近年來，數字無線電技術日益受到人們的重視。數字無線電技術因採用軟體化數位化設計，工作穩定可靠，可生產性好，設備小巧，因而在通信中應用越來越廣泛。隨著大規模集成電路的發展以及對通信設備小型化、智能化的要求，數字無線電技術已經成為發展趨勢。全數字接收機的概念被提出後立刻引起了人們的興趣與關注，它和傳統的數字接收機不同，其解調和採樣所用的本地參考時鐘振蕩於固定的頻率，且不需要反饋控制，濾波、載波同步、時鐘同步、數據判決等全由採樣後的數位訊號處理器來完成。本文設計提出了適於中頻數位化接收機的體制結構和實現方法。
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201706/353849.htm1 全數字接收機組成
全數字接收機對中頻信號進行採樣後，全部採用數字器件和數字處理方法，是一種全數字實現方案。因其採用數字解調方法，克服了由模擬器件構成的解調器同相與正交兩支路參數不一致的缺點。雖然對已調信號採樣要求ADC的採樣率較高，但現今的高速ADC器件已足夠滿足要求。
全數字接收機結構如圖1所示。數字中頻信號分別與兩路正交載波相乘，然後低通濾波抽取，濾除二次頻項，完成數字正交下變頻，得到I，Q兩路信號。存在定時誤差和載波誤差的I，Q兩路基帶信號要進行定時恢復和載波相位恢復，然後進行判決，得到數字碼流。在全數字接收機中，載波同步和碼元同步是最重要的關鍵技術。
2 載波恢復技術
數字解調器中的載波恢復方法很多，主要分為非判決反饋載波恢復和判決反饋載波恢復。非判決反饋載波恢復方法主要有平方環、科斯塔斯(Costas)環等。由於判決反饋載波恢復性能優於非判決反饋載波恢復，所以採用判決反饋方法來進行載波恢復，其結構如圖2所示。
全數字解調器將採樣後的中頻信號下變頻為基帶信號後載波相位誤差為：
其中，ω0是載波頻率偏差，θ0是固定相位偏差，Aj是相位抖動幅度，ωj是相位抖動頻率，解調器需要消除這部分偏差。判決反饋載波恢復環可以消除載波相位誤差。
假設載波恢復環的輸入信號為：
式中a(k)是第k個傳輸符號，v(k)是加性高斯白噪聲，θ(k)是載波相位誤差。判決反饋載波恢復環路相位誤差提取公式為：
式中Im表示取複數虛部，並忽略了加性高斯白噪聲，如果a(k)=z(k)，那麼可求出載波相位誤差ε(k)：
由上式可見其載波相位誤差鑑相特性麴錢為sin(θ)函數。相位誤差經環路濾波器_濾波後到達數控振蕩器，數控振蕩器產生相位估計值對輸入信號進行相位旋轉以補償相位誤差。環路濾波器採用二階數字濾波器。
採用通用環來產生載波的相位誤差，通用環屬於判決反饋環。環路的核心為相位誤差檢測器，檢測器利用採樣信號與符號判決來產生誤差信號，該誤差信號反映了實際載波相位與當前載波相位的差別。假設定時恢復已建立，這樣，相位誤差檢測器是在符號的最佳判決點進行相位檢測。
誤差檢測器輸出經過環路濾波器後，得到對載波剩餘偏差的估計。反饋給數字下變頻NCO單元，去除剩餘載波。
3 內插定時技術
在全數字接收機中，碼元定時恢復是利用鎖相環路產生定時誤差信號來控制本地同步脈衝實現的。在全數字解調器中，採樣時鐘由自由振蕩器產生，並且與信號時鐘不同步，它被稱為異步採樣解調器。因此在全數字解調器中由於採樣不同步而引入的定時速率和相位誤差，需要用數位訊號處理的方法來補償。全數字解調器中一般是採用數字插值運算來使接收信號和發送信號同步，這個插值運算可由內插濾波器來實現。本文採用的典型的全數字解調器中的定時恢復環結構，如圖3所示。它由內插濾波器、定時誤差檢測器、環路濾波器、數控振蕩器組成。
內插濾波器就是完成從輸入的非同步採樣數據中，通過重採樣得到符號的最佳採樣點，恢復出原始符號。
