通用PSK和QAM解调接收机

吕岩，李劲

（1.内蒙古工业大学信息工程学院，内蒙古呼和浩特 010062；2.武汉大学电子信息学院，湖北武汉 430072）

通用PSK和QAM解调接收机

吕岩1，李劲2

（1.内蒙古工业大学信息工程学院，内蒙古呼和浩特 010062；2.武汉大学电子信息学院，湖北武汉 430072）

在航天和卫星通信领域的CCSDS，DVB等多个标准中，都采用PSK和QAM调制方式，此外PSK和QAM调制也在其他商用标准中予以采用，因而通用PSK和QAM解调接收机的研究是十分必要的.本文基于通用的正交解调结构，根据模块共用和参数通用的设计原则，提出一种数据率可变的通用PSK和QAM解调接收机.接收机PSK解调的载波恢复采用Costas环，QAM解调的载波恢复采用减星座的Costas环，而PSK和QAM解调的定时恢复采用Gardner算法.解调性能的仿真结果表明：与理论值相比，BPSK、QPSK的解调性能恶化在1dB以内，16QAM的性能恶化在2dB以内，通用接收机可以较好地实现PSK和QAM解调.

软件无线电；CIC滤波；半带滤波；PSK调制；QAM调制

根据中国航天科技的发展规划，在航天通信领域逐渐采用CCSDS（consultative committee for spacedata systems）［1］标准已经成为必然.在CCSDS标准中，建议采用BPSK，QPSK，8PSK，GMSK等作为调制方式，而中国现有的航天通信系统也多采用PSK（phase shift keying）调制方式.此外，卫星通信的DVB［2］（digital video broadcasting）标准DVB－SH，DVB－S2等也选择BPSK，QPSK，8PSK，16QAM，32QAM等作为调制方式.因而，为了满足不同航天器、不同体制、不同传输速率的通信需求，从而实现不同航天器系统的兼容和相互通信，在统一的硬件平台上实现不同PSK和QAM调制信号的接收是十分必要的.而且由于PSK和QAM调制在现代通信中应用广泛，例如在WCDMA，TD－LTE，IEEE802.11，IEEE 802.16等标准中予以采用，因而通用PSK和QAM解调接收机也具有很好的应用前景.为了实现不同通信体制的兼容和互通，在相同的硬件平台上实现多种调制方式和可变传输速率的解调接收，可以采用软件无线电［3］技术.

1 通用PSK和QAM解调接收机

要实现调制方式和传输速率的通用PSK和QAM解调，需要实现调制方式、传输速率和载波频率可配置，因此需要A／D采样频率可调，并能通过上位机进行参数配置.通用接收机的硬件结构如图1所示，输入中频（IF）信号经AGC和带通滤波（BPF）后，进行A／D转换为数字信号，然后在FPGA上实现IF信号的数字解调.

图1 通用接收机的硬件结构Fig.1 Hardware configuration of universal receiver

为了避免数字信号对模拟部分的干扰，AGC和BPF以及A／D转换器的采样时钟生成都采用单独的子板，这种方式也便于子板替换，从而改变子板参数以满足不同的应用需求.为了降低电源噪声，母板和各个子板都采用单独供电，电源子板的输入电压由线性电源模块提供，板上模拟电路的供电采用线性稳压芯片，数字电路供电采用低噪声的开关稳压芯片，从而保证整个硬件平台的模、数电路噪声隔离.

FPGA数字解调后的信号可以由LVDS接口输出.电路母版上留有与工控机进行通信的USB和PCIE接口，用来实现解调参数的配置和数据输出，上位机程序和操作界面在工控机上实现.由于可以通过PCIE接口传送数据到工控机上，因而解调输出也可通过网口输出，不过传输速率要受到PCIE接口和网口速率的限制.

