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用于高阶QAM信号的实用的盲解调器
摘要
本文研究了解调时分散数字调制信号的问题，强调在没有对传输机明确的训练的情况下使用盲解调算法初始化解调器发射机。 显示出缺少训练导致在各种操作环路之间的耦合解调器。 这种耦合影响了解调器的架构，限制了设计者的可选项目。 本文介绍了一种已经被证明是实用的盲解调器设计，并且说明了几个设计的实现。 该文件以一个开放的理论问题列表结束，答案可以导致下一代盲解调器。
简介
本文探讨了使用Ocirc;blindOtilde;算法离散时间信号的数字化解调问题，用于在盲解调情况下初始化解调器，由发射机进行显式训练。 盲初始化与所采用的方向相反，原始开发的数据通信系统，它被证明是在构建现代商业需要的低成本、带宽优先解调器中至关重要的。
第2节回顾了带宽e-cient数字传输系统和通过信号分散在接收机处引入通过传播通道时生出的问题。 本节也检查了无数的替代方案，一个解调器的设计者和一些通常做出的选择的理由。 第3节描述Ocirc;blind采集的情况由解调器是优选的或强制性的，与Ocirc;训练的链接建立相反历史上用于点对点的程序传输系统。 在本节中显示盲目采购的需要驱动了设计的解调器在其架构和选择用于其各种跟踪的算法循环。
尽管第1〜3节可能表明数字解调领域，特别是盲解调，是成熟而且被很好的理解了的。然后实际上是，任然有许多开放的区域存在着研究不被需要。第4节突出介绍这些问题。
2.经典的QAM解调器设计
2.1 带宽数据传输分散媒体
例1 图1示出了数字通信的框图系统。 输入数据应用于调制器和发射器，转换数据流进入带宽模拟波形，并将其频率转换为频带适合传输。 随着信号的传播对接收器进行延迟，衰减，和有时会扭曲。 这些模型被建模在传输通道的方框图。 收件人接受通道输出，加性噪声和干扰无意中出现在接收机输入端，尝试恢复输入数据序列。
现代带宽传输数字数据是基于发送的概念脉冲。 输入数据被分成几组N位。 然后使用每组N位来确定一个脉冲的相位，频率或峰值幅度的一般类型。 脉冲形状本身被选中以确保有限的信号光谱。 接收机设计用于确定振幅，相位和/或频率脉冲，确定2N的可能性已经发送，然后报告相应的N位。 如果脉冲以符号或fB的波特率，那么传输系统就可以了每秒携带N）fB位。 脉冲形状是特别设计允许他们发送尽可能快速地分开区分在接收器。
大多数现代带宽有效的传输系统采用正交幅度调制（QAM）。所有脉冲都以相同的方式传输形状，因此带宽，但都是峰值脉冲的幅度和相位变化调制器。使用N个输入位的集合选择2N脉冲幅度和相位组合之一。（一个例子，如何这些幅度和可以选择相位组合图。图7（e）。在这种情况下，传输的脉冲可以具有任何64个可能的值，允许传输系统每个脉冲携带6位。）接收机，像以前一样，必须区分哪一个发送。一般来说，QAM传输系统可以承载每赫兹频道带宽的两倍数据相移键控（PSK）或脉冲也可以幅度调制（PAM）信号。结果是目前大容量的调制选择数字微波无线电[1]，高速语音带调制解调器[7]，高级有线电视系统[10]和其他高级服务[6]。
这些解调器的一般形式基于脉冲的传输系统如图所示图。 首先估计运营商期限除去。 其次是脉冲的高峰并在此时刻波形Ocirc;时间切片。该然后测量该点的采样值与2N参考值相比。 这个测量然后将价值与使用的标准进行比较最终的邻居规则确定最多可能传输的脉冲。 随着决定，与最接近的参考相关联的N位价值被报告出来。
图1所示的解调器。 3是基于的假设接收到发送的脉冲几乎没有退化。 这意味着添加剂噪声和干扰必须足够小避免非常修改脉冲测量，并接收脉冲本身没有明显变形。 这最后一个假设很少是真的 事实上，大多数情况下，每个都收到脉冲通常分散在两个或更多的符号上间隔。 分散始终存在的事实至少在某种程度上需要引进一个信道均衡器进入解调器的设计。
2.2经典设计
虽然几乎都符合简单轮廓如图1所示。 3，与通常的加法渠道均衡器，许多不同的方法被采纳在一个解调器的详细设计中用于数字信号。 指示选择在该设计过程中可用的如图1所示。4。一般来说，解调器必须（1）带通THORN;输入信号，（2）调整输入信号幅度，（3）估计和删除任何载体组件，（4）均衡渠道分散（5）恢复符号时间和Ocirc;时间片输入信号获得脉冲幅度和相位测量，（6）决定哪个脉冲幅度实际发送阶段，（7）转换该决定进入关联位模式。 一些解调器还包括前向纠错。
