全数字调制解调器 STEL-2176 在非对称传输系统中的应用
文章作者:清华大学数字微波国家重点实验室 贺 鹏 梅顺良 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QPS K)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,M CNS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0.35m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FPG A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.