宽带QAM波形解调的关键技术研究*

关建新 刘建新 胡 华

(海军工程大学电子工程学院1) 武汉 430033)(中国人民解放军92823部队2) 三亚 572021)(中国人民解放军91982部队3) 三亚 572021)

1 引言

数字振幅调制、数字频率调制和数字相位调制是数字调制的基础,然而这三种数字调制方式都存在不足之处,如频谱利用率低、抗多径衰落能力差、功率谱衰减慢、带外辐射严重等。为了改善这些不足,几十年来人们不断提出一些新的数字调制解调技术,以适应各种通信系统的要求,其主要研究内容围绕减小信号带宽以提高频谱利用率、提高功率利用率以增强抗干扰性能等。正交幅度调制(Quadrature Amplitude Modulation,QAM)就是一种高效的数字调制方式,它在中、大容量数字微波通信系统、有线数字电视、高清晰数字电视、卫星通信等需要进行高速数据传输的领域被广泛应用。

QAM是一种幅度、相位联合调制的技术,有16QAM 、32QAM 、64QAM 、128QAM 、256QAM 等多种形式。宽带QAM波形是通信系统中的一种新的非常重要的波形,频谱利用率和信息传输速率高,是一种高效的数字调制体制。目前发达国家在许多重要的信道中都采用了宽带QAM信号,而我国由于在宽带QAM信号的波形技术研究方面起步较晚,面临的技术难度较大,与国外先进技术相比尚有较大的差距,QAM设备和主要芯片也基本靠国外进口,极大制约了宽带QAM系统的应用。

2 宽带QAM调制的基本原理

单独使用振幅或相位携带信息时,不能最充分地利用信号平面,这可由矢量图中信号矢量端点的分布直观地观察到。采用多进制振幅调制时,矢量端点在一条轴上分布;采用多进制相位调制时,矢量点在一个圆上分布。随着调制进制数的增大,这些矢量端点之间的最小距离也随之减少。但如果采用一种调制方式充分利用整个平面,即综合利用幅度和相位信息,则可将矢量端点重新合理地分布,并可能在不减小最小距离的情况下增加信号的端点数,这种方式就是正交幅度调制。

所谓正交振幅调制,就是利用2路数字信号分别对同一频率互相正交的2路载波进行同步调制,再将2个已调双边带信号合成后进行传输。在调制过程中,输入数据经过串并变换后分为I路和Q路,两路信号再分别经过2电平到L(L=log2M)电平的变换。为了抑制已调信号的带外辐射,I路和Q路还要经过预调制低通滤波器,才分别与相互正交的两路载波相乘,最后将两路信号相加就可以得到不同幅度和相位已调的QAM输出信号。在解调时,输入信号与本地恢复的2个正交载波信号相乘以后,经过低通滤波器,多电平判决,L电平到2电平转换,再经过并串变换就得到输出数据。QAM调制和解调的基本原理如图1所示。

图1 QAM调制和解调的一般原理框图

在QAM调制中,通常把信号矢量端点的分布图称为星座图,可以采用的有方型星座和星型星座两种。对QAM调制而言,如何设计QAM信号的结构,即如何设计星座图,不仅影响到已调信号的功率谱特性,而且影响已调信号的解调和性能。常用的设计准则是在信号功率相同的条件下,选择信号空间中信号点之间最小距离最大的信号结构,当然还要考虑解调的复杂性。根据上述准则,如果进行16QAM调制,当信号点间最小距离相同时,采用方形星座比采用星形星座的平均发射功率小。但在实际中常采用星型星座,因为16QAM方型星座有3个振幅环,相位有12种,而星型星座有2个振幅环,相位为8种,改善了方型星座的接收性能,有利于接收端的自动增益控制和载波相位跟踪,如图2所示。

图2 16QAM的星座图

QAM调制除了具有频谱效率高的优点外,还可以根据传输环境和传输信源的不同,通过自适应地调整其进制数来调整其数据传输速率,能够很好地缓和可用频带紧张的状况及实现多速率的多媒体综合业务传输,也即一种采用自适应多进制QAM的方式,感兴趣的读者可参考相关文献。

