多電平正交幅度調(diào)制MQAM（Multilevel QuadratureAmplitude Modulation）是一種振幅和相位相結(jié)合的高階調(diào)制方式,，具有較高的頻帶利用率和較好的功率利用率。因?yàn)閱为?dú)使甩振幅和相位攜帶信息時(shí),，不能最充分利用信號(hào)平面,，這可由調(diào)制信號(hào)星座圖中信號(hào)矢量端點(diǎn)的分布直觀觀察到。多進(jìn)制振幅鍵控（MASK）調(diào)制時(shí),，矢量端點(diǎn)在一條軸上分布,；多進(jìn)制相位鍵控（MPSK）調(diào)制時(shí)，矢量點(diǎn)在一個(gè)圓上分布,。隨著進(jìn)制數(shù)M的增大,，這些矢量端點(diǎn)之間的最小距離也隨之減少。因此,，MQAM是一種高效的調(diào)制方式,，被廣泛應(yīng)用于中、大容量數(shù)字微波通信系統(tǒng),、有線電視網(wǎng)絡(luò)高數(shù)據(jù)傳輸,、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域。本文首先介紹了MQAM調(diào)制解調(diào)的基本原理,，然后以64QAM為例,，介紹了一種全數(shù)字實(shí)現(xiàn)的調(diào)制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案，并給出了解調(diào)器的具體FPGA實(shí)現(xiàn)方法及關(guān)鍵技術(shù),。

　　2 MQAM調(diào)制原理

　　MQAM（Multiple Quadrature Amplitude Modulation）多進(jìn)制正交幅度調(diào)制,。多進(jìn)制正交幅度調(diào)制是在中、大容量數(shù)字微波通信系統(tǒng)中大量使用的一種載波控制方式,。這種方式具有很高的頻譜利用率,，在調(diào)制進(jìn)制數(shù)較高時(shí)，信號(hào)矢量集的分布也較合理,，同時(shí)實(shí)現(xiàn)起來(lái)也較方便,。目前在SDH數(shù)字微波,、LMDS等大容量數(shù)字微波通信系統(tǒng)中廣泛使用的64QAM、128QAM等均屬于這種調(diào)制方式,。

　　所謂正交振幅調(diào)制,，就是用兩個(gè)獨(dú)立的基帶波形對(duì)兩個(gè)相互正交的同頻載波進(jìn)行抑制載波的雙邊帶調(diào)制，利用這種已調(diào)信號(hào)在同一帶寬內(nèi)頻譜的正交性來(lái)實(shí)現(xiàn)兩路并行的數(shù)字信息傳輸,。MQAM信號(hào)的一般表達(dá)式為：

　　式（1）由兩個(gè)相互正交的載波構(gòu)成,，每個(gè)載波被一組離散的振幅{Am），{Bm）所調(diào)制,，故稱(chēng)這種調(diào)制方式為正交振幅調(diào)制,。式中T為碼元寬度，m=1,，2,，…，L,，L為Am和Bm的電平數(shù),。MQAM中Am和Bm振幅可以表示成：

　　式中：A是固定的振幅，dm,，em由輸入數(shù)據(jù)確定,，dm，em決定了已調(diào)MQAM信號(hào)在信號(hào)空間中的坐標(biāo)點(diǎn),。在調(diào)制過(guò)程中,，載波的振幅與相位都發(fā)生了變化，因此,，已調(diào)信號(hào)矢量星座圖中每一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)代表了一種編碼組合,，同時(shí)也代表了正交信號(hào)矢量合成后的不同的相位及電平，第i個(gè)信號(hào)可用數(shù)學(xué)描述為：

　　因此每一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)也由Ai和φ i惟一確定,。

　　3 64QAM調(diào)制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　圖1給出了全數(shù)字實(shí)現(xiàn)的64QAM調(diào)制器的電路原理結(jié)構(gòu),。除D／A變換外，每個(gè)功能模塊都用FPGA實(shí)現(xiàn),。擾碼,、串并轉(zhuǎn)換和差分編碼采用原理圖的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，電平轉(zhuǎn)換及星座圖映射采用查表法（LUT）進(jìn)行設(shè)計(jì),。本設(shè)計(jì)的難點(diǎn)為成形濾波器和基于DDS的正交調(diào)制器實(shí)現(xiàn),，下面重點(diǎn)描述成形濾波器和基于DDS的正交調(diào)制器的實(shí)現(xiàn)方法。

　　一塊DDS芯片中主要包括頻率控制寄存器,、高速相位累加器和正弦計(jì)算器三個(gè)部分（如Q2220）,。頻率控制寄存器可以串行或并行的方式裝載并寄存用戶(hù)輸入的頻率控制碼；正弦計(jì)算器則對(duì)該相位值計(jì)算數(shù)字化正弦波幅度（芯片一般通過(guò)查表得到）,。DDS芯片輸出的一般是數(shù)字化的正弦波,，因此還需經(jīng)過(guò)高速D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器才能得到一個(gè)可用的模擬頻率信號(hào)。

