毕业设计（论文）-QAM的FPGA实现.doc

桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 41页 共41 页引言数字振幅调制、数字频率调制和数字相位调制是数字调制的基础，然而，这3种数字调制方式都存在不足之处。如频谱利用率低、抗多径衰落能力差、功率谱衰减慢、带外辐射严重等。为了改善这些不足，几十年来人们不断提出一些新的数字调制解调技术，以适应各种通信系统的要求。其主要研究内容围绕减小信号带宽以提高频谱利用率，提高功率利用率以增强抗干扰性能等。正交幅度调制解调(quadrature amplitude modulation and demodulation)就是一种高效的数字调制解调方式，他在中、大容量数字微波通信系统、有线电视网络高数据传输、卫星通信等领域被广泛应用。全套设计加扣3012250582 在移动通信中，频率利用率一直是一个关键问题。如果不考虑小区分裂，也就是说在不增加基站设备的前提下，为了使每信道能负载更多的用户，就必须从两方面着手：其一，采用更先进的调制技术，提高频谱利用率；其二，采用码率更低的语音编码技术，使一定的调制码速率能传输更多路话音。频率利用率很高的正交振幅调制QAM(QuandratiVe Amplitude Modulation)，用M16QAM(Multiple16Point Quan山ative Amplitude Modulation)16点阵正交调幅，可实现在25kHz信道中传64kbits，其频谱利用率高达2.56bitHzS。EDA在教学、科研、产品设计与制造等各方面都发挥着巨大的作用。在教学方面，几乎所有理工科（特别是电子信息）类的高校都开设了EDA课程。主要是让学生了解EDA的基本概念和基本原理、掌握用HDL语言编写规范、掌握逻辑综合的理论和算法、使用EDA工具进行电子电路课程的实验并从事简单系统的设计。 在产品设计与制造方面，包括前期的计算机仿真，产品开发中的EDA工具应用、系统级模拟及测试环境的仿真，生产流水线的EDA技术应用、产品测试等各个环节。如PCB的制作、电子设备的研制与生产、电路板的焊接、ASIC的流片过程等。从应用领域来看，EDA技术已经渗透到各行各业，如上文所说，包括在机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域，都有EDA有应用。另外，EDA软件的功能日益强大，原来功能比较单一的软件，现在增加了很多新用途。如AutoCAD软件可用于机械及建筑设计，也扩展到建筑装璜及各类效果图，汽车和飞机的模型、电影特技等领域。1 Quartus II 软件QuartusII 设计软件充分发挥了FPGA、CPLD和结构化ASIC的效率和性能，提供多种设计特性，加速设计过程：渐进式编译缩短了设计周期 SOPC Builder系统级设计 MegaWizard插件管理器，迅速方便的集成多种知识产权(IP)内核 功耗分析工具，满足严格的功率要求 存储器编译器功能，轻松使用嵌入式存储器 Quartus II软件帮助您建立并实现FPGA、CPLD和结构化ASIC设计，具有无与伦比的性能，使您能够将产品尽快推向市场。Quartus II软件支持VHDL和Verilog硬件描述语言(HDL)设计输入、图形设计输入方法以及集成的系统级设计工具。Quartus II软件将设计、综合、布局布线和验证功能以及第三方EDA工具无缝集成到一起。1.1 编译增强特性提高设计效率Quartus II编译增强特性为高密度FPGA提供最高效的增强设计方法。该易于使用的编译增强功能为业界首次实现，将设计编译时间缩短了近70，设计人员可以针对独立的设计分区进行优化，对于没有改动的分区则保留其性能不变，从而提高时序逼近效率。SOPC Builder使您能够将精力集中于用户逻辑设计上，无需手动完成系统集成任务，从而提升系统性能。Altera Quartus II设计软件的所有版本均含有SOPC Builder系统生成工具。