通過(guò)VHDL語(yǔ)言和EPlC6Q240C8芯片實(shí)現(xiàn)16QAM調(diào)制器的設(shè)計(jì)

為了滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)對(duì)傳輸速率和帶寬提出的新要求。人們不斷地推出一些新的數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)。正交幅度調(diào)制解調(diào)（quadrature ampli-tude modulation and demodulation）就是一種高效的數(shù)字調(diào)制解調(diào)方式。與其它調(diào)制技術(shù)相比，這種調(diào)制解調(diào)技術(shù)能充分利用帶寬，且具有抗噪聲能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。因而在中、大容量數(shù)字微波通信系統(tǒng)、有線電視網(wǎng)絡(luò)高速數(shù)據(jù)傳輸、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

1 16QAM調(diào)制原理

一般情況下，正交振幅調(diào)制的表達(dá)式為：

式中，A是固定振幅，（dm，cm）可由輸入信號(hào)確定。（dm，cm）則可決定已調(diào)QAM信號(hào)在信號(hào)空間中的坐標(biāo)點(diǎn)。16QAM正交振幅調(diào)制系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。基帶信號(hào)經(jīng)過(guò)串并變換后轉(zhuǎn)化為IQ兩路并行數(shù)據(jù)流，該并行數(shù)據(jù)流的寬度為4 bit，其中高位的1 bit映射到內(nèi)外圓，低位的3bit映射到內(nèi)（外）圓上，這樣就形成如圖2所示的星型星座圖。差分編碼后的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)成型濾波器后和相互正交的正弦或余弦載波進(jìn)行調(diào)制，被調(diào)制后的IQ路正交信號(hào)再進(jìn)行矢量相加，即可形成調(diào)制信號(hào)輸出。

2 16QAM調(diào)制器的FPGA實(shí)現(xiàn)

16QAM調(diào)制器可在ALTERA公司的CYCLONE系列芯片EPlC6Q240C8上實(shí)現(xiàn)，EDA工具是與之配套的QUARTUS II 4.2軟件。在設(shè)計(jì)中，底層設(shè)計(jì)可使用Verilog HDL語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)，頂層設(shè)計(jì)則采用原理圖方式實(shí)現(xiàn)，其頂層設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

2.1 時(shí)鐘分頻模塊

時(shí)鐘分頻模塊FD利用N分頻器對(duì)2 MHz系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行N分頻，以產(chǎn)生調(diào)制器模塊所需的工作時(shí)鐘。N分頻器是由模N／2計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)的，分頻輸出信號(hào)模N／2可自動(dòng)取反，以產(chǎn)生占空比為1：1的時(shí)鐘信號(hào)。由于信號(hào)源產(chǎn)生的基帶信號(hào)為16bit并行數(shù)據(jù)，其速率為32 kbps，經(jīng)并串轉(zhuǎn)換后的4 bit并行數(shù)據(jù)速率為128 kbps，所以，本設(shè)計(jì)還采用了16分頻器和64分頻器。同時(shí)還設(shè)計(jì)了2分頻器，三個(gè)分頻器可分別產(chǎn)生1 MHz時(shí)鐘、128kHz時(shí)鐘和32 kHz時(shí)鐘。

2.2 并串轉(zhuǎn)換模塊

并串轉(zhuǎn)換模塊PS可通過(guò)4級(jí)鎖位寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)。并行16位的輸入數(shù)據(jù)按照并行4位的格式串行輸入到差分編碼模塊。

2.3 差分編碼模塊

差分編碼模塊DC在調(diào)制器中的作用是通過(guò)編碼和信號(hào)映射把二進(jìn)制比特?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為具有幅度和相位特性的數(shù)據(jù)，然后把這些數(shù)據(jù)送到后面的模塊中進(jìn)行調(diào)制。

根據(jù)星型16-QAM星座圖的特點(diǎn)，這里規(guī)定每個(gè)碼元由四個(gè)比特組成。其差分編碼規(guī)則是：每個(gè)碼元的第一個(gè)比特通過(guò)差分方式來(lái)改變QAM相量（即圖1中從坐標(biāo)原點(diǎn)指向每個(gè)信號(hào)的矢量）的振幅。如輸人的該比特為“1”，則將當(dāng)前碼元的相量振幅改變到與前一個(gè)碼元的相量振幅不相同的振幅環(huán)上。若輸入的該比特為“0”，則使當(dāng)前碼元的相量振幅與前一碼元相同。每個(gè)碼元中的其余三個(gè)比特則通過(guò)Gray差分相位編碼的方法來(lái)改變信號(hào)的相位。也就是說(shuō)，通過(guò)Gray編碼來(lái)改變當(dāng)前碼元信號(hào)相量與前一碼元信號(hào)相量的相位差（即相對(duì)相位）。這些比特?cái)?shù)據(jù)與相位差的關(guān)系如表1所列。