　　3.1 成形濾波器的設(shè)計(jì)

　　為了讓信號(hào)在帶限的信道中傳輸,，提高頻譜利用率,，通常在發(fā)送端把信號(hào)經(jīng)過(guò)成形濾波器進(jìn)行帶限，由此就會(huì)引入碼間干擾,。為有效地減少碼間干擾,，按照最佳接收理論，收發(fā)基帶濾波器應(yīng)共軛匹配,，設(shè)計(jì)時(shí)收發(fā)基帶濾波器采用均方根升余弦滾降濾波器即能滿足要求,。

　　在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中采用具有線性相位的FIR濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)均方根升余弦滾降特性的成形濾波器。一個(gè)N階FIR濾波器的差分方程表達(dá)式為：

　　線性相位的FIR濾波器的系數(shù)是偶對(duì)稱(chēng)或奇對(duì)稱(chēng)的,，利用系數(shù)的對(duì)稱(chēng)性可減少乘法器的數(shù)量,，本系統(tǒng)采用N為偶數(shù)且系數(shù)偶對(duì)稱(chēng)的線性相位的FIR濾波器。濾波器系數(shù)是一個(gè)固定的值,，根據(jù)均方根升余弦的沖擊響應(yīng)特性,，利用Matlab軟件可直接生成FIR數(shù)字濾波器系數(shù)hk（k=0，1,，…,，N-1）。所以濾波器的乘法都是固定系數(shù)的乘法,。

　　本設(shè)計(jì)采用分布式算法（DA）原理,，利用FPGA查找表代替乘法器來(lái)實(shí)現(xiàn)FIR濾波器，其基本思想如下：

　　假設(shè)輸入信號(hào)數(shù)據(jù)位為B位,，則濾波器在n時(shí)刻的第k個(gè)輸入為：

　　從式（5）可以看出,，F(xiàn)IR濾波器中乘加單元的運(yùn)算是算法核心。如果建立一個(gè)查找表（Look Up Table,，LUT）,，表中數(shù)據(jù)由所有固定系數(shù)（h0，h1,，…,，hN-1）的所有加的組合構(gòu)成（和用sumb表示，6∈『0,，B-1』）,，那么，用N位輸入數(shù)據(jù)構(gòu)成的N位地址去尋址LUT,，如果N位都為1,，則LUT的輸出是N位系數(shù)的和，如果N位中有0,，則其對(duì)應(yīng)的系數(shù)將從和中去掉,。這樣乘加運(yùn)算就變成了查表操作,。整數(shù)乘以2b可以通過(guò)左移6位實(shí)現(xiàn)。

　　對(duì)于本系統(tǒng),，碼元速率為25.92 Mbaud,，滾降系數(shù)選取為0.5，抽頭個(gè)數(shù)取N=16,，抽頭系數(shù)精度取10 b,，輸入數(shù)據(jù)為4 b，輸出精度取9 b,。仿真結(jié)果如圖2所示,。

　　從圖2可以看出：碼元速率為25.92 Mbaud的基帶信號(hào)經(jīng)成形濾波后，頻譜被限制在20 MHz范圍內(nèi),。

　　3.2 正交調(diào)制器的設(shè)計(jì)

　　本實(shí)驗(yàn)裝置主要由波形產(chǎn)生電路以及正交調(diào)制電路兩個(gè)模塊組成,。硬件方面主要使用了單片機(jī)和FPGA兩種可編程的器件聯(lián)合實(shí)現(xiàn)的，單片機(jī)處理開(kāi)關(guān)掃描和顯示電路,，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)波形產(chǎn)生與輸出選擇,，具有很大的靈活性和開(kāi)放性。

　　本實(shí)驗(yàn)裝置的單片機(jī)選用的是Atmel公司的單片機(jī)AT89C55WD,，單片機(jī)的數(shù)據(jù)地址復(fù)用口P0全部與FPGA相連,，此外地址的高三位線也與FPGA相連，這主要是為了讓FPGA承擔(dān)為單片機(jī)地址譯碼選通外設(shè)的作用,。單片機(jī)的WR,、RD和ALE也與FPGA相連，這是為了保證單片機(jī)與FPGA的通信時(shí)的時(shí)序問(wèn)題,。單片機(jī)的IO口P1口的8個(gè)I/O口全部接到開(kāi)關(guān)上,，使用獨(dú)立式按鍵結(jié)構(gòu)中的查詢(xún)方式。按鍵輸入低電平有效,，上拉電阻保證按鍵斷開(kāi)時(shí),，I/O口為高電平?！?/p>

