数字微波调制解调器的具体用途是什么？

作者:清华大学数字微波国家重点实验室何鹏梅舜良摘要:介绍了全数字调制解调器STEL-2176的结构、功能和技术特点，并给出了其在点到多点宽带无线接入系统中的应用实例。该系统采用STEL-2176作为用户站的调制解调器，采用非对称传输方式实现16QAM信号的数字解调和QPSK信号的数字调制。关键词:宽带无线接入全数字调制解调非对称传输1非对称传输宽带无线接入系统通常采用点对多点的基站/用户站模式。在大多数情况下，从基站到用户站的下行链路数据比从用户站到基站的上行链路数据大得多。如果上行和下行占用相同的资源，势必造成浪费。在TDMA/FDD模式下，可行的传输方式是:上行数据以突发包的形式，调制效率相对较低的调制方式(如QPSK)；下行数据广播，采用调制效率相对较高的调制方式(如16QAM)。这种非对称传输的优点是:一方面可以根据用户的实际需求动态分配带宽，提高频谱利用效率；另一方面，减少了上行信号每符号的比特数，从而降低了基站突发解调算法的难度。能够满足上述要求的用户站调制解调器必须具有既能解调具有高调制效率的宽带连续信号(如16QAM)又能解调具有相对低调制效率的宽带突发信号(如QPSK)的性能。开发STEL-2176是个不错的选择。2 STEL-2176 STEL-2176是一款全数字调制解调器芯片，兼容IEEE802.14、MCNS和DAVIC标准。解调部分可直接输入高达50MHz的中频模拟信号，信号带宽可达8MHz，可解调16/64/256 QAM的连续信号。调制部分可以输出5 MHz至65 MHz的连续/突发信号。调制方式可以是BPSK/QPSK/16QAM，最高速率可以达到40Mbps(16QAM)。3 STEL-2176内部结构3.1解调部分图1是STEL-2176解调部分的内部结构，主要由ADC(模数转换)模块、DDC(数字下变频)//AFC(自动频率控制)//AGC(自动增益控制)模块、滤波和时钟组成。ADC模块模数转换模块接收中心频率高达50MHz的STEL-2176的中频模拟信号，经过带通采样得到中心频率为6 MHz ~ 7 MHz的子中频数字信号。DDC/AFC/AGC模块AFC对信号载波进行粗略估计，然后通过后端自适应均衡器反馈的载波误差信号对载波本振频率进行微调，得到相关载波。DDC接收6 MHz ~ 7 MHz亚中频数字信号，通过相关载波解调I、Q基带信号。同时输出AGC控制信号，控制片外中频和射频模拟信号的信号强度。滤波器和时钟恢复模块I、Q基带信号通过alpha = 0.12 ~ 0.20的SRRC(均方根升余弦)滤波器消除符号间干扰，然后从信号中恢复符号率，误差小于100PPM。自适应均衡自适应均衡不仅可以消除信道中的各种干扰(多径效应、调幅干扰、调频干扰、相位噪声等。)，还要反馈载波误差信号来微调载波相位差和小频差。FEC模块前向纠错编码模块接收解调后的I、Q信号，映射星座点，恢复数据，解码调制端对应的帧结构，依次进行去交织、信道解码(rs码)和解扰，以串行或并行方式输出原始信号，可以输出MPEG-2结构的信号。时钟模块时钟模块从采样时钟和恢复的符号时钟中产生解调部分所需的各种时钟信号。3.2调制部分图2给出了stel-2176调制部分的内部结构，主要由数据接收和信道编码模块、星座点映射模块、FIR滤波器和插值滤波器、调制模块、DAC(数模转换)模块和时钟模块组成。数据接收和信道编码模块接收串行输入原始数据，并执行信道编码(RS码)，包括交织和加扰。这些过程是可选的。星座点映射模块将串行比特流映射到指定星座图的星座点，并在I、Q通道输出。FIR滤波器和插值滤波器I、Q信号经过整形滤波器(32级FIR滤波器)滤波后输出到插值滤波器。插值滤波器大大提高了信号的采样频率，以满足载波信号大于2倍的要求，并匹配正交调制所需的速率。调制模块调制模块是由DDS(直接数字频率合成器)和乘法器组成的正交调制器。