为了实现通用解调，应采用结构相似的解调算法，以便内部模块和参数能够尽可能共用.通用PSK和QAM解调的结构如图2所示，输入中频（IF）信号由A／D转换器变为数字信号后，分别与载波的同相和正交分量相乘，经级联梳状积分（CIC）和半带（HB）滤波进行降采样，再经低通和匹配滤波得到I，Q两路基带信号.数字混频［4］所需的相干载波由基带信号经载波恢复和NCO得到.基带信号经取样判决、符号映射和并／串变换即可得到解调输出，取样判决后的数据经定时恢复即可得到取样所需的峰值时刻.为了获得较大范围的可调符号速率，并保证相应的解调性能和复杂性，可选择采样率 与符号速率 之比为1∶8.根据A／D转换器的采样率和解调的符号速率，选择合适的抽取倍数，即可实现不同数据率的解调接收.

由图2可见，通用PSK和QAM解调器中，NCO、数字混频、CIC和HB滤波［5］、低通和匹配滤波、定时恢复部分都完全共用，只是载波恢复、符号映射、并／串变换部分有所不同，且载波恢复中只是相位误差检测部分有区别，而其他部分也可共用，因此最大限度地实现了PSK和QAM解调结构的优化设计.根据调制方式，选择相应的载波恢复、符号映射和并／串变换，即可实现不同调制方式的解调.

1.1 CIC和HB滤波

为了实现整倍数抽取滤波，通常可采用CIC和HB滤波.由于CIC滤波器级数越多则位数扩展越高，因此本设计中CIC滤波器采用3级级联，而HB滤波可采用1级或2级滤波器级联.根据抽取倍数选择合适的CIC滤波和HB抽取，例如抽取倍数为80则CIC和HB抽取倍数分别为20和4，抽取倍数为10则CIC和HB抽取倍数分别取5和2.

图2 通用PSK和QAM解调器的结构Fig.2 Universal PSK and QAM demodulator block diagram

I，Q两路输入信号分别经3级积分后，进行整倍数抽取，再经3级差分和增益调整，即可实现CIC滤波.若抽取倍数为k，对于3级CIC抽取滤波器，其增益调整倍数为k－3，可采用2的幂次近似以便用移位操作来实现增益调整.

2级HB滤波器HB1和HB2的抽头系数分别为19级和23级，其系数如表1所示.

表1 HB滤波器的系数Tab.1 Coefficients of HB filter

1.2 低通和匹配滤波

降采样后的信号经过低通和匹配滤波，即可得到I、Q两路基带信号.匹配滤波采用50级抽头系数的平方根升余弦滚降（SRRC）滤波器，窗函数为Blackman－Harris窗.低通滤波器的通带带宽可根据匹配滤波器进行设定，例如匹配滤波器的滚降系数为α＝0.5，其带宽为1.5fsymbol，相应低通滤波器的带宽可取1.8fsymbol，抽头系数为51级，窗函数为Blackman－Harris窗.为了降低滤波器所占的资源，并保证载波恢复闭环的收敛性，低通和匹配滤波采用滤波器级联和系数截取来实现，经截取后的滤波器抽头系数为50级.相应滤波器的幅频响应如图3所示.

由于SRRC匹配滤波器也具有低通滤波的作用，低通和匹配滤波通常也可以只用匹配滤波器实现.

图3 滤波器的幅频响应Fig.3 Amplitude－frequency response of filter

1.3 载波恢复和NCO

PSK解调无导频的载波恢复主要有2种方法：M次方和Costas环［6］.这2种方法性能相当，但M次方载波恢复的电路结构较为复杂，因此本文介绍的通用接收机中PSK解调的载波恢复也采用Costas环.QAM解调的载波恢复方法有4倍环、面向判决的载波恢复［7］、减星座点Costas环等，为了尽可能实现与PSK载波恢复的模块共用，通用接收机中QAM解调的载波恢复采用减星座点的Costas环.

