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1、硕 士 学 位 论 文 题 目: QAM信号全数字解调技术 研 究 生 郑 国 专 业 信 号 与 信 息 处 理 指导教师 张 公 礼 教 授 完成日期 2004年12月 杭州电子科技大学硕士学位论文QAM信号全数字解调技术研 究 生： 郑 国指导教师： 张 公 礼 教授 2004年12月Dissertation Submitted to Hangzhou Dianzi Universityfor the Degree of MasterTechnology of the All-Digital Demodulation for QAM SignalCandidate: Zheng GuoS
2、upervisor: Prof. Zhang GongliDecember，2004摘 要在通信业务日益增长、载波频段日益拥挤的今天，频谱利用率是一个主要矛盾。正交幅度调制（QAM）是一种频谱利用率很高、实现较为方便的载波传输方式，它以其高效的频谱利用率在当今众多的调制方式中具有很强的竞争力。QAM调制方式有效缓解了传输网络的带宽矛盾。一般数字调制方式一般只有一个信号参量携带调制信息，而QAM调制的调制信号幅度和相位都携带信息，对于M进制QAM中随M值的增大，所携带的信息量也随着增加，大大提高了信道的利用率，因此QAM调制方式被广泛的应用于了传输领域。此外QAM信号的码间距比MASK, MPS
3、K的要大，所以在提高频带的利用率基础上，对误码率的影响不大，也是它得到广泛应用的一个原因。因此，QAM同时具有带宽利用率和误码率两大优点。全数字解调克服了由于QAM信号相位差较小等引起的传统接收机的困难，是QAM信号解调中的重要研究方向。本文重点研究QAM信号的全数字解调技术。介绍了多进制正交幅度调制（MQAM）信号的基本原理和特点。组建了一个全数字接收机结构，并介绍了一种硬件实现方法。本文对多进制正交幅度调制（MQAM）信号的检测估计理论及性能分析方法进行了研究，给出了适合于实际中应用的评价标准修正克拉美罗限（MCRB）和渐近克拉美罗限（ACRB）。这种科学的性能评价体系，为后面的算法性能改
4、进提供了理论根据，也为进一步的算法研究打下了基础。本文研究了QAM信号的数字下变频技术。介绍了专用可编程数字下变频器件HSP50214B，并说明了这种器件的一般设计方法。利用可编程逻辑器件CPLD通过硬件描述语言VHDL编程，完成了基于专用下变频器件HSP50214B的对一种实际的256QAM信号的下变频。算法研究是本文的重点所在。在载波同步方面的频偏估计问题，通过对现有算法的研究，提出了一种新的载波频偏捕获方法。这种新的频偏算法即保证了频偏捕获范围，又提高了捕获精度，有效的解决了传统算法中两者不能兼顾的问题，可用于QAM系统以及MPSK系统中的频偏估计。在相位估计算法中，完成了一系列利用接收
5、信号统计信息的相位估计算法的渐近误差性能分析，并通过比较，得到估计性能较好的相位估计算法。在符号定时估计方面，研究了两种适合不同采样率的定时估计算法，并进行了重要改进。文章中对以上所有算法进行了仿真，得到大量可靠的仿真数据。最后，对本文研究成果进行总结并提出问题。关键词：非数据辅助，同步，多进制正交幅度调制，全数字接收ABSTRACTWith the rapid development of the electronics and computer science, particularly the improvement of the operation speed in digital s
6、ignal process (DSP) chip, the digital signal process technique appears to be an important problem, and defined the concept of all digital receiver and the software radio. The goal of the all digital receiver included the opening architecture and the full-scale programmable, it is easily to update th
7、e communication function by altered the configuration of the hardware. The characteristic of this all digital receiver is the local oscillator carrier and sampling clock run at fixed frequencies. DSP and VLSI chip mainly estimates and revises the error signals. In contrast to conventional receiver,
8、all-digital receiver does not require the feedback of signals to the analog part, so all-digital receiver overcomes difficulties in phase lock loop design. No feedback enhances not only stability and compatibility but also complexity, so choosing algorithms is a main topic of all-digital receiver ,w
9、hich is effectible, fleetly convergent and easy to realize by DSP and VLSI chip。The goal of this paper is to research the several key technologies of all-digital demodulation for QAM signal. The paper propose a all digital receiver architecture . And give a hardware circuit of IF digital receiver de
