浅析宽带多制式无线通信信号解调测试算法

edibehezo

摘要：文章从宽带无线通信的发展现状出发，针对当前宽带无线通信信号解调测试算法中存在的问题，结合宽带无线通信的实时多域分析架构，提出了一种新的解调测试算法，对I/O信号的解调预处理载波频偏进行补偿和粗估计，确定采样率与码率的倍数关系，以实现载波相位的同步跟踪和符号的同步定位，提高测试的精度，为铁路通信工程施工提供相关借鉴。
关键词：宽带多制式；无线通信信号；解调测试算法；铁路通信
中图分类号：TN911 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）04-0061-03
1 概述
当前，宽带无线通信是信息通信产业中发展最快的领域之一。宽带无线通信技术的应用，将计算机、移动通信和互联网连接起来，扩大了通信覆盖的范围，为广大用户提供了更为便捷的连接方式和更多的业务种类，个人通信也成了现实。上个世纪前半叶，我国铁路运输事业开始发展起来，但铁路通信设备还比较简单。铁路通信是利用无线通信、有线通信、光纤通信等技术、设备，交换和传输铁路运输建设及生产中的各种信息。
为了满足人们无线数据高速传输的需要，宽带无线通信传输的速度将不断提高，信号调制方式也将从模拟调制转变为矢量调制，编码方式和调制方式也更加复杂。在宽带无线通信快速发展的过程中，要求宽带无线通信能在频域、时域、码域、调制域等多域中进行测试。传统通信信号的测试方法不能实现这种测试的要求，因此，宽带无线通信测试也面临着改革，以适应当前铁路通信工程施工的需要。
2 宽带无线通信的实时多域分析
随着通信体制的改革，宽带无线通信的结构也发生了变化：由单一的载波调试系统转变为多载波调制系统。信号调制的方法也由简单的QPSK、BPSK、FSK转变为高阶的8-PSK、OQPSK、QAM。在数据编码方式方面，也由早期的代数码、分组码、RS码发展为LDPC码、Turbo码、卷积码。为了满足通信的抗干扰性和安全性要求，扩频、跳频通信技术的应用范围也不断扩展。这些新技术、新方法的应用，使宽带无线通信数据传输的速率大大提高。
2.1 宽带无线通信的实时多域分析架构
该系统的后端采用的是全数字中频结构，前端采用的是超外差结构，在数字域中能够完成信号的多域联合分析、调制分析、频谱分析。通过宽带的数字扫描和分析，在测试频带上能够连续扫描信号频谱信息，将其送入到上层结构中。在该模式下，经过DDC处理可以得到I/O信号，在满足条件时能够将其存储到存储器中。
该系统是一个开放性、多边形的数字信号处理系统，与目前的分析架构相比，该系统能够根据测量对象的要求和特点，在线生成新的硬件算法，从而为通信信号实时多域分析提供可能。由于该系统结构的分析方法是通过DSA和FPGA来实现的，大大减少了系统的开销，也提高了系统测试的速度。
2.2 通信分析
在该分析架构模式下，经过通信分析，在抽取数字滤波后，将其存储到相应的存储器中，以I/O信号基带来进行处理，这样就实现了通信性能的快速分析和测试，如图1所示。
2.3 物理特性分析
物理特性分析是对宽带无线通信信号的驻留时间、频谱、功率电平等物理指标数据进行分析。在宽带无线通信技术发展的同时，宽带通信信号也呈现出新、大、宽带特点，因此需要采取不同方法，从频域、时域、时频域来测量和分析。针对这个问题，本文采用了一种新的分析方法。具体如下：
（1）多域分析。宽带无线通信的多域物理分析是建立在全数字中频技术的频谱分析基础之上的，结合无缝存储技术和触发检测算法，实现多域分析的准确性。同时，结合全数字频谱扫描方法，扩展测试频率的跨度，让频谱分析覆盖到宽带无线通信的各个频段。其基本结构如图2所示。
（2）实时多域分析。宽带无线通信的实时多域分析的工作原理如下：DDC输出的I/O信号通过连续无缝存储装置保存在相应的存储器中，信号处理算法将该数据作为被测的信号来分析。假定存储器的容量较大且信号能连续进行存储，通过采样周期就能够得出时间信息，在频谱分析中实现信号的实时多域分析。因此，如果后级信号处理器处理的时域信号比信号采集时间要短，则实时分析是完全可以实现的。从实际情况来看，如果存储的深度较深，能够对一定时间内的信号进行无缝获取，则能够实现该段信号的实时分析。
