全數(shù)字調(diào)制解調(diào)器STEL-2176在非對稱傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用

   摘要：介紹了全數(shù)字調(diào)制解調(diào)器STEL-2176的結(jié)構(gòu)、功能及技術(shù)特點，給出了它在點對多點寬帶無線接入系統(tǒng)中的應(yīng)用實例。在該系統(tǒng)中，使用STEL-2176作為用戶站的調(diào)制解調(diào)器，采用非對稱傳輸模式，實現(xiàn)了16QAM信號的數(shù)字解調(diào)和QPSK信號的數(shù)字調(diào)制。

    關(guān)鍵詞：寬帶無線接入 全數(shù)字調(diào)制解調(diào) 非對稱傳輸

１ 非對稱傳輸

寬帶無線接入系統(tǒng)中通常采用點對多點的基站／用戶站模式。在大多數(shù)情況下，基站到用戶站的下行數(shù)據(jù)量遠大于用戶站到基站的上行數(shù)據(jù)量，如果上下行占用同樣的資源，勢必造成浪費。

在ＴＤＭＡ／ＦＤＤ方式中，一種可行的傳輸模式是：上行數(shù)據(jù)采用突發(fā)數(shù)據(jù)包的方式，采用調(diào)制效率相對低的調(diào)制方式（如ＱＰＳＫ）；下行數(shù)據(jù)采用廣播的方式，采用調(diào)制效率相對高的調(diào)制方式（如１６ＱＡＭ）。這種非對稱傳輸?shù)膬?yōu)點是：一方面，可以根據(jù)用戶的實際需求實現(xiàn)動態(tài)分配帶寬以提高頻譜利用效率；另一方面，減少了上行信號每符號傳輸?shù)谋忍財?shù)，從而降低了基站突發(fā)解調(diào)算法的難度。

能滿足以上要求的用于用戶站的調(diào)制解調(diào)器必須具備這樣的性能：既能解調(diào)高調(diào)制效率（如１６ＱＡＭ）的寬帶連續(xù)信號，同時又能調(diào)制相對低調(diào)制效率（如ＱＰＳＫ）的寬帶突發(fā)信號。開發(fā)ＳＴＥＬ－２１７６是一個很好的選擇。

２ ＳＴＥＬ－２１７６簡介

ＳＴＥＬ－２１７６是一款全數(shù)字調(diào)制解調(diào)芯片，兼容ＩＥＥＥ８０２．１４、ＭＣＮＳ和ＤＡＶＩＣ等標(biāo)準(zhǔn)。解調(diào)部分可直接輸入高達５０ＭＨｚ的中頻模擬信號，信號帶寬可達８ＭＨｚ，可解調(diào)１６／６４／２５６ ＱＡＭ的連續(xù)信號；調(diào)制部分可輸出５ＭＨｚ～６５ＭＨｚ的連續(xù)／突發(fā)信號，調(diào)制方式可以是ＢＰＳＫ／ＱＰＳＫ／１６ＱＡＭ，速率最高可達４０Ｍｂｐｓ（１６ＱＡＭ）。

３ ＳＴＥＬ－２１７６內(nèi)部結(jié)構(gòu)

３．１解調(diào)部分

圖１為ＳＴＥＬ－２１７６解調(diào)部分的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，主要由ＡＤＣ（模數(shù)轉(zhuǎn)換）模塊、ＤＤＣ（數(shù)字下變頻）／ＡＦＣ（自動頻率控制）／ＡＧＣ（自動增益控制）模塊、濾波與時鐘恢復(fù)模塊、自適應(yīng)均衡、ＦＥＣ（前向糾錯編碼）模塊和時鐘模塊等組成。

·ＡＤＣ模塊

模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊接收輸入ＳＴＥＬ－２１７６的中心頻率為最高可達５０ＭＨｚ的中頻模擬信號，經(jīng)過帶通抽樣后得到中心頻率為６ＭＨｚ～７ＭＨｚ的亞中頻數(shù)字信號。

·ＤＤＣ／ＡＦＣ／ＡＧＣ模塊

ＡＦＣ對信號載波進行粗估，再由后端的自適應(yīng)均衡器反饋回來的載波誤差信號細調(diào)載波本振頻率，以得到相關(guān)的載波。ＤＤＣ接收６ＭＨｚ～７ＭＨｚ亞中頻數(shù)字信號，通過相關(guān)的載波解調(diào)出Ｉ、Ｑ兩路基帶信號。同時輸出ＡＧＣ控制信號，用來控制片外的中頻、射頻模擬信號的信號強度。

