突发解调器在宽带无线接入系统中的应用

    作者：赵群 王登 梅顺良

    摘要：对突发解调器STEL-9257的结构和功能作了较具体的介绍，并给出了它在点对多点宽带无线接入系统中的应用实例。

    在该系统中使用STEL-9257作为基站的上行突发解调器，实现了差分QPSK信号的突发解调。

    要害词：数字微波传输QPSK解调突发解调差分解调

    1  STEL-9257简介

    在宽带无线接入系统中，经常使用基站到用户站模式的点对多点TDMA方式。此时，上行数据（由用户站到基站）采用突发数据包的方式。为了提高频谱利用率，一方面采用某些调制效率比较高的调制方式（如QPSK、16QAM等）提高每个符号传输的比特数；另一方面，要求基站的解调具同步时间短、突发包之间保护间隔时间短的特性，以减少冗余比特，进一步提高频谱利用率。基站的突发解高性能经常直接决定了点对多点宽带无线接入系统的上行传输速率。另外，由于现今宽带无线接入系统中多种不同业务同时传输的要求，使得用户站的带宽分配（TDMA系统中即为时隙分配）不能再采用固定带宽分配方法，而要求根据用户的实际需求动态分配带宽。这就要求基站的突发解调能够随着用户站的带宽（时隙）分配的变化这次时解调不同长度突发包。

    图1  STEL-9257内部结构

    STEL-9257是一款能很好满足以上要求的差分QPSK突发解调器，与IEEE802.14、MCNS和DAVIC解标准兼容，可直接输入5MHz～65MHz中频信号，解调速率最高可达5.12Mbps。STEL-9257采用固定前置码（4种，长度为14或16个码元周期），大大缩短了同步的时间并节省了独特字所需的系统开销。STEL-9257所要求的突发包之间保护间隔最小为4个码元周期（当采用可变长度突发包模式时为11个码元周期）。

    2  STEL-9257的内部结构

    图1为STEL-9257的内部结构，主要由变频模块、解调模块和微处理器模块组成。

    (1)变频模块

    变频模块将输入STEL-9257的载频为5MHz～65MHz的中频信号下变频后再通过声表面滤波器滤波输入解调模块。

    (2)解调模块

    解调模块由四部分功能电路组成：数字处理电路、解调制电路、同步和估计电路以及时钟和控制电路。

    数字处理电路首先对输入的模拟信号进行采样，再对数字采样信号进行滤波和抽取，而后将数字信号输出到下级处理模块。STEL-9257要求传输的基带信号频谱为alpha=0.25～0.30的均方根余弦。FIR滤波器的互相关系数见图2。

    (3)微处理器模块

    微处理器模块通过串口接收外部的配置命令。当外部Reset启动后，微处理器模块将对变频模块和数字解调模块进行配置。

    3  STEL-9257功能介绍

    STEL-9257使用固定前置码（14或16个码元）以缩短捕捉时间，提高频谱利用率；使用差分编码消除相位模糊度；对长突发包进行比特跟踪同步以避免失步。STEL-9257可以解调输入载波频率范围为5MHz～65MH、固定长度或可变长度的TDMA或FDMA信号。

    3.1突发包长度选择

    STEL-9257可以工作在固定长度突发包模式或可变长度突发包模式。在固定长度突发包模式中可以设置6种不同的突发包长度，用户可以通过模式控制引脚进行快速切换。固定长度突发包工作模式要求相邻两突发包之间保护间隔长度不小于4个码元周期。

    图3  STEL-9257输出时序

    在可变长度突发包工作模式，无需设置突发包的长度，STEL-9257将自动检测突发包的结束。但是，此时STEL-9257输出的数据有效（DataValid）信号并不能准确给出突发包的结尾，而会在突发包结束后延迟数个比特给出。由于系统中数据链路层带宽分配的要求，数据链路层总是知道此时接收的突发包长度，因此，突发包的准确结尾将由系统判定。可变长度突发包工作模式要求相邻两突发包之间保护间隔长度不小于11个码元周期。

    3.2STEL-9257的MAC层相关功能

    STEL-9257的MAC层相关功能包括接收信号强度指示（rssI）、噪声功率测量、载波频率差错估计、包碰撞检测等。

    3.3STEL-9257的输出时序

    STEL-9257输出时序如图3所示，tdav码元周期如表1所示。STEL-9257的输出信号主要为解调数据（DATA）、解调时钟（ClkOut）和解调数据有效（DataValid）信号。其中解调数据有效信号指示突发数据包的起始和中止位置（可变长度突发包工作模式时无法指示中止位置），在输出的第一个有效解调数据前置高标志数据开始。解调输出是去除固定前置码和解差分后的数据，在解调时钟的下降沿变化。

    表1  tdav码元周期表

    码元速率（Msps）tdav 码元速率（MHz）tdav

    0.128～0.320 39码元 1.544 43码元

    0.512～0.772 40码元 2.048 44码元

    1.024 41码元 2.56 45码元

    1.28 42码元

    3.4STEL-9257的微处理器接口

    STEL-9257的微处理器模块通过串口完成下载配置数据等操作，随后配置STEL-9257的内部电路。微处理器模块的外部接口数率为19200bps，TTL电平串口，采用1位起始位、8位数据位为1位终止位、无奇偶校验位的格式。

    4  STEL-9257在宽带无线接入系统中的应用实例

    图4示出了点对多点宽带无线接入系统中基站解调上行突发包的原理框图。微处理器AT89C51完成对系统的配置工作，包括对STEL-9257的工作参数的配置和FPGA初始参数的装没气力的。FPGA完成与MAC层的交互。由于数字解调器直接输出的时钟相位是抖动的，无法直接使用，FPGA同时完成换钟工作。FPGA通过锁相环由下行数据时钟得到稳定的上行数据时钟后进行换钟。

    STEL-9257设置输入中频36MHz，码元速率2.56MHz，前置码选用16码元的Hoffman编码。输入的70MHz中频信号通过下变频器和36MHz带通滤波器之后输入STEL-9257。STEL-9257输出的数据、解调时钟和数据有效信号输入FPGA进行基带处理。由于STEL-9257选用可变长度突发包模式，输出的数据有效信号不能正确指示突发包结尾，突发包结尾的判定工作由FPGA完成。

    系统采用STEL-1109作为用户站上行突发调制器，完成差分QPSK的突发调制，调制信号经中频对接后由STEL-9257进行解调，已经正确解调，证实系统方案可行。

    由于系统采用了STEL-9257以及FPGA等器件，使得系统硬件大大简化。由于STEL-9257的同步时间短、无需独特字及保护间隔短等特点，使得系统的频谱利用率比较高。同时STEL-9257可以方便地解调不同长度突发包及多种与MAC层交互的功能，减少了基带部分及MAC层的设计工作。因此在点对多点的宽带无线接入系统中使用STEL-9257作为上行基站的突发解调器十分方便有效。