全数字宽带接收机的并行结构

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万方数据 作者简介： 陈大夫 （"^T$ \ ） ， 男 （汉） ， 湖南， 博士生， 主要从事航天通信、 编码调制技术的研究。
第"期
陈大夫等： 全数字宽带接收机的并行结构
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宽带数字接收机的并行处理结构
任何一个序列都有必要经过一定的数字滤波处理运算， 以提取有用的信息。对于高速采样的数据序
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引
言
在无线通信和数据中继卫星通信系统中， 数据传输速率高达 %## S T##QL,. U -， 未来甚至达到 "CL,. U -。 这就要求通信系统能够处理高速宽带的信息数据。目前数字集成电路技术可使得电路开关速度达到 例如 B U 6 采样转换器和数据多路复用器等， 然而考虑到成本和功耗因素， 在通信系统中大量 "C4V 以上， 采用这种高速器件是不合理的， 而且系统也做不到可重构性。因此， 系统设计应该考虑使用通用性强的 它们不仅经济合理、 低功耗， 而且门阵列集成度高、 可重构性好。这就必然要求采用 3QW1 集成电路器件， 并行处理算法， 将信号处理速度降到比原来输入采样速率低得多的速度上。 以 %##QL,. U - 速率的 /012 调制信号为例来探讨高速数字接收机结构。在进入数字接收机之前， 有数 字中频接收机和零中频接收机两种方案供选择。在数字中频接收机中采用模拟频率变换将 R& 频谱搬迁 到适当低的中频上， 然后在中频上进行 B U 6 带通采样。根据带通采样原理， B U 6 采样频率 ! 1 X ! " ， "为 调制符号速率， 而中频中心频率 ! ?& （Y # Z "） "， # 为一正整数。而在数字零中频接收机中采用一个固定 1 X 的自由本振频率与 R& 信号进行零中频的 ? U / 正交混频， 得到 ? U / 两路基带信号， 然后分别在 ? U / 支路上 进行 B U 6 基带采样， 采样频率仍然是 ! 1 X ! " （实际上是过采样， 每个符号 ! 个采样点） 。这里选择零中频 方案来进行数字接收机的并行结构设计， 因此 ? U / 支路各有一个 B U 6 转换器， 它采用超稳定度的固定的 采样频率 ! 1 X T###Q4V。 可见， 若使用传统的串行处理技术， 则数字接收机的数据吞吐率必将达到 T##Q4V， 而对这些数据进行 处理所要求的接收机时钟频率将更高， 这是目前的集成电路技术水平无法做到的。本文给出一种快速傅 立叶变换 （ &&’） 的并行结构， 实现全数字化高速数据速率的宽带接收机， 可将数据速率降到 %$ N [Q4V， 即采 样速率的 " U "T。下面对这种并行结构进行论述， 而且对数字接收机频域上的匹配滤波、 定时恢复和数字 域上的载波恢复实现技术进行分析推导。
这表明 #%& 滤波器的幅频特性 $ （"） 对 " ’ *， 而相位特性则是严格的线性特性， ) #， # 都有偶对称特性； 也就是说 #%& 滤波器有 （ #" ( "） 在这里 #" ’ "/， 因此 #%& 滤波器延迟时间 . ) 个采样周期的延迟。注意到， 为 0 个采样点。把 #%& 的 0 个采样延迟等效到 %##$ 输出端， 于是得到图 " 所示的情况， 即取 %##$ 中心 "1 个采样点作为正确输出。这样在设计 #%& 滤波器时不必再考虑相位特性项， 而只进行幅度特性的设计。 匹配滤波器设计目标是根据整个接收机要求的频率特性 $（ 或 !（ ， 找到一个长度截短为 #" ’ & ,） & -） （ "） ， 然后求得 # ’ 2) 点的 $ （ .） ， 即按 $ （ .） 设定好并行结构中匹配滤波器 $ 系数， 如图 " 所示。 "/ 的 ! 使得匹配滤波器性能受限从而与理想性能之间有误差。 当然序列长度的截短和 3#$ 频率分辨率的限制， 在这里匹配滤波器设计考虑两种情况： 理想型低通滤波器和平方根升余弦特性匹配滤波器。 理想型低通滤波器的目标是选通低频端信号、 过滤掉高频端信号， 它适合于要求具有平坦低频特性的 情况。根据 #%& 滤波器的幅度偶对称特性， 设定一个截止频率 "4， 则对应着一个离散频率 / 值， 这时可以 令中间频段上取样值 $/ ， …， 而其它为 "。对于采样频率 , 6 ’ ! 0 的情况， $/ 5 " ， $2) ( / 全部为零， / 值取 这样处理的结果使得系统滤波器的频率特性在通带和阻带内都有起伏， 而且 0。实际上由于点数的限制， 阻带内衰减不足。解决这一问题时可以在截止频率附近的过渡带中设置 " 至 ) 个 “非约束” 频率取样值， 例如取 $/ 和 $ 2) ( / 为 * 7 28。当然这样做的最终目标是实现简单而且性能损失要尽可能小。 平方根升余弦特性匹配滤波器适用于发送端基带成形采用平方根升余弦函数的情况。根据最佳接收 机可得到万方数据
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（ ， )! " ! # ( " ! " . -## ( #" . "） 其它 )， （ （ （ "） ) - " ）’ ! - "） "&
一般总是选择 # ! # / 。然后利用以 # 为基数的 $$+ 运算求得 再舍弃 ) （ 的前 #" ( "， 最后将剩下的 ) （ 顺序地连接起来就得到正确的输出序列 ) （ "） 。 - "） - "） 输入序列的时间分段等效到并行处理结构中就是多路复用器分组， 这种多路复用器分组必须按照上 这样整个运算处理可以分为以下步骤： 述的重叠保存法要求进行。设定 # ! #, ! -#， #" ! ".， ## ! "/， （ +） ［& （ "） ］ ， 0 1 事先设计好滤波器参数 , ! 2$+ # ! -# 点； 31 41 51 利用 -# 点 $$+ 运算求出 $ （ ［! （ ］ ； ! 2$+ - +） - "） 计算 * （ （ （ +） ； !$ , - +） - +） 利用 -# 点 %$$+ 求出 ) （ ［* （ ］ ； ! %2$+ - #） - +）
