数字调制信号接收技术

近年来，数字无线电技术日益受到人们的重视。数字无线电技术因采用软件化数字化设计，工作稳定可靠，可生产性好，设备小巧，因而在通信中应用越来越广泛。随着大规模集成电路的发展以及对通信设备小型化、智能化的要求，数字无线电技术已经成为发展趋势。全数字接收机的概念被提出后立刻引起了人们的兴趣与关注，它和传统的数字接收机不同，其解调和采样所用的本地参考时钟振荡于固定的频率，且不需要反馈控制，滤波、载波同步、时钟同步、数据判决等全由采样后的数字信号处理器来完成。本文设计提出了适于中频数字化接收机的体制结构和实现方法。

1 全数字接收机组成

全数字接收机对中频信号进行采样后，全部采用数字器件和数字处理方法，是一种全数字实现方案。因其采用数字解调方法，克服了由模拟器件构成的解调器同相与正交两支路参数不一致的缺点。虽然对已调信号采样要求ADC的采样率较高，但现今的高速ADC器件已足够满足要求。

全数字接收机结构如图1所示。数字中频信号分别与两路正交载波相乘，然后低通滤波抽取，滤除二次频项，完成数字正交下变频，得到I，Q两路信号。存在定时误差和载波误差的I，Q两路基带信号要进行定时恢复和载波相位恢复，然后进行判决，得到数字码流。在全数字接收机中，载波同步和码元同步是最重要的关键技术。

2 载波恢复技术

数字解调器中的载波恢复方法很多，主要分为非判决反馈载波恢复和判决反馈载波恢复。非判决反馈载波恢复方法主要有平方环、科斯塔斯(Costas)环等。由于判决反馈载波恢复性能优于非判决反馈载波恢复，所以采用判决反馈方法来进行载波恢复，其结构如图2所示。

全数字解调器将采样后的中频信号下变频为基带信号后载波相位误差为：

其中，ω0是载波频率偏差，θ0是固定相位偏差，Aj是相位抖动幅度，ωj是相位抖动频率，解调器需要消除这部分偏差。判决反馈载波恢复环可以消除载波相位误差。

假设载波恢复环的输入信号为：

式中a(k)是第k个传输符号，v(k)是加性高斯白噪声，θ(k)是载波相位误差。判决反馈载波恢复环路相位误差提取公式为：

式中Im表示取复数虚部，并忽略了加性高斯白噪声，如果a(k)=z(k)，那么可求出载波相位误差ε(k)：

由上式可见其载波相位误差鉴相特性曲钱为sin(θ)函数。相位误差经环路滤波器_滤波后到达数控振荡器，数控振荡器产生相位估计值对输入信号进行相位旋转以补偿相位误差。环路滤波器采用二阶数字滤波器。

采用通用环来产生载波的相位误差，通用环属于判决反馈环。环路的核心为相位误差检测器，检测器利用采样信号与符号判决来产生误差信号，该误差信号反映了实际载波相位与当前载波相位的差别。假设定时恢复已建立，这样，相位误差检测器是在符号的最佳判决点进行相位检测。

误差检测器输出经过环路滤波器后，得到对载波剩余偏差的估计。反馈给数字下变频NCO单元，去除剩余载波。

3 内插定时技术

在全数字接收机中，码元定时恢复是利用锁相环路产生定时误差信号来控制本地同步脉冲实现的。在全数字解调器中，采样时钟由自由振荡器产生，并且与信号时钟不同步，它被称为异步采样解调器。因此在全数字解调器中由于采样不同步而引入的定时速率和相位误差，需要用数字信号处理的方法来补偿。全数字解调器中一般是采用数字插值运算来使接收信号和发送信号同步，这个插值运算可由内插滤波器来实现。本文采用的典型的全数字解调器中的定时恢复环结构，如图3所示。它由内插滤波器、定时误差检测器、环路滤波器、数控振荡器组成。

内插滤波器就是完成从输入的非同步采样数据中，通过重采样得到符号的最佳采样点，恢复出原始符号。

发送的线性调制信号符号周期为T，采样率为T，t=kTi，表示在kTi时刻重新采样，采样周期为Ti。由于Ts的定时来源于独立的本地振荡时钟，所以T／Ts的值通常是无理数。把采样值输入插值器，输出的抽样值表示为y(kTi)，它是以Ti为周期的函数，因Ti与T是同步的，所以应有Ti=T／k，k是一小整数。然后，数据滤波器根据k值降抽样恢复出原始数据。对重新采样的结果适当操作，可以得到：

对于定时误差的提取，采用Gardner算法。Gardnet算法需要每个符号有2个采样值，一个在符号判决点附近，另一个在符号交界点附近，并且与载波相位偏差无关，因此定时调整可先于载波恢复完成，定时恢复环独立于载波恢复环。Gardner算法提取的定时误差为下式：

来源：《现代电子技术》