全數字128QAM調制解調器的實現與分析

曹桂芹，趙憲臣，姜士強，王國利

(山東泉清通信有限責任公司，濟南 250101)

全數字128QAM調制解調器的實現與分析

曹桂芹，趙憲臣，姜士強，王國利

(山東泉清通信有限責任公司，濟南 250101)

本文介紹了128QAM調制解調器的具體實現方法，從發端的卷積編碼、星座圖映射，到收端的時鐘提取、載波恢復、均衡、譯碼及二次判決等，著重介紹了時鐘提取及載波恢復，同時對載波恢復進行了全面的分析及闡述。

QAM；卷積編碼；星座圖；時鐘恢復；載波同步；自適應判決反饋均衡器

1 引言

在可用頻譜資源日益緊張的情況下，高階調制以其高效的頻譜利用率愈來愈受到人們的青睞，特別是128QAM，不僅能有效地提高頻譜利用率，而且還能提供大容量、高速率的多媒體綜合業務。在上述背景下，本文設計了一個能提供STM-1接口的數字調制解調器，符號速率26Mb/s，比特速率達到

182Mb/s。

2 128QAM調制器的原理及實現

QAM調制主要是通過兩路正交載波的多種幅度來攜帶符號信息，因正交幅度調制具有多元的特性，又可記為MQAM。在正交幅度調制技術中，兩個支路的幅度具有多種取值，合成信號的相位以及幅度具有多種組合，星座圖映射時，以信號星座點之間的最小距離最大為原則。

2.1 128QAM調制部分的實現

本設計參照《SDH微波通信系統總技術要求2》，成功地研制出了全數字高階128QAM調制解調器。調制部分主要由FPGA電路、D/A轉換電路、低通濾波電路以及正交調制電路組成。其中，FPGA電路主要完成數據輸入、加擾、卷積編碼、多級編碼映射、成型等功能。電路實現方框圖如圖1所示。

圖1 128QAM調制實現方框圖

2.2 編碼及MCLM編碼映射

在高階調制中，編碼和映射是調制的核心部分，直接關系到調制解調器的誤碼接收性能；從編碼效率、編碼增益及信道帶寬等多方面同時考慮，設計時選用了128QAM，輸入的信號經串并轉換為Q[6..0]，編碼時其中的Q0路信號采用（2，1，7）卷積編碼，將編碼后的信號合路為一路信號，其余的六路進行相應的延遲，信號編碼效率為13/14。為進一步提高系統的誤碼性能，建設信道中錯誤的相關性，在設計中采用了交織技術，交織器由7個分支組成，通過輸入開關來控制比特流循環輸入，每個分支都有一個相應深度的FIFO寄存器組成。信號經編碼、交織后，進行星座圖映射，映射時采用多級編碼方式，具體電路實現方框圖如圖2所示。128QAM的星座圖如圖3所示。

圖2 編碼及交織電路方框圖

圖3 128QAM星座圖

使用成形技術，對發送信號的頻譜進行專門的加工，能使其在消除碼間串擾和最佳接收的情況下，壓縮信號頻帶，提高信號頻譜利用率。在本設計中采用了查表的方法，為了提高調制解調器的誤碼性能，采用平方根升余弦濾波器，具體參數是6倍鐘采樣，8碼元相關，ɑ=0.5。符號速率26Mb/s/Hz，通過示波器，采用外同方式，實際測試的眼圖波形如圖4所示。

圖4 128QAM的眼圖示意圖

3 128QAM解調器的原理及實現

解調是調制的逆過程，將接收的已調信號進行正交解調、低通濾波、差分放大后送入A/D轉化器進行模數轉換，轉換后的信號直接送到FPGA，在FPGA內部完成時鐘定時提取、載波頻差與相差的提取及補償，解調后的信號經均衡、判決等最終恢復出數字信號。128QAM數字解調結構示意圖如圖5所示。

