高效QAM信号解调设备的研制

唐吉祥，贾德宇

（空军第一航空学院 河南 信阳 464000）

随着通信技术的不断发展，高效调制以其频带利用率高、传输信息量大等特点，得到了广泛应用。目前，侦察对象大量使用高效调制方式进行通信，此类信号数据量大、密级高，承载了侦察对象军方核心内幕情报。因此，对此类高效调制信号的有效解调与控守就变得非常必要。为拓展技侦情报来源，实现对侦察对象该类信号的接收解调，达成高质量的侦察、控守能力，圆满完成上级赋予的军事斗争准备情报保障任务，进行高效QAM信号解调设备的研制具有重大意义。

由于是第三方接收，接收信号质量较差，目前通用的解调设备多个性能指标无法满足解调要求，例如无法解决解调入锁门高，误码率高等问题，文中着眼于解决以上问题，研制高效QAM信号解调设备，以突破对高效QAM信号的有效解调。

1 设计思想

1.1 需求分析

1.1.1 功能指标

1）液晶显示及键盘控制功能

液晶面板可以显示解调方式、解调速率、信噪比，指示正反谱、指示软复位；并可以通过键盘设置液晶显示的参数。

2）计算机USB监控功能

利用计算机通过该设备自研USB监控软件能够实时检测AGC、定时、载波、均衡器、锁相环等参数锁定状态。

1.1.2 技术指标

该设备的输入中频信号要求为70MHz，输入电平范围在-5～-60 dBm，带宽范围在20 MHz，解调的主要类型为QPSK，16QAM，32QAM，64QAM，128QAM，256QAM，在 210 kBd～15 MB的解调速率范围内连续可调[1]。入锁门限由不同解调方式所决定，具体入锁门限如表1所示。根据不同的解调方式和固定的信噪比，确定误码率，具体如表2所示。设备的输入接口为BNC接头，特性阻抗为50Ω。另外，设备采用串行和并行两种输出方式输出数据。采用串行输出方式时数据输出将判决后的线性星座数据按组成高速比特流的形式输出，此时为TTL电平；而时钟输出为1:1的占空比，TTL电平，并且时钟上升沿对准数据中央。采用并行输出方式数据输出将判决后I、Q路数据并行输出（I路 4位、Q路 4位），此时TTL电平；而时钟输出也为1:1占空比，TTL电平，时钟上升沿对准数据中央。机箱结构采用19英寸的1U。

1.2 设计思路

高效QAM信号解调设备设计时考虑的主要问题有两个：一是由于信道带宽限制导致的码间干扰；二是信号经无线信道传输后可能存在的多径衰落[2]，信号衰落后产生的信号幅度的变化，接收端与发送端本振频率不同所导致的载波不同步的问题。所以解调器设计时应当采取有效措施解决这些问题。首先，设计与发送端脉冲相匹配的滤波器，减少因成形滤波器不匹配而带来的码间干扰；第二，采用自适应均衡技术，减少因多径衰落导致的符号间干扰；第三，设计载波恢复算法，为解调器提供与接收信号载波完全相同的相干载波；第四，采用自动增益控制技术跟踪接收信号幅度的变化；第五，根据已知的信号波特率设计相应的定时同步机制，实现准确的定时取样。

表1 入锁门限值Tab.1 Capture broadband

表2 误码率（Pe）Tab.2 The bit error rate

2 系统设计

2.1 基本组成

该解调器的实现采用了全数字QAM解调算法。运用连续滤波内插技术，对70 MHz中频信号直接采样；在解调过程中运用了数字下变频、连续内插、载波同步、符号定时同步、环路自动增益控制等技术，实现了速率连续可调、多种解调方式可变。系统组成如图1所示，主要由前端处理模块、基带信号处理模块、信道处理模块、控制与显示模块组成[3]。

