多速率調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

余金磊，馮曉東

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊 050081;2.總參信息化部駐石家莊地區(qū)軍事代表室，河北石家莊)

0 引言

現(xiàn)代通信系統(tǒng)中對(duì)多速率傳輸?shù)男枨笕找嫱癸@，多速率傳輸在3G通信網(wǎng)、無(wú)線局域網(wǎng)等通信系統(tǒng)中得到了應(yīng)用和推廣。

在以往的多速率傳輸系統(tǒng)中，為保證系統(tǒng)性能，通常的做法是在射頻通道設(shè)置一組濾波器，依據(jù)不同的傳輸速率進(jìn)行切換，系統(tǒng)的復(fù)雜度增加，成本升高;如果不設(shè)置濾波器組，則系統(tǒng)的性能無(wú)法得到保證。

現(xiàn)代大規(guī)模集成電路特別是現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)的出現(xiàn)使通過(guò)軟件無(wú)線電的方法實(shí)現(xiàn)多速率傳輸成為可能［1］。在FPGA內(nèi)部通過(guò)算法實(shí)現(xiàn)不同信息速率的同頻帶傳輸能夠大幅簡(jiǎn)化射頻通道的設(shè)計(jì)，而付出的代價(jià)僅僅是算法復(fù)雜度的提高，相關(guān)算法的實(shí)現(xiàn)可以調(diào)制解調(diào)器中進(jìn)行。

1 調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)

某微波通信系統(tǒng)中包含有:320 kb/s、640 kb/s、1280 kb/s、2560 kb/s、10240 kb/s 和 40960 kb/s 6種信息速率。使用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)(DSSS)選擇不同長(zhǎng)度的擴(kuò)頻碼將 320 kb/s、640 kb/s、1280 kb/s、2560 kb/s的傳輸速率既碼片速率擴(kuò)展至20480 kb/s，使用卷積編碼將10240 kb/s變換至20480 kb/s，調(diào)制方式使用BPSK;40960 kb/s使用QPSK調(diào)制，實(shí)現(xiàn)了不同信息速率在相同的帶寬上傳輸。直接序列擴(kuò)頻技術(shù)可以提高通信系統(tǒng)的抗干擾和抗多徑傳輸效應(yīng)的能力［2］，而采用卷積編碼可以很容易地降低指定差錯(cuò)性能時(shí)所需要的信噪比［3］。

多速率兼容調(diào)制解調(diào)器采用一體化和小型化設(shè)計(jì)，將調(diào)制、解調(diào)和中放AGC等功能模塊集成在一起。使用大規(guī)模集成電路、大容量FPGA，全數(shù)字地實(shí)現(xiàn)信息的擴(kuò)頻/編碼、基帶成型、IQ調(diào)制、相干解調(diào)、解擴(kuò)/解碼等功能，擴(kuò)頻、解擴(kuò)或者編碼、解碼都在調(diào)制解調(diào)器中使用FPGA實(shí)現(xiàn)，具有集成度高、可靠性高、穩(wěn)定性好以及設(shè)置靈活等優(yōu)點(diǎn)。

多速率兼容調(diào)制解調(diào)器信息處理流程圖如圖1所示。

圖1 調(diào)制解調(diào)器信息處理流程圖

不同速率的信息碼流通過(guò)直接序列擴(kuò)頻或卷積編碼完成速率兼容，經(jīng)過(guò)基帶成型后送給IQ調(diào)制器轉(zhuǎn)化為中頻信號(hào)送給發(fā)信機(jī)。

來(lái)自收信機(jī)的中頻信號(hào)經(jīng)過(guò)中放AGC轉(zhuǎn)化為恒幅信號(hào)，中頻信號(hào)在復(fù)數(shù)混頻器中去掉相位誤差轉(zhuǎn)換為零中頻信號(hào)，在解擴(kuò)器中去掉擴(kuò)頻調(diào)制后提取定時(shí)信息和載波誤差，最后進(jìn)行判決和差分譯碼后送出數(shù)據(jù)和時(shí)鐘，恢復(fù)出使用直接序列擴(kuò)頻進(jìn)行速率兼容的信息碼流。去掉相位誤差的零中頻信號(hào)經(jīng)過(guò)內(nèi)插后送給均衡器完成時(shí)域均衡，分別進(jìn)行差分譯碼和卷積/差分譯碼恢復(fù)出另外2種速率的信息。

2 實(shí)現(xiàn)

