（信号与信息处理专业论文）基于fpga的edsl系统qam解调器的研究与实现.pdf

基于f p g a 的e d s l 系统q 铷解调器的研究与实现摘要e d s l 是以太网数字用户线( e t h e m e td i 酉t a ls u b s 嘶b e rl i n e ) 的简称，它的主要特点是利用现代调制解调技术在电话铜缆上直接进行口包的传送。t d d e d s l是我国具有自主知识产权的通信行业标准，它采用了比较先进的m 渊调制解调技术，本文根据此标准，基于f p g a 技术，对e d s l 传输系统接收端的信号解调部分进行了细致研究和部分实现。e d s l 系统接收端的全数字解调主要有定时恢复、载波恢复、自适应均衡三个关键环路以及匹配滤波器构成，针对e d s l 系统的特点，本文对它们分别做了详细的探讨：定时恢复采用了针对c i a m 信号解调改进的g a r d n e r 定时误差检测算法，分析了定时误差检测、环路滤波、数控振荡器和插值滤波器的理论和组成结构。其中，将插值滤波器与匹配滤波综合考虑，设计实现了一种新的应用分布式算法的多相结构匹配插值滤波器，仿真了模块功能。载波恢复采用鉴频鉴相( p f d ) 算法，考虑了e d s l 系统信道的特点，用此方法既能完成相位偏差的纠正也能完成频率偏差的纠正，讨论了此算法的原理，并对算法模型进行了仿真。自适应均衡采用最小均方( s ) 算法，分析了删信号中应用的复数l ，m s 算法原理和线性u m s 自适应均衡器的结构，讨论了【m s 算法及其变化的s 盟l m s 算法的区别，并给出两种算法在q a m 信号解调中的性能仿真，考虑f p g a 实现，选择了s 皿l m s 算法，并实现了一种用位操作代替乘法运算进行抽头系数更新的模块，仿真了可行性。本文运用m a t l a b s i m u l i n k 做算法验证，用越t e r a 公司算法级f p g a 开发工具d s pb u i l d e r 进行实现并基于s i m u l i n i 【环境进行仿真。这种方法简化了f p g a开发的流程，便于分析、仿真、实现，是一种较新的应用f p g a 实现信号处理的方法。本文在结尾提出了一些算法改进及实现的设想，为下一步整个系统的实现提出了参考意见。关键词：e d s l ；q 触垤解调；定时恢复；载波恢复；自适应均衡r e s e a r c ha n di m 】l e m e n t a t i o no fq a md e m o d u l a t o ri ne d s ls y s t e m sb a s e do nf p g aa b s t r a c t固s l 主s 龇曲删a 妇妇e 搬e m e d i 菩斌s 曲酬b 数弛锡遮璐妇a 耄哦主sd 讯蛾t r a n s m i s s i o no f 礤p a c k a 萨si np h o n e1 i i l eb yu s i n gm o d e mm o d e mt 。c h o l o g y 仞d e d s li sas t a 致渤砖o f m m 滟i c a l i 强硼挂s 奶r 哦氇i n d e p e 珏如贰i m e l 重e c l l a 耋p r o p e n yr i g h t so fc h m ，删c ha d o p t sa d v a 】搬dm q a mt o c l m o l o g y a c c o r d 崦t 0t h es t a n d a r d ，t h i sp 印e rs t u d i e s 跹dp 甜l yi m p l e m e n t st h es i 髓a l sd e m o d u l a t i o np a r to fr e c e i v c ri ne d s lt r a n s m i s s i o ns y s t e m n em a t c h 丘l t c ra n dt h r e ek e y1 0 0 p s s u c h 舔t 沥i n g 砌v e 巧1 0 0 p ，c a 玎i e r黝。i 阿e 搿l o 印稚d 耐礞l i v ee q u 鑫l i z i 藏gb o p n s 蛀倦e s 绣ew h o kd i 委越d e 璎醴毽l a l 甜i nt h er c c e i v e ro fe d s ls y s t e m f o rt h ec h a r a c t e r i s t i c so fe d s ls y s t e m s ，t h ep a p c rd i s c u s s 舔t k s es 缘l c 耄联e st 聚静疆曲l y 纛l l ds e p e f 鑫e l 弦t h et i m i n gr e c o v e 巧1 0 0 pu s e sam o d i f i e dg a r d n e r st 妇i n gc r r o rd e t e c t o ra l g o r i t h l nf ；d rc ! a 雠s i 驴a 薹硒。