列进行处理， 首先要对它进行分组处理， 这是实现并行数字处理的关键一步。序列分组采用一种多路复用 器来完成。设一个序列 （ ， 每 # 个采样点分为一组， 则多路复用器输出的一个序列组可表示为 $（ ! "） % "） ［ !（ ， ， …， （ "） ］ 。问题是如何对这样的高速率数字序列进行分组处理和如何进行滤波运算 ! !（ !# " "） # "） 而得到正确的序列输出， 同时还要考虑到它有利于接收机的载波恢复、 定时恢复和匹配滤波的实现。 我们知道有限长序列进行滤波运算处理的一种方法就是快速傅立叶变换。设一个 $%& 滤波器 & （ "） ， 它的长度为 # " ， 而信号序列 ! （ "） 的长度为 ## 。由于两个序列的循环卷积与它们各自离散傅立叶变换的 乘积相对应， 为了得到正确的没有混叠的循环卷积， 需要对序列 & （ "） 、 （ "） 加长到 # 点， ! # ! #" ’ ## ( 加长的部分以零补充， 即 "， （ " ）’ & （ ! " ）’
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（ "） ， ) ! " ! #" ( " & )， #" ! " ! # ( " （ "） ， ) ! " ! ## ( " ! )， ## ! " ! # ( "
滤波器输出 （ （ "） （"表示循环卷积） ， 这时它与离散傅立叶变换 * （ +） （ +） （ +） 具有一 ) "） !（ ! "） !$ , "& 一对应关系。 实际应用中输入序列 （ 就是我们所讨论的高速数据序列， 它的长度很长， 不可能按以上方法进行 ! "） 运算处理。一般在信号处理中要避免大的时间延迟， 以满足实时处理要求。为了达到这个目的， 将输入信 号序列进行分段处理， 而且每一段的卷积输出按适当方式衔接在一起， 以构成正确的滤波序列输出。假设 （ "） 分成为长度 # 的小段， 滤波器 & （ "） 仍然不变， 且 # * #" 。若用 # 点离散傅立叶变换进行处 将序列 ! 必须舍弃。为了得到正确的结果， 分段时在第 - 段和第 - ’ " 理， 则循环卷积的结果前 # " ( " 点是混叠的， 段之间插入 # " ( " 个重复的信号采样点， 也就是说， 每一段信号均由 #（即 个点的新数 ## ! # ( #" ’ "） # 据序列和前一段保存下来的 # " ( " 个点的旧数据序列组成。这就是所谓的重叠保存法。每段可以表示 为 （ ! - " ）’
万方数据 正的符号定时恢复环路和在数字域上进行相位校正的载波恢复跟踪环路。经数字接收机信号处理后， 再
包括在频域上进行匹配滤波的 @ 系数设计、 在频域上进行定时校 此图 " 代表着 % 7 ? 两个支路的信号处理，
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飞行器测控学报
第 )) 卷
Hale Waihona Puke Baidu
经 ! " 倍抽取以及 " ! 数据集中器复接， 最后得到相干解调、 符号同步的有待进一步译码处理的数据采 样。
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飞行器测控学报
第 YY 卷
全数字宽带接收机的并行结构
陈大夫 朱 江 时信华 张尔扬
（国防科技大学电子科学与工程学院 ・ 湖南长沙 ・ !"##$%）
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摘
要
介绍了一种 &&’ 并行结构的全数字宽带接收机， 接收机中包括载波恢复、 定时恢复和匹配滤波器三个
主要功能部分。其特点是信号处理速率比输入 ()*+,-. 采样速率低得多， 而且其中的匹配滤波器和定时校正恢 复可以在频域上有效地实现。这种结构特别适合于卫星通信中每秒几百兆比特速率的高速数据传输应用。 关键词 数字接收机； 并行处理； 匹配滤波； 定时恢复； 载波恢复； &&’； /012
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图"
宽带全数字接收机的 ##$ 并行结构
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频域匹配滤波
当实现最佳接收机以达到接收端的信噪比最大时， 要求接收滤波器应与发送滤波器匹配。首先全数
字接收机要求 #%& 滤波器具有线性相位特性， 如果 #%& 滤波器的单位脉冲响应 ! （ "） （长度为 #" ） 是实数， 而且满足偶对称或奇对称的条件， 即! （ "） （ #" ( " ( " ） 或者 ! （ "） （ #" ( " ( " ） ， 则滤波器具有严 ’! ’ (! 格的线性相位特性。 （ "） 为偶对称且 #" 为奇数的情况。由 ! （ "） （ #" ( " ( " ） 可得到 我们现在考虑 ! ’!
取后面的 "/ 个点作为正确的输出。 6 1 舍弃前 "/ 个点， 由此我们可得到高速数据速率的全数字接收机的并行结构 （图 "） 。重叠保存型多路复用器输出序列 实际上是输入序列的 "/ " 倍抽取， 因而数字接收机的信号处理速率只是原来采样速率的 " 7 "/。这时全 数字接收机可以采用低速度 89:; 集成电路 $<=> 实现。由于选择了零中频数字接收机和基带采样， 因