10、signed by the thesis in order to realize the real-time processing of the received intermediate frequency signals and make a concrete analysis of the signal characteristic and functions of each module. In synchronization included digital frequency conversion technique, carrier synchronization and sym
11、bol timing synchronization. In this paper, introduce feedforward nondata-aided(NDA) estimators and a all digital receiver architecture. Firstly, the paper introduces the technologies of quadrature amplitude modulation and the theoretics of estimate. In order to analyze system performance and design
12、appropriate equipment, we present the Cramer-Rao bound(CRB) related to estimating the synchronization parameters, a modified CRB (MCRB) and a asymptotic CRB (ACRB) have been derived. Based this standard, a rigorous and thorough performance analysis was setups for the existing blind estimators.The pa
13、per presents the Block Diagram and the Functional Description of the HSP50214B.The output mode and microprocessor was appicacted based on the requirement of the 256QAM signal in wireless LAN. The parameter of HSP50214B was configurated.The PDC configuration is realized by using VHDL program by the l
14、ogical device CPLD. The PDC configuration process indicates the general method of the HSP50214B application.The paper introduces several key technologies in all-digital receiver, including estimating and revising timing phase offset ,carrier frequency offset and carrier phase offset。The aim is bring
15、ing forward the digital signal processing algorithm suited for all-digital receiver implemented by DSP. The author compared some carrier synchronization algorithms of all-digital receiver, proposed a new architecture for M-QAM signals. This approach exhibits more robustness and larger acquisition ra
16、nge than conventional ones. In the carrier phase estimation, the paper performed the thorough performance analysis of a class of blind algorithms. By analysis, proposed a computationally simple blind carrier phase estimators with guaranteed convergence and good statistical properties. In symbol esti
17、mation, the paper analyze and ecaluate the performance of an alternative blind feedforward symbol timing estimator using two samples per symbol and proposed a new unbiased timing estimator with improved performance; whats more, the paper present a large sampling timing estimator, and analyze the per