3 宽带QAM波形的解调需要考虑的问题

宽带QAM信号经过信道传输时,信道会对QAM信号产生许多影响,这些影响包括[1]:信号的幅度会有不同的衰减,且衰减量随时间变化,体现在星座图上就是星座缩小;信道会产生各种各样的噪声,比较典型的是高斯白噪声,使星座点模糊;信道中会产生码间干扰和信道间干扰;如果是移动信道,还会产生多普勒频移;由于多次反射(有线电视信道等)或者瑞利衰落、多径延迟(各种无线传输的信道)等,信号幅度会发生畸变,星座会变成不规则的形状;另外由于发送端和接收端的本振时钟不一致以及信道的时变特性,信号相位在传输中会受到损害,引起相位抖动,而且用于载频和中频上下变换的射频振荡器的频率的不确定性会引起一定的频偏,体现在星座图上就是星座图的转动。因此QAM波形的解调器必须完成如下功能[1]:设置与发端的脉冲成形相应的匹配滤波器以消除码间干扰;调整输入信号幅度,也即进行自动增益控制(AGC);估计并去除载波分量的偏移;采用均衡技术以补偿信道并消除发散的影响;恢复符号时钟以及进行定时判决以获得脉冲幅度和相位;判决实际发送的脉冲幅度和相位;由于信道编码的存在,必须有相应的信道解码以减少误码率。在上述必须完成的功能中,自动增益控制可以先行完成,方法也比较成熟,匹配滤波则与发端的脉冲成型滤波器相对应,不确定的或者关键的只剩下定时同步、载波恢复以及信道均衡这三个功能,构成了宽带QAM波形解调时的关键技术。

4 宽带QAM波形解调的关键技术

对QAM波形的解调,可以采用在线解调的方式,也可以先将QAM波形采集下来存储在磁盘阵列中之后再进行离线解调。不论采用在线解调还是离线解调,按照目前流行的软件无线电的设计思想,都是先将模拟中频数字化之后,再对数字信号利用数字信号处理软件在通用的硬件平台上进行处理,这些数字信号处理软件需要完成的功能主要包括数字下变频、自动增益控制(AGC)、符号定时同步、载波恢复、均衡以及前向纠错功能等。目前就实际实现而言,对数字下变频一般采用专用的下变频器,待下变频器将数据的速率降下来之后,再利用数字信号处理软件完成其他功能。在这些功能中,最主要的功能如前所述,分别是定时同步、载波恢复以及信道均衡,图3给出了包含这三个功能的宽带QAM信号解调器的模块构成。

图3 宽带QAM信号解调器的构成框图

4.1 宽带QAM波形解调时的定时同步技术

在同步数字通信系统中,符号同步是接收机必须完成的一个重要工作,它包括定时误差信息的提取和位定时的调整两部分。在传统的接收机中,位定时信息的提取是通过对模拟连续信号的处理实现的,如过零检测法、插入导频法、信号微分法等,而位定时的恢复是通过调整采样脉冲的相位来实现的。随着软件无线电概念的提出,接收机正朝着全数字化的方向发展,即数模转换尽可能向天线端推移,进行直接中频采样,甚至对射频直接采样,而大部分接收机的功能通过数字信号处理的方法来实现。现在在符号同步恢复方面,发展的趋势是符号定时利用高精度的固定本振产生采样时钟,无需调整,而用数字信号处理算法对定时误差进行估计,采用插值算法进行纠正。

在高速QAM解调器中,定时同步是数据传输中的码元判决基准,也是均衡器的时间基准,准确与否将直接关系到数据判决的准确性和均衡的有效性。由于传输信道的变参特性及多径干扰,致使到达接收端的信号严重畸变,给位同步提取带来相当大的困难,为了解决这个问题,许多文献[2～5]对QAM解调器的定时恢复算法进行了研究。文献[2]提出了一种以最大似然估计准则为理论基础所推导出的两种面向判决(Decision Directed)的载波相位恢复方法和时钟恢复方法,主要方便载波恢复和定时及均衡的联合进行;文献[3]提出了一种基于最大功率的符号同步算法,该算法用统计的方法直接从时域提取定时误差信息,并利用了功率与相位的无关性,采用过采样择优选择技术实现定时同步。文献[4]提出了一种对载波频偏不敏感的、基于非同步采样(即用一个固定的采样时钟对输入信号进行采样)、用插值滤波实现对符号定时同步的方法。文献[5]中也提出了一种基于插值的符号定时同步方法,其原理框图如图4所示。文献中设计的符号定时模块独立于其后模块,主要包括内插滤波器、匹配滤波器、定时误差检测以及环路滤波器、数控振荡器(NCO)等部分。内插滤波器以两倍符号率输出数据,经匹配滤波器后送入采用定时误差检测模块,这种使匹配滤波器参与定时环路的结构可以使得定时误差减小。