根據(jù)上述規(guī)則，即可通過(guò)對(duì)第一個(gè)比特的編碼來(lái)得到碼元的振幅（Ai，i=1，2），而通過(guò)對(duì)剩余三個(gè)比特的編碼則可得到當(dāng)前碼元的相對(duì)相位。把前一碼元的絕對(duì)相位加上當(dāng)前碼元的相對(duì)相位，就可以得到當(dāng)前碼元的絕對(duì)相位（θi，i=0，1…7）。這樣，就可以得到第k個(gè)碼元經(jīng)過(guò)差分編碼后的輸出脈沖值A(chǔ)iejθi（I路的輸出值為，Aicos（θi）Q支路的輸出值A(chǔ)isin（θi））。

在FPGA實(shí)現(xiàn)差分編碼的模塊中，比特?cái)?shù)據(jù)經(jīng)過(guò)編碼可得到振幅值和相位值。然后利用上述兩個(gè)值作為地址，并通過(guò)查ROM表的方法就可得到輸出脈沖值。因?yàn)榕c直接法相比，用查表法進(jìn)行設(shè)計(jì)不涉及正余弦運(yùn)算，也不需要進(jìn)行乘法運(yùn)算，因而程序執(zhí)行速度快。同時(shí)，由于需要存儲(chǔ)的脈沖值只有16種，所以不會(huì)占用FPGA太多的資源。

2.4 內(nèi)插模塊

差分編碼模塊的輸出數(shù)據(jù)速率是128 kbps，而在實(shí)現(xiàn)DDS的器件AD9857中設(shè)定的輸人數(shù)據(jù)速率是1Mbps，為了使兩者速率匹配，設(shè)計(jì)時(shí)可采用內(nèi)插方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

內(nèi)插模塊IS的設(shè)計(jì)可采用最簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方法，即在數(shù)據(jù)之問(wèn)插零。零的個(gè)數(shù)N由內(nèi)插前后數(shù)據(jù)的速率決定，本設(shè)計(jì)中N=7。內(nèi)插模塊可通過(guò)數(shù)據(jù)鎖存器和計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.5 成型濾波模塊

內(nèi)插模塊IS的設(shè)計(jì)采用“插零”處理會(huì)導(dǎo)致碼間干擾和帶外輻射增大。為了減小其對(duì)信號(hào)解凋的影響，設(shè)計(jì)中應(yīng)加入成型濾波模塊。

在該模塊設(shè)計(jì)中，濾波器的抽頭系數(shù)可根據(jù)濾波器的沖擊響應(yīng)公式并通過(guò)Matlab仿真求得。仿真參數(shù)設(shè)定為：滾降因子α=0.35，濾波器長(zhǎng)度N=51，一個(gè)符號(hào)周期內(nèi)點(diǎn)的個(gè)數(shù)M=8。濾波器的實(shí)現(xiàn)可采用并行結(jié)構(gòu)，每階都有自己的乘法器，用于接收輸入數(shù)據(jù)，并將其與抽頭系數(shù)相乘。

2.6 載波正交變換

本設(shè)計(jì)中，16-QAM調(diào)制器中的載波正交變換并不是在FPGA中實(shí)現(xiàn)的，而是采用數(shù)字上變頻器代替。這是因?yàn)檎{(diào)制系統(tǒng)的中頻載波為36.864 MHz，經(jīng)過(guò)內(nèi)插濾波后，該輸出信號(hào)頻率可達(dá)百兆赫茲以上，這樣的頻率會(huì)使FPGA無(wú)法穩(wěn)定工作。為此，本設(shè)計(jì)采用了專用DDS芯片AD9857來(lái)保證FPGA能夠正常穩(wěn)定的工作。

3 硬件測(cè)試

本沒(méi)計(jì)的測(cè)試結(jié)果如圖4和圖5所示。從圖4可看出：在系統(tǒng)碼元之間，相位跳變分明，所得到的波形就是實(shí)際的調(diào)制波形。圖5為信號(hào)頻譜圖，縱坐標(biāo)每格10 dB，橫坐標(biāo)每格300 kHz，信號(hào)帶外衰減大于30 dB。由圖5可知，該系統(tǒng)的帶寬大約為200 kHz，能完全滿足預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

多進(jìn)制正交振幅調(diào)制由于具有很高的頻譜利用率，而被廣泛應(yīng)用在中、大容量數(shù)字微波通信系統(tǒng)的載波鍵控方式之中。特別是當(dāng)MQAM在未來(lái)4G移動(dòng)通信采樣以O(shè)FDM為主導(dǎo)技術(shù)的基帶調(diào)制中，它將成為實(shí)現(xiàn)大容量的重要調(diào)制技術(shù)。本文利用EDA技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)16QAM調(diào)制器的設(shè)計(jì)是現(xiàn)代數(shù)字通信與EDA技術(shù)相結(jié)合的一個(gè)典型應(yīng)用，這種電子設(shè)計(jì)的自動(dòng)化方法也必將在數(shù)字通信領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。