（3）频谱扫描分析。宽带无线通信传输速率的提高，使传输带宽也不断加宽，工作频带的宽度能够达到几十MHZ。扩频、跳频技术的应用，通信信号也不断扩展。目前，工作频带宽度最高能达到110MHZ，与宽带通信信号的频谱测试要求不相符合。因此，为了满足大频率跨度测试的需要，应对宽带无线通信信号进行高精度读的频谱分析，才能避免频谱分析模式中无法对全频段频谱进行分析问题。
3 宽带无线通信信号解调处理算法
宽带无线通信信号在测试过程城中，为了满足误码率、EVM通信指标的测试结果，在测试之前要对这些通信指标进行解调处理。下面就结合宽带无线通信测试的需要，基于宽带无线通信的实时多域分析，提出了一种新的多制式宽带通信信号解调处理算法。
3.1 联合解调处理机制
宽带无线通信实时多域分析架构的提出，促进了联合解调处理机制的产生。该处理机制又专用调解处理、解调预处理组成，通过专用解调算法和预处理算法来处理测量信号，解调精度较高。专用解调处理是根据信号类型而采取不同的解调处理算法和流程，提高解调的精度。宽带无线通信测试过程中，调制方式不同的测量信号，其解调处理算法和流程是不同的。如M-QAM和M-PSK信号，采用过零点检测算法效果并不好，可以将完成信号进行同步处理，再面向判决载波进行相位跟踪。OQPSK信号与M-QAM、M-PSK信号的解调方法不同，在相偏较小时可能会导致算法性能不佳，影响整个接受系统载波的同步处理。因此，OQPSK信号解调处理对频率相位的同步要求较高。解调预处理主要是对被测信号较大的载波进行修正，对测试信道进行补偿，调整采样频率。在修正载波大频时，采用了载波频偏盲估计算法，能够用于残余频偏进行捕获。
3.2 载波频偏盲估计算法
在宽带无线通信的物理特性分析和通信分析时，被测信号频带的位置一般是波动的，载波频偏也较大，使为测信号载波的同步处理增加了难度。因此，在宽带无线通信信号实时多域分析时，要对被测信号的载波偏差进行修正和粗略估计，使补偿信号能够满足载波同步处理的需要，再以专用载波对其进行定位跟踪。
3.3 任意倍数的重采样算法
在宽带实时分析中，为了实现对任意调制方式和码率的宽带通信信号进行实时多域复分析，其DDC抽取系数及输出采样率、中频的ADC采样速率、系统工作时钟等都应是固定的。这样才能够得出被测基带的I/O信号的码率与采样率之间为任意的分数，同时，为了提高定时同步的精度，在同步算法中，输入的采样率和码率应是整数倍关系。
3.4 M-QAM和M-PSK调制算法
M-QAM信号调制处理可以在M-PSK信号调制处理的基础上进行扩展，二者的调解处理可进行统一分析，其具体流程为：解调预处理——符号定位同步——自适应均衡——载波同步。在宽带通信信号实时分析过程中，被测得的M-QAM和M-PSK信号是经过解调预处理的，对载波频偏进行了补偿和粗估计，且采样率与码率是整数倍关系，对前端的测试信号采取了固定补偿措施。
3.5 OQPSK调制算法
在宽带无线通信信号实时多域分析架构基础上，产生了一种专门的解调算法，即OQPSK调制算法。该算法的流程如下：解调预处理——载波频率同步——自适应盲均衡——载波相位和定时误差的联合估计及校正。在宽带通信信号实时分析过程中，OQPSK调制算法对I/O信号的解调预处理载波频偏进行补偿和粗估计，且采样率与码率是整数倍关系，对前端的测试信号采取了固定补偿措施。再通过载波相位和定时误差的联合估计及校正，能够对混频及内插滤波进行处理，实现载波相位的同步跟踪。
4 结语
在信息通信领域中，宽带无线通信信号有非常重要的作用。宽带无线通信信号具有低功率、强突发性、高传输率、大带宽、高瞬变等特点，在未来通信领域中发展前景非常广阔。在宽带无线通信信号实时多域分析架构基础上，本文探讨了一种新的解调测试算法，能够有效解决宽带无线通信中误触发、漏触发等问题，实现载波相位的同步跟踪和符号的同步定位。宽带无线通信信号解调测试算法的发展，能够满足铁路通信业务繁多、设备多样的特点，还能够实现铁路通信工程建设信息的实时交换和传输，实现列车、机动车辆的统一指挥和调度，保证形成的效率和安全。
参考文献
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[2] 张涛.基于跳频技术的数字宽带传输系统的研究[D].大连理工大学，2009.
[3] 张小欣.高速宽带OFDM无线通信系统的若干关键技术研究[D].北京大学，2009.
[4] 杨峰.脉冲超宽带通信的欠采样方法研究[D].电子科技大学，2010.
作者简介：姜锐（1976—），男，四川武胜人，供职于中铁建电气化局集团南方工程有限公司，研究方向：铁路通信工程。