多速率突发PSK信号全数字无前导字解调器

廖 明,姚 军,张 伟,王世练

(1.中国工程物理研究院研究生部,四川绵阳621900;2.中国工程物理研究院电子工程研究所,四川绵阳621900; 3.国防科学技术大学电子科学与工程学院,湖南长沙410073)

多速率突发PSK信号全数字无前导字解调器

廖 明1,2,姚 军2,张 伟2,王世练3

(1.中国工程物理研究院研究生部,四川绵阳621900;2.中国工程物理研究院电子工程研究所,四川绵阳621900; 3.国防科学技术大学电子科学与工程学院,湖南长沙410073)

突发模式通信应用日益广泛,基于前导字的解调算法降低了系统的数据传输效率。提出了一种适于多速率突发信号的全数字无前导字解调方案,通过FIFO操作和采样率转换适应多种速率的要求,参数估计、定时同步和载波恢复均采用前向算法,可以在不损失任何数据符号的条件下完成解调,具有较高的数据传输效率。算法易于硬件实现,给出了仿真和硬件测试的结果,结果显示在中高信噪比条件下算法具有较好的性能,验证了算法的有效性和可靠性。

多速率 突发模式 无前导字

0 引 言

突发通信模式具有良好的短时性、隐蔽性等特点,在卫星通信、短波通信等系统中得到广泛的应用。突发传输中,前后两个突发数据包相对独立,其载波频偏、相偏和定时误差等参数都不同,故每一个数据包到来时,解调器都要重新估计所需要的参数。文献[1-3]研究了基于前导字辅助的突发解调算法。其中,文献[1]通过解耦合处理,可以同时估计出定时误差、载波频偏和相位,从而有效减小了前导字的长度;文献[2]提出一种利用已知前导数据的相关函数来估计载波频偏的新算法,并对比了几种不同估计算法的性能。文献[3]基于Gardner算法提出一种新用法,取定时误差最小的点作为最佳采样点。基于前导字的算法性能较好,但是前导字占用了有限的传输带宽,降低了数据传输效率,且不适用于盲解调。文献[4-7]研究了无前导字的突发解调算法。其中,文献[4]采用相位差分算法估计载波频偏,所设计的接收机误码性能与理论值相比仅下降0.2 dB左右,但是容许的频偏范围只有[-5%·Rs,5%Rs];文献[5]提出一种中频差分解调方案,不需要突发载波恢复,适合在较低频率下工作;文献[6]通过最大化相位差累加矢量的模得到定时误差,从16个采样点中选出最佳采样点,再通过相位平均旋转度得到频偏,估计范围为Rs;文献[7]给

出了一种适用于大频偏的解调器,先通过两级FFT运算,将频偏缩小到较小的范围,再通过一个前向的频率跟踪环去除残余的频偏,其估计范围可以达到符号率的几倍。

上述文献中,突发信号的符号速率都是固定不变并且已知的,而在实际应用的突发通信系统中,每个突发包的符号速率有可能在一定的取值范围内随机变化,每个突发包的符号个数不同,相应解调器的结构也要与之适应。针对这种系统,文中提出一种支持多速率突发PSK信号的全数字无前导字解调方案,适用于较大的频偏范围,且可以在不损失任何数据符号的情况下完成解调,算法易于工程实现,适合非合作通信方的接收。下面介绍了所设计突发解调器整体结构,论述了各模块的主要算法,最后给出算法仿真和硬件实现的结果。

1 多速率突发信号无前导字解调算法

1.1 整体结构

多速率突发解调器整体结构如图1所示,虚线框内是解调器的主体部分。图1中,中频信号经ADC采样转换为数字信号,采样时钟为与符号速率独立的固定值。突发信号在解调之前先送入一个预处理模块,预处理模块给出信号带宽非常粗略的估计值和载波频率粗估计值,同时在每一个突发包开始时刻输出一个标志信号。对PSK信号,由可以得到符号速率的粗估计值。突发解调器接收到数据包后,先根据进行数字下变频(DDC)将信号搬移到零频附近,再根据进行多级半带抽取滤波(HBF)将采样率限制在符号速率的4～8倍。乒乓FIFO缓存A和B以突发数据包为单位将前后两个数据包分别存储,以适应不同的符号速率。低通滤波器(LPF)去除谐波分量后,参数估计模块计算出当前数据包的载波频偏和符号速率的精估计值。参数计算的同时,当前突发包进入FIFO缓存C延时,使数据和估计模块的和同时输出对齐。频偏校正模块进行二次变频,去除。数据通过采样率转换模块之后采样率转换为符号速率的4倍,匹配滤波(MF)后的数据通过定时恢复模块,恢复出每符号一个最佳采样点。相偏恢复模块计算出相偏估计值,然后将信号校正。

不同突发数据包的符号速率不同,后续处理模块所需的时间也不同。为了适应多速率突发信号,文中设计了一种乒乓FIFO缓存结构,该结构在突发起始时刻标志信号的控制下,将相邻的两个突发数据包分离开,以满足后续模块不同的延时需要,从而保证不会损失数据符号。