Altera MegaWizard Plug-In Manager 可以方便的参数化、例化IP功能，减少设计输入时间，提高设计性能。您可以结合Quartus II软件以及Altera和AMPP合作伙伴IP Megafunction中的参数化模块库 (LPM) 来使用MegaWizard Plug-In Manager。1.2 在设计周期的早期就对I/O引脚进行分配和确认 Quartus II软件可以进行预先的I/O分配和确认 的操作(无论顶层的模块是否已经完成)，这样就可以在整个设计流程中尽早开始印刷电路板（PCB）的布线设计工作。同样，设计人员可以在任何时间对引脚的分配进行修改和确认，无需再进行一次设计编译。软件还提供各种分配编辑的功能，例如选择多个信号和针对一组引脚同时进行的分配修改等，所有这些都进一步简化了引脚分配的管理。1.3 功率分析和优化Quartus II软件PowerPlay技术可以使您对动态和静态功耗进行精确的分析和优化。PowerPlay功率分析功能生产详细的报告，指明哪种器件结构甚至是设计层次模块消耗了最大的热量。1.4 存储器编译器用户可以使用Quartus II软件中提供的存储器编译器的功能对Altera FPGA中的嵌入式存储器进行轻松管理。Quartus II软件的4.0版本和后续版本都增加了针对FIFO和RAM读操作的基于现有设置的波形动态生成功能。1.5 支持CPLD、FPGA和基于HardCopy的ASIC除了CPLD和FPGA以外，Quartus II软件还使用和FPGA设计完全相同的设计工具、IP和验证方式支持HardCopy结构化ASIC。在业界首次允许设计工程师通过易用的FPGA设计软件来进行结构化的ASIC设计，并且能够对设计后的性能和功耗进行准确的估算 。1.6 使用全新的命令行和脚本功能自动化设计流程用户可以使用命令行或Quartus II软件中的图形界面（GUI）独立运行Quartus II软件中的综合、布局布线、时序分析以及编程等模块。除了提供Synopsys设计约束(SDC)的脚本支持以外，Quartus II软件中目前还包括了易用的工具命令语言 (Tcl)界面，允许用户使用该语言来创建和定制设计流程和满足用户的需求。Quartus II手册的脚本和约束输入部分提供了更加详细的信息。1.7 Quartus II的功能特性Quartus II软件提供详细的教程，覆盖从工程创建、普通设计、综合、布局布线到验证等在内的各种设计任务。Quartus II软件包括如何将MAX+PLUS II软件工程转换成为Quartus II软件工程的教程。Quartus II软件还提供附加的高级教程，帮助技术工程师快速掌握各种最新的器件和设计方法。1.8 QuartusII 综合QuartusII 软件包括全面集成的系统综合解决方案，且与业界领先的第三方综合软件供应商的产品进行了集成。Quartus II软件携手Altera的第三方合作伙伴Mentor Graphics、Synopsys和Synplicity让设计人员在最短的时间内通过Altera的器件获得最佳的设计性能。Quartus II软件用户能够利用其集成支持HDL 1987、VHDL 1993、Verilog-1995和Verilog-2001标准以及Altera的AHDL和原理图（框图设计文件）设计输入的优势。Quartus II软件包括一些高级综合选项和编译指示（属性），指导综合过程获得最优的结果。在Quartus II软件4.1及以后版本中还提供了一个新的多路复用优化选项，能够充分利用Altera FPGA架构特性的优势，减小20的器件面积耗用，从而能够将设计放入较小的器件中以节省成本。Altera与第三方的综合软件合作伙伴紧密协作，确保他们能够为新的Altera器件系列和新的Quartus II 软件特性提供及时的支持。使用Altera 第三方综合软件合作伙伴所提供的各种软件，设计人员将从各种高级的Altera器件功能特性中受益，例如Stratix II数字信号处理(DSP)块和TriMatrix存储器模块。