全數字調制解調器STEL-2176在非對稱傳輸系統中的應用

摘要：介紹了全數字調制解調器STEL-2176的結構、功能及技術特點，給出了它在點對多點寬帶無線接入系統中的應用實例。在該系統中，使用STEL-2176作為用戶站的調制解調器，采用非對稱傳輸模式，實現了16QAM信號的數字解調和QPSK信號的數字調制。

關鍵詞：寬帶無線接入 全數字調制解調 非對稱傳輸

本文引用地址：http://www.104case.com/article/201710/368674.htm

１ 非對稱傳輸

寬帶無線接入系統中通常采用點對多點的基站／用戶站模式。在大多數情況下，基站到用戶站的下行數據量遠大于用戶站到基站的上行數據量，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：上行數據采用突發數據包的方式，采用調制效率相對低的調制方式（如ＱＰＳＫ）；下行數據采用廣播的方式，采用調制效率相對高的調制方式（如１６ＱＡＭ）。這種非對稱傳輸的優點是：一方面，可以根據用戶的實際需求實現動態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的比特數，從而降低了基站突發解調算法的難度。

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

２ ＳＴＥＬ－２１７６簡介

ＳＴＥＬ－２１７６是一款全數字調制解調芯片，兼容ＩＥＥＥ８０２．１４、ＭＣＮＳ和ＤＡＶＩＣ等標準。解調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１６／６４／２５６ ＱＡＭ的連續信號；調制部分可輸出５ＭＨｚ～６５ＭＨｚ的連續／突發信號，調制方式可以是ＢＰＳＫ／ＱＰＳＫ／１６ＱＡＭ，速率最高可達４０Ｍｂｐｓ（１６ＱＡＭ）。

３ ＳＴＥＬ－２１７６內部結構

３．１解調部分

圖１為ＳＴＥＬ－２１７６解調部分的內部結構，主要由ＡＤＣ（模數轉換）模塊、ＤＤＣ（數字下變頻）／ＡＦＣ（自動頻率控制）／ＡＧＣ（自動增益控制）模塊、濾波與時鐘恢復模塊、自適應均衡、ＦＥＣ（前向糾錯編碼）模塊和時鐘模塊等組成。

·ＡＤＣ模塊

模數轉換模塊接收輸入ＳＴＥＬ－２１７６的中心頻率為最高可達５０ＭＨｚ的中頻模擬信號，經過帶通抽樣后得到中心頻率為６ＭＨｚ～７ＭＨｚ的亞中頻數字信號。

·ＤＤＣ／ＡＦＣ／ＡＧＣ模塊

ＡＦＣ對信號載波進行粗估，再由后端的自適應均衡器反饋回來的載波誤差信號細調載波本振頻率，以得到相關的載波。ＤＤＣ接收６ＭＨｚ～７ＭＨｚ亞中頻數字信號，通過相關的載波解調出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。

·濾波與時鐘恢復模塊

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

·自適應均衡

自適應均衡除了能消除信道的各種干擾（多徑效應、調幅性干擾、調頻性干擾、相位噪聲等），還反饋載波誤差信號，以細調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出的Ｉ、Ｑ兩路信號，進行星座點映射，恢復數據，再對應于調制端解出幀結構，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結構的信號。

·時鐘模塊

時鐘模塊由采樣鐘和恢復出的符號鐘產生解調部分所需的各種時鐘信號。

３．２ 調制部分

圖２為ＳＴＥＬ－２１７６調制部分的內部結構，主要由數據接收及信道編碼模塊、星座點映射模塊、ＦＩＲ濾波器及內插濾波器、調制模塊、ＤＡＣ（數模轉換）模塊、時鐘模塊等組成。

·數據接收及信道編碼模塊

接收串行輸入的原始數據，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，輸出到內插濾波器。內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，與正交調制所需的速率相匹配。