18、formance of it in MQAM system.In the end, two all-digital receiver architectures are achieved fully suited for QAM signal, included simulation and the test result of the collected data. Keywords： nondata-aided , synchronization , MQAM , all-digital receiver目 录摘要 -Abstract -第1章 绪论 -1 1.1 引言 -1 1.2 QA
19、M的应用 -2 1.3 QAM信号的解调 -3 1.4 全数字接收技术的特点和发展现状 -4 1.5 MQAM信号的全数字解调算法研究现状 -5 1.5.1 载波相偏恢复算法 -5 1.5.2 载波频偏恢复算法 -6 1.5.3 符号定时恢复算法 -7 1.5.4 其它一些联合估计算法 -7 1.6 本文工作 -7第2章 多进制正交幅度调制（MQAM）技术 -9 2.1 多进制数字调制 -92.2 正交振幅调制 -9 2.2.1 正交振幅调制信号 -9 2.2.2 QAM调制信号的主要参数和平均功率 -10 2.2.3 QAM调制信号星座图 -122.3 本章小结 -14第3章 QAM信号全数
20、字解调方案与硬件实现 -163.1 QAM信号全数字解调方案 -16 3.1.1 传统的QAM接收机 -16 3.1.2 全数字QAM接收机 -173.2 QAM信号全数字解调硬件实现 -193.3 本章小结 -20第4章 QAM信号数字下变频技术 -214.1 QAM信号数字下变频原理 -214.2 基于HSP50214B的QAM信号下变频设计 -22 4.2.1 HSP50214B结构原理及功能 -22 4.2.2 HSP50214B应用设计 -24 4.2.3 wirelessLAN中256QAM信号的下变频设计 -274.3 本章小结 -28第5章 QAM信号参量估计中的实际克拉美罗限
21、 -295.1QAM信号参量估计和克拉美罗限（Cramer-Rao Bound） -29 5.1.1 QAM信号参量估计 -29 5.1.2 克拉美罗限（Cramer-Rao Bound） -295.2 QAM信号参数估计中的实际克拉美罗限 -30 5.2.1 QAM参数估计中的理论克拉美罗限（CRB） -30 5.2.2 QAM参数估计中的修正克拉美罗限（MCRB） -31 5.2.3 QAM参数估计中的渐近克拉美罗限（ACRB） -325.3 本章小结 -33第6章 QAM调制信号载波同步算法 -34 6.1 非数据辅助载波频偏估计 -34 6.1.1 非数据辅助的频偏估计器TD算法 -3
22、5 6.1.2 非数据辅助的频偏估计器GG算法 -36 6.1.3 QAM频偏估计新算法TD_GG算法 -376.2非数据辅助载波相位估计 -39 6.2.1 传统的非数据辅助的载波相位估计算法 -40 6.2.2 应用高阶统计量的非数据辅助的载波相位估计算法一种改进的 HOS算法 -41 6.2.3 应用八阶统计量的非数据辅助载波相位估计算法EOS算法 -436.3载波同步算法的渐进均方误差性能分析 -46 6.3.1 GG算法的渐近均方误差性能分析 -46 6.3.2 改进的HOS算法的渐近均方误差性能分析 -48 6.3.3 EOS算法的渐近均方误差性能分析 -506.4 本章小结 -5
23、3第7章 QAM调制信号符号定时同步算法 -54 7.1 非数据辅助（NDA）符号定时算法 -54 7.1.1 一种基于二倍采样率的非数据辅助定时估计算法 -55 7.1.2 一种基于多倍采样率的非数据辅助定时估计算法GSD算法 -587.2 QAM信号符号定时算法渐近性能分析 -61 7.2.1基于二倍采样率的非数据辅助定时估计算法的渐近均方误差性能分 析 -61 7.2.2基于多倍采样率的GG和GSD算法的渐近均方误差性能分析 -647.3 本章小结 -65第8章 QAM调制信号的全数字解调 -67 8.1 QAM信号全数字解调算法 -67 8.1.1 基于二倍采样率的QAM全数字解调 -
24、67 8.1.2 基于多倍采样率的QAM全数字解调 -688.2 QAM信号全数字解调算法仿真 -68 8.2.1 基于二倍采样率的QAM全数字解调算法仿真结果分析 -69 8.2.2 基于多倍采样率的QAM全数字解调算法仿真结果分析 -708.3 QAM全数字解调算法对实际数据的解调 -708.4 本章小结 -71结束语 -72致谢 -74参考文献 -75附录A -81附录B -102第1章绪论1.1引言在通信业务日益增长、载波频段日益拥挤的今天，频谱利用率是一个主要矛盾。正交幅度调制（QAM）是一种频谱利用率很高、实现较为方便的载波传输方式，它以其高效的频谱利用率在当今众多的调制方式中具有
25、很强的竞争力3。信号传输的过程中需要都要占用一定的带宽，数字信号的传输比模拟信号对带宽的需求更高。在传输领域高速发展的今天，各种增值业务的不断产生，对通信质量要求的不断提高，使得信号传输对频带的需求越来越多，但是由于技术和当前设备的限制，能利用的频带还是有限制的，不能任意扩展，这就导致信道频带资源越来越宝贵。例如有线传输中的数字电视广播一有线方式(DVB-C )、视频点播(VOD),非对称数字用户环路(ADSL)等等，一般都要求在不影响原有数字视频传播业务的前提下实现，即要求新业务所占频带不能超过原有业务的频带，只有部分频带可以使用，要在有限的带宽里传输数据量惊人的音视频数据，不经过特殊的调制
26、方式，将会影响整个网络的数据传输，降低服务的质量。为了在有限的带宽信道中有效的传输大量的数据，人们研制了各种调制方式来解决有限带宽和大量数据传输之间的矛盾。例如可以采用多进制数字调制(包括幅度、频率、和相位多进制调制);联合调制、网格调制等等。其中幅度和相位联合调制方式，即QAM调制方式综合了ASK与PSK的优点.并通过采用多进制方(MASK与MPSK)来提高频带利用率(提高信息传输速率)，因此它在频带利用率和接收端误译码率等指标上，比单一调制正弦波的一个参数的调制方式都要优越，但它的设备复杂程度也是比较高的。随着电子技术的不断发展，设备复杂性也在相对地降低，因此QAM方式是目前中、高速调制解