设计人员可以在他们的硬件描述语言（HDL）的编程中直接使用这些功能特性，以灵活运用Quartus II软件的高级功能特性。新的 Quartus II软件寄存器传输级（RTL）查看器功能（如图1.1所示）提供了一个针对设计的原理图RTL查看视图，可用于在执行后续的行为级仿真、综合和布局布线等步骤之前分析设计结构。RTL查看器允许设计人员浏览设计的层次，轻松地定位感兴趣的特定节点，有助于调试和优化。在RTL查看器中选择节点可以直接回溯到源设计文件。 图1.1 Quartus II RTL浏览器新的技术映射查看器功能可以在综合之后更细致的调试设计。这是通过查看设计实现逻辑映射到Altera器件原型中的逻辑表示来完成的。一旦装配和时序分析步骤执行后，关键的时序路径信息将突出显示，交叉参考回设计源文件、平面图编辑器或Quartus II芯片编辑器进行设计优化。第一代Cyclone FPGA是在2002年12月份推出的。从那以后，已向全球数千位不同的客户交付了数百万片，成为Altera历史上采用最快的产品。Cyclone系列FPGA是基于成本优化的，全铜工艺的1.5V SRAM工艺，相对竞争对手的FPGA，仅一半的成本，依然提供的强大的功能。最高达20，060个逻辑单元和288K位的RAM，除此之外，Cyclone系列的FPGA还集成了许多复杂的功能。Cyclone系列FPGA提供了全功能的锁相环（PLL），用于板级的时钟网络管理和专用I/O接口，这些接口用于连接业界标准的外部存储器器件。Altera的NiosII系列嵌入式处理器的IP资源也可以用于Cyclone系列FPGA的开发。更低的价格更大的容量器件系列显然是FPGA市场上低成本的领导者。Cyclone容量是以往低成本FPGA系列的四倍，每千个LE的批量价格低于1.50美元，它成为编程逻辑新的定价标准。图2是单位逻辑单元价格趋势和Altera低成本FPGA的最大容量产品。低成本结构和Cyclone FPGA丰富的器件资源相结合，能够实现完整的可编程芯片系统（SOPC）方案，成为大批量应用的理想选择。Cyclone FPGA为目前使用中小规模ASIC应用的下一代产品提供了一种低成本方案。现今的系统设计者面临着诸多挑战，包括成本增加的压力和设计复杂性、新兴标准和设计周期缩短等。ASIC开发涉及众多的工程资源，设计仿真和验证，通常需要多次流片。Cyclone FPGA系列具有系统的集成能力，从而免除了ASIC设计相关的昂贵的流片（NRE）费用、最小订货量（MOQ）和产品延期的风险。采用Cyclone FPGA，系统设计者能够获得一个和ASIC相比价格上旗鼓相当的可编程方案，满足大批量应用的需求传统的可编程逻辑器件开发技术首先将芯片的硬件架构最优化，然后回头开发软件工具链用以支持这个架构。Altera采用Quartus II 软件塑造工具和独特的Altera开发器件塑造工具，基于上千种不同的器件和软件算法参数进行实验。采用这些信息，Altera可以同时进行芯片架构的开发优化和软件支持。这种工艺使得Altera可以采用新型，创新的逻辑结构来开发 Stratix II 器件，这种逻辑结构提供了比其他同类FPGA更高的性能，更高的密度和更低的成本。由于同时进行芯片和软件开发过程，在芯片开发完成之前就可以获得对Stratix II器件的高性能软件支持。Stratix II 器件提供最大180K等效逻辑单元（LE），是Stratix 器件密度的两倍，远远大于任何其他与其竞争的FPGA。唯一的FPGA供应商提供的集成物理综合技术，Quartus II 软件包括唯一的FPGA供应商提供的集成物理综合优化技术。Quartus II物理综合选项应用在编译的布局布线阶段，而与采用了何种综合工具无关。 更快的时序逼近，Quartus II 软件用户能够利用强大的时序逼近流程特性来优化设计，使其超过按键式编译结果的性能。Quartus II软件的时序逼近流程由于其包含了内置物理综合工具以及丰富的图形分析和编辑工具，提供无与伦比的交互探测能力，使其具有极大的吸引力。 