2.1 調(diào)制器

由圖1可知，調(diào)制器中直接序列擴(kuò)頻和卷積編碼是實(shí)現(xiàn)速率兼容的關(guān)鍵。

2.1.1 PN序列的相關(guān)性

信息速率320 kb/s、640 kb/s、1280 kb/s、2560 kb/s分別使用64位、32位、16位、8位的 PN序列實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻，由于PN序列較短，擴(kuò)頻碼的自相關(guān)特性不是很理想，以16位PN序列{1100110101000011}為例，其自相關(guān)性如圖2所示。

圖2 16位PN序列的自相關(guān)性

觀察圖2可知，當(dāng)接收碼流相位與本地PN序列相位完全對(duì)齊時(shí)，相關(guān)峰值是理想的;但在相位未對(duì)齊的時(shí)刻，或碼元相位跳變時(shí)刻也會(huì)出現(xiàn)一些小的相關(guān)峰值，這些峰值最大時(shí)達(dá)到了相位對(duì)齊時(shí)峰值的一半，這些峰值的出現(xiàn)會(huì)影響解擴(kuò)時(shí)定時(shí)同步的提取，因此解調(diào)器如何提取定時(shí)信息就成為一個(gè)必須要考慮的問(wèn)題。

2.1.2 卷積編碼

卷積碼可以簡(jiǎn)單的用3個(gè)整數(shù)(n，k，K)來(lái)描述，其中k/n表示卷積碼的編碼效率，K稱為約束長(zhǎng)度，表示在編碼移位寄存器中k元組的級(jí)數(shù)，也即與編碼器輸出有關(guān)的輸入數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。考慮速率兼容，編碼增益和譯碼的復(fù)雜度等因素，在設(shè)計(jì)中使用一種短約束長(zhǎng)度的卷積編碼，其編碼矢量為{ 1001111}和{ 1101101}，這是一種得到廣泛應(yīng)用的短約束長(zhǎng)度的最佳卷積編碼［1］，其編碼器如圖3所示。

圖3 卷積碼編碼器

由圖3可知，(2，1，7)卷積編碼實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，1/2的編碼效率能夠很好地實(shí)現(xiàn)速率兼容的目標(biāo)。此外，卷積編碼還能夠帶來(lái)一定的編碼增益。表1列出了經(jīng)高斯信道傳輸、采用軟判決譯碼的(2，1，7)卷積編碼，與未編碼的相干BPSK相比的差錯(cuò)性能改善。

表1 (2，1，7)卷積編碼的差錯(cuò)性能改善

2.2 解調(diào)器

解調(diào)器中的關(guān)鍵是如何實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻解擴(kuò)和卷積譯碼。

2.2.1 擴(kuò)頻解擴(kuò)

直接序列擴(kuò)頻信號(hào)的捕捉同步方式有很多種，最常用的是序列相關(guān)積分處理法和匹配濾波器法［4－6］。兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)，滑動(dòng)相關(guān)器法硬件電路簡(jiǎn)單，碼長(zhǎng)可以較長(zhǎng)，但同步速度慢，同步時(shí)間與偽碼長(zhǎng)度有關(guān)，碼序列越長(zhǎng)同步時(shí)間越長(zhǎng);匹配濾波器同步速度快，同步時(shí)間僅為一個(gè)偽碼周期，但在偽碼長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)需要消耗較多硬件資源，設(shè)計(jì)的主要代碼實(shí)現(xiàn)在大容量FPGA中進(jìn)行，資源充足，實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)便。因此采用數(shù)字匹配濾波器(DMF)來(lái)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻信號(hào)的解擴(kuò)。

2.2.2 定時(shí)提取

定時(shí)同步采用PN碼和數(shù)據(jù)符號(hào)同步的方式，即一個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)的轉(zhuǎn)換點(diǎn)對(duì)應(yīng)著一PN碼周期的轉(zhuǎn)換點(diǎn)，DMF完成一次PN碼解擴(kuò)，同時(shí)意味著獲取了數(shù)據(jù)符號(hào)的位同步信息，再附加一定的數(shù)據(jù)位時(shí)鐘恢復(fù)和保護(hù)電路，就可以獲取精確的數(shù)據(jù)位同步，如圖4所示。

圖4 定時(shí)同步提取原理框圖

數(shù)字匹配濾波器輸出的相關(guān)峰信號(hào)經(jīng)過(guò)取絕對(duì)值去掉相位信息后送給去直流梳齒濾波器，經(jīng)過(guò)梳齒濾波器進(jìn)行提純后在一個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)內(nèi)尋找最大值，在門(mén)限判決模塊內(nèi)將找到的峰值和內(nèi)部存儲(chǔ)器存放的門(mén)限進(jìn)行比較，若峰值大于給定的門(mén)限值，則輸出一個(gè)以峰值為中心4個(gè)采樣點(diǎn)寬度的窗口信號(hào)，DMF輸出的相關(guān)峰信號(hào)在此窗口內(nèi)尋找最大值，輸出即為位同步信號(hào)。

