全数字调制解调器STEL-2176在非对称传输系统中的应用

摘要：介绍了全数字调制解调器STEL-2176的结构、功能及技术特点，给出了它在点对多点宽带无线接入系统中的应用实例。在该系统中，使用STEL-2176作为用户站的调制解调器，采用非对称传输模式，实现了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 宽带无线接入系统中通常采用点对多点的基站／用户站模式。在大多数情况下，基站到用户站的下行数据量远大于用户站到基站的上行数据量，如果上下行占用同样的资源，势必造成浪费。 在ＴＤＭＡ／ＦＤＤ方式中，一种可行的传输模式是：上行数据采用突发数据包的方式，采用调制效率相对低的调制方式（如ＱＰＳＫ）；下行数据采用广播的方式，采用调制效率相对高的调制方式（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实现动态分配带宽以提高频谱利用效率；另一方面，减少了上行信号每符号传输的比特数，从而降低了基站突发解调算法的难度。 能满足以上要求的用于用户站的调制解调器必须具备这样的性能：既能解调高调制效率（如１６ＱＡＭ）的宽带连续信号，同时又能调制相对低调制效率（如ＱＰＳＫ）的宽带突发信号。开发ＳＴＥＬ－２１７６是一个很好的选择。 ２ ＳＴＥＬ－２１７６简介 ＳＴＥＬ－２１７６是一款全数字调制解调芯片，兼容ＩＥＥＥ８０２．１４、ＭＣＮＳ和ＤＡＶＩＣ等标准。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；调制部分可输出５ＭＨｚ～６５ＭＨｚ的连续／突发信号，调制方式可以是ＢＰＳＫ／ＱＰＳＫ／１６ＱＡＭ，速率最高可达４０Ｍｂｐｓ（１６ＱＡＭ）。 ３ ＳＴＥＬ－２１７６内部结构 ３．１解调部分 图１为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、滤波与时钟恢复模块、自适应均衡、ＦＥＣ（前向纠错编码）模块和时钟模块等组成。 ·ＡＤＣ模块 模数转换模块接收输入ＳＴＥＬ－２１７６的中心频率为最高可达５０ＭＨｚ的中频模拟信号，经过带通抽样后得到中心频率为６ＭＨｚ～７ＭＨｚ的亚中频数字信号。 ·ＤＤＣ／ＡＦＣ／ＡＧＣ模块 ＡＦＣ对信号载波进行粗估，再由后端的自适应均衡器反馈回来的载波误差信号细调载波本振频率，以得到相关的载波。ＤＤＣ接收６ＭＨｚ～７ＭＨｚ亚中频数字信号，通过相关的载波解调出Ｉ、Ｑ两路基带信号。同时输出ＡＧＣ控制信号，用来控制片外的中频、射频模拟信号的信号强度。 ·滤波与时钟恢复模块 Ｉ、Ｑ两路基带信号经ａｌｐｈａ＝０．１２～０．２０的ＳＲＲＣ（均方根升余弦）滤波器消除码间干扰，再从信号中恢复符号速率，误差小于１００ＰＰＭ。 ·自适应均衡 自适应均衡除了能消除信道的各种干扰（多径效应、调幅性干扰、调频性干扰、相位噪声等），还反馈载波误差信号，以细调载波的相差和小的频差。 ·ＦＥＣ模块 前向纠错编码模块接收解调出的Ｉ、Ｑ两路信号，进行星座点映射，恢复数据，再对应于调制端解出帧结构，依次进行解交织、信道解码（ＲＳ码）、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 时钟模块由采样钟和恢复出的符号钟产生解调部分所需的各种时钟信号。 ３．２ 调制部分 图２为ＳＴＥＬ－２１７６调制部分的内部结构，主要由数据接收及信道编码模块、星座点映射模块、ＦＩＲ滤波器及内插滤波器、调制模块、ＤＡＣ（数模转换）模块、时钟模块等组成。 ·数据接收及信道编码模块 接收串行输入的原始数据，进行信道编码（ＲＳ码），包括交织和加扰，这些处理都是可选的。 ·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上，分Ｉ、Ｑ两路输出。 ·ＦＩＲ滤波器及内插滤波器 Ｉ、Ｑ两路信号分别通过成形滤波器（３２级的ＦＩＲ滤波器）滤波后，输出到内插滤波器。内插滤波器大大提高了信号的采样频率，以满足大于２倍的载波信号的要求，与正交调制所需的速率相匹配。 ·调制模块 调制模块由ＤＤＳ（直接数字合成器）和乘法器构成的正交调制器。