图4 基于内插的符号定时同步模块的实现框图

本文献还重点介绍此结构中非常关键的内插滤波器的改进实现,设计了一种采用分段抛物内插算法的内插滤波器,并验证了其可以满足256QAM的精度要求。这种方法也是QAM解调中定时恢复的热点算法,我们可以借鉴之,需要做的就是根据系统的设计对此算法做适当的改进。

4.2 宽带QAM波形解调时的载波恢复技术

QAM系统收发两端的本振时钟不精确相等,或者信道特性的快速变化使得被传送信号偏离其中心频谱,都会导致下变频后的“基带信号”中心频率偏离零点。同时信号的相位在传输中也会受到损害,其来源有信道的时变特性、高频头的宽带滤波器、下变频电路、接收端自适应均衡器的步长噪声等,都会引起信号的相位抖动。因此需要经过载波恢复把伪基带信号搬移至基带,同时跟踪该基带信号的相位,即QAM 系统的载波恢复分为“同频”和“同相”两步。在数字QAM 通信系统中,一般采用一个高精度固定本振对中频信号解调,并利用数字信号处理算法对模数采样后的信号进行载波频偏和载波相偏的估计,并进行频偏和相偏补偿来恢复信号。

QAM系统的载波恢复方法一般分为两类:一类是直接提取法,发送端不专门传送载波或有关载波的信息,接收端直接从收到的已调信号中提取载波,也即环路提载法;另一类是插入导频法,发送端在发送数据信息的同时,也送出载波或与之相关的导频信号,以供接收端提取。随着QAM阶数的升高和调制电平数的增多,使用直接提取法不但会使硬件实现变得很复杂,而且容易导致环路的不稳定。使用插入导频法,虽然会损失一定的信号功率,可是实现却非常简单,系统的性能也较为稳定,即使在严重衰落的情况下,仍能得到较高的恢复载波信噪比。由于恢复出的载波不存在相位模糊问题,也就不存在因差分编码引起误码扩散造成的3dB系统信噪比恶化。文献[6]对基于插入导频法进行载波恢复的方法进行了理论估计和计算机模拟,结果表明在QAM系统中用插入导频法能取得令人满意的效果。

另外文献[7～8]针对高阶QAM系统提出了几种可以捕获较大频偏的载波恢复算法,而文献[9]的载波恢复算法具有较快的捕获速度,这些算法从不同方面对传统载波恢复算法进行了改进,缩短了载波频偏的捕获时间,扩大了捕获范围,但未考虑信道失真对高阶QAM解调性能及稳定性产生的影响。文献[10]在假定采样时钟无偏差且信噪比足够高的情况下提出了数据辅助(DA)的载波相位估计算法,该算法无需载波环路和压控振荡器。文献[11]中对N次方环法和Decision Directed载波恢复算法进行了分析和仿真,发现N次方环法并不适合于所有场合,DD载波恢复算法虽然可以应用于星座图是任意形式的QAM解调过程中,但是它的应用取决于误比特率门限。文献[3]针对短波信道中的16QAM调制的载波恢复算法进行了研究,归纳总结了Decision Directed算法和判决反馈环算法,发现DD算法只能在相偏和频偏都较小的情况下更高精度的恢复出载波,判决反馈环算法能纠正较大频偏但计算量较大,基于COSTAS环的载波恢复算法不仅能纠正更大的频偏,并且大大减小了计算量。不过这种方法只是针对特定信道下的特定调制,缺乏普适性的验证过程。文献[2]中研究了基于最大似然估计的载波恢复方法,这种方法首先通过估计提取载波的相位偏差(将频偏和相偏造成的影响归并到相偏之中),然后采用面向判决(Decision Directed)的方法进行载波相位恢复,其方法实际上是对解调后的接收信号乘以估计出的误差旋转角度而实现的,这种方法非常适合用数字信号处理软件实现。