2.2 工作原理

2.2.1 前端信号处理模块

图1 系统组成框图Fig.1 System composition diagram

此模块是该数字解调设备的模拟处理部分，此模块的处理效果，在很大程度上，会影响解调效果。同时，该模块也是解决大动态范围信号解调的关键技术所在，采用模拟与数字自动增益控制技术，实现了对大动态信号解调[4]。其结构框图如图2所示，主要包含固定增益放大器、模拟AGC（Automatic Generation Control）、声表面波滤波器、模/数据转换（AD 采样）等模块。

图2 前端信号处理模块框图Fig.2 Diagram of front-end signal processingmodul

70MHz中频模拟信号经过40MHz采样后，在10MHz处形成一个谱反转的镜像信号，经滤波器、两级AGC综合控制使信号达到一个比较理想的电平范围。

2.2.2 基带信号处理模块

整体硬件平台的设计中，基带信号处理模块是其核心部分，其结构框图如图3所示，主要包含数字下变频、连续内插滤波，成形滤波器、符号定时同步、数字自动增益控制、均衡器、载波恢复等模块。

图3 基带信号处理模块框图Fig.3 Diagram of based-band signal processingmodule

对输入10 MHz数字信号进行数字下变频后得到数字基带信号，该基带信号经过连续内插滤波后获得与符号速率一致的采样信号，然后经过成形滤波器滤除带外噪声，其中成形滤波器滚降系数采用自适应方式获取，时钟恢复采用Gardner方法获取时钟。利用数字AGC模块对滤波后信号平均功率进行动态调整，然后以最佳幅度输入均衡器。均衡器算法采用戈达尔盲均衡和LMS算法相结合的方式。载波恢复模块估计基带信号的剩余频差和相位差，以细调载波的相差和小的频差。

2.2.3 信道处理模块

此模块由FPGA编程实现，技术难度较大。其结构框图如图4所示，主要包含星座软判决、均值计算、专用信道处理、FARROW结构滤波器等模块[5]。

图4 FPGA框图Fig.4 FPGA diagram

经基带信号处理模块解调后的数据首先传送到FPGA中进行串并转换，将输入的串行信号转换成两路并行信号；第一路数据传送到D/A输出，连接示波器可以显示I路、Q路星座图；第二路数据进行星座软判决，判决后数据进行并行格式、监控格式、串行格式、专用信道译码格式等方式输出[6]。

其中星座软判决、专用信道处理、FARROW结构滤波器模块是信道处理模块的核心部分。

2.2.4 控制与显示模块

该模块功能主要是由一个单片机（SST89V516RD2）来完成。其结构框图如图5所示，主要完成功能包括与基带信号处理模块进行通信，并设置其参数；将键盘的控制指令传送到各个模块，完成解调参数配置、液晶显示（LCD1602）、USB监控、信道处理等功能。

图5 控制与显示模块Fig.5 Diagram of control and display

单片机通过IIC总线与基带信号处理模块进行通信，并设置中频、载波、速率、数字AGC、均衡等参数。单片机将键盘的指令转换成一定格式，然后传送到基带信号处理模块，以实现多种解调方式、速率连续可调的解调。

单片机将控制状态信息传送到USB监控软件。以实现USB监控软件对解调方式、解调速率、数字AGC、定时锁定、载波锁定、均衡器锁定、锁相环锁定等状态的监控。将基带信号处理模块解调数据通过FPGA的FIFO（First-In First-Out），经USB接口传送到USB监控软件，以实现对解调质量的实时监控[7]。

3 构建系统解决的关键技术问题

3.1 自适应信道跟踪和均衡的算法实现

通过综合运用戈达尔盲均衡和LMS算法[8-9]，自动调整均衡器系数，使其性能指数最佳化，自适应地补偿信道特性时变，较好地解决了多径干扰难题，有效降低了解调入锁门限与解调误码率，在第三方信号接收条件下提高了情报生成能力。