27、调器中比较流行的调制方式。QAM调制方式有效缓解了传输网络的带宽矛盾。一般数字调制方式下，通常一个码元携带lbit的信息，而QAM调制的调制信号幅度和相位都携带信息，对于M进制QAM中随M值的增大，所携带的信息量也随着增加，例如16QAM中一个码元携带4bit的信息，64QAM中一个码元携带6个bit的信息，大大提高了信道的利用率，因此QAM调制方式被广泛的应用于了传输领域。而且QAM的码间距比MASK, MPSK的要大，所以在提高频带的利用率基础上，对误码率的影响不大，也是它得到广泛应用的一个原因。因此，QAM同时具有带宽利用率和误码率两大优点。1.2 QAM 的应用鉴于QAM调制方式的众多
28、优点，它得到了广泛的应用。最初，QAM调制器/解调器抓哟应用于电话线数据通信，即众所周知的电话线Modem；目前，在电话线有限的4k带宽内，调制解调器最大传输速率可达56kbps，已经接近了香农定理所预测的极限。随着通信技术的不断发展，人们对信息交流需求的不断增加，诸如传统电话线modem一类的窄带应用已不能够满足要求。宽带通信作为一个崭新的概念进入了人们的视野。目前，宽带通信主要传输媒介有光纤、同轴电缆、双绞线、电话线、微波等。根据应用领域及传输介质的不同，所采用的调制方式通常为QAM/OFDM/VSB/DMT等中的一种。在移动通信中，随着移动用户数量的不断增加，传统通信系统的容量已经越来越
29、不能满足通信的要求，而可用频谱资源有限，也不能靠无限的增加频道数目来解决系统容量问题。另外，人们亦不满足移动通信单一的语音服务，希望能利用移动电话进行图像等多媒体信息的通信。在ITU IMT-2000国际标准中定义的未来个人通信，是多种业务的综合，它不仅有传统的语音服务（9.6kbps），还需提供更高速率的（384kbps,2Mbps）的多媒体业务。对于这些高速数据的传输，如果采用一般的调制技术，信道带宽会急剧增加，从而进一步加剧频率资源紧张的状况。显然，传统的调制方式只适用于低容量、低速率的语音业务，却难以满足高质量、高速率的多媒体业务。而正交幅度调制（QAM）是一种高频谱利用率，且有可能灵
30、活的根据传输环境的不同，自适应的调整其调制速率的信号，因此采用QAM调制方式能很好的缓和移动通信中可用频带紧张的状况，并实现多速率的多媒体综合业务77。随着数字电视及高清晰度电视（HDTV）技术的发展，越来越多的标准被制定出来。目前存在的支持数字高清晰度电视的国际标准主要有美国的高级电视系统委员会（ATSC）和欧洲的数字视频广播（DVB）。包括用于卫星传输的DVBS，电缆传输的DVBC、ATSC16VSB，地面传输的DVBT、ATSC8VSB标准。中国也在努力的制定符合自己的标准。QAM由于其高效的频带利用率在各种标准中都有广泛的应用。对通过电缆网络进行视频和数据业务的下行传输，欧洲数字音频视
31、频委员会（DAVIC）和数字视频广播（DVB）标准已经将QAM作为标准的调制方式。随着这些标准的建立，数字电视中QAM信号的应用也越来越多，并开始采用一些高阶的QAM信号，甚至512QAM、1024QAM等。根据研究表明，QAM调制方式适合于数据率较高的有线传输或固定无线接入等领域。目前主要应用领域包括：高清晰度数字电视（HDTV）、电缆调制/解调器（Cable modem）、宽带固定无线接入（Broadband Fixed Wireless Access）、微波通信（Microwave communication）、LMDS（Local Multi-point Distibution Sys
32、tem）、MMDS（Microwave Multi-point Distribution System）、ATMLAN等。表1.1对QAM的各类应用作了简要小结。对绝大多数应用，数据传输的比特率介于几百K到几十兆之间。表1.1 QAM的应用QAM应用领域带宽（Hz）数据率（BPS）相关标准备注电话线Modem约4K2.4K56KITU-TV.21,V.22,V.22bis,V.23,V.25,V.34,V.32bis,V.32,V.43窄带高清晰度电视（HDTV）1M45M2M90MDVB-C,DVB-SCable Modem, LMDS128K8M256K56MDVB,DAVICDOCSIS
33、,ITU-T J.83宽带固定无线接入1M10M100K56MATM-LAN26M51.84MATM-LAN1.3 QAM信号的解调正交振幅调制(QAM)数字传输系统因为其高的频带利用率而被确定为DVB-C标准，在理想情况下，MQAM信号的频带利用率为，当收发基带滤波器合成响应为滚降因子R的升余弦滚降滤波器时，MQAM调制信号的频带利用率变为。目前，对QAM信号的解调方法很多，其主要方法有以下三种:(1)模拟相干解调: QAM解调器接收调制模拟信号，从模拟信号中恢复出载波和定时信号;再用同相和正交的两个载波信号与接收的模拟调制信号相乘，经模拟低通滤波器滤波后得到基带信号;然后用定时信号控制采样
34、器对基带信号采样、判决、数字化，就可以恢复出所传输的数字系列。(2)数字相干解调： QAM解调器首先对接收的调制模拟信号采样并数字化;然后从数字信号中恢复出载波和定时信号:再用同相和正交的两个载波信号与数字化的调制信号相乘，经数字低通滤波器滤波后得到数字基带信号;恢复的定时信号用于反馈控制采样器，因此能得到无定时偏差的数字系列。(3)全数字解调:解调器首先对接收的调制模拟信号采样并数字化，其采样时钟振荡于固定频率，不需要后继的数字信号处理部分提供振荡控制信号;A/D变换后的数字信号与同样振荡于固定频率的两个正交载波信号相乘，经数字低通滤波器滤波后得到数字基带信号，不过这个基带信号可能存在定时误差和载波相位误差;然后对该数字基带信号进行处理以补偿定时误差和载波相位误差，就可以得到所传输的数字信号系列。分析以上描述的三种QAM信号的解调方法的实现情况:模拟相干解调是用模拟器件实现。首先，系统的整体性能对模拟器件的多种非理想情况很敏感，如模拟滤波器相位失真、放大器及混频器的非线形
