衛星通信系統中的全數字突發調制解調器設計

許 崢，高恒偉

（南京熊貓漢達科技有限公司，南京 210014）

1 研究背景

由于TDMA 建網靈活、支持不同的比特速率可以提高地球站的功率利用率，很適合于多媒體衛星通信系統。所以它廣泛地應用于各種不同的衛星通信系統中。在這些應用中，很多都是用戶定位的多媒體系統，這就嚴格要求地球站的設備小型化、經濟、可靠。為使地球站小型化采用了很多技術。前向糾錯碼（例如卷積編碼和維特比譯碼）減小了傳輸功率和天線的尺寸、同時又達到了要求的誤比特率性能。多載波的TDMA 方案允許地球站工作在低載噪比的情況下。這樣減少了峰值傳輸功率。在多載波TDMA 系統中，OQPSK 通過采用非線性功率放大器而獲得了高功率利用率。在這種多媒體TDMA 系統中關鍵器件是突發調制解調器。FEC 的實施要求突發調制解調器工作在相當低的Eb/N0環境下。突發調制解調器應當用盡量少的前置碼來提高數據傳輸率，同時進行載波恢復和比特定時的捕獲。在低Eb/N0環境中要求優秀的載波和比特定時跳周率性能與快速載波和比特定時捕獲形成矛盾。傳統的數字突發調制解調器在低Eb/N0環境下同步載波和比特定時至少需要180個符號。多載波的TDMA 在衛星處理器上采用一個較高的回饋值來防止交調干擾。這就導致突發到突發的電平差異，而在傳統的單載波TDMA 系統中由于星上處理器工作在飽和狀態而沒有嚴重問題。調制解調器必須用一種AGC 來抵消突發到突發的電平差異。

本文提出了一種用于OQPSK 的全數字高速突發調制解調器技術。該技術采用全數字方式直接產生已調的中頻信號，同時解調器采用數字逆調制、前置濾波和快速捕獲位定時方案實現了低信噪比條件下的穩定工作。全數字高速突發調制解調器能夠在惡劣環境下獲得令人滿意的誤比特率性能。

2 全數字突發調制器

調制解調器信息速率為17.6Mb/s，它以突發方式處理OQPSK 信號。突發信號格式和調制信號狀圖如圖1所示，載波恢復碼字為全“1”碼，用于捕獲載波和解決相位模糊問題。同相信道用于時鐘捕獲的的比特定時恢復碼字為重復的“0101”碼字。正交信道的為重復的“0101010110101010”碼字。

圖1 突發信號格式

基本的OQPSK 信號產生方法為：I 信道和Q 信道數據I（n）、Q（n）分別經過成形濾波器后得到x（t-nT）、y（t-nT）與載波的同相和正交分量相乘，其中T 為符號寬度，然后兩路相加得到已調信號s（t）。表達式為：

全數字的調制器和一個外置的數模轉換器DAC 可以直接產生OQPSK 的第一中頻信號，該信號的中心頻率等于符號速率。其框圖如圖2所示。它將DAC 電路和混頻器的個數降為一個，而傳統的數字調制器需要兩個DAC 電路和兩個混頻器。即在I信道和Q 信道各有一個DAC 電路和一個混頻器。

圖2 調制器方框圖

假定載波頻率為抽樣頻率的四分之一，正交調制信號可以用以下方程式描述：

式中，S（n）為已調的第一中頻信號；X（n），Y（n）分別為脈沖成形的基帶I 信道和Q 信道信號，當調制器工作在每個符號4個抽樣值時，假設基帶脈沖成形由一個抽頭數為L 的FIR 濾波器實現，則QPSK 和OQPSK 的S（n）表達式分別由方程式（2），（3）表示：

式中，Im和Qm分別為I 信道和Q 信道的第m 個數據（取+1或-1）；T 為符號寬度；h（t）為FIR 濾波器的脈沖響應函數。u，v，j，k 如下取值：

u=n mod 4；v=（n-2）mod 4；n/4≤j＜n/4+1。j 為整數；（n-2）/4≤k＜（n-2）/4+1，k 為整數。因為取樣的余弦和正弦載波信號只能取1，0，-1，0…和0，1，0，-1…，所以調制器包括作為二進制橫向濾波器（BTF）用的四組高速隨機訪問緩存器（RAM）、三個二選一的選擇器。BTF 的系數C0、C1、C2、C3由下面四個方程式給定：

調制器有一個內置的低速只讀存儲器（ROM），用來存儲滾降系數為0.4的平方根余弦滾降濾波器的系數；抽頭數為L。在內部啟動過程中這些系數被傳到RAMs。也可以通過在RAM 中裝入適當的系數來選擇其它的脈沖成形函數。三個二選一的選擇器以定時速率次序輸出系數C0到C3。

3 全數字突發解調器

解調器的配置如圖3所示。包括分路器、FIR 濾波器、復數乘法器、一個載波恢復電路、一個比特定時恢復電路、一個載波AFC 電路（包括一個AFC 捕獲檢測器）、一個突發AGC 電路和一個突發信號檢測器（BDET）。它從第一中頻信號解調出I/Q 信道信號。

圖3 解調器方框圖

解調的過程如下所述：由載波AGC 電路控制的頻率轉換器將第二中頻信號轉換為第一中頻信號。載波AFC 電路消除了接收單元中由于頻率不穩造成的一般頻率誤差。第一中頻信號經低通濾波后由ADC 電路以四倍的符號速率進行取樣，這個抽樣時鐘與系統時鐘同步。抽樣信號分成八路輸入由BTR 電控制的FIR濾波器。FIR 濾波器充當匹配濾波器、零中頻頻率轉換器，并且根據BTR 電路輸入的比特定時信息進行調整。再與恢復的載波信號做復數乘法運算而得到I/Q 信道信號。

載波恢復的方框圖如圖4所示，它沒有采用傳統調制解調器所用的科斯塔斯環，而是采用比它性能好的逆調制環。在載波濾波器前加上一個預濾波器用來擬制噪聲，將濾波器的功耗降到一半，它可以用簡單的硬件實現并工作在較高的時鐘頻率。相位補償載波濾波器可以用最少的CR 碼字獲得最低的載波跳周率。

圖4 載波恢復電路框圖

圖5 比特定時恢復電路框圖

比特定時恢復電路如圖5所示。其中比特定時的相位是基于對BTR 碼字的DFT 運算來進行估計的，由此得到新的FIR 抽頭系數，脈沖成形濾波器用新系數與收到的信號卷積得到輸出信號。當Eb/No 為4dB、BTR 長度為40個字符時BTR 的比特定時估計誤差小于10度。

4 結束語

本文提出了一種采用調制解調器實現的全數字OQPSK 調制解調器方案。調制器以全數字方式直接產生中頻信號；解調器采用逆調制和預濾波的載波濾波限幅方案實現了在低Eb/No 的情況下低功耗且可以穩定工作。解調器以突發方式對比特定時進行快速捕獲。從文中的調制解調器方框圖可以看到，AFC 電路和AGC 電路的加入可以優化其性能。這樣實現的調制解調器符合多媒體衛星通信系統中對地球站可靠、小型化的要求，能夠在惡劣的環境中獲得良好的BER 性能，而且可以減小傳統的硬件尺寸，使地球站的大小得到較大的改觀。