图1 多速率突发信号无前导字解调器整体结构Fig.1 Structure of burst demodulator without preamble for multiple symbol rates

1.2 符号速率/频偏估计

PSK信号具有循环平稳特性,由循环平稳有关理论可知[8],信号通过非线性变换之后的频谱中会出现代表各阶循环平稳特性的峰值谱线,谱线的位置一般对应了信号载波频率和符号速率的线性组合,因此可以通过提取这些谱线来完成信号的参数估计。

文中提出一种基于M次方谱的符号速率/频偏估计算法,以BPSK为例进行推导,算法可以推广到MPSK。经过正交下变频和低通滤波(LPF)后的BPSK信号表示为:

式中,gT(t)为成形滤波器,Ts=1/Rs为符号周期,Δf为载波频偏,φn为调制相位。对于BPSK而言,φn= {0,π}。对信号进行平方运算,简化后的结果为:

因为成形滤波函数gT(t)=0,当t∉(0,Ts),所以有:

gT(t-nTs)gT(t-mTs)=0,m≠n(3)

结合式(3)可知,仅当m=n时式(2)的乘积项为非零值,故式(2)可化简为:

由式(4)可知,y2(t)含有(t)以Ts为周期进行延拓与二倍载波频偏分量的乘积,对其进行FFT运算后,频谱将在f=2Δf±n(1/Ts)=2Δf±nRs处出现峰值谱线。一般情况下,在n=0,1时,即f=2Δf-Rs,2Δf,2Δf+Rs处谱线最明显,如图2所示。

图2 BPSK信号的平方谱Fig.2 Quadratic spectrum of BPSK signal

图2(a)是FFT之后的频谱图,图2(b)将零频搬移到中间,通过峰值搜索求得谱线的位置,从而可以计算出Δf和Rs的估计值。算法的估计范围较大,允许的符号速率偏差为[-0.2Rs,0.2Rs],载波频率偏差为[-0.5Rs,0.5Rs]。估计精度由FFT的频率分辨率决定,频率分辨率为(1/M0)Rs,M0为参与FFT的符号个数。

1.3 采样率转换

式中,mk,μk控制插值的位置,cl(k)为插值滤波器的系数。文献[10]提出可以采用高效的Farrow结构来实现插值滤波,该结构易于硬件实现,框图如图3所示。

图3 Farrow插值结构Fig.3 Structure of farrow interpolation

1.4 定时恢复

传统定时同步算法一般是由误差信号反馈控制NCO,不断调整ADC的采样时钟使其达到最佳采样位置。对于突发模式下的定时同步,收发两端工作在稳定独立的时钟频率上,解调器通过前向算法提取信号的定时误差,然后通过插值算法直接计算出最佳采样点来,定时恢复的结构如图4所示。

图4 突发PSK信号前向定时恢复Fig.4 Feedforward timing recovery for burst PSK signal

定时误差估计采用O&M算法[11],设经过匹配滤波之后的基带复信号为r(n),定时误差为ε,令xn=|r(n)|2,每符号采样点数为N,L0为统计符号的个数,则O&M算法可以表示为:

因为信号经过采样率转换变为4倍符号速率,即N=4,故式(6)可以展开为:

由式(8)可知Xm直接由加减法和累加运算即可求得,复杂度低,适合硬件实现。

计算定时误差的同时数据送入FIFO缓存中延时,定时控制器根据估计值^ε得到插值控制信号mk和μk,其中mk用于控制FIFO读出数据的下标index,决定取哪几个采样点用于插值,μk用于控制插值滤波器的工作。插值滤波器采用文献[10]提出的高效Farrow结构,插值算法采用性能较好的立方插值,通过插值计算即可得到最佳采样点的近似值。

1.5 相偏恢复

经过频偏校正之后的信号仍有一个非常小的频偏存在,此极小的频偏相对于符号速率是一个慢变化量,可以看作是信号的相偏。前向相偏恢复的结构与定时恢复类似,如图5所示。

图5 突发PSK信号前向相偏恢复Fig.5 Feedforward phase recovery for burst PSK signal

突发PSK信号的相偏估计采用A.J.Viterbi和A.M.Viterbi提出的V&V算法[12],将MPSK信号表示为r(k)=ρ(k)ejφ(k),则载波相偏的估计值为:

式中,N0为用于估计的符号个数,F[ρ(n)]表示ρ(n)的函数,由文献[13]的研究可知,为了达到最佳的估计性能,不同条件下F[ρ(n)]的取值如下:

与定时恢复类似,计算相偏的同时数据送入FIFO缓存中延时,^θ送入DDS中生成cos^θ-jsin^θ= e-j^θ,与FIFO的输出数据进行复数乘法从而去除相偏的影响。