虽然功能全部需要，在那里是各种功能的很多方法执行和多种功能的方式可以组合。 一些解调器去掉载体在前端，而其他人执行功能与数字锁相环决策电路等，然后分两步进行，去除前端的大部分载体任何残留在后端。 类似的一些解调器在模拟硬件中实现，一些在大多数数字硬件，有的使用一个混合的实现。 采用的实际设计对于应用程序将取决于性能需要以及一大堆实际问题如功耗，成本，物理尺寸，零件可用性等。
一个重要的考虑在排序处理步骤是它们的方式将被初始化以进行操作。古典通讯系统使用点对点模型，也就是说，两个用户连接在一起（例如，通过一个电话电路）。这种模式经营许可双方合作建立数据通信链路。简单地在每一端初始化解调器成为链接建立过程的一步。这种类型的合作社和Ocirc;Session为导向操作也允许传输预先安排的训练信号到每个解调器可以快速，有效地初始化所有解调器的跟踪循环。图。五显示用于初始化V.29的训练信号租用语音带调制解调器。它开始于重复传输两个脉冲相位和振幅。这种重复的模式是由解调器使用来确定预期调制器的传输速度，增益电话电路，以及载波频率和相。符号率被认为是已知的足够好，没有估计在接收器。该信息允许接收器的初始化自动增益控制和载波跟踪循环。训练序列的第二部分使用相同的两个符号，但现在选择伪造的，伪随机的生产方式全频带信号适合训练自适应均衡器比较均衡器输出到该训练序列的存储副本产生驱动所需的误差信号均衡器适应算法。 THORN;nal训练一步一步地摧毁接收者的脱机器，准备用于传输用户数据的链接。
训练信号的可用性，加上一边知识符号定时和载体频率将非常接近预期值，在解调器中允许大量的可扩展性设计。 如第3节所述，这种类型的解调器时自由度大大降低必须在没有培训的帮助下进行初始化（或者，为了记录，当没有好的先验关键跟踪循环参数的知识）。
一旦初始化，跟踪循环被更新使用决策方向，即两者之间的差距决策电路的输入和输出如图1所示。 4用于至少更新均衡器和载波相位和频率，如果没有另一个循环也是。 这被称为盲人或数据辅助操作在没有明确的意义上需要来自发射机的信息解调器保持循环跟踪，但是这样解调器不被认为是盲人的解调器，除非它可以获取信号明确的帮助。
3.数据传输系统中盲目采集
如2.2节所述，经典解调器对于带宽有效的QAM信号是然后由其对手训练，然后一旦操作正确使用自己的符号决定作为不断更新解调器的基础各种跟踪循环。过去十年对使用QAM越来越感兴趣解调器也可以获得“也就是说，这不需要明确的合作发射机建立通信链路。从历史上看，盲目收购的兴趣有限到两个相关应用，非侵入性测试的数据传输系统设备和信号拦截。在这两种情况下都是有必要的无干扰地获取发射机的信号达到其正常运行或预期的运行接收器。请注意，在这两种情况下发射机和预期的接收机仍然在运行一个点对点的时尚，仍然会使用培训相互初始化拦截接收机，但是，必须有能力训练自己发射机自发射机将有帮助只有在需要的时候发送训练信号预期的接收器。非侵入性测试/拦截情景是什么促成了盲目均衡[11]报道的工作和完全失明QAM解调器在[15]中描述。 FoschiniOtilde;s工作[2]的动机是恢复的愿望点对点数字微波的操作无线电链接后不需要褪色来自发射终端的协作。虽然有必要的反馈路径可用，传输的整体复杂性系统大大减少不需要其使用。
盲目均衡的现代兴趣一直是受到一个不愉快的问题的刺激，操作的愿望数字点对多点和广播网络。其中前者启发了戈达尔的建议的色散导向盲均衡[5]20世纪70年代末，Jablon在完全盲目的QAM工作解调器[8]。广播应用，多点的明显延伸问题现在已经变成了各种各样的实用娱乐服务，如高清电视（HDTV）和数字有线电视。在这些案例需要盲目收购来源于希望允许发射机发送其内容作为内容的各种接收者无阻碍来自网络。这是不切实际的极端要求发射机暂停传播培训每个新的Ocirc;客户，因为它们都中断了内容的传输并且需要与发射机的反向链路每个接收者要求培训。更微妙方法，不断嵌入培训内容中的信号（从而允许接收机跟踪循环在古典中操作时尚，虽然较慢），也是不受欢迎的稀释收入的传播率内容。
那么需要的是一个需要的接收器没有特别的考虑从发射机命令建立其所有跟踪循环。 什么这个盲目的收购是可取的完成了比没有更复杂的一个训练有素的解调器，并且没有降级在解调信号质量或获取时间大多数但不是全部，这是可能的。
3.1 重新评估解调器设计
在第2.2节中，均衡的QAM解调器必须包含处理步幅为幅度，定时，载波和均衡器采集，使用预先安排训练顺序允许显着程度即使这些步骤的排序有可能性各种处理步骤被耦合。它可能对偶然读者来说，不要求盲目获取将会改变这一点，但它是。仔细设计训练信号，如V.29训练见图。 5，允许脱机要做许多关键参数的测量立刻。用这些相当准确的初始化值，嵌套跟踪循环将会运行正常。在一个盲解调器中，每一个必须在存在的情况下估计参数部分或完全不确定的其他。这个问题强烈地影响了所需要的处理步骤和算法的排序可以用于每个。表明这种情况可以通过检查表1列出各种参数之间的依赖关系被跟踪和其他关于哪个解调器将不确定请注意，所有四个都是相关的至少其他三个中的一些。