ep a p e ra n a l y z c st h et h e o f ya n dt h cs t n l c t l r eo ft i i i l i n ge r r o fd e t e c t i o 粕蛔p 趔t e r ，n u m b 科c o n t r d l e do s c i l l a l o r 跹d 血e r p o l a t e 丘h e r ri n 仃0 d u c c san e wd e s i 萨o f i l t e r 赫c hc o m b i n et h em a t c h 丘l t e ra n dt l l ei n t e q p o l a t e越救t o g e a l c f 娃dh 鑫v e 曩l c 撤。劂。燃醴蛾e 趣。弧e 如s i 萨毽s 锚正s 渤珏童 堪a r i t h m e t i ca n dp o l y p h a s es 仃u c 衄e ，髓dt h e 凡n c i o no f 也ed e s i 弘i ss i l n u la _ t e df 羚文l 弘t h ec a r r i e rr e c 0 v e 巧l o o pu s c sp h 鹬e 龃df r e q u e n c yd e t e c t i o nm e t h o d f o rn s 主d e r 主n gt 蠢ef e a t u 聆o f 醢锄e l ：i 琏王s lt 捌嘲致i s s i s y s t c i 鹞僦c 雒饿娥b o 也0 ft h ep h 醚ee 玎( ra n dt h e & q u e n c ) re 渤r t h ep a p e rm s c u s s e st h ej c h e o 巧o ft h i sm e t h o da 】n ds i m u l a t e st h em o d e lo fp f d 弧ek a s m e a ns q u a r ea l g 碰l 蛔l 主s 珏s 础i 珏a d a p l i v ee 驴碰妫撂l o 印n 蠹p 印e fa n a l y z e s 也ec o m p i e xl m sa l g o r i t h ml l s e df o rq 铷s i 孕a la n dt h el i l l e a rs t n l c t u r e0 f泓s 藤印疽张e 毽a 匏强e 纛d i s 馥s s e s 缍e 纛i 颤e 戮c cb e 鲥e 鼹s 瑟d 泌璎胡诿e ds p l m s ，s i m u i a t e st h ep e 怕衄a n c ci ne q u a l 讫i n gq a ms i 铲a lo ft h et w oa 1 9 0 r i t h m s s 萨一l m si ss e l e c t e df o fi t sl c s sm u l t i p l i e f 娃s 醯i nf p g a 髓ep a p e fa l 妇p l c m e n sam o d e l w h i c hu s e sb i to p e r a t i o ni i l s e a do fm u l t i p l i e ft 0a d j u s tt h ef i l t e rc o e 砸c i e n t s ，卸dt h es i m u l a t i o np r 0 v e si t sf c a s i b i l i t y，i k sp 8 弦ru s e sm 毅l a b s 妇u l 主n l es o 脚a r e ov e r 主f ya l g o r 主h 趣酬n l c 弹g ad e v e l o p i i 培t 0 0 ld s pb u i l d e rt oi m p l e m e n t ，a n ds i m u l 撕o ni sb a s e d0 ns i i n u l i n ke n v i r o 姗e n t n i sw a yi sm o r es i i l l p l y 粕dc o n v e n