2 仿真与实现

在加性高斯白噪声信道下对文中的算法进行了仿真,仿真的具体条件为:BPSK调制,Rs=12 Ms/s, Eb/N0=12 dB,计算平方谱的符号长度M0=512,定时估计的符号长度L0=128,相偏估计的符号长度N0=64,初始频偏为Δf=0.1Rs。经过频偏校正和采样率转换后,信号的采样率变为f′s=4Rs,残余的频偏小于2‰Rs,定时恢复后信号的星座图见图6。

图6 定时恢复后的星座图Fig.6 Constellation after timing recovery

由图6看出,因为残余微小频偏的影响,信号的星座图出现了旋转。极小的频偏相当于相偏,相偏恢复之后信号的星座图见图7,可以看出相偏恢复算法的性能较好,星座图旋转现象已经消除。

图7 相偏恢复后的星座图Fig.7 Constellation after phase recovery

根据上述算法,采用Xilinx公司V6系列的XC6VSX315T FPGA和TI公司的ADS5474采样芯片完成了多速率突发PSK信号解调原理样机的设计与实现。自行设计的突发信号源每秒发送15 000个突发包,实际的信号采用了差分编码,即DBPSK调制,FPGA的系统工作时钟为200 MHz,适用的突发信号符号速率范围为8～50 Ms/s。通过ChipS-cope抓取了硬件调试的实际结果,信号的平方谱如图8所示。

图8 ChipScope显示的平方谱Fig.8 Quadratic spectrum in ChipScope

定时恢复的信号星座图见图9,对差分编码后的信号来说相偏的存在不会影响解调器的正常工作,故硬件实现时省略了相偏恢复模块,定时恢复后的数据可直接送入差分判决模块得到输出结果。

图9 ChipScope显示的星座图Fig.9 Constellation in ChipScope

在实验室条件下,信号源重复发送同一段突发数据,通过调节模拟噪声源和信号衰减器来实现不同信噪比,在FPGA内部编程将解调完的结果与信号源进行比对统计差错符号的个数,得到不同信噪比下系统误码率的实际测试值,性能曲线见图10。

图10 突发解调器误码率性能Fig.10 BER performance of burst demodulator

图10同时给出了所设计突发解调器误码性能的MATLAB仿真结果和理论曲线,算法仿真的性能与理论曲线相差小于0.2 dB。当Eb/N0较小时,硬件测试值与理论值相差较大,随着Eb/N0增大,测试值逐渐趋近与理论曲线,由此可知在中高信噪比条件下文中所设计的突发解调样机具有较好的性能。

3 结 语

文中提出一种适用于多速率突发PSK信号的无前导字全数字解调器设计,通过乒乓FIFO结构和符号速率转换以满足不同的符号速率,对符号速率和频偏估计算法进行了详细推导,算法的估计范围较大,定时恢复和相偏恢复采用了前向算法,同时通过各级FIFO缓存保证解调过程不会损失任何符号。对算法进行了MATLAB仿真,最后根据设计方案完成了突发信号解调样机的硬件实现,结果证明了算法的有效性和可靠性。

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廖 明(1987—),男,硕士研究生,主要研究方向为通信与信息系统;

LIAOMing(1987-),male,graduate student,mainly engaged in communication and information system.

姚 军(1962—),男,硕士,研究员,主要研究方向为通信信号处理;

YAO Jun(1962-),male,M.Sci.,research fellow,majoring in communication signal processing.

张 伟(1972—),男,硕士,研究员,主要研究方向为数字信号处理技术;

ZHANG Wei(1972-),male,M.Sci.,master,research fellow,mainly working at on digital signal processing.

王世练(1976—),男,博士,副教授,主要研究方向为无线通信。

WANG Shi-lian(1976-),male,Ph.D.,associate professor,mainly engaged in the research of wireless communication.

A Full-digital Burst-mode PSK Demodulator without Preamble for Multiple Symbol Rates

LIAO Ming1,2,YAO Jun2,ZHANG Wei2,WANG Shi-lian3
(1.Graduate School of China Academy of Engineering Physics,Mianyang Sichuan 621900,China; 2.Institute of Electronic Engineering,China Academy of Engineering Physics,Mianyang Sichuan 621900,China; 3.School of Electronic Science and Engineering,National Univ.of Defense Technology,Changsha Hunan 410073,China)

The application of burst-mode communication becomes even popular.The demodulator with preamble may reduce data transmission efficiency of the system.A scheme of full-digital burst-mode demodulator without preamble suitable for multiple symbol rates is proposed.FIFO operation and sampling rate conversion applicable to multiple symbol rates are designed.Feedforward algorithm is suggested for parameter estimation,timing synchronization and carrier recovery,the demodulation and high data transmission efficiency could be done without any loss of data symbols.The algorithm is easy to implement on hardware platform,and the results of simulation and hardware test indicate its effectiveness and reliability in the environment of moderate and high SNR.

multiple symbol rates;burst-mode;without preamble

TN911.72

A

1002-0802(2014)01-0018-06

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.01.004