3.2算法的选择
而其他方法是可行的，实际的经验（例如[15]）已经显示了以下处理算法的顺序和选择工作很好：
f自动增益控制 - 使用平均值测量不平等的输入功率水平，
f仅频率符号定时恢复 - 使用利用循环平稳性的几种技术之一的波特输入信号，
f基于CMA的分数间隔盲粗略地均衡信号并恢复符号相位定时无需载波收购，
f决策载波相位和频率恢复 - 使用正确的时间，粗糙均衡器的均衡输出。
f其他跟踪回路的判定方向（例如，自适应均衡器和AGC） - 一次采集载波锁相。
以下有一些考虑事项特定的排序和算法选择。
f AGC - 除非有明显的干扰存在于解调器的输入端，即AGC可以有效地与操作脱钩的其他跟踪循环。 从表1我们请注意，无与伦比的分散将会得到解决AGC能够准确地估计输入能量等级。 事实上，即使是极度的分散不要将输入级别改变多于几个分贝和均衡器通常具有超过足够的振幅动态范围补偿一个小的输入缩放误差由AGC。
f符号时间 - 甚至中等程度信号分散足以破坏一些算法使用的波形特征以恢复定时频率，特别是定时阶段 有两种算法成功应用于盲解调器。 都利用QAM的循环平稳性质信号。 最简单的，在[3]和[15]中讨论，采用输入波形的非线性函数，通常是巨大的，并且紧紧围绕着预期符号率提取光谱组件正好符号率。 这个组件然后用于驱动符号跟踪循环。 另一种技术，bandedge定时恢复（BETR）[3,8]计算量更大密集但产生更好的符号频率估计给定的SNR和符号数。
f需要均衡的鸡蛋问题以解决时间阶段和需要时间允许执行均衡的相位通过要求符号定时电路来获取符号频率只能给出调整其批量的额外任务延迟提供正确的定时符号决策电路。 使用分数间隔均衡器允许无延迟调整妨碍信道色散的均衡。
f由于恒模自适应（CMA）算法[5,11]是载波相位不变的，盲均衡器可以完全独立运行的载波跟踪环路。 删除需要删除载体（Ocirc;despin）均衡器允许载波跟踪环路实现了非常低的循环延迟，超速收购并提高跟踪率在有时间的信号的存在下。解调器其关闭载波跟踪环路均衡器周围不可避免地具有较差的动态跟踪性能不。
f CMA算法已成为主力用于QAM信号的盲均衡，部分因为它的作用和部分是因为它的阶段不变量允许描述去耦以上。
f一旦载波跟踪循环获得，就是这样然后可以切换前面的跟踪循环，例如 均衡器，进入决策导向模式。 这通常是积极的提高解调器的SNR性能并提高其跟踪速度。
3.3结果的结构和一步一步盲目获取的例子
考虑到所提出的意见上一节，通用框图为aQAM解调器如图1所示。 4可以被修改进入图1所示的盲解调器。6。
图1所示的解调器的操作。6可以通过检查复数值来说明信号在解调器的各个点。该在这种情况下的例子是30 Mbaud，64-QAM数字收到的微波无线电信号通过实际的微波通道。 噪音有相对于...增加了26.5dB的水平接收信号功率。 示例解调器采用32抽头（sup1;/ 2）的自适应均衡器。
信号经过功率调节，数字化和然后正交下变频为复数值基带代表。在这一点上信号未被同步采样符号率仍然包含一个残留载波频率分量。此外，它已损坏通过信道失真和加性噪声。该这个信号的Ocirc;定位，如图1所示。图7（a），没有显示64-QAM的明显特征。下一个处理步骤是恢复符号频率并重新抽样复合价值每个符号信号精确到两个样本。该此时基带星座如图所示图。如图7（b）所示，仍未显示波特率波形的特征这是由于缺乏载体锁定，通道失真，以及剩余的附加噪声。但是，即使不是这样，也取得了进展可见。由于信号现在被同步采样，它可以盲目平衡。在这种情况下使用CMA算法。这个处理会导致均衡器（1）去除通道失真和带外加法噪声和（2）重新定义采样相位信号。的输出盲适应步骤如图1所示。图7（c）。该星座现在具有独特的振铃特征的64-QAM信号由于旋转一个剩余的载体项。回想一下，CMA是一种载体 - 不变，因此可以调整均衡器水龙头，不需要精确的载波去除。
解调器现在必须清除残留物运营商期限。 这是使用Ocirc;f角落实现的技术。 该方法处理高阶，正方形QAM信号作为一个更简单的QPSK信号仅更新载波跟踪循环的策略估计载波相位瞬时信号的幅度足够大。 通过设置这个振幅阈值就在
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