隨著無人機、衛星等領域對測控通信對信息傳輸量的要求不斷增加,傳輸數據率越來越高，在信道帶寬一定的條件下，最好使用多進制調制體制。16QAM的頻譜利用率為4 bit/s/Hz，是目前常用的BPSK/QPSK體制的4/2倍，在頻帶利用率和誤碼率之間得到很好的折衷[1]。考慮到功率利用率、噪聲性能與設備復雜度等多方面因素，16APSK（星型16QAM）是一種合適的信號體制。以上需求促進了對該體制解調接收技術的研究以及關鍵技術攻關。

1 16APSK體制介紹
    16APSK體制又稱為星型16QAM，不同于一般的QAM信號，它的星座圖是由內外2個同心圓組成，通過這樣的星座設計，減少了信號的幅度變化，更易于對放大器的非線性進行補償，適應線性特性不好的傳輸信道，以獲得更高的頻譜利用率，也有利于降低解調難度[2]。如果將16個星座點的APSK調制分解為2個獨立的8PSK調制，這樣形成的APSK星座圖是直徑不同的2個圓形，得到APSK調制的仿真結果如圖1所示。

2 16APSK信號相干解調算法
    16APSK信號采用相干算法進行解調，圖2所示為16APSK信號相干算法解調框圖。從圖中可見，涉及到的關鍵技術和算法有：相干載波恢復算法、定時同步算法、幅值相位判決算法等。

2.1 相干載波恢復算法
    采用相干解調算法，需要對載波進行精確的相位同步。同時，考慮到須在較短時間內建立載波同步，采用一種鎖相環(PLL)聯合基于頻率檢測環路算法的鎖頻環(AFC)的結構來做載波恢復。基本結構如圖3所示。

    載波恢復首先用頻率檢測環路FD(Frequency Detector)對接收信號進行載波頻率恢復，此時環路工作于捕獲模式。FD采用了基于最大似然估計的GFD(GardnerFD)簡化算法，其頻率誤差實現公式為：
    ε(t)=IFMF×QMF-IMF×QFMF                   (1)
其中，t為時間，I為同相支路，Q為正交支路。IMF是I經過匹配濾波后的數據，IFMF是I經過頻率匹配濾波后的數據，QMF是Q經過匹配濾波后的數據，QFMF是Q經過頻率匹配濾波后的數據。由GFD算法得到的頻率誤差結果經過環路濾波器后去更新NCO頻率值。
    頻率檢測器的捕獲范圍大，但是跟蹤精度較差。所以在FD鎖定(頻率鎖定檢測到載波頻偏小于符號速率的1/1 000時FD鎖定)之后，要切換到鎖相環上對載波進行精確跟蹤。
    針對APSK信號載波同步有一些經典算法，如判決引導（DD）算法、極性判決算法等。但都存在不足：DD算法可以穩定跟蹤載波，但同步建立時間長、跟蹤范圍較窄；極性判決算法同步建立時間較短，但跟蹤精度沒有DD算法好。經綜合考慮，本設備采用一種簡化星座圖（RC-DD）算法[3]。
    根據APSK星座特點，對8-8APSK星座進行三次方處理，得到如圖4所示星座。可以看到，其星座最外圈8個點相當于8PSK，內、外圓的半徑相比更加懸殊。在對其相位同步時，可對內圓的信號點忽略進行粗調，其方法類似于對8PSK進行相位同步，因為只考慮外圓，所以其幅度最大，相當于提高了信噪比。
2.2 定時同步算法
    16APSK解調端的定時同步模塊包括誤差提取和誤差校正兩個部分，誤差提取模塊采用Gardner算法，而誤差校正通過內插實現。

其中，r為采樣點，yI、yQ分別為I、Q支路的內插值。每個符號2個采樣點，I、Q兩路數據同時參與運算。提取的誤差信號送入環路濾波器以濾除噪聲的影響。模塊利用同步定時誤差信號調整下一次進行內插的時刻，使由內插值計算所得的同步誤差信號逐漸趨于零。該算法適用于捕獲和跟蹤兩種模式，并且定時誤差值與載波相位無關，即符號同步可以在載波相位鎖定前達到收斂。
    定時同步模塊由內插器、時鐘誤差提取、環路濾波器以及控制器組成。本系統采用多項式內插器實現內插計算。多項內插可視為低通濾波，對其頻率響應的要求是：在0～1/(2TS)(TS為采樣時刻)的頻率范圍內具有平坦的響應和線性相位，且能盡可能地抑制信號中的高頻分量。通常的內插器有線性、拋物線和三次內插，由于具有高效的Farrow結構，即濾波器系數可以分解為固定系數與誤差量的冪次乘積之和的形式，并且內插性能較好，故選用了三次內插器，代價是增加了計算量。其結構如圖5所示。其中，C(0)～C(3)為濾波器系數，m為整數倍誤差，?滋k為分數倍誤差。


軟件無線電的數字接收機實現。在本設計中只使用一片信號處理FPGA及CPCI接口FPGA即可完成整個16APSK信號數字接收機。
    信號處理FPGA使用Xilinx公司的XC5VLX330，在XC5VLX330芯片上的實現占用了21%的Slice資源、43%的BlockRAM資源。使用CPCI接口FPGA芯片可將解調接收到的基帶數據通過CPCI接口傳輸給與硬件平臺連接的工控機平臺，完成數據存儲、處理等后續工作。圖7所示為硬件實測16APSK信號在50 Mb/s碼速率下的解調星座圖。

    本文針對無線測控通信任務中的高速數據傳輸需求，提出了一種使用高階調制16APSK體制信號的相干解調算法，給出其工作流程框圖，說明各主要模塊的設計方法，并給出了在碼速率50 Mb/s下的數字接收機的實現結果。該接收機兼顧解調性能與實現復雜度，具有較高的工程應用價值。
參考文獻
[1] 楊雪梅.QPSK與16QAM在衛星通信中性能分析[J].空間電子技術，2002，21(6)：35-38.
[2] 雷菁，黃英，劉志新.非線性衛星信道中APSK信號星座優化設計研究[J].武漢理工大學學報，2006，28(8)：118-121.
[3] 劉志新.APSK信號星座優化設計及其調制解調研究[D]. 湖南：國防科學技術大學，2007.