i e n tt 0 锄a l y s i s ，s i m u l a t ea n di m p l e m e n t i ti sar e l a t i v e i yn e wm e t h o dt op r o c e s ss i 朗a lu s i n gf p g aa tt h ee n do ft h i sp a p e r ，s o m et e n t a t i v ei d e a sa b o u tm o d i f ya l g 嘶t h m s 卸d1 1 1 1 p l 锄e n t a t l o na r ep r o p o s e d ，a n ds o m es u g g e s t i o n sf o rs y s t e mr e a l i z a t i o na r eg i v e nt or e f e r e n c e 。k e yw o r d s ：e d s l ；q a md e m o d u l a t o r ；1 1 m i n gr e c o v e r y ；c a r r e rr e c o v e ；a d a p t i v ee q u a z e r独创声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得l 注! 垫逡直墓丝噩噩挂别壹盟的：奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名和彩签字日期：妒7 年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名：彳劢蘩导师签字鹰白k签字日期：加7 年占月6 日签字日期卯7 年月歹日基于f p g a 的e d s l 系统o a m 解调器的研究与实现1 1 课题的来源与背景1 前言课题来源于“海底有缆观测与采样系统”的后续研究，同时也是接入网技术一种。“海底有缆观测与采样系统 中采用的1 0 0 | 0 0 米铠装同轴电缆高频衰减严重，传输带宽有限，用其传输加) b 3 编码的基带数据，并不能达到很高的速率。在海底有缆观测与采样系统中用调制解调技术代替基带传输，可以大幅提高数据传输速率，传递更高质量的图像信号。另外随着i n t e m e t 的迅速发展，用户固定连接接入对数据传输速度的要求也迅速提高。x d s l 技术利用电话铜线在打电话的同时又可以高速上网的特征受到广泛的关注，e d s l 技术就是其中一种。e d s l 集成了d s l 和以太网的优势，在接入网范畴内提供直接的端到端m 传送，并且运用先进的智能频谱管理技术，避开了其他用户环路产生的干扰，与其他d s l 技术比较，e d s l 系统具有传输速率高、传输距离远、开线率高等优点。e d s l 采用q p s k 、1 6 q 蝴或6 4 c 狐m 三种调制方式，并且可以在每个突发之间改变调制方式，以适应线路的噪声环境的变化n 1 。这项技术是其他d s l 不具备的，具有一定的优越性。所以，选择e d s l 系统中的调制解调技术作为研究课题，具有良好的实用价值。调制解调技术是现代通信不可或缺的技术，随着集成电路技术和软件技术的发展，调制解调技术一般采用全数字的处理方式，如：基于软件无线电的d s p 、基于专用集成电路( a s i c ) 、基于现场可编程逻辑门阵列凹g 舢。( 1 ) 基于软件无线电d s p1 9 9 2 年5 月，j e om i t o l a 在美国通信系统会议上首次提出了“软件无线电”这个概念。其基本思想就是将宽带模数变换器( d ) 及数模变换器( 驯a ) 尽可能地靠近射频天线，建立一个具有“a d d s p d a 模型的通用的、开放的硬件平台，在这个硬件平台上尽量利用软件技术来实现电台的各种功能模块。如使用宽带a d c 通过可编程数字滤波器对信道进行分离；使用数字信号处理器( d s p ) 技术，通过软件编程来实现各种通信频段的选择，如h f 、玎、u h f 和s h f 等；通基于f p g a 的e d s l 系统q a m 解调器的研究与实现过软件编程来完成传送信息抽样、量化、编码解码、运算处理和变换，以实现射频电台的收发功能；通过软件编程实现不同的信道调制方式的选择，如调幅、调频、单边带、数据、跳频和扩频等；通过软件编程实现不同的保密结构、网络协议和控制终端功能等。软件无线电技术是软件化、计算密集型的操作形式。髓1( 2 ) 基于a s i ca - s i c ( a p p l i c a t i o ns p e d 6 ci n t e 谬a t e dc i r c l l i t s ) 即专用集成电路，指应特定用户要求和特定电子系统的需要而设计、制造的集成电路。