圖5 128QAM數字解調結構示意圖

3.1 AGC電路及控制

在通信系統的解調器中，受發射功率、通信距離等多種因素影響，解調器接收的中頻信號強弱變化范圍很大，高達幾十個dB；為保證足夠的動態范圍和精度，在接收端使用AGC電路，在本設計中，選用了步長為0.125dB的數控衰減器芯片進行級聯的方式，采用了兩片芯片進行級聯，使得AGC的動態控制范圍高達62dB，采用數控AGC，精度高，受環境因素影響小。具體控制是通過FPGA電路來實現的，首先將各數控衰減器的衰減值設定為0dB，然后計算輸入信號的功率值，通過正交I/Q的均方值即精確得到AGC信號功率，其中，I,Q為同相正交支路的符號峰值的采樣點數據。由于輸入信號的幅度通常是緩慢變化的，通過一段時間的樣值累加進行一次估計，然后將累加值與所設定的參考值進行比較，逐步調整衰減值，直至到一個合適的接收電平。與模擬AGC相比，由于反饋部分是通過數字方法實現的，所以具有快速收斂和精確的穩態響應等優點。具體電路實現方框圖如圖6所示。

圖6 電路實現方框圖

3.2 位同步提取

位同步的目的是使得每個碼元得到最佳的解調和判決，位同步的準確性直接解調到解調器的誤碼性能。在本設計中，所用的時鐘提取方法（位同步）是以Gardner算法為基礎，針對高階調制的多電平情況進行了改進。Gardner算法的表達公式為

Ut(r)=YI(r-1/2)×Sgn[YI(r)-YI(r-1)]+YQ(r-1/2)

×Sgn[YQ(r)-YQ(r-1)]

Gardner算法是一種適用于限帶的BPSK，QPSK調制信號的同步定時誤差檢測方法，要求采樣速率為符號速率的兩倍。本設計針對128QAM多級電平調制，對Gardner算法進行了改進，消除了高階調制噪聲，為了提高時鐘相位穩定度，所采用的采樣速率為符號速率的6倍。改進后的Gardner算法表達式為

位同步是通過FPGA電路和壓控振蕩器的共同作用來實現，在FPGA內部計算當前同步狀態下每個符號采用時所形成的誤差信號Ut(r)，然后將誤差信號Ut(r)進行累加平均得到信號相對平穩誤差信號E(r)，將E(r)通過模數轉換器轉換為模擬信號，經低通濾波后送到控制壓控振蕩器的壓控端，逐次進行逼近，直至達到一個動態的平衡，從而完成位同步。提取出的位同步時鐘相位抖動小，為后面的載波恢復提供了良好的基礎。該方法不僅適用于BPSK,QPSK，而且適用于各種QAM系統。

3.3 載波恢復及其補償

載波同步和位同步是數字通信系統接收單元中重要的組成部分；本設計中載波同步的實現是通過收發頻偏及相位的估計及補償完成的，具體的實現分三個步驟完成的：一是對收發載波頻偏的估計及補償，二是收發載波相位的估計及補償，三是進行時域均衡。

收發載波頻偏的恢復與補償：利用發端I,Q兩路插入的導頻碼，對前半部分PN1、后半部分PN2的導頻信號碼分別進行相關運算；利用幀定時信號，從連續的碼流中取出PN1,PN2所對應的自相關運算結果R1(k),R2(k)，通過CORDIC算法求出相關后兩個相關值R1(k),R2(k)對應的角度Ф1,Φ2，有

計算出Ф1,Φ2的差值，然后對差值進行相應的滑動平均，得到平均值Ф。同時對插入的所有導頻信號進行自相關運算得到δ，由相關值Ψ通過CORDIC求出對應的角度θ，從而能求出每一幀的幀頭及幀尾兩個符號所對應的角度差值Δθ，根據Ф與Δθ的對應關系，再對Δθ進行相應的加減2π，進而求出前后兩個符號之間的角度Ψ，然后依據補償公司進行相應的補償。本文所用的載波同步方法只依附于導頻碼，導頻碼采用的是抗噪聲性能最強的BPSK調制，所以頻差的估計基本不受噪聲的影響。補償公式為

利用與發載波頻差相差為30kHz的信號作為正交解調器的本振信號，則解調后的信號中包含有30kHz的頻差，該信號經6倍頻時鐘采樣得到的信號星座圖如圖7所示。該信號采用本文所述的載波恢復及補償方法處理后，采用基于類4次方環的快速載波同步算法完成收發載波相位的估計及補償，最終得到的信號星座圖如圖8所示。

圖7 含頻差30kHz的信號星座圖

圖8 補償后的信號星座圖

3.4 自適應判決反饋均衡器

在無線寬帶通信系統中，因多徑傳輸帶來的頻率選擇性衰落會嚴重地影響通信性能，特別是高階高速通信系統。為克服符號間的干擾，提高系統的通信性能，在接收端一般采用均衡技術，本設計中采用了自適應判決反饋均衡器。它包括前饋濾波器和反饋濾波器，均衡器的系數可以遞推地調整，均衡電路結構形式如圖9所示。該均衡器系數調整的地推方程是

