1、第13卷第2期江蘇技術師范學院學報V01.13,No.2蘭塑!生蘭旦Q墮墾墮壘墾Q!壘墮壁量旦!墾壘墾旦墾曼曼望盟!Y曼墾蘭!￥QE!曼g堅塑Q曼Q魚!壘巳!:蘭QQ!基于FPGA的QAM調制器的設計陶為戈,張娟,朱映華(江蘇技術師范學院電氣信息工程學院,江蘇常州213001摘要:通過對QAM調制原理的分析,提出了16QAM系統的FPGA建模方案,給出了仿真波形。結果表明,設計方法正確,方案可行,能夠實現數字信號的16QAM調制。同時,其實現的基本方法和基本思想亦為基于FPGA 的數字調制系統的設計奠定了較好的基礎。關鍵詞:QAM;FPGA;建模;仿真中圖分類號:TN911.3;TP391.9

2、;TN47文獻標識碼:A0引言通信的任務是快速而準確地傳遞信息,它的主要性能指標是有效性和可靠性,而QAM調制方式,其調制信號的幅度和相位都攜帶信息,大大提高了信息傳輸的有效性。現代電子技術設計很多情況下采用大規模集成電路。硬件描述語言VHDL是進行大規模系統設計的有效工具之一。運用VHDL語言編程仿真數字調制,同時在FPGA芯片上實現,具有可編程性、實現方案容易修改、便于調試、集成度高、可靠性好和易于開發等許多優點。在簡單分析QAM原理的基礎上,以16QAM為例,提出了基于FPGA的16QAM調制器的建模方案,給出了頂層設計圖。仿真結果和分析表明:提出的方案可行,程序編寫正確,其在FPGA上

3、的實現也為數字高效調制系統的設計提供了一個較好的方法。1QAM調制原理正交幅度調制(QAM是一種把數字信息包含在載波的振幅和相位中的數字調制方式,也是ASK和PSK的結合。式(1表示了QAM信號,它還可用式(2來表示在QAM中是如何結合幅度和相位調制的1|。s(=Ikcos(09。t一Q&sin(。t,(1S(t=ACOS(。t+咖k。(2 16QAM信號的產生有兩種基本方法:正交調幅法是用兩路正交的四電平振幅鍵控信號疊加而成;四相疊加法是用兩路獨立的四相移相鍵控信號疊加而成舊o。其中,16QAM正交調幅法的調制方框圖如圖1所示。輸入的二進制數據經過串一并變換分別進入a。、a:、b。和

4、b:,4個信道:每個信道的數據速率降為原來的1/4。24電平轉換器產生一個四電平的PAM信號,每個24電平轉換器的輸出有2種量值和2種相位。兩個PAM信號分別調制同相和正交載波,每一個調制器有4種可能的輸出,經線性加法器合并產收稿日期:20070405:修回日期:200704-28基金項目:江蘇技術師范學院青年科研基金項目(KYY06090作者簡介:陶為戈(1973一,男,安徽無為人,講師,研究方向為數字通信系統、EDA技術。36江蘇技術師范學院學報第13卷生16QAM信號3|。2.4電平轉換H調制蔣姆l熱簧l 2.4電平轉換卜叫調制卜_一圖116QAM調制原理框圖Fig.1Schematic

5、 of 16QAM ool0ooll ooOl OOoo .300Ol 10Olll 010I Oloo .1Ol IllO1llll IOlllOO+1ll 圖216QAM星座圖的Gray碼邏輯模式Fig.216QAM Gray coded labeling schemes這里應該指出的是,每路PAM信號的量值和相位由輸入的二進制數據及其比特分配模式星座圖決定。16QAM星座圖通常有自然碼邏輯和Gray碼邏輯2種比特模式。因為Gray碼可以消除相鄰點間符號差錯中的2比特誤差,即可減小相同符號差錯率中的誤比特率,IEEE802.1la和HiperLAN/2標準中所有的星座都是Gray碼的。本文

6、在設計16QAM的時候,采用圖2的Gray模式進行編碼,圖中4個比特位從左至右的順序為blb2ala24|。216QAM調制系統建模與設計根據對16QAM調制原理的分析,建立16QAM調制器的FPGA設計模型,如圖3所示。它是由正交調制法變換而來的。信道編碼可選用增加一些冗余碼元的Rs碼或卷積碼,以信息傳輸的冗余度換取傳輸的可靠性。成形濾波器采用均方根升余弦滾降濾波器,使調制信號的頻譜限制在一定的帶寬范圍內,可有效地減少碼間干擾。辯屯A,r柏成形。l 出_.星濾1乘法囂|l鎖座波了丁句I數據輸入倍道_井_存嘲正余弦套找浚法工濾I編碼轉D/A L.r 箍成囂波l 換-映土分J 一射形刊乘法囂|;

7、濾時鐘下。g螂波頻器圖316QAM調制FPGA建模方框圖Fig.3FPGA modeling schematic of 16QAM modulatorAM瀣在Altera公司的Quartus II軟件平臺下,采用自頂向下的設計方法,由16QAM調制建模方框圖得到其VHDL頂層設計圖,如圖4所示。其中M為m序列發生器,產生偽隨機序列作為16QAM調制器的基帶輸入信號,以便于仿真測試;CLKDIV為分頻器,對時鐘進行分頻,滿足不同模塊對時鐘頻率的不同要求,其輸出口P2為CLK的4分頻,Po為CLK的16分頻;CB為串一并轉換電路,將串行基帶信號轉換為4位并行數據;sc為鎖存器,鎖存4位并行數據;星