其特点是面向特定用户的需求，品种多、批量少，与通用集成电路相比具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、性能高、保密性强等优点，但是对于小规模应用成本较高，开发周期相对较长。( 3 ) 基于f p g af p g a 能比较容易的实现卷积编码等复杂的逻辑功能，但不适合大量复杂计算，f p g a 用来做大量复杂运算时，效率并不如d s p 。随着分布式算法的应用，f p g a 的运算能力也大大提高，高端f p g a 中也都带有d s p 芯片或核。f p g a 的特征是结构灵活、运行稳定。调制解调的数据操作都是固定的，其功能模块映射到独立、并行的硬件节点上比较容易，这样，采用f p c 泼实现调制解调，就避免了使用d s p 芯片串行分时处理时必须用复杂的编程来调度多个对处理时间要求较高的任务，同时也使系统更加稳定。e d s l 是点对点的可靠实时通信系统，其调制解调器的模拟前端需要高速处理，而这些数据处理的算法又相对不复杂，非常适合用f p g a 进行并行的实时运算。本文采用基于f p g a 的技术来研究和实现e d s l 系统中的q a m 解调，并采用一种较新的开发软件d s pb u i l d e r ，它易于从算法开始设计，将传统的解调方式用软件与硬件结合的方式实现。1 2 国内外研究情况目前，数字解调是通信领域中比较重要的研究课题，国内的研究和开发大多基于通用d s p 实现，支持的速率不够高。由于f p g a 具有静态可重复编程和动态在系统重构的特点，使硬件功能可以像软件编程一样便于修改，能极大提高电子系统设计的灵活性和通用性。基于f p g a 技术的全数字调制解调的研究渐渐兴2基于f p g 陡的e d s l 系统q a m 解调器的研究与实现起，国内院校和科研单位已经对这方面的研究加大了投入。西北工业大学电子信息学院研究了种基于r e 浚的离达2 5 m 波特符号速率的用于卫星微波通信的1 6 q a m 解调器口1 。复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室实现了支持4 2 5 6 q 剐的已s l 结构的解调芯片，最高支持7 m 波特率，并显著减小了芯片面积溺。国外有一些生产c a m 调制勰调芯片的厂家。如s t 公司的s t 5 5 0 、s ”内1 9 7 ；o 公司的m s m 7 5 8 2 t s ；比利时ne _ 叭c c 公司的n t c 2 0 7 7 】盯；美国休斯公司的b c d 4 c i m 5 0 0 0 ；美国托撼r i s 公司和德国h 达曲_ m a 越公司也都有相关的专用芯片。殛e l 公司的s 疆“2 王7 6 是一款全数字调制解调芯片，兼容嘲睨1 4 、m c n s 和d 觚，i c 等标准。调制部分可输出5 m l i z 6 5 m h z 的连续突发信号，调制方式可以是b p s k 、q p s k 、1 6 镪气m ，速率最高可达4 0 m b p s ( 1 6 q i a m ) ；解调部分可直接输入高达5 0 m 王z 的中频模拟信号，信号带宽可达8 m 强e 。国杰如北京海尔集成电路设计有限公司研制的符合d s 标准的卫星信道解码器h q p s k 。d v b 【朝。1 3 课题意义本文所研究的c i a m 解调器是整个e d s l 系统中重要的模块，由于e d s l 国家行业标准本身只定义了调制端的框架，对解调端的架构几乎没有做出任何规定，所以，研究固s l 系统的 撇解调器具有一定的难度，也是实现整个调制解调器正常通信的重要工作。本课题将全数字c a m 解调器的各个模块全部集成到一个f p e 陡芯片上，采用先进的算法提高遥信系统性能指标，使用e p a 软件研究设计，实现电子设计自动化，并降低了电路复杂度；选用低成本系列的f p g a 芯片便于移植、集成和大规模生产，由此可以简化调制解调板的电路复杂度，提高解调器的性能。利用d s pb 珏i l d 髓设计数字调制解调器是一种较新的设计方法。本文给出了全数字c ! a m 解调器的一般设计思路。另外，q a m 还是d m 陌和o f d m 等其它高效调制解调技术的基础。研究e d s l 系统及a l a m 解调都具有重要的意义。爵前，由予价格相对毙较高，采用高效调制解调技术的差国s 毛通信系统在国内还没有像a d s l 那样广泛应用。随着成本的降低、技术的完善和用户网络3基于f p g a 的e d s l 系统q a m 解调器的研究与实现带宽要求的提高，e d s l 设备的市场前景比较广阔。