最易使用的设计优化技术，Quartus II软件采用按键式设计流程，满足了大部分设计的时序要求。当设计人员进一步需要超过按键式编译结果性能的时候，Quartus II软件现在提供一些高级工具，可以轻松地优化设计：设计空间搜索器（DSE） (PDF) 采用自动技术，使寄存器到寄存器fMAX设计性能平均提高21。时序优化顾问工具 在Quartus II软件内给设计人员提供了一个虚拟的现场应用工程师。这个工具基于当前设计工程设置和约束，提供详细的优化设计时序性能的建议。实现后期设计更改的同时保持性能可编程逻辑设计软件的一个传统困难是，当引入后期设计更改的时候，如何保持设计的性能。然而，Quartus II软件能够轻松地实现后期设计更改。最新的精致的增量式设计编辑和编译技术给设计人员提供了布局布线后设计更改的最佳支持。这些技术包括：Quartus II 芯片编辑器 ;在LogicLock 区域中实现布局布线锁定的能力 。 唯一提供并行开发FPGA和结构化ASIC，只有Quartus II软件提供FPGA设计和结构化ASIC设计之间的无缝移植。Quartus II软件能够编译HardCopy Stratix 器件，从而提供了高性能低成本器件的解决方法。HardCopy Stratix结构化ASIC提供了比Stratix FPGA和Virtex-II Pro FPGA平均提高50的性能，进一步加强了Stratix器件系列130nm性能的领先性。2 数字调制技术数字调制技术数字调制技术与模拟调制相比，其原理并没有什么区别。数字调制是用载波信号的某些离散状态来表征所传送的信息，在接收端也只要对载波信号的离散调制参量进行检测。因此数字调制信号也称键控信号。2.1 数字调制的优点数字式调制具有采用微处理器的模拟调制方式的所有优点，通讯链路中的任何不足均可借助于软件根除，它不仅可实现信息加密，而且通过误差校准技术，使接收到的数据更加可靠，另外借助于DSP，还可减小分配给每个用户设备的有限带宽，频率利用率得以提高。2.2 数字调制的基本形式数字调制的三种基本形式：1、移幅键控法ASK2、移频键控法FSK3、移相键控法PSK。 图2.1 ASK，FSK，PSK波形图2.3 数字调制的三种形式1、在ASK方式下，用载波的两种不同幅度来表示二进制的两种状态。2、在FSK方式下，用载波频率附近的两种不同频率来表示二进制的两种状态。3、在PSK方式下，用载波信号相位移动来表示数据。2.4 QPSK调制技术QPSK调制技术利用数字信号对四个同频、相位相差/2的正弦波进行控制、不断切换合成调相波。它是一种四进制的相位键控调制方式，可以看成是两正交的二相调制合成。与PSK相比，QPSK载波的频带利用率提高了一倍。调制器输入的数据是二进制数字序列，为了能和四进制的载波相位配合起来，则需要把二进制数据变换为四进制数据，这就是说需要把二进制数字序列中每两个比特分成一组，共有四种组合，即00，01，10，11，其中每一组称为双比特码元。每一个双比特码元是由两位二进制信息比特组成，它们分别代表四进制四个符号中的一个符号。QPSK中每次调制可传输2个信息比特，这些信息比特是通过载波的四种相位来传递的。解调器根据星座图及接收到的载波信号的相位来判断发送端发送的信息比特。表2.1 双比特码元与载波相位的关系QPSK星座图数字调制用用“星座图”来描述，星座图中定义了一种调制技术的两个基本参数，信号分布与调制数字比特之间的映射关系。星座图中规定了星座点与传输比特间的对应关系。这种关系称为“映射”，一种调制技术的特性可由信号分布和映射完全定义，即可由星座图来完全定义。图2.2 QPSK星座图 图2.3 矢量图2.5 PSK调制与解调原理 2PSK,二进制移相键控方式，是键控的载波相位按基带脉冲序列的规律而改变的一种数字调制方式。就是根据数字基带信号的两个电平(或符号)使载波相位在两个不同的数值之间切换的一种相位调制方法。