基于FPGA的高阶调制16APSK体制信号的相干解调算法浅析
随着无人机、卫星等领域对测控通信对信息传输量的要求不断增加，传输数据率越来越高，在信道带宽一定的条件下，最好使用多进制调制体制。16qam的频谱利用率为4 bit/s/hz，是目前常用的bpsk/qpsk体制的4/2倍，在频带利用率和误码率之间得到很好的折衷。考虑到功率利用率、噪声性能与设备复杂度等多方面因素，16apsk（星型16qam）是一种合适的信号体制。以上需求促进了对该体制解调接收技术的研究以及关键技术攻关。
1 16apsk体制介绍 16apsk体制又称为星型16qam，不同于一般的qam信号，它的星座图是由内外2个同心圆组成，通过这样的星座设计，减少了信号的幅度变化，更易于对放大器的非线性进行补偿，适应线性特性不好的传输信道，以获得更高的频谱利用率，也有利于降低解调难度。如果将16个星座点的apsk调制分解为2个独立的8psk调制，这样形成的apsk星座图是直径不同的2个圆形，得到apsk调制的仿真结果如图1所示。
2 16apsk信号相干解调算法 16apsk信号采用相干算法进行解调，图2所示为16apsk信号相干算法解调框图。从图中可见，涉及到的关键技术和算法有：相干载波恢复算法、定时同步算法、幅值相位判决算法等。
2.1 相干载波恢复算法
采用相干解调算法，需要对载波进行精确的相位同步。同时，考虑到须在较短时间内建立载波同步，采用一种锁相环（pll）联合基于频率检测环路算法的锁频环（afc）的结构来做载波恢复。基本结构如图3所示。
载波恢复首先用频率检测环路fd（frequency detector）对接收信号进行载波频率恢复，此时环路工作于捕获模式。fd采用了基于最大似然估计的gfd（gardnerfd）简化算法，其频率误差实现公式为：
ε（t）=ifmf×qmf-imf×qfmf （1）
其中，t为时间，i为同相支路，q为正交支路。imf是i经过匹配滤波后的数据，ifmf是i经过频率匹配滤波后的数据，qmf是q经过匹配滤波后的数据，qfmf是q经过频率匹配滤波后的数据。由gfd算法得到的频率误差结果经过环路滤波器后去更新nco频率值。
频率检测器的捕获范围大，但是跟踪精度较差。所以在fd锁定（频率锁定检测到载波频偏小于符号速率的1/1 000时fd锁定）之后，要切换到锁相环上对载波进行精确跟踪。
针对apsk信号载波同步有一些经典算法，如判决引导（dd）算法、极性判决算法等。但都存在不足：dd算法可以稳定跟踪载波，但同步建立时间长、跟踪范围较窄；极性判决算法同步建立时间较短，但跟踪精度没有dd算法好。经综合考虑，本设备采用一种简化星座图（rc-dd）算法。
根据apsk星座特点，对8-8apsk星座进行三次方处理，得到如图4所示星座。可以看到，其星座最外圈8个点相当于8psk，内、外圆的半径相比更加悬殊。在对其相位同步时，可对内圆的信号点忽略进行粗调，其方法类似于对8psk进行相位同步，因为只考虑外圆，所以其幅度最大，相当于提高了信噪比。
2.2 定时同步算法
16apsk解调端的定时同步模块包括误差提取和误差校正两个部分，误差提取模块采用gardner算法，而误差校正通过内插实现。
其中，r为采样点，yi、yq分别为i、q支路的内插值。每个符号2个采样点，i、q两路数据同时参与运算。提取的误差信号送入环路滤波器以滤除噪声的影响。模块利用同步定时误差信号调整下一次进行内插的时刻，使由内插值计算所得的同步误差信号逐渐趋于零。该算法适用于捕获和跟踪两种模式，并且定时误差值与载波相位无关，即符号同步可以在载波相位锁定前达到收敛。
定时同步模块由内插器、时钟误差提取、环路滤波器以及控制器组成。本系统采用多项式内插器实现内插计算。多项内插可视为低通滤波，对其频率响应的要求是：在0～1/（2ts）（ts为采样时刻）的频率范围内具有平坦的响应和线性相位，且能尽可能地抑制信号中的高频分量。通常的内插器有线性、抛物线和三次内插，由于具有高效的farrow结构，即滤波器系数可以分解为固定系数与误差量的幂次乘积之和的形式，并且内插性能较好，故选用了三次内插器，代价是增加了计算量。其结构如图5所示。其中，c（0）～c（3）为滤波器系数，m为整数倍误差，？滋k为分数倍误差。
