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為了滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)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(shù)字調制解調技術。正交幅度調制解調(quadrature ampli-tude modulation and demodulation)就是一種高效的數(shù)字調制解調方式。與其它調制技術相比，這種調制解調技術能充分利用帶寬，且具有抗噪聲能力強等優(yōu)點。因而在中、大容量數(shù)字微波通信系統(tǒng)、有線電視網絡高速數(shù)據(jù)傳輸、衛(wèi)星通信等領域得到廣泛應用。 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ALTERA公司的CYCLONE系列芯片EPlC6Q240C8上實現(xiàn)，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語言來實現(xiàn)，頂層設計則采用原理圖方式實現(xiàn)，其頂層設計圖如圖3所示。 2.1 時鐘分頻模塊 時鐘分頻模塊FD利用N分頻器對2 MHz系統(tǒng)時鐘信號進行N分頻，以產生調制器模塊所需的工作時鐘。N分頻器是由模N／2計數(shù)器實現(xiàn)的，分頻輸出信號模N／2可自動取反，以產生占空比為1：1的時鐘信號。由于信號源產生的基帶信號為16bit并行數(shù)據(jù)，其速率為32 kbps，經并串轉換后的4 bit并行數(shù)據(jù)速率為128 kbps，所以，本設計還采用了16分頻器和64分頻器。同時還設計了2分頻器，三個分頻器可分別產生1 MHz時鐘、128kHz時鐘和32 kHz時鐘。 2.2 并串轉換模塊 并串轉換模塊PS可通過4級鎖位寄存器來實現(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在調制器中的作用是通過編碼和信號映射把二進制比特數(shù)據(jù)轉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行調制。 根據(jù)星型16-QAM星座圖的特點，這里規(guī)定每個碼元由四個比特組成。其差分編碼規(guī)則是：每個碼元的第一個比特通過差分方式來改變QAM相量(即圖1中從坐標原點指向每個信號的矢量)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。每個碼元中的其余三個比特則通過Gray差分相位編碼的方法來改變信號的相位。也就是說，通過Gray編碼來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(shù)據(jù)與相位差的關系如表1所列。 在FPGA實現(xiàn)差分編碼的模塊中，比特數(shù)據(jù)經過編碼可得到振幅值和相位值。然后利用上述兩個值作為地址，并通過查ROM表的方法就可得到輸出脈沖值。因為與直接法相比，用查表法進行設計不涉及正余弦運算，也不需要進行乘法運算，因而程序執(zhí)行速度快。同時，由于需要存儲的脈沖值只有16種，所以不會占用FPGA太多的資源。 2.4 內插模塊 差分編碼模塊的輸出數(shù)據(jù)速率是128 kbps，而在實現(xiàn)DDS的器件AD9857中設定的輸人數(shù)據(jù)速率是1Mbps，為了使兩者速率匹配，設計時可采用內插方法來實現(xiàn)。 內插模塊IS的設計可采用最簡單的實現(xiàn)方法，即在數(shù)據(jù)之問插零。零的個數(shù)N由內插前后數(shù)據(jù)的速率決定，本設計中N=7。內插模塊可通過數(shù)據(jù)鎖存器和計數(shù)器來實現(xiàn)。 2.5 成型濾波模塊 內插模塊IS的設計采用“插零”處理會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(shù)可根據(jù)濾波器的沖擊響應公式并通過Matlab仿真求得。仿真參數(shù)設定為：滾降因子α=0.35，濾波器長度N=51，一個符號周期內點的個數(shù)M=8。濾波器的實現(xiàn)可采用并行結構，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 本設計中，16-QAM調制器中的載波正交變換并不是在FPGA中實現(xiàn)的，而是采用數(shù)字上變頻器代替。這是因為調制系統(tǒng)的中頻載波為36.864 MHz，經過內插濾波后，該輸出信號頻率可達百兆赫茲以上，這樣的頻率會使FPGA無法穩(wěn)定工作。為此，本設計采用了專用DDS芯片AD9857來保證FPGA能夠正常穩(wěn)定的工作。 3 硬件測試 本沒計的測試結果如圖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(tǒng)的帶寬大約為200 kHz，能完全滿足預期設計要求。 多進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(shù)字微波通信系統(tǒng)的載波鍵控方式之中。特別是當MQAM在未來4G移動通信采樣以OFDM為主導技術的基帶調制中，它將成為實現(xiàn)大容量的重要調制技術。本文利用EDA技術來實現(xiàn)16QAM調制器的設計是現(xiàn)代數(shù)字通信與EDA技術相結合的一個典型應用，這種電子設計的自動化方法也必將在數(shù)字通信領域得到廣泛的應用。 |