表达式为：Spsk=ASdig(T)cos(W0t+) （2.1） 式中：Sdig(T)=1或-1 产生PSK信号的两种方法： (1)调相法：将基带数字信号（双极性）与载波信号直接相乘的方法： (2)选择法：用数字基带信号去对相位相差180度的两个载波进行选择。 （a）模拟相乘法 （b）数字键控法图2.4 PSK调制框图调制的波形如下： 图2.5 二进制移相键控信号波形2PSK信号的解调通常都是采用相干解调，解调器原理图如图2.6所示。在相干解调过程中需要用到与接收的2PSK信号同频同相的相干载波，图2.6 2PDK信号的解调原理2PSK信号相干解调各点时间波形如图3.7所示。当恢复的相干载波产生180度。倒相时，解调出的数字基带信号将与发送的数字基带信号正好是相反，解调器输出数字基带信号全部出错。这种现象通常称为“倒”现象。由于在2PSK信号的载波恢复过程中存在着180度的相位模糊，所以2PSK信号的相干解调存在随机的“倒现象。波形如下：图2.7 2PSK信号相干解调各点波形解决“倒”现象的方法就是采用DPSK调制，解调。2DPSK方式是利用前后相邻码元的相对载波相位值去表示数字信息的一种方式。即用前后两个码元之间相差来表示码元的值“0”和“1”。例如，假设相差值“”表示符号“1”，相差为“0”表示符号“0”。 2DPSK的波形与2PSK的不同，他们的同一相位并不对应相同的数字信息符号，而前后码元相对相位差才表示信息符号。这说明，解调2DPSK信号是并不依赖于某一固定的载波相位参考值，只要前后码元的相对相位关系不破坏，则只要鉴别这个相差关系就可正确恢复数字信息，这就避免了2PSK中的倒现象发生。2.5.1 PSK调制信号的功率普密度和带宽一般情况下二进制移相键控信号的功率谱密度由离散谱和连续谱所组成，其结构与二进制振幅键控信号的功率谱密度相类似，带宽也是基带信号带宽的两倍。当二进制基带信号的“1符号和“0”符号出现概率相等时，则不存在离散谱。2PsK信号的功率谱密度如下图所示。图2.8 PSK信号的功率谱可见，二进制相移键控信号的频谱成分与2ASK信号相同，当基带脉冲幅度相同时，其连续谱的幅度是2ASK连续谱幅度的4倍。当P1/2时，无离散分量，此时二相相移键控信号实际上相当抑制裁波的双边带信号了。信号带宽为 B2psk2Bb2fb (2.2) 与2ASK相同，是码元速率的两倍。3 QAM原理随着移动用户数量的不断增加和人们对图像等多媒体信息的通信要求，传统通信系统的容易已经越来越不能满足要求，而可用频谱资源有限，也不能靠无限增加频道数目来解决系统容易问题。确定一种高频谱利用率的调制方案能在很大程度上解决这一问题。多电平正交振幅调制（Multilevel Quadrature Amplitude Modulation）是一种具有高频谱利用率的调制技术。在无线通信中，它可以根据信道的衰落程度、信道流量等参数动态改变调制方式，提高信道利用率和信息传输速率。这种高效的数据传输方式实现的关键是FIR（Finite Impulse Response）滤波器和数字混频器的设计，它们通常限制了调制器的速率。单独使用振幅和相位携带信息时，不能最充分利用信号平面，这可由矢量图中信号矢量端点的分布直观观察到。多进制振幅调制时，矢量端点在一条轴上分布；多进制相位调制时，矢量点在一个圆上分布。随着进制数M的增大，这些矢量端点之间的最小距离也随之减少。但如果充分利用整个平面，将矢量端点重新合理地分布，则可能在不减小最小距离的情况下，增加信号的端点数。基于上述概念引出的振幅与相位结合的调制方式被称为数字复合调制方式，一般的复合调制称为幅相键控（APK），2个正交载波幅相键控称为正交振幅调制（QAM）。3.1 QAM调制解调原理它是2个已调正交载波信号的和。在电路实现中，正交载波sinct可用同相载波cosct经移相/2后得到，所以取负号。g(t)为系统的单位脉冲响应，取幅度为1，,分别表示所要传输的2路多电平信号第k个码元的值，Ts是一个码元的持续时间，c是载波角频率。在2ASK系统中，其频带利用率是（1/2）b/s/Hz。若利用正交载波技术传输ASK信号，可使频带利用率提高一倍。