Ｉ、Ｑ两路信号分别与ＤＤＳ产生的ＳＩＮ和ＣＯＳ载波信号相乘，合成后输出。 ·数模转换模块 最后将数字信号转换为中频模拟调制信号输出，这时的信号带有相对于主钟频率的镜像信号，即输出的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并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地接收外部的配置命令，发送状态信息。对ＳＴＥＬ＿２１７６的监控通过访问其内部寄存器实现。 ４ ＳＴＥＬ－２１７６技术特点 ＳＴＥＬ－２１７６运用了全数字调制解调技术，与传统的调制解调器相比，在系统稳定性、可靠性以及传输速率、载波速率和调制模式的灵活性上占有优势。 ４．１ 高集成度、低功耗的芯片技术 ＳＴＥＬ－２１７６使用０．３５μｍ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；工作电压为较低的＋３．３Ｖ，大大降低了芯片功耗，而在接口处灵活地提供了可选的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，尽可能在信号通道的前端将模拟信号转换为数字信号，以充分发挥数字信号处理技术的作用。 ＳＴＥＬ－２１７６采用了１０ｂｉｔ的ＡＤＣ和ＤＡＣ，能处理近１０ ＭＨｚ带宽的模拟信号。因为采用带通采样技术，模拟信号中心频率可达几十兆赫。 ４．３ 使用了ＤＤＳ技术和多速率信号处理算法 全数字调制解调器一般使用ＤＤＳ技术和多速率信号处理算法，使系统在单一的参考时钟下，可以得到几乎连续的各种频率的时钟信号。因为参考源相同，这些时钟都是频率相关的。利用这些时钟信号，可以得到不同的载波频率、比特速率和控制信号。另外，传输信号在数字基带处理时，运用抽取和内插等多速率信号处理算法实现了信号速率在不同数字处理器间的匹配。这样可以实现传输信号的多速率和调制信号的多模式。     在ＳＴＥＬ－２１７６的应用中充分体现出这种灵活性的优势。 ４．４ 数字解调算法 对一个通信系统的接收部分而言，最重要的就是同步，因此载波和定时的恢复是必要的。数字解调算法的核心就是载波和定时的恢复，这也是全数字调制解调器设计的关键问题。 ＳＴＥＬ－２１７６先恢复定时，在定时的基础上，用完全的反馈结构进行载波恢复：先利用ＮＤＡ（非数据辅助）算法对较大的频差做粗略估计，估计的误差馈入ＡＦＣ（自动频率控制）使本振跟踪较大的频差，然后利用ＤＤ（数据导向）算法估计相差及小频差，馈入ＰＬＬ（锁相环）控制本振，跟踪已调信号载波残留相差。 ＳＴＥＬ－２１７６数字解调算法的特点是不需要一段已知的信息码元——前导码，但运算量大，恢复同步的时间较长，只能用于连续解调器。 ５ ＳＴＥＬ－２１７６在宽带无线接入系统中的应用举例 图３示出了点对多点宽带无线接入系统中用户站调制解调器的原理框图。微处理器ＡＴ８９Ｃ５１完成对系统的监控以及配置工作，包括对ＳＴＥＬ－２１７６的工作参数的配置和ＦＰＧＡ初始参数的装载。ＦＰＧＡ完成与ＭＡＣ层的交互。 接收端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、ＡＧＣ之后输入ＳＴＥＬ－２１７６，ＳＴＥＬ－２１７６输出的数据、解调时钟输入ＦＰＧＡ进行基带处理。 发射端ＳＴＥＬ－２１７６设置为输出４４ＭＨｚ的中频模拟信号，信息速率为５．１２ＭＨｚ，调制方式为突发的ＱＰＳＫ。ＦＰＧＡ进行基带处理，产生突发数据包，输出到ＳＴＥＬ－２１７６，并控制ＳＴＥＬ－２１７６输出信号，中频模拟信号再经滤波放大后输出到ＯＤＵ（室外单元）设备。 系统另外采用ＳＴＥＬ－１１０９作为基站下行调制器，完成１６ＱＡＭ的连续调制；采用ＳＴＥＬ－９２５７作为基站上行解调器，完成ＱＰＳＫ的突发解调，形成一套完整的非对称传输的点对多点宽带无线接入系统，已证明系统方案可行。 系统应用ＳＴＥＬ－２１７６以及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。另外，由于ＳＴＥＬ－２１７６的频谱利用效率较高，配置灵活，在点对多点的宽带无线接入系统中使用ＳＴＥＬ－２１７６作为用户站的调制解调器显得十分方便、有效。