時(shí)間窗的作用除了時(shí)鐘恢復(fù)和保護(hù)外，還可以屏蔽掉出現(xiàn)在時(shí)間窗以外的虛警信號(hào)［7］。時(shí)間窗的寬度選擇，即時(shí)間窗內(nèi)包含的樣值數(shù)目，對(duì)時(shí)鐘的性能影響很大。時(shí)間窗越寬，跟蹤范圍越大，但是發(fā)生虛警可能性越大。

2.2.3 卷積譯碼

卷積碼常用的譯碼方法有維特比譯碼和序貫譯碼。維特比譯碼的算法復(fù)雜度與信道特性無(wú)關(guān)，卻隨約束長(zhǎng)度呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng);序貫譯碼受約束長(zhǎng)度影響較小，但在信噪比較低時(shí)有可能導(dǎo)致譯碼器的溢出［8］。比較2 種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合(2，1，7)卷積編碼約束長(zhǎng)度較短的實(shí)際，本設(shè)計(jì)中采用維特比譯碼。

由圖1可知均衡器的輸出既是譯碼器的輸入，均衡器的輸出有2種構(gòu)造方式:一種構(gòu)造方式是硬判決，即直接輸出“0”或者“1”;另一種構(gòu)造方式是軟判決，即量化后的有噪聲信號(hào)。對(duì)于高斯信道來(lái)講，3 bit量化的軟判決維特比譯碼相較硬判決維特比譯碼能帶來(lái)2 dB的性能提升，付出的代價(jià)僅僅是增加少許的計(jì)算量［9］。Altera公司的FPGA內(nèi)嵌有維特比譯碼IP核，因此在算法實(shí)現(xiàn)時(shí)需要保證的就是譯碼器輸入的時(shí)序和邏輯關(guān)系。

3 測(cè)試驗(yàn)證

數(shù)字微波通信設(shè)備接收門(mén)限電平為:

式中，－174是宇宙背影輻射噪聲功率譜密度，絕對(duì)溫度T0=300 K時(shí)的環(huán)境噪聲;R為信息速率，單位為“bps”;NF為接收機(jī)的噪聲系數(shù)，取值為3;Eb/N0是誤碼率為1×10－6時(shí)，理想歸一化信噪比，取值為10.6。

在高斯白噪聲信道下，對(duì)微波系統(tǒng)接收門(mén)限進(jìn)行了測(cè)試，與由式(1)得到各信息速率接收門(mén)限電平的理論值對(duì)比，結(jié)果如表2所示。

表2 接收門(mén)限測(cè)試

由表2可知，當(dāng)系統(tǒng)信息速率為10240 kb/s時(shí)，卷積編碼帶來(lái)的編碼增益使實(shí)測(cè)接收門(mén)限優(yōu)于理論接收門(mén)限2.6 dB，其他速率實(shí)測(cè)接收門(mén)限與理論接收門(mén)限相比，性能損失也在3.4 dB以內(nèi)。考慮到差分譯碼引起的誤碼擴(kuò)散、解調(diào)損失、信道的非線性失真、環(huán)境溫度變化以及調(diào)制矢量偏差等因素引起的接收門(mén)限惡化，測(cè)試結(jié)果表明使用本調(diào)制解調(diào)器的微波通信系統(tǒng)在降低了硬件成本的同時(shí)能夠滿足系統(tǒng)的整體性能。

5 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，多速率傳輸應(yīng)用日益普及，其實(shí)現(xiàn)方案也多種多樣。針對(duì)工程實(shí)際提出了一種多速率調(diào)制解調(diào)器實(shí)現(xiàn)方法，設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)基于直接序列擴(kuò)頻和卷積編碼，分析了發(fā)端PN序列和卷積碼的特性，并給出了收端如何恢復(fù)出信息碼流的方法。直接序列擴(kuò)頻的應(yīng)用場(chǎng)景還有很多，如碼分多址等，卷積編碼的性能隨著約束長(zhǎng)度的變化以及譯碼算法的不同也有提升的空間。多速率調(diào)制解調(diào)器已應(yīng)用于工程實(shí)際，工作穩(wěn)定可靠。本設(shè)計(jì)在實(shí)現(xiàn)多速率通信的同時(shí)，顯著降低了系統(tǒng)的設(shè)備復(fù)雜度，保證了性能的實(shí)現(xiàn)，具有相當(dāng)大的實(shí)用價(jià)值。

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