如果再把多进制与正交载波技术结合起来，还可进一步提高频带利用率。能够完成这种任务的技术称为正交振幅调制（QAM）。QAM是用两路独立的基带信号对两个相互正交的同频载波进行抑制载波双边带调幅，利用这种已调信号的频谱在同一带宽内的正交性，实现两路并行的数字信息的传输。该调制方式通常有二进制QAM（4QAM）、四进制QAM（l6QAM）、八进制QAM（64QAM）、 ，对应的空间信号矢量端点分布图称为星座图，如图3.1（a）所示，分别有4、16、64、个矢量端点。由图3.1（b）可以看出，电平数和信号状态之间的关系是。对于4QAM，当两路信号幅度相等时，其产生、解调、性能及相位矢量均与4PSK相同。 （a）4QAM、l6QAM、64QAM星座图 （b）l6QAM信号电平与信号状态关系图3.1 QAM星座图QAM信号的同相和正交分量可以独立地分别以ASK方式传输数字信号。如果两通道的基带信号分别为和，则QAM信号可表示为 （3.1）式中 （3.2） （3.3） 上式为多进制码元间隔。为了传输和检测方便，和一般为双极性进制码元，例如取为1，3，（-l）等。通常，原始数字数据都是二进制的。为了得到多进制的QAM信号，首先应将二进制信号转换成进制信号，然后进行正交调制，最后再相加。图3.2，图3.3示出了产生多进制QAM信号的数学模型。图中由序列a1，a2，ak 组成，由序列b1，b2，bk 组成，它们是两组互相独立的二进制数据，经2/变换器变为进制信号和。经正交调制组合后可形成QAM信号。图3.2 QAM信号产生图3.3 QAM信号解调 图3.4 Pe-F关系曲线QAM信号采取正交相干解调的方法解调，其数学模型如图3.3所示。解调器首先对收到的QAM信号进行正交相干解调。低通滤波器LPF滤除乘法器产生的高频分量。LPF输出经抽样判决可恢复出电平信号和。因为和取值一般为1，3，（-l），所以判决电平应设在信号电平间隔的中点，即0，2，4，（-2）。根据多进制码元与二进制码元之间的关系，经/2转换，可将电平信号转换为二进制基带信号和。由于QAM信号采用正交相干解调，所以它的噪声性能分析与ASK系统相干解调分析类似。图3.4给出了几种系统的（平均归一化输入信噪比，即在所有码元间进行平均的归一化输入信噪比）关系曲线。由图可见，QAM系统的性能尚比不上QPSK系统，但频带利用率高于QPSK。因此，在频带受限系统中，它是一种很有发展前途的调制方式。在理想状态下，M-QAM的M个载波状态可以调制log2M个比特，如16QAM的载波状态最多可调制一个4b的信号(log216=4)，也就是说MQAM的频谱利用率为log2Mb/s/Hz。目前星座图里的样点数，例如16QAM，确定QAM的类型,16个样点表示这是16QAM 信号，星座图里每个样点表示一种状态。16QAM有16态，每log2M=4位规定16 态中的1态。16QAM中规定了16种载波幅度和相位的组合，16QAM的每个符号或周期传送4 b。解调器根据星座图及接收到载波信号的幅度和相位来判断发送端发送的信息比特。16QAM也是二维调制技术，在实现时也采用正交调幅的方式，某星座点在I坐标上的投影去调制同相载波的幅度，在Q坐标上的投影去调制正交载波的幅度，然后将2个调幅信号相加就是所需的调相信号。可见星座点数越大，在一个周期内可传送的数据比特数就越多，频谱利用率就越 高。16QAM,32QAM,64QAM,128QAM 的频谱利用率理论值分别为4,5,6,7(单位：b/s/Hz)。此处的频谱利用率理论值是指当传输信号的频谱为理想低通频谱时所实现的频谱效率，但在实际应用中达不到这一理论效率，因为在实际应用中传输信号通常采用升余弦滚降波形，他所实现的频谱效率要比理论效率下降一个滚降系数倍。16QAM,32QAM,64QAM,128QAM的星座图如图3.5所示。 图 3.5 星座图由图3.5可知，当M=16或64时星座图为矩形，而M=32或128时则为十字形。前者M为2的偶次方，即每个符号携带偶数个比特信息;后者M为2的奇次方，每个符号携带奇数个比特信息。