、減少占用的硬件資源，省略了內插器模塊，相應地也省去了上圖中的小數間隔計算.

2 通用接收機的性能仿真

本文以BPSK，QPSK，16QAM這3種典型的調制方式為例，分別針對抽取率為N＝1，2，4，8，10，20，40，80這8種情況，對相應的解調性能進行仿真.由于通用接收機可以恢復的頻差與采樣率直接相關，隨抽取率增加、采樣率降低，頻差也相應減小，而最小頻差2.5＊10－5通常也可以滿足晶振和多普勒頻移所造成的頻率偏差需求.

BPSK，QPSK和16QAM的解調性能仿真曲線如圖6所示，圖中N為抽取率.由圖可見，與理論曲線相比，BPSK，QPSK的解調性能惡化在1dB以內，16QAM的性能惡化在2dB以內，本文提出的通用接收機可以較好地實現PSK和QAM解調.

圖6 不同調制方式的解調性能仿真Fig.6 Demodulation performance simulation of various methods of modulation

3 結論

基于通用的正交解調結構，根據盡量模塊共用和參數通用的設計原則，采用結構相似的解調算法，提出一種可以實現可變數據率的通用PSK和QAM解調接收機.解調性能的仿真結果表明，與理論值相比，BPSK，QPSK的解調性能惡化在1dB以內，16QAM的性能惡化在2dB以內，通用接收機可以較好地實現PSK和QAM解調.

［1］ 空間數據和信息傳輸系統.ISO 17355－2007空間數據系統咨詢委員會（CCSDS）文檔傳送協議［S］.

［2］ EN 302755－2011數字視頻廣播（DVB）.第二代數字陸地電視廣播系統（DVB－T2）用幀結構，信道編碼與譯制（EN 302755V1.2.1（2011－02）標準的英文核準本作為德國標準）［S］.

［3］ MITOLA J.Software radio：Survey，critical evaluation and future directions［Z］.Proceeding of the National Telesystems Conference，New York，1992.

［4］ SIMON H，BARRY V V.信號與系統［M］.北京：電子工業出版社，2004.

［5］ 郭梯云，劉增基，王新梅，等.數據傳輸［M］.北京：人民郵電出版社，1998.

［6］ MARVIN K.SIMON.Tracking performance of Costas loops with hard－limited in－phase channel［J］.IEEE Trans Commun，1978，26（4）：420－432.

［7］ BOMOOSH B，NABAVI A.Design and analysis of a reduced phase error digital carrier recover architecture for high－order quadrature amplitude modulation signals［J］.IET Communications，2010，4：2196－2207.

［8］ OERDER M，MEYER H.Digital filter and square timing recpvery［J］.IEEE Trans Commun，1988，36：605－612.

［9］ DODIN I Y，FISCH N J.Variational formulation of the Gardner's restacking algorithm［J］.Physics Letters A，2005，341（1－4）：187－192.

［10］ FLOYD M G.Interpolation in digital modems－Part I：fundamentals［J］.IEEE Trans Commun，1993，41（3）：501－507.

（責任編輯：孟素蘭）

Universal PSK and QAM demodulation receiver

LüYan1，Ll Jin2
（1.College of Information Engineering，Inner Mongolia University of Technology，Huhehaote 010062，China；2.School of Electronic Information，Wuhan University，Wuhan 430072，China）

The paper proposes a variable data－rate receiver on universal PSK（phase shift keying）and QAM（quadrature amplitude modulation）receiver by based on general quadrature architecture，and according to design principle of module sharing and same parameter.In universal receiver，PSK demodulations achieve carrier recovery by Costas loop，and QAM demodulations achieve carrier recovery by constellation－reduced Costas loop.PSK and QAM demodulations achieve timing－recovery by Gardner algorithm.The simulation results of demodulation performance show that：the demodulation performance degrades in 1dB for BPSK and QPSK，and 2dB for 16QAM，compared with theoretical values.It is obvious that the universal receiver preferably fulfils PSK and QAM demodulations.

software－defined radio；CIC filter；half－band filter；PSK demodulation；QAM demodulation

TN85

A

1000－1565（2013）02－0204－06

10.3969／j.issn.1000－1565.2013.02.017

2012－11－02

國家自然科學基金資助項目（61271400）

呂巖（1973－），女，內蒙古呼和浩特人，內蒙古工業大學講師，主要從事計算機科學與技術方向研究.E－mail：lv＿yan＠126.com