突發解調器在無線寬帶系統中的應用

摘要：對突發解調器STEL-9257的結構和功能作了較詳細的介紹，并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-9257作為基站的上行突發解調器，實現了差分QPSK信號的突發解調。

關鍵詞：數字微波傳輸QPSK解調突發解調差分解調

1 STEL-9257簡介

在寬帶無線接入系統中，經常使用基站到用戶站模式的點對多點TDMA方式。此時，上行數據（由用戶站到基站）采用突發數據包的方式。為了提高頻譜利用率，一方面采用某些調制效率比較高的調制方式（如QPSK、16QAM等）提高每個符號傳輸的比特數；另一方面，要求基站的解調具同步時間短、突發包之間保護間隔時間短的特性，以減少冗余比特，進一步提高頻譜利用率。基站的突發解高性能常常直接決定了點對多點寬帶無線接入系統的上行傳輸速率。另外，由于現今寬帶無線接入系統中多種不同業務同時傳輸的要求，使得用戶站的帶寬分配（TDMA系統中即為時隙分配）不能再采用固定帶寬分配方法，而要求根據用戶的實際需求動態分配帶寬。這就要求基站的突發解調能夠隨著用戶站的帶寬（時隙）分配的變化這次時解調不同長度突發包。

圖1 STEL-9257內部結構

STEL-9257是一款能很好滿足以上要求的差分QPSK突發解調器，與IEEE802.14、MCNS和DAVIC解標準兼容，可直接輸入5MHz～65MHz中頻信號，解調速率最高可達5.12Mbps。STEL-9257采用固定前置碼（4種，長度為14或16個碼元周期），大大縮短了同步的時間并節省了獨特字所需的系統開銷。STEL-9257所要求的突發包之間保護間隔最小為4個碼元周期（當采用可變長度突發包模式時為11個碼元周期）。

2 STEL-9257的內部結構

圖1為STEL-9257的內部結構，主要由變頻模塊、解調模塊和微處理器模塊組成。

(1)變頻模塊

變頻模塊將輸入STEL-9257的載頻為5MHz～65MHz的中頻信號下變頻后再通過聲表面濾波器濾波輸入解調模塊。
(2)解調模塊

解調模塊由四部分功能電路組成：數字處理電路、解調制電路、同步和估計電路以及時鐘和控制電路。

數字處理電路首先對輸入的模擬信號進行采樣，再對數字采樣信號進行濾波和抽取，而后將數字信號輸出到下級處理模塊。STEL-9257要求傳輸的基帶信號頻譜為alpha=0.25～0.30的均方根余弦。FIR濾波器的互相關系數見圖2。

(3)微處理器模塊

微處理器模塊通過串口接收外部的配置命令。當外部Reset啟動后，微處理器模塊將對變頻模塊和數字解調模塊進行配置。
3 STEL-9257功能介紹

STEL-9257使用固定前置碼（14或16個碼元）以縮短捕獲時間，提高頻譜利用率；使用差分編碼消除相位模糊度；對長突發包進行比特跟蹤同步以避免失步。STEL-9257可以解調輸入載波頻率范圍為5MHz～65MH、固定長度或可變長度的TDMA或FDMA信號。
3.1突發包長度選擇

STEL-9257可以工作在固定長度突發包模式或可變長度突發包模式。在固定長度突發包模式中可以設置6種不同的突發包長度，用戶可以通過模式控制引腳進行快速切換。固定長度突發包工作模式要求相鄰兩突發包之間保護間隔長度不小于4個碼元周期。

在可變長度突發包工作模式，無需設置突發包的長度，STEL-9257將自動檢測突發包的結束。但是，此時STEL-9257輸出的數據有效（DataValid）信號并不能準確給出突發包的結尾，而會在突發包結束后延遲數個比特給出。由于系統中數據鏈路層帶寬分配的要求，數據鏈路層總是知道此時接收的突發包長度，因此，突發包的準確結尾將由系統判斷。可變長度突發包工作模式要求相鄰兩突發包之間保護間隔長度不小于11個碼元周期。

3.2STEL-9257的MAC層相關功能

STEL-9257的MAC層相關功能包括接收信號強度指示（RSSI）、噪聲功率測量、載波頻率差錯估計、包碰撞檢測等。
3.3STEL-9257的輸出時序

STEL-9257輸出時序如圖3所示，tdav碼元周期如表1所示。STEL-9257的輸出信號主要為解調數據（DATA）、解調時鐘（ClkOut）和解調數據有效（DataValid）信號。其中解調數據有效信號指示突發數據包的起始和中止位置（可變長度突發包工作模式時無法指示中止位置），在輸出的第一個有效解調數據前置高標志數據開始。解調輸出是去除固定前置碼和解差分后的數據，在解調時鐘的下降沿變化。
表1 tdav碼元周期表
碼元速率（Msps）tdav 碼元速率（MHz）tdav
0.128～0.320 39碼元 1.544 43碼元
0.512～0.772 40碼元 2.048 44碼元
1.024 41碼元 2.56 45碼元
1.28 42碼元
碼元速率（Msps）tdav 碼元速率（MHz）tdav

0.128～0.320 39碼元 1.544 43碼元

0.512～0.772 40碼元 2.048 44碼元

1.024 41碼元 2.56 45碼元

1.28 42碼元

3.4STEL-9257的微處理器接口

STEL-9257的微處理器模塊通過串口完成下載配置數據等操作，隨后配置STEL-9257的內部電路。微處理器模塊的外部接口數率為19200bps，TTL電平串口，采用1位起始位、8位數據位為1位終止位、無奇偶校驗位的格式。
4 STEL-9257在寬帶無線接入系統中的應用實例

圖4示出了點對多點寬帶無線接入系統中基站解調上行突發包的原理框圖。微處理器AT89C51完成對系統的配置工作，包括對STEL-9257的工作參數的配置和FPGA初始參數的裝沒氣力的。FPGA完成與MAC層的交互。由于數字解調器直接輸出的時鐘相位是抖動的，無法直接使用，FPGA同時完成換鐘工作。FPGA通過鎖相環由下行數據時鐘得到穩定的上行數據時鐘后進行換鐘。


STEL-9257設置輸入中頻36MHz，碼元速率2.56MHz，前置碼選用16碼元的Hoffman編碼。輸入的70MHz中頻信號通過下變頻器和36MHz帶通濾波器之后輸入STEL-9257。STEL-9257輸出的數據、解調時鐘和數據有效信號輸入FPGA進行基帶處理。由于STEL-9257選用可變長度突發包模式，輸出的數據有效信號不能正確指示突發包結尾，突發包結尾的判斷工作由FPGA完成。

系統采用STEL-1109作為用戶站上行突發調制器，完成差分QPSK的突發調制，調制信號經中頻對接后由STEL-9257進行解調，已經正確解調，證明系統方案可行。

由于系統采用了STEL-9257以及FPGA等器件，使得系統硬件大大簡化。由于STEL-9257的同步時間短、無需獨特字及保護間隔短等特點，使得系統的頻譜利用率比較高。同時STEL-9257可以方便地解調不同長度突發包及多種與MAC層交互的功能，減少了基帶部分及MAC層的設計工作。因此在點對多點的寬帶無線接入系統中使用STEL-9257作為上行基站的突發解調器十分方便有效。