司瑩瑩

(濱州醫(yī)學(xué)院信息系統(tǒng)教研室，山東 煙臺 264003)

隨著通信技術(shù)迅猛發(fā)展，遙控技術(shù)作為通訊領(lǐng)域的一個分支，正向數(shù)字化、集成化、小型化、系列化方向發(fā)展。集成電路規(guī)模的擴(kuò)大和生產(chǎn)工藝進(jìn)一步提高，使遙控單元的數(shù)字化、軟件化成為可能，并替代現(xiàn)有的遙控單元，完成多模式解調(diào)功能。

與模擬解調(diào)器相比，數(shù)字化解調(diào)器有以下特點:(1)數(shù)字化解調(diào)器可編程能力強(qiáng)，對于相同的硬件平臺，通過軟件編程或參數(shù)的設(shè)置可以對載波頻率、碼速率、碼型等參數(shù)進(jìn)行操作和控制;(2)抗干擾能力強(qiáng)，具有數(shù)字信號處理能力，易于仿真分析，便于多路復(fù)用、生產(chǎn)制造和調(diào)試［1］。

1 解調(diào)器原理

解調(diào)器由四個部分組成:數(shù)字下變頻模塊、載波同步模塊、位同步模塊和數(shù)據(jù)恢復(fù)模塊［2］。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 解調(diào)器原理圖

輸入PSK 信號經(jīng)過放大濾波等信號調(diào)理后，用模數(shù)轉(zhuǎn)換器直接進(jìn)行正交采樣，產(chǎn)生兩路正交信號;將正交信號送入數(shù)字下變頻模塊(數(shù)字下變頻模塊由數(shù)字混頻器、數(shù)控振蕩器和帶通濾波器組成)，信號與數(shù)控振蕩器產(chǎn)生的數(shù)字正交信號相乘，得到的兩路信號通過帶通濾波器，此帶通濾波器的帶寬恰好使信號的有用頻譜通過并阻止帶外的噪聲通過，經(jīng)過帶通濾波和抽取后輸出為采樣速率較低的基帶數(shù)字信號I和Q;兩路基帶數(shù)字信號經(jīng)過AGC(Automatic Gain Control)，使其電壓增益自動地隨信號強(qiáng)度而調(diào)整，以達(dá)到自動增益控制的目的;輸出信號到載波同步模塊，載波同步模塊由復(fù)數(shù)乘法器、環(huán)路濾波器和數(shù)控振蕩器組成，使用科斯塔斯環(huán)［3］實現(xiàn)對副載波相位和頻率的跟蹤捕獲，以保證調(diào)制副載波和解調(diào)副載波的同頻同相;位同步模塊使用自同步法實現(xiàn)，信號經(jīng)過位同步模塊后，實現(xiàn)符號定時的捕獲與同步，以保證本地估算采樣判決時刻始終與最佳采樣時刻一致;數(shù)據(jù)恢復(fù)模塊完成對原始調(diào)制信號的恢復(fù)，經(jīng)過上述過程后得到脈碼調(diào)制數(shù)據(jù)PCM和時鐘CP，實現(xiàn)解調(diào)過程。

1.1 原理算法

輸入的PSK 信號序列的表達(dá)式為:

其中，m(t)∈［－1，1］是二進(jìn)制單極性隨機(jī)振幅，f0為接收信號的載波頻率，ψ為載波的瞬時相位［4］。

設(shè)在一個碼元持續(xù)時間T 內(nèi)，經(jīng)過帶通濾波后的接收信號和噪聲電壓為:

其中，n(t)為高斯白噪聲，根據(jù)隨機(jī)過程的理論，噪聲電壓可以表示為:

兩路正交信號通過數(shù)字下變頻后，高頻分量被去掉，得到的信號分量表示為:

令Δf=fs－f為接收信號的頻率差，Δψ=ψ－φ為接收信號的瞬時相位差。輸出頻率fs接近于fc，使得Δf 接近與零，通過自動增益控制，放大電路的增益隨控制電壓而改變，此時得到的信號為:

選取適合的M、N值(M≥N)，使不同載波和碼速率輸入下保持解調(diào)環(huán)路的結(jié)構(gòu)不變。兩路信號經(jīng)過復(fù)數(shù)乘法器后輸出的信號為:

通過設(shè)置頻率控制字和初始相位，數(shù)字控制振蕩器可生成所需的正余弦輸出序列，送入復(fù)數(shù)乘法器后得到的輸出信號為:

令σ=Δψ－φ，則當(dāng)載波跟蹤環(huán)路設(shè)為鎖定狀態(tài)時，σ、Δf≈0，可將噪聲忽略，此時輸出信號則為:

將輸出的信號進(jìn)行位同步，由于信號包含調(diào)制信息，即可得到解調(diào)信號。

1.2 載波同步

同步是調(diào)制系統(tǒng)十分重要的問題，只有收發(fā)兩端協(xié)調(diào)工作，系統(tǒng)才能真正實現(xiàn)解調(diào)功能。在相干解調(diào)中，相乘電路需要有相干載波，該載波必須要從接收信號中獲取，并且要求與接收信號具有相同的頻率和相位。載波同步就是在相干解調(diào)時，在接收設(shè)備中產(chǎn)生一個與接收信號的載波同頻同相的本地相干載波信號的過程，它是實現(xiàn)相干解調(diào)的基礎(chǔ)。本文介紹的解調(diào)器使用的載波同步環(huán)是改進(jìn)的科斯塔斯環(huán)，它對傳統(tǒng)科斯塔斯環(huán)的改進(jìn)是首先對兩路信號相乘獲得相位誤差信號，再對每個載波頻率進(jìn)行π/2 相移。改進(jìn)型的科斯塔斯環(huán)克服了傳統(tǒng)科斯塔斯環(huán)相位模糊的缺點［5］，有利于提高信號的捕獲能力，適合于載波頻率經(jīng)常變化時信號的提取。

環(huán)路濾波器是一種低通濾波器，主要作用是建立環(huán)路的動態(tài)特性，在鑒相器的輸出端衰減高頻誤差分量，以提高抗干擾性能［6］。當(dāng)環(huán)路在跳出鎖定狀態(tài)時，可以提高環(huán)路以短期存儲，確保環(huán)路迅速重新捕獲信號。環(huán)路濾波器是實現(xiàn)載波同步的關(guān)鍵，在該解調(diào)器中使用環(huán)路濾波器目的是減弱由于輸入信號噪聲引起的相位誤差和高頻分量，以便在輸出端對原始輸入信號進(jìn)行有效估計。環(huán)路濾波器對信號的動態(tài)響應(yīng)程度取決于環(huán)路濾波器的階數(shù)，本文采用二階二型環(huán)，環(huán)路濾波器的傳遞函數(shù)可表示為:

環(huán)路濾波器［7］的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 環(huán)路濾波器結(jié)構(gòu)圖

圖中C1為濾波器的比例通路的增益系數(shù)，C2為積分通路的增益系數(shù)，系數(shù)C1是無量綱的，C2必須有時間的量綱。C1和C2的值與選擇的環(huán)路參數(shù)(固有頻率ωn和無量綱的阻尼系數(shù)ξ)以及環(huán)路增益、采樣等均有關(guān)，C1、C2計算公式如下:

阻尼系數(shù)ξ 的值不宜過高，一般在0.5～1 的范圍內(nèi)較好，大于1 的阻尼系數(shù)沒有過沖，阻尼系數(shù)小于0.5 的環(huán)路瞬態(tài)響應(yīng)動態(tài)特性較差，過沖過大，在這里阻尼系數(shù)常取臨界阻尼系數(shù)0.707。ωn的取值范圍很寬，根據(jù)需要其范圍從10－5～108rad/s。Kd為鑒相器的增益系數(shù)，Ko為數(shù)控振蕩器靈敏度增益常量。

1.3 位同步

位同步是指接收端根據(jù)發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)的起止時間和時鐘頻率，產(chǎn)生一個時間基準(zhǔn)相同、采樣判決時刻與最佳采樣時刻一致的定時脈沖序列。位同步又稱為碼元同步，其實現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 位同步實現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖

解調(diào)器中的位同步模塊通過自同步法［8］實現(xiàn)。解調(diào)器的位同步模塊通過相位誤差估算［9］輸出脈沖序列的采樣時鐘相位與最佳采樣時刻之間的相位差，然后產(chǎn)生一個頻率與定時誤差成比例的誤差脈沖，誤差脈沖經(jīng)過環(huán)路濾波器濾除高頻成分和噪聲，進(jìn)行低通濾波，得到頻率控制信號，通過數(shù)控振蕩器對頻率控制信號的頻率和相位進(jìn)行調(diào)整。如果輸出脈沖序列提前于理想采樣信碼脈沖序列時刻，則使輸出脈沖序列扣除一個誤差脈沖，輸出的脈沖相位后退，實現(xiàn)采樣時刻滯后;反之則將輸出脈沖序列附加一個誤差脈沖，使輸出脈沖相位提前，實現(xiàn)采樣時刻提前，從而達(dá)到碼元同步的目的。這種自同步方法不需要改變時鐘相位，具有更好的穩(wěn)定性，適用于對系統(tǒng)時鐘穩(wěn)定性要求較高的場合。

2 數(shù)字解調(diào)器仿真

為了便于仿真，本文選用MATLAB 作為仿真工具。仿真數(shù)據(jù)源中的高斯白噪聲采用函數(shù)變換法產(chǎn)生，先生成(0，1)區(qū)間均勻分布的隨機(jī)數(shù)，再經(jīng)過函數(shù)變換，利用瑞麗分布函數(shù)得到具有高斯噪聲特性的隨機(jī)數(shù)。

仿真前需要先運行配置初始化仿真參數(shù)，運行誤碼率自動仿真程序，用不同Eb/No 下誤比特數(shù)和總比特數(shù)相比，得到各信噪比下的誤碼率曲線。由于計算機(jī)直接生成仿真數(shù)據(jù)源，并且除加入高斯白噪聲外，不受其它噪聲影響，則不存在量化誤差。但是，較高的誤碼率需要很長的測試時間(如對1 kbit/s 在12 dB 時的誤碼率，一個點的測試大約需要10 h)。

文件運行結(jié)束后，繪制誤碼率曲線。1 kbit/s 誤碼率仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 1 kbit/s 誤碼率

利用圖1所示解調(diào)器，根據(jù)文中的算法仿真解調(diào)的誤碼率與理論誤碼率的比較如圖4所示，實線為理論誤碼率，圓點為仿真誤碼率。

3 結(jié)束語

本文介紹的解調(diào)器其優(yōu)勢表現(xiàn)在:便于仿真分析、硬件設(shè)計實現(xiàn);解調(diào)過程延遲少、抗干擾能力強(qiáng)、解調(diào)過程更穩(wěn)定;載波同步、位同步響應(yīng)速度快，跟蹤性能好，該解調(diào)器可以應(yīng)用在低信噪比、較大頻率偏移范圍內(nèi)工作。目前該解調(diào)器已得到工程化的應(yīng)用。

［1］馮傳崗.論現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制技術(shù)［J］.有線電視技術(shù)，2003，(4):69－76.

［2］高翠東，趙琦，陸國雷，等.遙控副載波信號的軟件解調(diào)方法［J］.信息安全與通信保密，2009，(12):50－52.

［3］張欣.擴(kuò)頻通信數(shù)字基帶信號處理算法及VILI 實現(xiàn)［M］.北京:科學(xué)出版社，2004:67－69.

［4］趙國棟，徐建良.基于多相濾波的正交采樣零中頻數(shù)字化接收及QPSK 高速解調(diào)的FPGA 實現(xiàn)［J］.電路與系統(tǒng)學(xué)報，2010，(15):134－138.

［5］莊錫榮，焦會.改進(jìn)型科斯塔斯(Costas)環(huán)探討［J］.湖北成人教育學(xué)院學(xué)報，2009，15(1):121－123.

［6］時瑞瑞.中頻數(shù)字解調(diào)器的載波同步算法研究［D］.碩士論文，2010，6:12－15.

［7］蔣毅凱，李國通，楊根慶.基于定點DSP 的軟件鎖相環(huán)的設(shè)計和實現(xiàn)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2004，(4):51－53.

［8］孫海洋，劉杰.數(shù)字調(diào)制信號接收技術(shù)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，(15):171－173.

［9］Gardner F M.A BPSK/QPSK Timing-Error Detector For Sampled Receivers［J］.IEEE Trans.on Common，1986，34(5):423－429.