每个符号可分解为x,y两个分量，常标为同相分量和正交分量，即I,Q分量。16QAM是正交移幅键控的一种调制方式，有很高的频道利用率。正交移幅键控信号是一种载波键控信号，它有同相和正交两路载波，以幅度键控方式独立地传送数字信息。它的复包络可以写成：。其中，是多电平基带信号，它们所带的数字信息是独立的，这是正交幅度键控区别于多相移相键控和连续相位键控的一个主要持征。若由四电平正交调幅形成幅度键控信号，其等效基带信号在复平面上的数目为16，称为16QAM(16个信号状态)。图3.6是16QAM信号矢量端点图，图中16个信号状态排成4x4方阵，每点表示一种状态，每一状态为一矢量(包括幅度与相位)。由图可见共有三种不同的幅度(标量)和12个不同的相位(每个象限有3个)。 图3.6 16QAM矢量图 式（3.2），（3.3）中的，可分别表示为 (3.4) (3.5)式中，为码元周期； 为矩形脉冲；，为双极性进制码并使之等间距，例如，。由于原始信息一般是二进制码，所以二进制数与多层幅度电平之间存在着变换问题，这种变换逻辑，称为电平逻辑。因此，多电平正交移幅键控信号可以展开成由若干个二电平正交移幅键控的线性组台，即 （3.6） （3.7）其中，是二进制码元，取值1。由式(4.1)(4.6)可得 （3.8）因式中每一项是QPSK等效基带信号的复包络，每次信号功率依次相差6dB，因此多电平正交移频键控信号可用若干四相相位键控组合而成。正交振幅调制的一般表达式为： Y(t)Amcoswt十Bmsinwt，0tT （3.9）上式由两个相互正交的载波构成，每个载波被一组离散的振幅Am 、Bm所调制，故称这种调制方式为正交振幅调制。式中，T为码元宽度，m1，2M；M为Am和Bm的电平数。QAM中的振幅Am和Bm可以表示成 ； （3.10） 式中A是固定的振幅，(dm，em)由输人数据确定，(dm，em)决定了已调QAM信号在信号空间中的坐标点。在调制端，输入数据经串并转换分为两路，分别经过从2电平到L电平的转换，形成Am和Bm, 为了抑制已调信号的带外辐射，Am 和Bm还要经过预调制低通滤波器，才与载波相乘，最后将两路信号相加可得到已调输出信号Y(t)。在接收端，输入信号与本地恢复的两个正交载波相乘后，经过低通滤波、多电平判决、L电平到2电平转换，再经过并串变换就得到输出数据。上述表明调制方法可以分为正交调幅法和四相叠加法。正交调幅法 可得出正交调幅法的基本框图，如图3.7。 图3.7 正交调幅法的基本框图同相与正交两路 位二进制码组经电平变换电路转换成电平( )的基带信号，分别对同相载波与正交载波进行线性调制(即相乘运算)最后相加输出MQAM。图3.8示出了=2 =4输出16QAM信号的组成图。其相应的信号矢量端点图如图3.9所示，其中的、采用自然码电平逻辑，经正交调制得到16个信号矢量点，这些矢量点与4位二进制码()对应关系已在图中示出。 图3.8 信号矢量点四相叠加法 多电平正交幅度键控信号可以分解为若干个四相相位键控信号的线性组合。对于16QAM，式中的2，于是四相叠加法的组成图如图3.9所示。因在多电平信号进行检测并恢复成二进制码时，格雷码比自然码的误码性能好。因此，在相位键控前对二进制码作自然码/格雷码变换。图中所有的QPSK都用格雷码逻辑。 图3.9 四相叠加法输入数据序列经串并变换分成I,Q两路，再经2L电平变换及星座图映射，形成xk，yk。M为了抑制已调信号的带外辐射，xk，yk要通过预调制低通滤波器，再分别与相互正交的2路载波相乘，形成2路ASK调制信号，最后将2路信号相加就可得到不同幅度和相位的已调QAM输出信号。下面详细解释这部份的实现，MQAM信号共有M个信号点，代表一个M进制信号集。每个符号用n=log2M个比特表示。使用矩形星座图时，2路正交信号的电平代码可分别用n/2b表示若M=16或64，n=log2M=4或6,则I,Q两路的电平代码分别用2或3 b表示，L=2.2或2.3即4或8,经2L电平转换后I,Q两路输出的值分别由0，1，2，3或0，1，2，3，4，5，6，7组成。