从上面的分析可以看出,载波恢复的方法也是多种多样的,具体恢复方法的选用需要根据实际的系统设计来决定,但应该把握一个原则,即先进行参数提取再用数字信号处理进行补偿,因为这种方法用开环结构代替了传统的反馈结构,非常适合于用数字信号处理实现。

4.3 宽带QAM波形解调时的盲信道均衡技术

采用QAM波形的高速数字微波传输系统,由于多径衰落的严重影响可能使波形严重失真,即使采用前置普通中频自适应时域均衡,由于其自适应控制信号的取得要依靠载波恢复环的正常工作来提供其自适应均衡的控制信号,所以载波恢复的中断将直接导致此自适应时域均衡失效,从而尽管中频均衡可对载波提取电路提供一定好处,但一般中频时域均衡依然未能彻底解脱载波恢复环路工作不正常的交互影响。解决这一矛盾的一种有效途径是采用盲均衡技术。盲均衡算法可与载波相位无关,从而它能够在载波恢复环路锁定和QAM信号星座应停止旋转前有效工作,使之完成均衡器加权系数的粗调,产生快速的初步收敛,使信号星座较为正常,有利于载波恢复的执行,从而可检测出载波相位误差信号,产生旋转向量将载波相位锁定,然后再转换至包括判决反馈在内的全时域均衡,进行其均衡抽头系数的精密调整,获得最后良好的性能效果。因此,盲均衡已成为自适应均衡技术中的一个重要的新的研究分支,其均衡算法也在一步步深入改进。

针对QAM系统中的盲均衡技术,文献[12]进行了归纳总结:自从1975年Sato提出盲均衡的思想以来,盲均衡技术受到了越来越广泛的关注,各类盲均衡算法应运而生。其中比较著名的算法有Godard提出的恒模算法(CMA),Benveniste等提出的B-G算法(BGA),Godard等提出的精减星座图算法(RCA),Picchi等提出的Stop-and-Go算法(SGA)等等。另外文献[13]提出了一种称为压缩星座图的盲均衡算法(CCA),其实质是一种基于RCA的加权算法,稳态残差大,并不适合处理高阶QAM信号。CCA在处理高阶QAM信号时同样具有收敛速度较慢,稳态残差较大的缺陷。近年,Yang提出了多模盲均衡算法 MMA,对于高阶QAM信号,MMA收敛性能与CMA和RCA等算法相比有所提高,而且在稳态时不需要相位旋转器来消除相位模糊,是一种比较可行的盲均衡方法。

4.4 宽带QAM波形解调时的联合载波恢复与信道均衡技术

由于受到信道失真与载波频偏的相互影响,解调器接收的QAM信号星座图弥散且旋转,因此正确解调出QAM信号的前提为消除载波频偏并补偿信道失真。QAM信号星座点之间距离与相位差随调制阶数的升高而下降,从而使高阶QAM 信号的正确解调难度变大。若直接进行载波恢复,由于经过恶劣信道传输QAM信号失真严重,很难找到有效的载波恢复算法来直接消除载波频偏;若直接进行均衡,则由于载波频偏造成QAM信号星座图的旋转,均衡很难获得全局收敛,一般只能部分补偿信道失真。因此高阶QAM信号的自适应均衡和载波恢复需要两者的协同工作,即均衡在载波恢复环路产生的解旋信号帮助下实现在大频偏下的收敛,而均衡的收敛又进一步提高载波恢复的性能。

文献[2,5,14]等对载波恢复和均衡联合进行的方法进行了研究,文献[14]针对高阶QAM信号的特点,结合自适应均衡与载波恢复,提出一种高性能的混合算法。该算法包括基于CMA(constant modulus algorithm)与LMS(least mean squares)的双模均衡算法以及改进的鉴频、鉴相载波恢复算法,通过分步骤的协同操作实现了载波频偏的消除及均衡收敛,并通过仿真证明了该算法针对高阶QAM能取得很好的性能。

5 结语

在介绍了QAM调制与解调的基本原理的基础上,分析了宽带QAM波形解调时需要考虑的问题,讨论了宽带QAM 波形解调时的关键技术,重点对解调时涉及的定时同步技术、载波恢复技术和信道均衡技术进行了分析和研究。

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