·濾波與時鐘恢復(fù)模塊

Ｉ、Ｑ兩路基帶信號經(jīng)ａｌｐｈａ＝０．１２～０．２０的ＳＲＲＣ（均方根升余弦）濾波器消除碼間干擾，再從信號中恢復(fù)符號速率，誤差小于１００ＰＰＭ。

·自適應(yīng)均衡

自適應(yīng)均衡除了能消除信道的各種干擾（多徑效應(yīng)、調(diào)幅性干擾、調(diào)頻性干擾、相位噪聲等），還反饋載波誤差信號，以細調(diào)載波的相差和小的頻差。

·ＦＥＣ模塊

前向糾錯編碼模塊接收解調(diào)出的Ｉ、Ｑ兩路信號，進行星座點映射，恢復(fù)數(shù)據(jù)，再對應(yīng)于調(diào)制端解出幀結(jié)構(gòu)，依次進行解交織、信道解碼（ＲＳ碼）、解擾，以串行或并行方式輸出原始信號，可以輸出ＭＰＥＧ－２結(jié)構(gòu)的信號。

    ·時鐘模塊

時鐘模塊由采樣鐘和恢復(fù)出的符號鐘產(chǎn)生解調(diào)部分所需的各種時鐘信號。

３．２ 調(diào)制部分

圖２為ＳＴＥＬ－２１７６調(diào)制部分的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，主要由數(shù)據(jù)接收及信道編碼模塊、星座點映射模塊、ＦＩＲ濾波器及內(nèi)插濾波器、調(diào)制模塊、ＤＡＣ（數(shù)模轉(zhuǎn)換）模塊、時鐘模塊等組成。

·數(shù)據(jù)接收及信道編碼模塊

接收串行輸入的原始數(shù)據(jù)，進行信道編碼（ＲＳ碼），包括交織和加擾，這些處理都是可選的。

·星座點映射模塊

將串行比特流映射到指定星座圖的星座點上，分Ｉ、Ｑ兩路輸出。

·ＦＩＲ濾波器及內(nèi)插濾波器

Ｉ、Ｑ兩路信號分別通過成形濾波器（３２級的ＦＩＲ濾波器）濾波后，輸出到內(nèi)插濾波器。內(nèi)插濾波器大大提高了信號的采樣頻率，以滿足大于２倍的載波信號的要求，與正交調(diào)制所需的速率相匹配。

·調(diào)制模塊

調(diào)制模塊由ＤＤＳ（直接數(shù)字合成器）和乘法器構(gòu)成的正交調(diào)制器。Ｉ、Ｑ兩路信號分別與ＤＤＳ產(chǎn)生的ＳＩＮ和ＣＯＳ載波信號相乘，合成后輸出。

·數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊

最后將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為中頻模擬調(diào)制信號輸出，這時的信號帶有相對于主鐘頻率的鏡像信號，即輸出的模擬信號需要片外濾波。

·時鐘模塊

時鐘模塊與外部時鐘同步并產(chǎn)生調(diào)制部分所需的各種時鐘信號。

３．３ 監(jiān)控部分

通過ＳＴＥＬ＿２１７６的監(jiān)控模塊串行或并行地接收外部的配置命令，發(fā)送狀態(tài)信息。對ＳＴＥＬ＿２１７６的監(jiān)控通過訪問其內(nèi)部寄存器實現(xiàn)。

４ ＳＴＥＬ－２１７６技術(shù)特點

ＳＴＥＬ－２１７６運用了全數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)，與傳統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)器相比，在系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性以及傳輸速率、載波速率和調(diào)制模式的靈活性上占有優(yōu)勢。

４．１ 高集成度、低功耗的芯片技術(shù)

ＳＴＥＬ－２１７６使用０．３５μｍ線寬的ＣＭＯＳ芯片技術(shù)，集成度高，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性；工作電壓為較低的＋３．３Ｖ，大大降低了芯片功耗，而在接口處靈活地提供了可選的Ｉ／Ｏ電壓（＋５Ｖ／＋３．３Ｖ）。

４．２ 寬帶ＡＤＣ／ＤＡＣ

這是全數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)的標(biāo)志性技術(shù)，盡可能在信號通道的前端將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以充分發(fā)揮數(shù)字信號處理技術(shù)的作用。