I、Q信号分别乘以DDS产生的SIN、COS载波信号，然后合成输出。数模转换模块最终将数字信号转换成中频模拟调制信号并输出。此时信号相对于主时钟频率有镜像信号，即输出模拟信号需要片外滤波。时钟模块时钟模块与外部时钟同步，产生调制部分所需的各种时钟信号。3.3监控部分通过STEL _ 2176的监控模块串行或并行接收外部配置命令，并发送状态信息。STEL _ 2176的监控通过访问其内部寄存器来实现。4 STEL-2176技术特点STEL-2176采用全数字调制解调器技术，与传统调制解调器相比，在系统稳定性、可靠性以及传输速率、载波速率、调制方式的灵活性方面具有优势。4.1高集成度低功耗芯片技术STEL-2176采用0.35微米线宽的CMOS芯片技术，集成度高，提高了系统的稳定性和可靠性；工作电压为+3.3v，大大降低了芯片功耗，接口处灵活提供可选I/O电压(+5v/+3.3v)。4.2宽带ADC/DAC这是全数字调制解调技术的标志性技术，在信号通道前端尽可能将模拟信号转换成数字信号，以充分发挥数字信号处理技术的作用。STEL-2176采用10bit ADC和DAC，可以处理模拟信号，带宽接近10 MHz。由于采用了带通采样技术，模拟信号的中心频率可以达到几十兆赫。4.3采用DDS技术和多速率信号处理算法的全数字调制解调器一般采用DDS技术和多速率信号处理算法，使系统在单一参考时钟下可以得到几乎连续的各种频率的时钟信号。因为参考源是相同的，所以这些时钟是频率相关的。使用这些时钟信号，可以获得不同的载波频率、比特率和控制信号。此外，当在数字基带中处理传输信号时，使用抽取和插值等多速率信号处理算法来实现不同数字处理器之间的信号速率匹配。这样可以实现多速率传输信号和多模式调制信号。这种灵活性充分体现在STEL-2176的应用中。4.4数字解调算法对于一个通信系统的接收部分来说，最重要的是同步，所以需要恢复载波和定时。数字解调算法的核心是载波和定时的恢复，这也是全数字调制解调器设计中的关键问题。STEL-2176首先恢复定时，然后基于定时使用完整的反馈结构恢复载波:首先使用NDA(非数据辅助)算法粗略估计较大的频差，并将估计误差馈入AFC(自动频率控制)使本振跟踪较大的频差，然后使用DD(面向数据)算法估计相位差和小频差，馈入PLL(锁相环)控制。STEL-2176数字解调算法的特点是不需要已知的信息符号-前导码，但是计算量大，恢复同步需要很长时间，所以只能在连续解调器中使用。宽带无线接入系统中的应用示例图3示出了点对多点宽带无线接入系统中的用户站调制解调器的原理框图。微处理器AT89C51完成系统的监控和配置，包括STEL-2176工作参数的配置和FPGA初始参数的加载。FPGA完成与MAC层的交互。接收机STEL-2176设置为输入44MHz的中频模拟信号，信息速率为9.92MHz，解调方式为16QAM。中频信号经过带通滤波器和AGC后输入STEL-2176，STEL-2176输出的数据和解调时钟输入FPGA进行基带处理。发射机STEL-2176设置为输出44MHz的中频模拟信号，信息速率为5.12MHz，调制方式为突发QPSK。FPGA进行基带处理，产生突发数据包，输出到STEL-2176，控制STEL-2176输出信号。中频模拟信号经过滤波和放大后输出到ODU(室外单元)设备。另外，STEL-1109作为基站的下行调制器，完成16QAM的连续调制。STEL-9257作为基站的上行解调器，完成QPSK的突发解调，形成一个完整的非对称传输的一点对多点宽带无线接入系统，实践证明该系统方案是可行的。该系统采用STEL-2176和FPGA等一系列器件，大大简化了系统硬件，提高了系统的可靠性和稳定性。此外，由于STEL-2176具有较高的频谱利用效率和灵活的配置，在点到多点宽带无线接入系统中，使用STEL-2176作为用户站的调制解调器是非常方便和有效的。