　　本實(shí)驗(yàn)裝置使用四只數(shù)碼管作為顯示,，選用共陰電路。因單片機(jī)的I/O口有限,，故使用串行移位寄存器74HC595串行連接以控制顯示器的顯示輸出,。在單片機(jī)只需要用三個(gè)I/O口分別與74HC595的14（SER）腳，11（SRCLK）腳和12（RCLK）腳,。鑒于篇幅限制,，只畫(huà)了兩片74HC595和LED，實(shí)現(xiàn)電路中是四片（74HC595的工作時(shí)序以及工作狀態(tài)參見(jiàn)相關(guān)資料）。

　　經(jīng)成形濾波后的兩路基帶信號(hào)分別對(duì)DDS（DirectDigital Synthesizer）產(chǎn)生的兩路正交的載波進(jìn)行調(diào)制,，然后進(jìn)行矢量相加形成調(diào)制信號(hào)輸出,。

　　DDS的基本原理是利用采樣定理，利用查找表法產(chǎn)生波形,。相位累加器是DDS系統(tǒng)的核心部分,，每來(lái)一個(gè)時(shí)鐘脈沖，累加器將頻率控制字M與相位寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加,，把相加后的結(jié)果送至相位寄存器的數(shù)據(jù)輸入端；相位寄存器將累加器在上一個(gè)時(shí)鐘作用后所產(chǎn)生的新相位數(shù)據(jù)反饋到累加器的輸入端,，以使累加器在下一個(gè)時(shí)鐘的作用下繼續(xù)與頻率控制數(shù)據(jù)相加,。當(dāng)累加器累加滿量時(shí)就會(huì)產(chǎn)生一次溢出，完成一個(gè)周期性的動(dòng)作,，這個(gè)周期就是DDS合成信號(hào)的一個(gè)頻率周期,，累加器的溢出頻率就是DDS輸出的信號(hào)頻率。

　　用相位累加器輸出的數(shù)據(jù)作為波形存儲(chǔ)器（ROM）的相位取樣地址,，這樣就可以把存儲(chǔ)在波形存儲(chǔ)器內(nèi)的波形抽樣值經(jīng)查找表查出,，完成相位到幅值轉(zhuǎn)換。ROM設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題是進(jìn)行初始化,，就是將正弦波的二進(jìn)制幅度碼按一定的格式輸入到存儲(chǔ)器初始化（,。mif）文件，此文件可以C語(yǔ)言或者M(jìn)atlab語(yǔ)言程序生成,。

　　DDS系統(tǒng)輸出信號(hào)的頻率為f0=fclk×M／2N,，頻率分辨率為△f=fclk／2N，當(dāng)M=2N-1時(shí),，DDS最高的基波合成頻率為f0max=fclk／2,。對(duì)于本系統(tǒng)，時(shí)鐘頻率fclk=155.520 MHz,，N取12,。仿真結(jié)果如圖4所示?！　?/p>

　　4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

　　根據(jù)以上各模塊單元的設(shè)計(jì),，構(gòu)成64QAM調(diào)制器的頂層文件如圖5所示。運(yùn)用QuartusⅡ及Matlab軟件實(shí)現(xiàn)64QAM調(diào)制器仿真,，仿真結(jié)果如圖6所示,。

　　仿真可以按不同原則分類(lèi)：①按所用模型的類(lèi)型分為物理仿真、計(jì)算機(jī)仿真,、半實(shí)物仿真,；②按所用計(jì)算機(jī)的類(lèi)型（模擬計(jì)算機(jī)、數(shù)字計(jì)算機(jī)、混合計(jì)算機(jī)）分為模擬仿真,、數(shù)字仿真和混合仿真,；③按仿真對(duì)象中的信號(hào)流分為連續(xù)系統(tǒng)仿真和離散系統(tǒng)仿真；④按仿真時(shí)間與實(shí)際時(shí)間的比例關(guān)系分為實(shí)時(shí)仿真,、超實(shí)時(shí)仿真和亞實(shí)時(shí)仿真,；⑤按對(duì)象的性質(zhì)分為宇宙飛船仿真、化工系統(tǒng)仿真,、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)仿真等,。

　　5 結(jié)語(yǔ)

　　本文介紹了用FPGA實(shí)現(xiàn)全數(shù)字高階QAM調(diào)制器的思想和方法，采用原理圖和Verilog語(yǔ)言,，用可編程芯片StratixⅡ系列中的EP2S30F484C3實(shí)現(xiàn)了整個(gè)設(shè)計(jì),，結(jié)果表明符合設(shè)計(jì)要求。為進(jìn)一步的研究和設(shè)計(jì)全數(shù)字高階QAM系統(tǒng)打下了良好的基礎(chǔ),。