星座图映射完成的是将由0，1，2，3或0，1，2，3，4，5，6，7组成的数字序列分别转换成由-3，-1，1，3或-7，-5，-3，-1，1，3，5，7组成的数字序列。由此可见，I路取值电平数为，即x=1,3,，L-1。Q路的取值方法与x完全相同。具有十字形星座图的信号调制与具有矩形星座图的信号调制不同的是，输入数据序列不能先进行I,Q分路后做星座图映射，只能是先进行星座图映射,然后再I,Q分路。否则会导致某些失量端点无法扣除，即在32QAM中会有（5，5）这多余的4个点，在128QAM中会有（9，9），（9，11），（11，9），（11，11）这多余的16个点无法扣除。其实现如下：输入数据2L电平变换，L=log2M,对与32QAM或128QAM）而言，L为5或7），此时的输出值的范围为0，1，2，31或0,1,2，127)；32QAM星座图 映射完成将 0，1，2，31 这32个数字分别转换为32QAM星座图中的32个矢量端点的坐标，这些矢量点的实部和虚部分别由1，3，5组成，但不包括（5，5），（-5，-5），（5，-5），（-5，5）这4个矢量点。对于128QAM而言，则是将 0，1，2，127 这128个数字分别转 换为128QAM星座图中的128个矢量端点的坐标，这些矢量点的实部和虚部分别由1，3，5，7，9，11 组成，但不包括（9，9），（9，11），（11，9），（11，11）这16个矢量点。然后将得到的xk，yk通过预调制低通滤波器，再分别与相互正交的2路载波相乘，形成2路ASK调制信号，最后将2路信号相加得到不同幅度和相位的已调QAM输出信号。 正交调幅法只有两个载波，相位比较容易控制，但必须经过线性调制器，电路复杂。在微波传输中，多电平信号经过非线性射频功率放大器会引起畸变。为了避免引起的畸变，四相叠加法是一种可实现的方案。在微波频段上分别进行四相调制与功率放大，最后按一定功率比值叠加。由于四相相位键控信号是等幅信号，这就大大减少射频功放非线性的影响，甚至可以工作在饱和状态，提高功率效率，但必须严格控制两个四相信号的载波相位和功率的关系。解调器必须是一个正交相干解调器，经过解调，得到同相与正交两路独立的多电乎基带信号。关键是如何对多电平基带信号进行判决和检测。由于 （3.11） （3.12）其中， 取，用某个电平对，进行判决，判决结果，为 (3.13) (3.14)一般来说 ，对m电平送带信号要进行(m-1)次判决。下面以四电平的16QAM为例介绍如何对多电平基带信号进行判决并恢复出二进制码。 类似地将四进制的的值及 ，的格雷码及判决结果列在表3.3中，式中 ，为还原出的二进制码。表 3.3 判决结果+300000+101010-111110-310111 （3.15）用自然码电平逻辑还原出二进制码时，比格雷码电平逻辑需要进行更多的模2和运算。这说明在相同条件下，格雷码比自然码比待差错率低。此过程恰为调制的逆过程，他将输入信号分成2路分别与本地恢复的2个正交载波相乘，经过低通滤波器滤掉倍频分量得到x(t),y(t)，再根据本地恢复的时钟进行多电平判决，32QAM以4，2，0.5为判决电平，判决后得到一组由1,3，5组成的数据;128QAM以10，8，6，4，2，0.5为判决电平，判决后得到一组由1,3,5,7，9，11组成的数据然后进行I,Q合路以形成星座图；32QAM星座图反映射完成的是将32个矢量端点分别映射成为 0，1，2，31起对应关系，与映射时相同；128QAM星座图反映射完成的是将128个矢量端点分别映射成为 0，1，2，127起对应关系，与映射时相同；再经过L2电平转换和串并变换就可以得到输出数据序列。3.2 16QAM调制器模块的VHDL实现3.2.1 信号源模块 由上面的原理介绍，可以知道16QAM调制器的VHDL实现首先需要信号源，对于数字信号传输系统，传送的数字基带信号，由于载有的信息，在时间上往往是不平均的，对应的数字序列编码的特性不利于数字信号的传输；然后在接受端进行解扰操作，恢复到原来的信号。伪随机序列广泛应用于这类加扰，解