ＳＴＥＬ－２１７６采用了１０ｂｉｔ的ＡＤＣ和ＤＡＣ，能處理近１０ ＭＨｚ帶寬的模擬信號。因為采用帶通采樣技術(shù)，模擬信號中心頻率可達幾十兆赫。

４．３ 使用了ＤＤＳ技術(shù)和多速率信號處理算法

全數(shù)字調(diào)制解調(diào)器一般使用ＤＤＳ技術(shù)和多速率信號處理算法，使系統(tǒng)在單一的參考時鐘下，可以得到幾乎連續(xù)的各種頻率的時鐘信號。因為參考源相同，這些時鐘都是頻率相關(guān)的。利用這些時鐘信號，可以得到不同的載波頻率、比特速率和控制信號。另外，傳輸信號在數(shù)字基帶處理時，運用抽取和內(nèi)插等多速率信號處理算法實現(xiàn)了信號速率在不同數(shù)字處理器間的匹配。這樣可以實現(xiàn)傳輸信號的多速率和調(diào)制信號的多模式。

    在ＳＴＥＬ－２１７６的應(yīng)用中充分體現(xiàn)出這種靈活性的優(yōu)勢。

４．４ 數(shù)字解調(diào)算法

對一個通信系統(tǒng)的接收部分而言，最重要的就是同步，因此載波和定時的恢復(fù)是必要的。數(shù)字解調(diào)算法的核心就是載波和定時的恢復(fù)，這也是全數(shù)字調(diào)制解調(diào)器設(shè)計的關(guān)鍵問題。

ＳＴＥＬ－２１７６先恢復(fù)定時，在定時的基礎(chǔ)上，用完全的反饋結(jié)構(gòu)進行載波恢復(fù)：先利用ＮＤＡ（非數(shù)據(jù)輔助）算法對較大的頻差做粗略估計，估計的誤差饋入ＡＦＣ（自動頻率控制）使本振跟蹤較大的頻差，然后利用ＤＤ（數(shù)據(jù)導(dǎo)向）算法估計相差及小頻差，饋入ＰＬＬ（鎖相環(huán)）控制本振，跟蹤已調(diào)信號載波殘留相差。

ＳＴＥＬ－２１７６數(shù)字解調(diào)算法的特點是不需要一段已知的信息碼元——前導(dǎo)碼，但運算量大，恢復(fù)同步的時間較長，只能用于連續(xù)解調(diào)器。

５ ＳＴＥＬ－２１７６在寬帶無線接入系統(tǒng)中的應(yīng)用舉例

圖３示出了點對多點寬帶無線接入系統(tǒng)中用戶站調(diào)制解調(diào)器的原理框圖。微處理器ＡＴ８９Ｃ５１完成對系統(tǒng)的監(jiān)控以及配置工作，包括對ＳＴＥＬ－２１７６的工作參數(shù)的配置和ＦＰＧＡ初始參數(shù)的裝載。ＦＰＧＡ完成與ＭＡＣ層的交互。

接收端ＳＴＥＬ－２１７６設(shè)置為輸入４４ＭＨｚ的中頻模擬信號，信息速率為９．９２ＭＨｚ，解調(diào)方式為１６ＱＡＭ。中頻信號經(jīng)過帶通濾波器、ＡＧＣ之后輸入ＳＴＥＬ－２１７６，ＳＴＥＬ－２１７６輸出的數(shù)據(jù)、解調(diào)時鐘輸入ＦＰＧＡ進行基帶處理。

發(fā)射端ＳＴＥＬ－２１７６設(shè)置為輸出４４ＭＨｚ的中頻模擬信號，信息速率為５．１２ＭＨｚ，調(diào)制方式為突發(fā)的ＱＰＳＫ。ＦＰＧＡ進行基帶處理，產(chǎn)生突發(fā)數(shù)據(jù)包，輸出到ＳＴＥＬ－２１７６，并控制ＳＴＥＬ－２１７６輸出信號，中頻模擬信號再經(jīng)濾波放大后輸出到ＯＤＵ（室外單元）設(shè)備。

系統(tǒng)另外采用ＳＴＥＬ－１１０９作為基站下行調(diào)制器，完成１６ＱＡＭ的連續(xù)調(diào)制；采用ＳＴＥＬ－９２５７作為基站上行解調(diào)器，完成ＱＰＳＫ的突發(fā)解調(diào)，形成一套完整的非對稱傳輸?shù)狞c對多點寬帶無線接入系統(tǒng)，已證明系統(tǒng)方案可行。

系統(tǒng)應(yīng)用ＳＴＥＬ－２１７６以及ＦＰＧＡ等一系列器件，大大簡化了系統(tǒng)硬件，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。另外，由于ＳＴＥＬ－２１７６的頻譜利用效率較高，配置靈活，在點對多點的寬帶無線接入系統(tǒng)中使用ＳＴＥＬ－２１７６作為用戶站的調(diào)制解調(diào)器顯得十分方便、有效。