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低信噪比环境下QPSK调制解调器的设计专题技术与工程应用低信噪比环境下QPSK调制解调器的设计陈敬乔,潘申富,汪春霆(中国电子科技集团公司第54研究所,河北石家庄O5()081)摘要介绍了低信噪比调制解调技术的研究背景及其必要性,并指出了低信噪比解调所面临的问题.给出了调制解调器的主要技术参数,并针对低信噪比提出了一种调制解调器的实现方案,该方案采用在发送数据中插入训练序列的方法,来辅助载波恢复和定时恢复,解决了低信噪比解调的难点问题.该调制器解调器结构简单,适于低信噪比的情况.关键词QPSK;调制解调;捕获;载波恢复;定时恢复中图分类号TN76文献标识码A文章编号1003—3106(2oo7)01—0051—02TheDesignofQPSKModematLowSNRCHENJing—qiao,PANShen—fu,WANGChun—ting(The54thResearchInstituteofCETC,ShifiazhuangHebei050081,China)AbstractThispaperintroducestheresearchbackgroundandnecessitiesofmodulation/demodulationtechniqueatlowSNR,presentstheproblemsthismethodfaces,givesthemaintechnicalparametersofthemodem,andaimingatthelowSNRproblem,putsforwardakindofself-designedmodem.Themethodofinsertingatrainingsequenceintotransmitteddataisusedincarrierrecoveryandtimingrecoveryloops.ThedifficultproblemsofdemodulationatlowSNRayesolved.ThismodemforlowSNRhassimplestructure.KeywordsQPSK;modulation~demodulation;acquisition;car~errecovery;timingrcN2ovety0引言现代通信系统中,由于广泛采用先进的编码技术(如Turbo码,LDPC码),数据传输对信噪比(Eb/Ⅳ.)的要求可以降到很低.然而,因为必须在译码之前进行解调,这就要求接收机能够在较低信噪比的情况下正常工作,这对接收机的解调方法提出了苛刻的要求.因此在低信噪比情况下的解调方法受到越来越多的关注.目前,国外低信噪比解调器的入锁门限可以达到0dB(Eb/No)左右,我国的低信噪比解调技术和国外还有一定的差距.本文提出一种低信噪比调制解调方法,通过插入训练序列,其入锁门限可以低于0dB(Eb/No),可以有效支持各种高增益编码.1主要技术参数所谓数字调制就是用数字基带信号对载波的某些参量进行控制,使载波的这些参量随基带信号的变化而变化.PSK调制是受键控的载波相位按基带脉冲而改变的一种数字调制方式.MPSK为M进制相位调制又称多相制,它是利用载波的多种不同相位来表征数字信息的调制方式.QPSK是4相绝对移相键控.QPSK调制技术是等包络,且具有带宽较窄,频带利用率高,抗干扰能力强等特点,所以QPSK在传统上作为卫星通信的最佳调制技术.本文针对采表1低信噪比解调器的技术指标用QPSK调制的卫星信号,提出了数字调制解调的方案,并给出了低信噪比解调器的技术指标,如表1所示.2调制器设计功能技术指标中频接口信息速率调制方式解调方式入锁门限纠错编码解调性能恶化70MHz8.192*16/17MbpsQPSK相干解调Eb/0dB无1dB在低信噪比时,载波恢复和定时恢复是一个难点.本文中,在发送数据中插入训练序列来辅助载波和定时的恢复,训练序列采用周期为31的m序列,每16个数据符号插入1个m序列的码片.接收端首先通过抽取得到训练序列,然后在一个m序列周期内进行积分,这样就可以将解调时的信噪比提高15dB,而在15dB时进行载波恢复和定时恢复都不成问题,这样就解决了低信噪比解调的难点问题.这种方法的缺点是训练序列会占用发收稿日期:2006—06—182007年无线电工程第37卷第1期51专题技术与工程应用送功率,降低有用信号的信噪比,即10lg16+1=0.26dB.调制器的设计框图如图1所不.图1调制器框图调制器的基本工作流程为:输入数据加扰后首先进行串并变换,然后与m序列进行复接,每16个数据符号插入周期为31的m序列的1个码片,复接示意图如图2所示.复接后的信息符号经过成形滤波器,生成平方根升余弦滚降信号序列,然后输入到中频模块进行载波调制.m序列一个周期帧1帧2帧313解调器设计图2复接示意图低信噪比解调器设计的关键部分为:载波恢复,定时恢复和信道均衡.通过在原始数据中插入训练序列,解决了低信噪比时载波恢复入锁难的问题.但如何对接收数据进行抽取,正确恢复出训练序列,以及对载波进行快速精确的捕获,并且根据信道特征进行均衡,是解调的重点和难点,解调器的设计框图如图3所示.图3解调器框图解调主程序中包括数字下变频子程序,抽取子程序,捕获子程序,载波恢复子程序,时钟恢复子程序,均衡子程序,分接子程序和解扰子程序.解调的基本工作流程是:解调器前端的模数变换器以4倍符号速率对t/Q正交2路模拟基带信号进行采样,产生的2路正交数字信号进入解调器首先进行数字化匹配滤波;之后进行抽取和训练序列的捕获,在捕获过程中需要调整抽取位置和本地载波频率.捕获完成后利用训练序列进行载波恢复,定时恢复和信道均衡.522007RadioEngineeringVo1.37No.1数字下变频器将输入信号与本地数字载波进行复数乘法运算.载波恢复模块提取载波频率和相位误差,滤波后调整数字下变频器的频率控制字,以使得本地载波和输入信号的载波基本同频同相,从而实现相干解调.抽取模块首先对输入数据进行分段处理,每段68个数据,对应17个符号(16个信息符号和1个m序列的码片),然后从中抽取在相位上依次相差1/2个符号的3个数据(每段从相同的位置抽取)送捕获模块进行捕获.捕获模块将本地m序列与和抽取后的序列进行相关运算,并进行门限判决.如果在一段时间内不能同步,则说明载波频差太大或抽取位置不对,此时需要在一定范围内调整本地载波频率和抽取位置,直到捕获到为止.捕获完成后,抽取模块的输出即为m序列的超前,中间和滞后样点.分别对这些样点在1个m序列周期内进行积分,利用超前和滞后支路的输出可进行定时恢复,利用中间支路的输出可提取载波误差.定时恢复利用延迟锁定环实现,载波相位跟踪利用COSTAS环实现.高速数据传输时需要进行信道均衡.由于捕获完成后即获得了m序列的定位,因此可以利用m序列进行信道均衡.信道均衡采用基于数据辅助的LMS算法,每17个符号进行一次调整.分接模块完成与发端复接模块相反的功能,从均衡后的混合数据中提取信息符号,并恢复符号时钟.4结束语文中介绍了低信噪比时QPSK调制解调器的设计,简要分析了其原理,特点以及系统结构,指出了该思路的可行性,解决了低信噪比解调的难点问题.初步的研究和设计证明,所述的调制器解调器结构简单,适于低信噪比的情况,具有广阔的应用前景.参考文献[1]李荔.低轨小卫星移动通信系统的载波同步设计[D].上海:中国科学院上海冶金研究所,2001:39—50.[2]潘申富,李振东.基于直接判决反馈的BPSk/QPSk信号幅度估计[J].北京大学(自然科学版),2004,40(5):830—834.[3]王薇,陈晖.高速数据传输载波恢复的原理与仿真[J].无线电工程,2005,35(5):43—45.作者简介陈敬乔女,(198l一),中国电子科技集团公司第54研究所硕士研究生.主要研究方向:卫星通信.