發送的線性調製信號符號周期為T，採樣率為T，t=kTi，表示在kTi時刻重新採樣，採樣周期為Ti。由於Ts的定時來源於獨立的本地振蕩時鐘，所以T／Ts的值通常是無理數。把採樣值輸入插值器，輸出的抽樣值表示為y(kTi)，它是以Ti為周期的函數，因Ti與T是同步的，所以應有Ti=T／k，k是一小整數。然後，數據濾波器根據k值降抽樣恢復出原始數據。對重新採樣的結果適當操作，可以得到：
對於定時誤差的提取，採用Gardner算法。Gardnet算法需要每個符號有2個採樣值，一個在符號判決點附近，另一個在符號交界點附近，並且與載波相位偏差無關，因此定時調整可先於載波恢復完成，定時恢復環獨立於載波恢復環。Gardner算法提取的定時誤差為下式：
式中yI，yQ表示同相和正交分量，T為符號周期，τ為定時延時誤差，Gardner算法適用於跟蹤和捕獲模式，它要求每個符號採樣兩次。
Gardner算法最初是針對恆包絡MPSK信號提出的，可以先於載波誤差補償之前進行。若將它應用於MQAM(M>4)信號中，特別是滾降因子較小時，其定時誤差信號抖動太大。
根據定時誤差信號抖動的統計特性可知：滾降因子越小，抖動越大；信號包絡起伏越大，抖動越大。如果單靠環路濾波器來減小定時抖動，那麼必然使環路等效噪聲帶寬減小，從而增加環路捕獲時間。L．E．FRANKS已經證明通帶範圍為(1／4T，3／4T)，以1／2T為中心的偶對稱的帶通信號，其定時抖動近似為零。並且特別強調了1／2T為中心的偶對稱信號，信號過零點將發生在T／2處。如果在定時誤差探測器前加一個預濾波器，儘可能使信號波形滿足上述要求，就可以達到減小定時誤差信號抖動的目的。簡單的預濾波處理是將誤差檢測公式修正如下：
環路濾波器是鎖相環路的另外一個重要組成部分，在符號同步中採用理想積分濾波器。它由積分支路和比例支路構成，誤差信號在送入比例支路和積分支路時，與比例增益G1和積分增益G2相乘。由於比例支路可以跟蹤相位誤差，積分支路可以跟蹤頻率誤差，符號同步環路就能對定時誤差信號跟蹤並鎖定同步。另外，G1和G2的取值決定了系統的環路帶寬和收斂的快慢。ωn是環路的自然頻率，ξ是鎖相環的阻尼因子。
其中Ts為採樣周期，通常ξ取臨界阻尼係數0.707。
定時恢復環的內插濾波器由數控振蕩器(Number-Controlled Oscillator)控制，它接收定時誤差信號，給內插濾波器提供內插運算所需的參數m(k)和μk，數控振蕩器的時鐘頻率為1／Ts。
數控振蕩器如圖4所示，W(m)為NCO控制字，由定時誤差信號經環路濾波器濾波後提供，NCO寄存器中的η(m)值每TS時間減一次W(m)，寄存器減掉一定個數的W(m)後將產生過零點，每出現一次過零點，則產生一個定時調整抽樣脈衝Ti，從而可以決定m(k)，也就是決定哪些採樣信號值參加內插運算，同時還可求出μk。
4 仿真實驗
通過對所採用的技術方案的建模仿真，並對信號源的調製數據進行解調實驗。實驗結果表明，在誤比特率為10-4時，Eb／N0比理論值多2 dB。圖5給出了16QAM調製信號有定時誤差時，定時恢復前和定時恢復後的眼圖，可以看出定時恢復前，眼睛張開最大的位置不在採樣的最佳點，而定時恢復後眼睛張開最大點在採樣的最佳點。
圖6給出了16QAM調製信號有載波頻差時，載波恢復前和載波恢復後的星座圖，可以看出載波恢復前的星座圖是旋轉的，載波恢復後信號的星座圖明顯分開了。
5 結 語
本文針對適用於多種數字調製信號接收解調所採用的的全數字接收機進行了分析和設計。對載波同步技術和碼元定時技術進行了理論分析和仿真實驗。結果表明：通用環和內插定時兩個關鍵技術可以實現PSK、QAM數字調製信號的接收解調。全數字接收機設計靈活，易於實現通用高集成度接收機。
作者：孫海祥，劉 傑 (中國電子科技集團公司 第54研究所 河北 石家莊 050081)