基于FPGA16QAM调制系统.docVIP

基于FPGA的16QAM调制器的实现 目录 一、QAM调制原理 4 二、16QAM调制器的实现 5 三、16QAM调制器的仿真结果 7 四、附录 11 1 顶层模块 11 2 时钟分频模块 12 3 串并转换模块 13 4 差分模块和星座映射模块 14 5 DDS 和加法器模块 16 6 testbench 源程序 21 7 用matlab 进行频谱分析 22 一、QAM调制原理 正交幅度调制(QAM)是一种把数字信息包含在载波的振幅和相位中的数字调制方式，也是ASK和PSK的结合。式(1)表示了QAM信号，它还可用式(2)来表示在QAM中是如何结合幅度和相位调制的。 （1） （2） 16QAM信号的产生有两种基本方法：正交调幅法是用两路正交的四电平振幅键控信号叠加而成；四相叠加法是用两路独立的四相移相键控信号叠加而成。其中，16QAM正交调幅法的调制方框图如图1所示。输入的二进制数据经过串一并变换分别进入a1、a2、b1和b2，4个信道：每个信道的数据速率降为原来的1／4。2—4电平转换器产生一个四电平的PAM信号，每个2～4电平转换器的输出有2种量值和2种相位。两个PAM信号分别调制同相和正交载波，每一个调制器有4种可能的输出，经线性加法器合并产生16QAM信号。 图1 16QAM调制原理图 每路PAM信号的量值和相位由输入的二进制数据及其比特分配模式——星座图决定。16QAM星座图通常有自然码逻辑和Gray码逻辑2种比特模式。因为Gray码可以消除相邻点间符号差错中的2比特误差，即可减小相同符号差错率中的误比特率，IEEE802．1la和HiperLAN／2标准中所有的星座都是Gray码的。本文在设计16QAM的时候，采用图2的Gray模式进行编码，图中4个比特位从左至右的顺序为blb2ala2。 图2 16QAM星座图的Gray码逻辑模式 二、16QAM调制器的实现 系统输入数据速率为100 Kb／s；系统正交调制载波频率为1 MHz。调制部分主要由Ahera公司推出的Cyclone系列器件EPlC6Q240C8实现．该器件完成对输入数据串并变换、差分编码、星座影射等。设计EDA工具为Ahera集成设计软件Quartus II 7．2版本；硬件描述Verilog HDL语言完成逻辑设计。本系统还用到仿真工具Matlab，搭建16QAM调制器的simulink模块，采用示波器观看波形。 1 系统总体框图 16QAM调制器的实现主要包括时钟模块、串并变换模块、查分编码模块、星座映射、DDS模块、加法器模块。系统总体框图如下： 图3 系统总体框图 系统顶层设计如下： 图4 系统顶层设计 2 时钟分频 时钟分频模块利用N分频器对MHz系统时钟信号进行N分频，以产生调制器模块所需的工作时钟。N分频器是由模N／2计数器实现的，分频输出信号模N／2可自动取反，以产生占空比为1：1的时钟信号。由于信号源产生的基带信号为bit串行数据，其速率为 kbps，经并串转换后的4 bit并行数据速率为 kbps，所以，本设计还采用了分频器和分频器。4个相位稳定点，即提取的相干载波可能与接收信号载波有4种相位关系，称作4重相位模糊度旧3。部分差分编码能消除4重相位模糊度对解调的影响。而部分差分编码相对于全差分编码由于减少了差分编码的bit数。因而减少了误码扩散，具有较好的误码性能。 由于同样的符号误码率下，采用格雷编码比自然码的比特误码率小，所以多幅度电平的电平逻辑采用格雷编码映射。星座影射模块输入4bit并行数据，输出为I／Q路对应的四幅值之一；4 bit并行信号需要将其影射到信号平面，星座影射实现采用查表法分别输出I/Q对应的幅值.对应的量化表如下： 表1 星座映射 I/Q路输入数据 对应的量化值 00 -2 01 -1 11 1 10 2 5 DDS和线性加法器 在DDS模块中，采用系统时钟10Mhz,由公式可知：但取频率字为K=32b11001100110011001100110011001, fc=10MHZ, N=32时，可得到输出的正余弦波的频率为1MHz。 三、16QAM调制器的仿真结果 1 使用Quartus 自带仿真器仿真，其总体仿真图如下： 图5 16QAM调制器的quartus仿真 2将程序导入到modelsim中，通过编写testbench，得到如下仿真结果： 图6 16QAM调制器的modeldsim仿真 3 使用MATLAB中simulink库文件搭建一个16QAM调制系统： 图7 16QAM调制系统在MATLAB中的仿真实现 观察最后的两个