戈达尔盲均衡算法是最陡下降算法，该算法广泛地应用于实际中没有训练可用时。戈达尔研究了均衡、载波相位恢复和跟踪的组合问题。载波相位跟踪在基带进行，跟随在均衡器之后，均衡器输出表示为

解调器的信道均衡器采用的是戈达尔盲均衡算法和LMS（自适应直接型FIR滤波器）算法相结合的算法，在均衡器锁定之前，由于无法知道信道参数，需要采用自适应的盲信道估计方法对信道进行估计，一旦盲均衡锁定之后，则切换到采用LMS算法的线性均衡 （LE）算法或者判决反馈算法（DFE）进行信道的自适应跟踪和均衡。此种均衡方法，有效克服了载频偏差导致的星座图旋转，在低信噪比条件下具有较快的收敛速度和较好的收敛效果。

3.2 解调星座软判决与译码技术

采用解调星座软判决与译码相结合的技术，对解调I、Q数据软判决后数据进行译码，针对数据特定帧格式来判断解调星座的正确性，并对判决结果进行调整、纠错，达到降低信号解调误码率的目的。

译码主要包括差分、卷积、RS译码以及去扰等部分，其中实现最复杂、纠错能力最强的为RS译码，可以纠8个字节以内的错，效率很高。RS译码采用Berlekamp提出的迭代算法来求解关键方程，该方法不仅求解了错位多项式的系数，同时也求解了forney算法的部分参数。在该算法中，关键方程的获得是RS译码中最困难、最为关键的一步。迭代算法运算量最大，占用资源最多。为解决这个难题，采用FPGA进行算法实现，程序经过多次优化，使得纠错译码速度更加快速，性能更加稳定、可靠。该算法在信号质量较差的情况下，可以明显提高解调能力。

3.3 FARROW结构连续内插滤波技术

侦控的信号对于我方来讲属于非协作信号，信号种类繁多、符号速率也高低不一致，因此本解调器也必须适应不同符号速率的信号。由于本解调器是全数字化解调器，ADC信号采样时钟是固定频率的时钟，采样率与信号符号速率的关系不一定是有理数的关系，不可能采用内插再抽取的有理数采样率转换方式，必须采用连续内插的方式，只有这样，信号符号速率才能连续可变。

匹配滤波器输入的信号采样率是2倍符号速率，因此，连续内插滤波器输出的信号采样率是2倍符号速率，而连续内插滤波器输入的信号采样率必须大于2倍符号速率。经过综合考虑选择了FARROW结构滤波器。FARROW结构进行信号之间的内插实质上是在滤波器系数间内插出对应时间点的滤波器系数，该内插的滤波器系数随样点的时间而变化。FARROW滤波器结构如图6所示。

3.4 模拟与数字自动增益控制相结合的技术

图6 FARROW滤波器结构Fig.6 The structure FARROW filter

侦控的信号由于是长期控守，受对象移动、传播信道衰落和天线波束偏移的影响，接收的信号幅度变化很大，如果不加以解决，需要太多的人工控守，为解决这个问题，解调器采用了两种自动增益控制器。第一种是模拟的中频自动增益控制器。模拟的自动增益控制器采用了两级的可变增益放大，总的动态范围达到55 dB，自动增益可控范围从信号的-5 dBm到-60 dBm，极大地减少了信号大幅度变化时控守中断的次数。此外，解调器也采用了数字自动增益技术，即使信号偏离模拟AGC范围，一样可使得信号解调时处于最优的信号幅度，有效地解决了大动态信号的解调难题，有效改善了微波信号的解调质量。

4 结束语

高效QAM信号解调设备运用数字通信系统理论、数字信号处理及FPGA等技术，以满足对高效QAM信号的有效解调，设备操作界面友好，使用简单方便。该设备以其解调入锁门限低、译码技术优越、通用性强、使用维护简单、稳定性强等特点，受到使用单位的广泛欢迎。设备使用以来，高效调制信号控守能力明显增强，控守时间大大延长，情报生产能力进一步提高，推广应用前景广阔。

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