·調制模塊

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

·數模轉換模塊

最后將數字信號轉換為中頻模擬調制信號輸出，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生調制部分所需的各種時鐘信號。

３．３ 監控部分

通過ＳＴＥＬ＿２１７６的監控模塊串行或并行地接收外部的配置命令，發送狀態信息。對ＳＴＥＬ＿２１７６的監控通過訪問其內部寄存器實現。

４ ＳＴＥＬ－２１７６技術特點

ＳＴＥＬ－２１７６運用了全數字調制解調技術，與傳統的調制解調器相比，在系統穩定性、可靠性以及傳輸速率、載波速率和調制模式的靈活性上占有優勢。

４．１ 高集成度、低功耗的芯片技術

ＳＴＥＬ－２１７６使用０．３５μｍ線寬的ＣＭＯＳ芯片技術，集成度高，提高了系統的穩定性和可靠性；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

這是全數字調制解調技術的標志性技術，盡可能在信號通道的前端將模擬信號轉換為數字信號，以充分發揮數字信號處理技術的作用。

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，模擬信號中心頻率可達幾十兆赫。

４．３ 使用了ＤＤＳ技術和多速率信號處理算法

全數字調制解調器一般使用ＤＤＳ技術和多速率信號處理算法，使系統在單一的參考時鐘下，可以得到幾乎連續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，傳輸信號在數字基帶處理時，運用抽取和內插等多速率信號處理算法實現了信號速率在不同數字處理器間的匹配。這樣可以實現傳輸信號的多速率和調制信號的多模式。

在ＳＴＥＬ－２１７６的應用中充分體現出這種靈活性的優勢。

４．４ 數字解調算法

對一個通信系統的接收部分而言，最重要的就是同步，因此載波和定時的恢復是必要的。數字解調算法的核心就是載波和定時的恢復，這也是全數字調制解調器設計的關鍵問題。

ＳＴＥＬ－２１７６先恢復定時，在定時的基礎上，用完全的反饋結構進行載波恢復：先利用ＮＤＡ（非數據輔助）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（數據導向）算法估計相差及小頻差，饋入ＰＬＬ（鎖相環）控制本振，跟蹤已調信號載波殘留相差。

ＳＴＥＬ－２１７６數字解調算法的特點是不需要一段已知的信息碼元——前導碼，但運算量大，恢復同步的時間較長，只能用于連續解調器。

５ ＳＴＥＬ－２１７６在寬帶無線接入系統中的應用舉例

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

接收端ＳＴＥＬ－２１７６設置為輸入４４ＭＨｚ的中頻模擬信號，信息速率為９．９２ＭＨｚ，解調方式為１６ＱＡＭ。中頻信號經過帶通濾波器、ＡＧＣ之后輸入ＳＴＥＬ－２１７６，ＳＴＥＬ－２１７６輸出的數據、解調時鐘輸入ＦＰＧＡ進行基帶處理。

發射端ＳＴＥＬ－２１７６設置為輸出４４ＭＨｚ的中頻模擬信號，信息速率為５．１２ＭＨｚ，調制方式為突發的ＱＰＳＫ。ＦＰＧＡ進行基帶處理，產生突發數據包，輸出到ＳＴＥＬ－２１７６，并控制ＳＴＥＬ－２１７６輸出信號，中頻模擬信號再經濾波放大后輸出到ＯＤＵ（室外單元）設備。

系統另外采用ＳＴＥＬ－１１０９作為基站下行調制器，完成１６ＱＡＭ的連續調制；采用ＳＴＥＬ－９２５７作為基站上行解調器，完成ＱＰＳＫ的突發解調，形成一套完整的非對稱傳輸的點對多點寬帶無線接入系統，已證明系統方案可行。

系統應用ＳＴＥＬ－２１７６以及ＦＰＧＡ等一系列器件，大大簡化了系統硬件，提高了系統的可靠性和穩定性。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中使用ＳＴＥＬ－２１７６作為用戶站的調制解調器顯得十分方便、有效。