全数字128QAM调制解调器的实现与分析

曹桂芹，赵宪臣，姜士强，王国利

(山东泉清通信有限责任公司，济南 250101)

全数字128QAM调制解调器的实现与分析

曹桂芹，赵宪臣，姜士强，王国利

(山东泉清通信有限责任公司，济南 250101)

本文介绍了128QAM调制解调器的具体实现方法，从发端的卷积编码、星座图映射，到收端的时钟提取、载波恢复、均衡、译码及二次判决等，着重介绍了时钟提取及载波恢复，同时对载波恢复进行了全面的分析及阐述。

QAM；卷积编码；星座图；时钟恢复；载波同步；自适应判决反馈均衡器

1 引言

在可用频谱资源日益紧张的情况下，高阶调制以其高效的频谱利用率愈来愈受到人们的青睐，特别是128QAM，不仅能有效地提高频谱利用率，而且还能提供大容量、高速率的多媒体综合业务。在上述背景下，本文设计了一个能提供STM-1接口的数字调制解调器，符号速率26Mb/s，比特速率达到

182Mb/s。

2 128QAM调制器的原理及实现

QAM调制主要是通过两路正交载波的多种幅度来携带符号信息，因正交幅度调制具有多元的特性，又可记为MQAM。在正交幅度调制技术中，两个支路的幅度具有多种取值，合成信号的相位以及幅度具有多种组合，星座图映射时，以信号星座点之间的最小距离最大为原则。

2.1 128QAM调制部分的实现

本设计参照《SDH微波通信系统总技术要求2》，成功地研制出了全数字高阶128QAM调制解调器。调制部分主要由FPGA电路、D/A转换电路、低通滤波电路以及正交调制电路组成。其中，FPGA电路主要完成数据输入、加扰、卷积编码、多级编码映射、成型等功能。电路实现方框图如图1所示。

图1 128QAM调制实现方框图

2.2 编码及MCLM编码映射

在高阶调制中，编码和映射是调制的核心部分，直接关系到调制解调器的误码接收性能；从编码效率、编码增益及信道带宽等多方面同时考虑，设计时选用了128QAM，输入的信号经串并转换为Q[6..0]，编码时其中的Q0路信号采用（2，1，7）卷积编码，将编码后的信号合路为一路信号，其余的六路进行相应的延迟，信号编码效率为13/14。为进一步提高系统的误码性能，建设信道中错误的相关性，在设计中采用了交织技术，交织器由7个分支组成，通过输入开关来控制比特流循环输入，每个分支都有一个相应深度的FIFO寄存器组成。信号经编码、交织后，进行星座图映射，映射时采用多级编码方式，具体电路实现方框图如图2所示。128QAM的星座图如图3所示。

图2 编码及交织电路方框图

图3 128QAM星座图

使用成形技术，对发送信号的频谱进行专门的加工，能使其在消除码间串扰和最佳接收的情况下，压缩信号频带，提高信号频谱利用率。在本设计中采用了查表的方法，为了提高调制解调器的误码性能，采用平方根升余弦滤波器，具体参数是6倍钟采样，8码元相关，ɑ=0.5。符号速率26Mb/s/Hz，通过示波器，采用外同方式，实际测试的眼图波形如图4所示。

图4 128QAM的眼图示意图

3 128QAM解调器的原理及实现

解调是调制的逆过程，将接收的已调信号进行正交解调、低通滤波、差分放大后送入A/D转化器进行模数转换，转换后的信号直接送到FPGA，在FPGA内部完成时钟定时提取、载波频差与相差的提取及补偿，解调后的信号经均衡、判决等最终恢复出数字信号。128QAM数字解调结构示意图如图5所示。