8、座圖映射、波形查找表、乘法器及加法器則是在RR3模塊中實現的。圖中未給出信道編碼、成形濾波模塊。設一個完整的16QAM碼元以16個采樣點表示,每采樣點8bit并行數據經z87.0輸出。因選用勉On時耋:m ¨叭值3,03值也第2期陶為戈張娟朱呋華:基于FPGA的QAM調制器的設計37圖416QAM調制器的頂層設計圖Fig.4Top design of16QAM modulatorD/A轉換器為TLC7524,所以采樣點的值進行雙極性二進制編碼。在正弦、余弦查找表中,16個采樣點僅用5個不同的數值(根據鏡像對稱特性可以使得程序大為優化,需要計算出其二進制代碼,并用補碼表示方可進行運算,

9、疊加結果為補碼。為了保證運算結果不會產生溢出,二進制代碼必需是對運算前的正弦、余弦信號進行歸一化處理后的編碼表示。如正弦的第1個取樣點的值是+0.3827,考慮到單位正弦和余弦信號經乘法器及加法器后最大幅值為3在,故設TLC7524的Verf=3在。由于TLC7524中LSB= 1/128(Vref,所以計算出其二進制補碼定點表示為00001100。又因疊加運算后結果亦為補碼形式,只有符號位不符合TLC7524編碼要求,所以將最高位(符號位取反后便得到正確結果,形成的8位16QAM數字信號再由TLC7524進行D/A轉換。值得注意的是,數據每經過一級電路便有若干ns的時延。為了保證在信息速率較

10、高的情況下取樣數據的正確性,數據經過相鄰模塊的時鐘的正負邊沿的有效性需相反處理。圖4中的非門正是基于這一點考慮的。3仿真結果與分析根據圖4頂層設計圖,分別對各模塊進行VHDL編程、編譯、綜合,取時鐘周期為500ns,最后得到如圖5所示的16QAM調制仿真波形圖。 圖516QAM調制的仿真波形圖Fig.5Simulate waveform of16QAM modulator38江蘇技術師范學院學報第13卷從仿真波形圖中可以看出,在信號ld和時鐘信號(周期為500nscl的作用下,產生1個m序列(Q (111101*,m序列作為基帶信號經過16QAM調制,從輸出端O7.0輸出16QAM調制后的數字

11、信號,可達到0.5Mbps的信息速率。值得注意的是仿真時ld信號必須從第4個時鐘開始取低電平,這是由于程序中使用了4分頻。另外,st信號決定了RR3模塊中計數器I rr3:34m3.0輸出的時刻。因為RR3模塊是在同一個時鐘下運行的,所以輸出信號07.0相對于計數器f rr3:34f nl3.0而言有3個時鐘周期延時,但不影響最終的結果,如計數器值為3時表示第0個采樣點。經過計算分析(部分理論計算結果如表l所示,仿真結果與實際理論計算結果一致。表116QAM部分采樣點理論計算結果(基于TLC7524轉換規則Tab.1A part of point sampling result in theo

12、ry of16QAM(based on TLC7524converter regulation注:由于門時延,表中第0點對應仿真圖中計數狀態3。4結論在Quartus II平臺上建立了16QAM調制器的建模方框圖并進行了仿真,給出了頂層設計圖及仿真波形圖。仿真結果與理論分析結果一致。下載后測試正確,8位輸出數據由D/A轉換器TLC7524轉換后可形成16QAM信號。同時,其程序的實現對于運用FPGA實現數字高效調制有較高的應用價值。參考文獻:1Juha H,John T.OFDM無線局域網M.楊曉春,何建吳,譯.北京:電子工業出版社,2003.2樊昌信,詹道庸,徐炳祥,等.通信原理M.北京:國

13、防工業出版社,1995.3郭世滿,葉奕和,錢德馨.數字通信原理、技術及其應用M.北京:人民郵電出版社,1994.4陶為戈,錢志文.QAM編解碼系統的SystemView仿真實現J.現代電子技術,2006,29(13:4142.第2期陶為戈張娟朱呋華:基于FPGA的QAM調制器的設計39 Design of QAM Modulator Based on FPGATAO Weige,ZHANG Juan,ZHU Yihua(School of Electricity and Information Engineering,Jiangsu Teachers Universityof Technolo

14、gy,Changzhou213001,ChinaAbstract:According to the analysis of16QAM modulation principle,the mold project of FPGA of 16QAM is proposed and the waveform of simulation is given.The result indicates that the method ofis correct.The scheme is viable and it can realize16QAM modulation of digital signal.At

15、 designingthe same time,the basic method and the basic thought of implementation is the fundament of the digital modulation system design that based on FPGA.Key words:QAM;FPGA;molding;simulation責任編輯張志釗(上接第34頁參考文獻:1張毅剛,喬立巖.虛擬儀器軟件開發環境LabWindows/CVl6.0M.北京:機械工業出版社,2002.2孫曉云,郭立煒,孫會琴.基于LabWindows/CVI的虛擬儀

16、器設計與應用M.北京:電子工業出版社,2005The Controller of Side Force of High Angles of AttackBased on LabWi ndows/CV ISONG Wei,CHEN Taihong(Information Control Research Institute of Jiangsu Teachers University of Technology,Changzhou213001,ChinaAbstract:The controller of side force of high angles of attack has been developed based on LabWindows/CVI.Using the RS232function library of LabWindows