该设备还可以应用于海底有缆观测与采样系统、安防系统、军用数据传输系统等等。1 4 论文的工作安排本文主要根据t d d e d s l 通信行业标准，基于f p g a 技术，利用算法仿真工具和e d a 开发工具，研究和设计一个e d s l 传输系统接收端的q a m 信号解调器。论文的主要工作包括：一、研究e d s l 的体系结构及其q a m 信号调制解调的工作原理，详细说明了删调制解调模块在e d s l 系统中的具体应用。二、研究插值滤波器理论、适用于q 蝴信号的改进g a r d n e r 定时误差检测算法、匹配滤波器、p f d 载波恢复算法和l m s 信道均衡算法，并利用d s pb u i l d e r软件分别建立系统模型。三、在m a t l a b s i i n u l i n l 【中先进行算法和功能仿真，通过了算法和功能仿真验证后，将d s pb u i l d e r 模型转化成l 硬件描述语言，再进行仿真软件验证，得到正确的逻辑功能。四、对本文主要进行的研究和实现工作做出总结，并对继续深入本领域的研究提出设想和参考意见。本文的内容共分5 章，与上述本文的主要工作对应：第1 章前言，说明了本文的主要研究问题的课题来源和相关研究背景；第2 章e d s l 系统，介绍了e d s l传输系统的特点和结构、发送器和接收器的工作原理和组成结构；第3 章q a m调制技术的基础理论，讨论了几种先进的数字调制解调方式，介绍了c 渔m 调制解调的基本原理，对q a m 解调的一般方法做了说明，并给出整个解调器的结构框图。第4 章全数字q a m 解调器各模块的f p g a 设计，在分析各解调模块原理和算法的基础上，利用m a t l a b 软件进行了算法验证，并用e d a 工具d s pb u i l d e r做建模设计，并进行了仿真；第5 章总结与展望，总结了本文的研究工作，对进一步深入研究本课题提出了设想。4基予f p g a 昀纛蕊l 系统q a m 解调器豹研究与实现2 1e d s l 系统2e d s l 系统e d s l 技术是一项我国拥有自主知识产权的宽带接入技术。2 0 0 3 年，经由信息产业部批准，编号必：、厂r 重2 5 4 2 0 0 3 的接入阚技术要求基于时分双工的以太数字用户线系统( t d d e d s l ) ：可变长度帧传送模式国家通信行业标准发布。在x 静s l 通信领域里，a d s l 、v d s l 等国外主导的技术几乎垄断了所有的国际标准，e d s l 国家通信行业标准的制定，标志着中国在国际x d s l 通信领域里的高科技研发达到了与世界发达黧家同样的水平。我国电话线接入用户基本在局端2 7 千米的范围内，平均在3 5 千米左右，因此利用电话线网络接入要求的传输距离必需大予3 千米，为实现较高的数据传输速率，每个接入用户的传输速率带宽应达到1 0 m 。由表2 - l 列出来鼢s l 系统与其他蝤s l 的对比，表中可以看斑，从传输的速度和距离综合比较，e d s l 具有一定的优势。袭2 - l 各种赋) s l 对比d s l 类型描述下彳霸上行带宽传输距离应用场合i d s li s d n1 2 8 勋p s5 公恩仅应用于低速数据业务c d s l个人用户型d s l1 脚5 公曩无分离器的家庭和小企业g h t e无分离器的d s l1 5 m b p s ，5 1 2 勋p s5 公里标准的a d s l i n t 锄c t 接入g d m t非对称d s l8 m 叼湖l 殛p s5 公里琢硼l 娃接入，视频应用h d s l高速d s l1 s 绒2 m b p s3 公里1 1 偶l 服务，洲接入s d s l单线对h d s l1 5 绒2 m b p s3 公墨l 珏埝趱e t 接入艘频应用r a d s l速率自适应d s l2 m 1m i ) f 垮3 公里i n t c m e t 接入，视频应用v s 壬一超离速d s l5 2 鹾印啦3 m b 举o 3 公燕l n 溆锻接入艘频应用h p n a家用电话线网1 0 m b p so 3 公尾i n 协m e t 接入视频应用e d s 毛以太d s l10 _ m 黟6 公曩l n e 瓣t 接入，醒臻应用5基于f p a 讽的e d s l 系统q a m 解调器的研究与实现2 1 1 基本特点e d s l 系统利用电话铜线的3 0 k 3 m 部分，将其划分为1 2 种频带，其中最小模拟频带带宽为6 2 5 到舷，最大模拟频带带宽为1 6 6 7 m ：。