图5 128QAM数字解调结构示意图

3.1 AGC电路及控制

在通信系统的解调器中，受发射功率、通信距离等多种因素影响，解调器接收的中频信号强弱变化范围很大，高达几十个dB；为保证足够的动态范围和精度，在接收端使用AGC电路，在本设计中，选用了步长为0.125dB的数控衰减器芯片进行级联的方式，采用了两片芯片进行级联，使得AGC的动态控制范围高达62dB，采用数控AGC，精度高，受环境因素影响小。具体控制是通过FPGA电路来实现的，首先将各数控衰减器的衰减值设定为0dB，然后计算输入信号的功率值，通过正交I/Q的均方值即精确得到AGC信号功率，其中，I,Q为同相正交支路的符号峰值的采样点数据。由于输入信号的幅度通常是缓慢变化的，通过一段时间的样值累加进行一次估计，然后将累加值与所设定的参考值进行比较，逐步调整衰减值，直至到一个合适的接收电平。与模拟AGC相比，由于反馈部分是通过数字方法实现的，所以具有快速收敛和精确的稳态响应等优点。具体电路实现方框图如图6所示。

图6 电路实现方框图

3.2 位同步提取

位同步的目的是使得每个码元得到最佳的解调和判决，位同步的准确性直接解调到解调器的误码性能。在本设计中，所用的时钟提取方法（位同步）是以Gardner算法为基础，针对高阶调制的多电平情况进行了改进。Gardner算法的表达公式为

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

×Sgn[YQ(r)-YQ(r-1)]

Gardner算法是一种适用于限带的BPSK，QPSK调制信号的同步定时误差检测方法，要求采样速率为符号速率的两倍。本设计针对128QAM多级电平调制，对Gardner算法进行了改进，消除了高阶调制噪声，为了提高时钟相位稳定度，所采用的采样速率为符号速率的6倍。改进后的Gardner算法表达式为

位同步是通过FPGA电路和压控振荡器的共同作用来实现，在FPGA内部计算当前同步状态下每个符号采用时所形成的误差信号Ut(r)，然后将误差信号Ut(r)进行累加平均得到信号相对平稳误差信号E(r)，将E(r)通过模数转换器转换为模拟信号，经低通滤波后送到控制压控振荡器的压控端，逐次进行逼近，直至达到一个动态的平衡，从而完成位同步。提取出的位同步时钟相位抖动小，为后面的载波恢复提供了良好的基础。该方法不仅适用于BPSK,QPSK，而且适用于各种QAM系统。

3.3 载波恢复及其补偿

载波同步和位同步是数字通信系统接收单元中重要的组成部分；本设计中载波同步的实现是通过收发频偏及相位的估计及补偿完成的，具体的实现分三个步骤完成的：一是对收发载波频偏的估计及补偿，二是收发载波相位的估计及补偿，三是进行时域均衡。

收发载波频偏的恢复与补偿：利用发端I,Q两路插入的导频码，对前半部分PN1、后半部分PN2的导频信号码分别进行相关运算；利用帧定时信号，从连续的码流中取出PN1,PN2所对应的自相关运算结果R1(k),R2(k)，通过CORDIC算法求出相关后两个相关值R1(k),R2(k)对应的角度Ф1,Φ2，有

计算出Ф1,Φ2的差值，然后对差值进行相应的滑动平均，得到平均值Ф。同时对插入的所有导频信号进行自相关运算得到δ，由相关值Ψ通过CORDIC求出对应的角度θ，从而能求出每一帧的帧头及帧尾两个符号所对应的角度差值Δθ，根据Ф与Δθ的对应关系，再对Δθ进行相应的加减2π，进而求出前后两个符号之间的角度Ψ，然后依据补偿公司进行相应的补偿。本文所用的载波同步方法只依附于导频码，导频码采用的是抗噪声性能最强的BPSK调制，所以频差的估计基本不受噪声的影响。补偿公式为

利用与发载波频差相差为30kHz的信号作为正交解调器的本振信号，则解调后的信号中包含有30kHz的频差，该信号经6倍频时钟采样得到的信号星座图如图7所示。该信号采用本文所述的载波恢复及补偿方法处理后，采用基于类4次方环的快速载波同步算法完成收发载波相位的估计及补偿，最终得到的信号星座图如图8所示。