载波恢复和NCO的结构如图4所示，载波恢复由相位误差检测器和环路滤波器组成，NCO由加法器、积分器和查找表组成.I、Q两路基带信号由相位误差检测器得到相位误差信号，再经环路滤波器得到所恢复的载波相位误差，最后经NCO即可恢复载波.

图4 载波恢复和NCO的结构Fig.4 Carrier recovery and NCO structure

其中环路滤波器采用二阶环路，由乘积部分和积分部分组成.乘积部分的系数C1和积分部分的系数C2分别控制环路的相位跟踪和频率跟踪的性能，其值为

式中ξ为环路阻尼系数，通常取0.707，ωn为环路阻尼振荡频率，t为NCO频率字的更新周期，Kd为环路增益.

1.4 定时恢复

PSK和QAM解调的定时恢复可以分为开环同步和闭环同步2类［8］.开环同步是从接收信号中提取时钟信息或生成位于时钟频率的谱线，一般需要辅助数据，因此在数字解调中通常采用闭环同步方法.闭环同步的定时误差提取通常有早迟门、Gardner算法［9］、O＆M算法、M＆M算法，其中Gardner算法由于结构简单、需要样点少而得到广泛应用.因而本文的通用接收机也采用Gardner算法.

通常Gardner定时恢复［10］的结构如图5所示，I，Q两路基带输入经内插器后得到峰值信号，然后经取样判决即可得到解调输出.由内插器输出中取出峰值和过渡值，经Gardner定时误差检测、环路滤波和内插器估值，即可得到内插器所需的插值，并确定峰值采样点时刻.

图5 Gardner定时恢复的结构Fig.5 Gardner time recovery structure

由于通用接收机设计的基带信号采样间隔为1／8符号周期，峰值采样点与实际峰值的误差不超过1／8符号，误差对解调性能的影响较小，因而在通用接收机中为了简化结构、减少占用的硬件资源，省略了内插器模块，相应地也省去了上图中的小数间隔计算.

2 通用接收机的性能仿真

本文以BPSK，QPSK，16QAM这3种典型的调制方式为例，分别针对抽取率为N＝1，2，4，8，10，20，40，80这8种情况，对相应的解调性能进行仿真.由于通用接收机可以恢复的频差与采样率直接相关，随抽取率增加、采样率降低，频差也相应减小，而最小频差2.5＊10－5通常也可以满足晶振和多普勒频移所造成的频率偏差需求.

BPSK，QPSK和16QAM的解调性能仿真曲线如图6所示，图中N为抽取率.由图可见，与理论曲线相比，BPSK，QPSK的解调性能恶化在1dB以内，16QAM的性能恶化在2dB以内，本文提出的通用接收机可以较好地实现PSK和QAM解调.

图6 不同调制方式的解调性能仿真Fig.6 Demodulation performance simulation of various methods of modulation

3 结论

基于通用的正交解调结构，根据尽量模块共用和参数通用的设计原则，采用结构相似的解调算法，提出一种可以实现可变数据率的通用PSK和QAM解调接收机.解调性能的仿真结果表明，与理论值相比，BPSK，QPSK的解调性能恶化在1dB以内，16QAM的性能恶化在2dB以内，通用接收机可以较好地实现PSK和QAM解调.

［1］ 空间数据和信息传输系统.ISO 17355－2007空间数据系统咨询委员会（CCSDS）文档传送协议［S］.

［2］ EN 302755－2011数字视频广播（DVB）.第二代数字陆地电视广播系统（DVB－T2）用帧结构，信道编码与译制（EN 302755V1.2.1（2011－02）标准的英文核准本作为德国标准）［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.信号与系统［M］.北京：电子工业出版社，2004.

［5］ 郭梯云，刘增基，王新梅，等.数据传输［M］.北京：人民邮电出版社，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.

（责任编辑：孟素兰）

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

国家自然科学基金资助项目（61271400）

吕岩（1973－），女，内蒙古呼和浩特人，内蒙古工业大学讲师，主要从事计算机科学与技术方向研究.E－mail：lv＿yan＠126.com