根据线路状况，融s l 利用独创的智能频谱管理技术，采用其中某一段频谱，以避开其他用户环路产生的干扰，同时也避兔影响其他用户环路。e d s l 技术的主要特点如下：( 量) 采用时分双王的技术，动态分配上下行时间片以满足不同的上下行带宽需求。对于普通的融e m e t 接入，由于下行传输流量大，分配给下行方向的时间就会比上行方向多；对于视频会议等双向流量大致相同的情况，分配给两个方向的时间也大致相等；对于其他上行数据量大于下行数据量的应用，士行方向分配的时间就大于下行方向。( 2 ) 采用服务器客户端模式，有效避免了以太包的碰撞，同时克服了由于线路原因( 桥接、线径变纯等) 弓l 起的远端串扰和近端串扰，提高了通信成功率。( 3 ) 采用突发机制，降低了对环境的电磁干扰，提高了选线率，同时减少了设备能耗。( 4 ) 采耀自动检测和冬适应方法实现智能频谱管理。( 5 ) p 端到端的网络，中间无需协议转换，减少了信令处理的复杂性，提高了传输率。( 6 ) 功能强大的接入服务。e d s l 具有基于用户的网络( v i s i t i d r b a s e d n e 柳。呔，涮) 管理软件，方便用户不改变计算机设置直接上嬲。幺1 2 系统工作原理e d s 己系统的结构和a p s 己、v d s l 等d s 己相似，参考模型如霭2 王所示珏3 。整个系统主要出局端设备和用户端设备组成，它们之阀通过普通电话铜缆连接。剐m c 、聊r 分别是局端和用户端的收发器。局端设备是由大量的e 1 w c 和控制电路构成的接入复用设备d s l a m ( d s la c c e s sm u l t i p l e x e r ) 。业务分离器( s p l i t t 黻，包括翔璎和 f ) 将同一对电话铜缆上传输的驹s l 与窄带业务或a d s l 相分离，各种d s l 分离器的功能和结构都相同。现在市场上e d s lm o d e m 产品，有的将分离器集成到劂_ x 中，此时，u c 2 和u r 2 接翻将分6基于f p g a 的e d s l 系统o a m 解调器的研究与实现一口 镕口图2 - 1 功s l 系统参考横型别与u c 和u r 接口相同，均采用r j 儿接口；也有的采用单独分离器。b d s lm o d e m 与以太网之间的接口采用的是r j 4 5 接口。e d s l 利用以太网半双工模式和数据包交换技术来弥补d s l 的缺点，减少干扰，降低功耗，并提供低成本接口。它具有高度的线路自适应特性，可毗通过速率、调制方式和发送功率三个方面的传输参数变化来自动适应双绞线特性。这样三个方面的自适应特性相结台后可以极大地减少线路串音和其他干扰，适应各种噪声环境。e d s l 采用的是可变长度帧传送模式。在正常通信时，同一条线路上的收发器轮流发送信号，收发器每次发送成为一个突发。e t u 的每次突发构成个复帧，每个复帧由一个前导序列和n 个信息帧构成。n 的值由当前所发送的波特率和调制方式所决定。e d s l 系统的信息帧中含有s n r 值，给出了e t u r 计算出的平均信噪比，用于衡量信道质量。e i v 启动后，首先进行初始化，即完成上电训练过程。训练完成后，将信道的参数保存到状态寄存器中，作为以后通信的标准。正常通信时，剧首先分析环路质量，即将应答帧中的s n r 值与状态寄存器中的门限值进行比较，如果低于门限( 在0 5 衄线径中理论衰减值不大于4 0 d b ) ，则将速率降低一档再进行数据成帧和发送。e r u 在每个突发之间都会根据上次发送数据的参数( 比如环路衰减) 来分析环路质量，然后对发送频谱和调制方式做出改变，从而实现了速率和调制方式的自适应。e d s l 系统的符号率共有1 2 档，每一符号率都可以支持三种调制方式，因而支持的比特率可以在1 2 5 k b p s 到基于f p g a 的e d s l 系统q a m 解调器的研究与实现1 0 m b p s 之间变化嘲。2 2e d s l 的调制方式2 2 1 现代调制解调技术在数字通信系统中，数字调制与解调技术是关键的部分。现代调制解调技术在实现上正向全数字实现和软件实现方向发展。当然，完全的数字调制和解调是困难的，通常所指的全数字化实现仅仅是指从基带到数字中频之间的硬件实现，包括数字化调制、载波恢复和定时恢复等。硬件实现数字化调制解调有许多优越性。其一，数字化调制解调器具有很好的可重复性和稳定性，基本上不需要很复杂的经验性的干预和调试。其二，接收端的数字化使得可以用一个统一、公共的可编程硬件平台和不同的配置程序来实现不同的处理功能，从而实现不同调制方式的解调，这样极大地扩展了硬件的重复利用率和兼容性。其三，从数字化实现的硬件结构有利于使用a s i c 芯片定制实现。