圖9 自適應判決反饋均衡器

完成載波同步后的信號經均衡器后，實測得到的信號星座圖如圖10所示，從均衡后的信號星座圖可以看出，幅度特性、相位特性得到了進一步改善，星座點更加匯聚，從而能進一步提高系統的通信能力。

圖10 均衡后的信號星座圖

4 調制解調器的性能分析

圖11 誤碼特性測試連接示意圖

筆者對設計的調制解調器進行了實際測試，測試連接示意圖如圖11所示，測試時從多個不同的E1口，分別加載不同信噪比之下的噪聲，反復進行30次測試，最終獲取誤碼比特率的均值，運用Matlab繪制了128QAM在不同信噪比情況下的誤碼特性曲線。特性曲線圖如圖12所示。從特性曲線可以看出，BER=1×10-4時，Eb/N0=17.9dB；BER=1×10-9時，Eb/N0=22.4dB，達到了《SDH微波通信系統總技術要求2》中的指標要求。

圖12 128QAM不同信噪比的誤碼特性曲線

5 結束語

本文主要論述了128QAM調制解調器的具體實現方法，提出了一種適合收發載波頻差較大的情況下，載波同步的具體實現算法，該算法受噪聲性能影響小，實現簡單，便于更改，運算量小，適合電路實現。并且筆者將該算法已實際應用128QAM通信系統中，提高了系統性能，獲得理想的通信效果。■

[1] 姚彥，梅順良，高葆新等．數字微波中繼通信工程．北京：人民郵電出版社，1990

[2] 王新明，肖國鎮等．糾錯碼——原理與方法．西安：西安電子科技大學出版社，1991

[3] John G.Proakis,Masond Salehi著．張力軍，張宗橙，宋榮方，曹士坷等譯．數字通信．北京：電子工業出版社，2011.6

[4] 鄭大春，項海格．一種全數字QAM接收機符號定時和載波相位恢復方案．通信學報，1998 Vol19 NO.7

[5] 陶為戈,錢志文．QAM編解碼系統的SystemView仿真實現[J]．現代電子技術，2006,29(13):41242

世紀睿科榮獲2015年度國家科學技術獎

2016年1月8日，2015年度國家科學技術獎勵大會在人民大會堂隆重舉行，黨和國家領導人習近平、李克強、劉云山、張高麗等出席大會并向獲獎代表頒獎。世紀睿科集團旗下北京世紀睿科系統技術有限公司申報的“高清視頻網絡化即時服務技術與應用”項目榮獲了國家科學技術進步二等獎。

2015年度國家科學技術獎共授獎295項成果和7位外籍科技專家，其中國家自然科學獎42項、國家技術發明獎66項、國家科學技術進步獎187項，較2014年減少了23項。

世紀睿科集團積極響應國家號召，實施科技創新驅動發展戰略，在高清晰度音視頻傳輸技術等方面，銳意進取，勇于創新，始終走在國內外同行的前列。此次申報的“高清視頻網絡化即時服務技術與應用”科技成果是通過先進的圖像處理與網絡通信技術，充分利用可獲得的傳輸網絡資源，克服了大范圍復雜時空環境對視頻信息采集、處理和傳輸所帶來的特殊困難，實現高時效、高品質、無間斷的視頻服務。為國家主流媒體第一時間和第一地點報道重大事件、國家重要部門在重大活動中遠程指揮和快速響應等典型公益性應用服務提供技術保障，對文化強國、國防建設和社會經濟發展具有重要推動作用。

Realization And Analysis of Full Digitial 128QAM Modulator-DemodulatorAbstract

Cao Guiqin, Zhao Xianchen, Jiang Shiqiang, Wang Guoli
(Shandong Quanqing Communictions Co., Ltd., Ji’nan, 250101)

This article provides detailed information in realization of a 128QAM modem. In the article introductions of convolution coding and constellation mapping in the transmitter side are given. Clock recovery, carrier recovery, equalization, decoding and second decision are also provided. The article specially introduces clock recovery in 128QAM modem.

QAM; convolution coding; constellation map; clock recovery; carrier synchronization; selfadaptive decision feedback equalizer

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.01.002

TN92

A

1672-7274（2016）01-0008-05