图7 含频差30kHz的信号星座图

图8 补偿后的信号星座图

3.4 自适应判决反馈均衡器

在无线宽带通信系统中，因多径传输带来的频率选择性衰落会严重地影响通信性能，特别是高阶高速通信系统。为克服符号间的干扰，提高系统的通信性能，在接收端一般采用均衡技术，本设计中采用了自适应判决反馈均衡器。它包括前馈滤波器和反馈滤波器，均衡器的系数可以递推地调整，均衡电路结构形式如图9所示。该均衡器系数调整的地推方程是

图9 自适应判决反馈均衡器

完成载波同步后的信号经均衡器后，实测得到的信号星座图如图10所示，从均衡后的信号星座图可以看出，幅度特性、相位特性得到了进一步改善，星座点更加汇聚，从而能进一步提高系统的通信能力。

图10 均衡后的信号星座图

4 调制解调器的性能分析

图11 误码特性测试连接示意图

笔者对设计的调制解调器进行了实际测试，测试连接示意图如图11所示，测试时从多个不同的E1口，分别加载不同信噪比之下的噪声，反复进行30次测试，最终获取误码比特率的均值，运用Matlab绘制了128QAM在不同信噪比情况下的误码特性曲线。特性曲线图如图12所示。从特性曲线可以看出，BER=1×10-4时，Eb/N0=17.9dB；BER=1×10-9时，Eb/N0=22.4dB，达到了《SDH微波通信系统总技术要求2》中的指标要求。

图12 128QAM不同信噪比的误码特性曲线

5 结束语

本文主要论述了128QAM调制解调器的具体实现方法，提出了一种适合收发载波频差较大的情况下，载波同步的具体实现算法，该算法受噪声性能影响小，实现简单，便于更改，运算量小，适合电路实现。并且笔者将该算法已实际应用128QAM通信系统中，提高了系统性能，获得理想的通信效果。■

[1] 姚彦，梅顺良，高葆新等．数字微波中继通信工程．北京：人民邮电出版社，1990

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[3] John G.Proakis,Masond Salehi著．张力军，张宗橙，宋荣方，曹士坷等译．数字通信．北京：电子工业出版社，2011.6

[4] 郑大春，项海格．一种全数字QAM接收机符号定时和载波相位恢复方案．通信学报，1998 Vol19 NO.7

[5] 陶为戈,钱志文．QAM编解码系统的SystemView仿真实现[J]．现代电子技术，2006,29(13):41242

世纪睿科荣获2015年度国家科学技术奖

2016年1月8日，2015年度国家科学技术奖励大会在人民大会堂隆重举行，党和国家领导人习近平、李克强、刘云山、张高丽等出席大会并向获奖代表颁奖。世纪睿科集团旗下北京世纪睿科系统技术有限公司申报的“高清视频网络化即时服务技术与应用”项目荣获了国家科学技术进步二等奖。

2015年度国家科学技术奖共授奖295项成果和7位外籍科技专家，其中国家自然科学奖42项、国家技术发明奖66项、国家科学技术进步奖187项，较2014年减少了23项。

世纪睿科集团积极响应国家号召，实施科技创新驱动发展战略，在高清晰度音视频传输技术等方面，锐意进取，勇于创新，始终走在国内外同行的前列。此次申报的“高清视频网络化即时服务技术与应用”科技成果是通过先进的图像处理与网络通信技术，充分利用可获得的传输网络资源，克服了大范围复杂时空环境对视频信息采集、处理和传输所带来的特殊困难，实现高时效、高品质、无间断的视频服务。为国家主流媒体第一时间和第一地点报道重大事件、国家重要部门在重大活动中远程指挥和快速响应等典型公益性应用服务提供技术保障，对文化强国、国防建设和社会经济发展具有重要推动作用。

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