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為了滿(mǎn)足現代通信系統對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字調制解調技術(shù)。正交幅度調制解調(quadrature ampli-tude modulation and demodulation)就是一種高效的數字調制解調方式。與其它調制技術(shù)相比，這種調制解調技術(shù)能充分利用帶寬，且具有抗噪聲能力強等優(yōu)點(diǎn)。因而在中、大容量數字微波通信系統、有線(xiàn)電視網(wǎng)絡(luò )高速數據傳輸、衛星通信等領(lǐng)域得到廣泛應用。 1 16QAM調制原理 一般情況下，正交振幅調制的表達式為： 16QAM中的振幅Am和Bm可以表示成： 16QAM調制器可在A(yíng)LTERA公司的CYCLONE系列芯片EPlC6Q240C8上實(shí)現，EDA工具是與之配套的QUARTUS II 4.2軟件。在設計中，底層設計可使用Verilog HDL語(yǔ)言來(lái)實(shí)現，頂層設計則采用原理圖方式實(shí)現，其頂層設計圖如圖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2 MHz系統時(shí)鐘信號進(jìn)行N分頻，以產(chǎn)生調制器模塊所需的工作時(shí)鐘。N分頻器是由模N／2計數器實(shí)現的，分頻輸出信號模N／2可自動(dòng)取反，以產(chǎn)生占空比為1：1的時(shí)鐘信號。由于信號源產(chǎn)生的基帶信號為16bit并行數據，其速率為32 kbps，經(jīng)并串轉換后的4 bit并行數據速率為128 kbps，所以，本設計還采用了16分頻器和64分頻器。同時(shí)還設計了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 并串轉換模塊 并串轉換模塊PS可通過(guò)4級鎖位寄存器來(lái)實(shí)現。并行16位的輸入數據按照并行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在調制器中的作用是通過(guò)編碼和信號映射把二進(jìn)制比特數據轉換為具有幅度和相位特性的數據，然后把這些數據送到后面的模塊中進(jìn)行調制。 根據星型16-QAM星座圖的特點(diǎn)，這里規定每個(gè)碼元由四個(gè)比特組成。其差分編碼規則是：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中從坐標原點(diǎn)指向每個(gè)信號的矢量)的振幅。如輸人的該比特為“1”，則將當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)改變信號的相位。也就是說(shuō)，通過(guò)Gray編碼來(lái)改變當前碼元信號相量與前一碼元信號相量的相位差(即相對相位)。這些比特數據與相位差的關(guān)系如表1所列。 在FPGA實(shí)現差分編碼的模塊中，比特數據經(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。因為與直接法相比，用查表法進(jìn)行設計不涉及正余弦運算，也不需要進(jìn)行乘法運算，因而程序執行速度快。同時(shí)，由于需要存儲的脈沖值只有16種，所以不會(huì )占用FPGA太多的資源。 2.4 內插模塊 差分編碼模塊的輸出數據速率是128 kbps，而在實(shí)現DDS的器件AD9857中設定的輸人數據速率是1Mbps，為了使兩者速率匹配，設計時(shí)可采用內插方法來(lái)實(shí)現。 內插模塊IS的設計可采用最簡(jiǎn)單的實(shí)現方法，即在數據之問(wèn)插零。零的個(gè)數N由內插前后數據的速率決定，本設計中N=7。內插模塊可通過(guò)數據鎖存器和計數器來(lái)實(shí)現。 2.5 成型濾波模塊 內插模塊IS的設計采用“插零”處理會(huì )導致碼間干擾和帶外輻射增大。為了減小其對信號解凋的影響，設計中應加入成型濾波模塊。 在該模塊設計中，濾波器的抽頭系數可根據濾波器的沖擊響應公式并通過(guò)Matlab仿真求得。仿真參數設定為：滾降因子α=0.35，濾波器長(cháng)度N=51，一個(gè)符號周期內點(diǎn)的個(gè)數M=8。濾波器的實(shí)現可采用并行結構，每階都有自己的乘法器，用于接收輸入數據，并將其與抽頭系數相乘。 2.6 載波正交變換 本設計中，16-QAM調制器中的載波正交變換并不是在FPGA中實(shí)現的，而是采用數字上變頻器代替。這是因為調制系統的中頻載波為36.864 MHz，經(jīng)過(guò)內插濾波后，該輸出信號頻率可達百兆赫茲以上，這樣的頻率會(huì )使FPGA無(wú)法穩定工作。為此，本設計采用了專(zhuān)用DDS芯片AD9857來(lái)保證FPGA能夠正常穩定的工作。 3 硬件測試 本沒(méi)計的測試結果如圖4和圖5所示。從圖4可看出：在系統碼元之間，相位跳變分明，所得到的波形就是實(shí)際的調制波形。圖5為信號頻譜圖，縱坐標每格10 dB，橫坐標每格300 kHz，信號帶外衰減大于30 dB。由圖5可知，該系統的帶寬大約為200 kHz，能完全滿(mǎn)足預期設計要求。 多進(jìn)制正交振幅調制由于具有很高的頻譜利用率，而被廣泛應用在中、大容量數字微波通信系統的載波鍵控方式之中。特別是當MQAM在未來(lái)4G移動(dòng)通信采樣以OFDM為主導技術(shù)的基帶調制中，它將成為實(shí)現大容量的重要調制技術(shù)。本文利用EDA技術(shù)來(lái)實(shí)現16QAM調制器的設計是現代數字通信與EDA技術(shù)相結合的一個(gè)典型應用，這種電子設計的自動(dòng)化方法也必將在數字通信領(lǐng)域得到廣泛的應用。 |
