宽带多制式无线通信信号解调测试算法研究

摘要

宽带无线通信为了实现无所不在的、高速、安全可靠的移动多媒体传输，其数字调制方式、编码方式和通信传输协议都更加复杂；扩/跳频技术的广泛应用，使信号传输带宽也越来越宽，传输功率进一步降低，提高了通信安全性和抗干扰性。宽带无线通信信号这种大带宽、低功率、高传输率、强突发性和高瞬变性的特点，使宽带无线通信测试面临巨大挑战。如何能够在多域内同时对各种宽带无线通信信号及其动态性能指标进行实时全景式观察、测试和分析，是一个十分复杂困难而又急需解决的问题。本文针对现有宽带无线通信测试方法存在的问题，基于数字通信原理和软件无线电理论，对宽带无线通信信号高精度实时多域测试的理论和方法，及其若干关键算法和技术进行了深入研究。主要贡献和创新如下：
　　 ⑴针对宽带无线通信信号特点和现有测试方法的缺陷，基于“捕获-存储-分析”的思想，提出了一种宽带通信信号实时多域测试分析的通用开放架构。在该架构中引入数字检波算法，通过硬件在线加载不同的测试分析算法，快速实现全频段、用户自定义的宽带通信信号实时多域分析和高精度动态性能指标测试。
　　 ⑵在现有实时多域触发捕获算法和实时多域分析通用架构基础上，提出了一种全新的实时多域联合触发捕获算法。该实时多域联合触发捕获算法将原来在各个分析域上单独检测信号特征变化，扩展为以时间轴为基准，同时在多域上对被测信号特征变化过程进行检测和信号识别，结合全新的循环可变延时数据深存储机制，有效解决了现有算法对宽带无线通信特定信号实时触发捕获中存在的漏触发和误触发的问题。最后，通过实验验证了算法的正确性和高效性。
　　 ⑶创新性的提出了一种面向测试的高精度通用多制式联合解调方法，研究了该解调方法的信号处理机制及算法，在统一的信号处理架构上实现了各种通用调制通信信号的高精度解调。该方法由通用解调预处理算法和专用解调处理算法两部分组成。其中，通用解调预处理算法主要实现在实时分析带宽内被测信号载波大频偏修正、等效采样率调整和信号测试处理通路固定补偿等；而专用解调处理算法则在预处理的基础上，根据被测信号调制方式，采用专用信号处理流程和解调算法实现高精度数字解调。相比通信接收机中的固定解调算法，该方法具有更优的灵活性和通用性。
　　 ⑷提出了一种面向通用调制的基于离散傅里叶变换（Discrete FourierTransform，DFT）的载波频偏盲估计算法，从理论上推导了该算法的基本原理，并给出了系统实现方案。该算法利用实时频谱分析结果，并在估计过程中引入频谱滑动平均和输出跟踪&保持处理，有效抑制了载波频偏估计结果中的随机抖动。与现有算法相比，该算法不仅有效解决了实时分析带宽内被测信号载波可能存在极大频偏，导致后级载波同步环路无法锁定的问题，而且消除了由于残余载波频偏随机抖动引起的后级专用载波同步性能恶化，提高了整个解调分析精度。同时，由于与实时频谱分析共用FFT处理器，大大节省了系统资源。
　　 ⑸提出了一种基于多相滤波的任意比例重采样算法，有效解决了被测信号码率与其等效采样率呈任意比例的问题。从理论上对该算法进行了推导，并给出了实现方案。该算法根据等效采样率和被测信号码率之比，采用低阶多项式对原型滤波器冲激函数分段线性拟合，结合Gardner定时同步算法中的重采样控制机制，通过多相滤波Farrow结构实现任意倍数的抽取滤波，将信号等效采样率变换为码率的整数倍，大大提高了解调分析中定时同步精度。经实验验证，该算法相比传统的基于Lagrange插值的任意倍数重采样算法，具有更好的带外频谱抑制性能。
　　 ⑹针对M-QAM或M-PSK通信信号实时多域分析，通过改进的Gardner定时同步算法、改进的Gagnon双模载波同步算法和基于通用多模算法（GeneralizedMulti-Modulus Algorithm，GMMA）和面向判决最小均方盲均衡算法（Decision-Directed Least Mean Square，DDLMS）的双模自适应盲均衡算法对被测信号进行连续处理，快速实现被测信号高精度解调分析。理论推导了信号解调处理过程中的各种算法的基本原理，并通过软件仿真进行了验证。
　　 ⑺针对OQPSK通信信号实时多域分析，通过基于平衡四相相关的载波频率同步算法和基于最大似然估计（Maximum Likelihood，ML）的载波相位和定时误差联合估计算法对OQPSK信号连续处理，快速实现OQPSK信号高精度解调。同时，对解调处理过程中采用的两种算法进行了理论推导和仿真验证。由于被测信号载波相位误差和定时误差在基于ML的载波相位和定时误差联合估计算法中同时并行估计得到，与现有源于QPSK调制的OQPSK解调方法相比，有效消除了载波相位误差对定时同步性能的恶化。
　　 ⑻根据本文提出的宽带通信信号实时多域测试分析的通用架构和各种分析算法，在本文研究课题中实际实现了高阶QAM信号实时多域测试分析系统。通过对256QAM通信信号进行实时多域分析和性能指标测试，对提出的各种分析方法和笪法讲行了验证。