数字调制技术可以分为两大类：线性调制技术和恒包络调制技术。常用的线性调制技术有q p s k 、m p s k 、m q 创等，恒包络调制技术有2 f s k 、m s k 、g m s k 、f n ，m 和g m 等。由于数字调制具有许多优点，并且已经取代了传统的模拟调制系统。除了m 洲，还有以下几种先进的调制方式：无载波幅度相位调制( o 址) ：o 址调制技术是以q a m 调制技术为基础发展而来的，可以说它是q a m 技术的一个变种。输入数据被送入编码器，在编码器内，m 位输入比特被映射为k = 2 m 个不同的复数符号：a 。= 口。+ i 吃，由不同的复数符号构成k - q 谨线路编码。编码后，口。和吃被分别送入同相和正交数字成型滤波器，求和后送入d a 转换器，最后经低通滤波器将信号发送出去。离散多音调制( d m t ) ：d m t 调制技术的主要原理是将频带( 0 1 1 0 4 m h z )分割为2 5 6 个由频率指示的正交子信道( 每个子信道占用4 k h z 带宽) 。输入信号经过比特分配和缓存后，被划分为比特块，经t c m 编码后再进行5 1 2 点离散傅立叶变换将信号变换到时域，比特块将转换成2 5 6 个q a m 子字符。随后，对每个比特块加上用于消除符间串扰的循环前缀，经d a 转换和发送滤波器将信号发送。d m t 的实质是一种多载波调制技术。在通信过程中，收发信机可以根据信道特性的改变，自适应地调整比特分配表和均衡器系数，以使系统性能始终保r基于f p g a 的e d s l 系统q a m 解调器的研究与实现持在最佳状态。对予窄带的干扰，如调幅广播和业余无线电干扰，系统可以通过关闭受干扰的子信道或降低该子信道承载的毙特数，使干扰影响降至最小。正交频分复用( o h ) m ) ：o f d m 技术属予多载波调制技术，是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用个子载波进行调制，并且各子载波并行传输。这样，尽管总的信道是菲平坦的，具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小予信道的相应带宽，因此就可以消除信号波形间的干扰。由于在o f d m 系统中各个子信道的载波相互正交，于是它们的频谱是相互重叠的，这样，不但减小了子载波闻的相互干扰，同时又提离了频谱利用率。2 2 。2 秘s l 调制方式的选择联) s l 系统利用电话铜线的3 0 鼯3 m 亿部分，信道条件相对较好，只是频谱资源是有限的：要在带宽只有几m 的双绞线上传送几m 、十几m 、甚至几十m带宽的数据。香农定理指出：在噪声与信号独立的高斯白噪声信道中，假设信号功率为s ，噪声功率为n ，信道通频带宽为w ( 薹z ) ，剿该信道的信道容量c 为：cc = 矽| 0 9 2 ( 1 + 习( 3 一1 )上y这就是香农信道容量公式。它给出了频带利用率的理论极限值，在e d s l 系统中，只要选择合适的编码技术来提高频带利用率，就可以保证信息在有限的带宽内可靠的传递。针对这一特点，频谱利焉率较高酶 a 磁及其交形m q 岗隧就成力合适的调制解调方式嘲啪。c i a m 和d m t 是目前x d s l 通信领域中应用广泛且存在竞争的两种调制技术。謇际标准团体在a d s 毛技术中选择了d 澍，在v d s l 中也以d 氛行为主、蝴为辅，我国通信标准国s l 选择了q a m 。d m 和删各有优缺点：删调制技术专注于信号的时域处理，考虑了线路上信号的串行和模拟特性，并对系统中的数字和模拟信号进行优纯。丽在线路的每一端的d 淞频域处理需要进行时域频域( 羽雕卿和串并数据流变换。所以q a m 的成本和性能都更适应e d s l ，这也是e d s l 选择q a m 的原因m 嘲。9基于f p g a 的e d s l 系统o a m 解调器的研究与实现3 1q 蝴概念3q 刽调制解调理论q a m 是一种矢量调制，它将输入数据先映射到一个复平面( 星座) 上，形成复数调制符号，然后将复数调制信号的i 、q 分量( 复平面的实部和虚部) 对两个相互正交的同频载波进行幅度调制，利用已调信号在同一带宽内频谱正交的性质，来实现两路并行的数字信息在同一信道内互不干扰的进行传输。从信号矢量空间上看，信号的幅度和相位都携带信息n 们。通常，传输带宽为的信道，只能传送频带小于的信号。普通a m ( 调幅) 系统中，经过调幅后产生上下两个边带，传送带宽为的信号，需要2 带宽的信道。而采用q a m 调制，则在2 带宽的通道中能同时传两路2 的信号，提高了频带利用率。频带利用率叩日是表示每赫兹传送的b i 怕数。