软件无线电的数字接收机实现。在本设计中只使用一片信号处理fpga及cpci接口fpga即可完成整个16apsk信号数字接收机。
信号处理fpga使用xilinx公司的xc5vlx330，在xc5vlx330芯片上的实现占用了21%的slice资源、43%的blockram资源。使用cpci接口fpga芯片可将解调接收到的基带数据通过cpci接口传输给与硬件平台连接的工控机平台，完成数据存储、处理等后续工作。图7所示为硬件实测16apsk信号在50 mb/s码速率下的解调星座图。
本文针对无线测控通信任务中的高速数据传输需求，提出了一种使用高阶调制16apsk体制信号的相干解调算法，给出其工作流程框图，说明各主要模块的设计方法，并给出了在码速率50 mb/s下的数字接收机的实现结果。该接收机兼顾解调性能与实现复杂度，具有较高的工程应用价值。
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深入探讨FLASH被非法改写的问题
基于FPGA的高阶调制16APSK体制信号的相干解调算法浅析
电池需要合理的使用和保养才能够使用长久
用PLC来判断开关量信号的故障方法
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笔记本行业两位重磅选手：华为和小米
微波滤波器的发展历史及未来趋势
高通正式公布了2019年第三季度财报营收为49亿美元
运用远距离无线通讯模块程控制飞机场机库大门开关启停的方案
Intel、美光宣布投产25nm NAND闪存
节前买本本挨宰的幕后隐情
DON抓取算法：训练无需标注数据集，省时省力
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D7242P场扫描电路的应用电路图
一路走来 | 匠心就是把普遍的开关也要做到精细
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2 16apsk信号相干解调算法 16apsk信号采用相干算法进行解调，图2所示为16apsk信号相干算法解调框图。从图中可见，涉及到的关键技术和算法有：相干载波恢复算法、定时同步算法、幅值相位判决算法等。
2.1 相干载波恢复算法
采用相干解调算法，需要对载波进行精确的相位同步。同时，考虑到须在较短时间内建立载波同步，采用一种锁相环（pll）联合基于频率检测环路算法的锁频环（afc）的结构来做载波恢复。基本结构如图3所示。
载波恢复首先用频率检测环路fd（frequency detector）对接收信号进行载波频率恢复，此时环路工作于捕获模式。fd采用了基于最大似然估计的gfd（gardnerfd）简化算法，其频率误差实现公式为：
ε（t）=ifmf×qmf-imf×qfmf （1）
其中，t为时间，i为同相支路，q为正交支路。imf是i经过匹配滤波后的数据，ifmf是i经过频率匹配滤波后的数据，qmf是q经过匹配滤波后的数据，qfmf是q经过频率匹配滤波后的数据。由gfd算法得到的频率误差结果经过环路滤波器后去更新nco频率值。
频率检测器的捕获范围大，但是跟踪精度较差。所以在fd锁定（频率锁定检测到载波频偏小于符号速率的1/1 000时fd锁定）之后，要切换到锁相环上对载波进行精确跟踪。
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其中，r为采样点，yi、yq分别为i、q支路的内插值。每个符号2个采样点，i、q两路数据同时参与运算。提取的误差信号送入环路滤波器以滤除噪声的影响。模块利用同步定时误差信号调整下一次进行内插的时刻，使由内插值计算所得的同步误差信号逐渐趋于零。该算法适用于捕获和跟踪两种模式，并且定时误差值与载波相位无关，即符号同步可以在载波相位锁定前达到收敛。
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