二电平码基带传输，理论上频谱利用率为2 b i h z ) ，二电平双边带数字调幅传输，其最大频谱利用率为1 b i “s h z ) 。q p s k 传输，一个通道能同时传输两路双边带二元码，故最大频带利用率为2 b i t ( s h z ) 。将多进制与正交载波技术相结合的m c i a m 则可进一步提高频带利用率。在理想情况下，m 删的m 个载波状态可以调制l o g ：m 个比特，如1 6 q a m 有1 6 态，规定了1 6 种载波幅度和相位的组合，每个符号和周期最多可传送l o g ：1 6 4 b i t 。可知m 越大，在一个周期内可传送的数据比特数就越多，频谱利用率也就越高。q p s k 、1 6 q a m 、6 4 q 剐的频谱利用率理论值分别为2 ，4 ，6 b i t ( s h z ) 。但是不能无限制地通过增加电平级数来增加传输数码率，因为多进制调制技术频带利用率的提高是通过牺牲其功率利用率来换取的。随着电平数的增加，电平间的间隔减小，噪声容限减小，同样噪声条件下的误码率会增加。在时间轴上也会如此，各相位间隔减小，符间串扰增加，抖动和定时问题都会使接收效果变差。实际电路中，还与滤波器的滚降系数a 有关，a 一般取o 1 0 5 。与口1 0基于f p g a 的e d s l 系统q a m 解调器的研究与实现的关系如表3 1 所示m 1 。表3 1c l a m 频带科用率与滚降系数的关系、易、0o 1o 20 30 - 40 j方式迭q p s k21 8 l1 6 71 5 41 4 21 3 31 6 q a 鹾43 豁3 3 43 。潞2 。8 52 酊6 4 q a m5 5 65 0 54 6 34 2 83 9 73 7 02 5 6 ( 2 a m87 2 76 6 76 1 55 7 l5 3 3l 敝4 ( a 磁1 1 3l o 2 79 愆8 国8 7 5 33 1 1 星座图目前，删最高已达1 0 2 4 渊。对应的空间信号矢量端点分布图称为星座图，所戳蝴调制又称为星座调制。星座图中的点表示了信号的幅度和楣德所有可能的状态。信号的幅度是信号点到原点的距离，而相位为信号点与原点的连线与横坐标正向的夹角。q p s k 、薹6 q 触镰、雒q 瞳m 的星痉圈如图3 。l 所示。豳3 1 饼s k 、1 6 q _ a m 、6 4 q i a m 暴座圈由图3 1 可以看出，电平数工和信号状态m 之间的关系是：膨- r 。因为最佳信号空间结构为平面蜂窝结构，而渊的信号空间与最佳信号结构的性能差别缀小，如1 6 e k m 的功率利用率比起最佳信号结构仅差o 5 。因此，c a m的星座图是一种高效的信号空间分布结构。q p s k 、1 6 a - 蠊l 、6 4 q i a m 的状态数均为2 的偶次幂，即每个符号携带偶数个比特信息，星痤图为方形。除此之辩，还有星座图为星形的删。两种渊星座图如图3 2 所示。基于f p g 弧的e d s l 系统q a m 解调器的研究与实现摹3 (，i ， c- - t 。l 。1 )t l 。_ 1 )一1 ) - c jp 每l j獠、，鼻。2 声1 o 瓢。义2 蘑川7 ，淑o 8 l l图3 - 2 两种1 6 q a m 星座图可以看出，这两种q a m 的重要区别在于信号的结构不同，因此，其信号矢量端点所映射的幅度与相位的种类均不同。由于方形渊的信号矢量幅度和相位并不是规则分布的，因而对载波恢复和自动增益控制造成一些困难。相比之下，星形q a m 信号更适合于衰落信道。然而，由于方形q a m 在抗噪声等方面具有良好的性能，故它亦得到了广泛的实际应用。二者调制解调的过程有所不同，本文所讨论的是星座图为方形的q a m 。在多进制数字调制中，单纯的幅度调制( 如m a s k ) 的矢量点在一条直线轴上分布，单纯的相位调制( 如m p s k ) 的矢量点在一个圆周上分布。随着进制数m 的增大，这些矢量点之间的距离也随之减少。由于q a m 的幅度和相位都携带信息，它的星座图就比m a s k 或m p s k 具有更强的灵活性与复杂性，且更充分的利用了信号平面。假设已调信号的最大幅度为1 ，那么m p s k 星座图上星座点的最小距离为：k _ 2 s i i l ( 3 - 2 )m q a m 星座图上星座点的最小距离为：d 一= 告一熹( 3 - 3 )比较( 3 2 ) 和( 3 - 3 ) 式，当肚4 时，d 4 麟= d 4 伽。事实上4 p s k 与4 q a m的星座图相同。但当m 4 时，比如肚1 6 ，这时西6 麟一o 3 9 ，盔6 刎= o 4 7 。可知，d 1 6 腿 盔6 q a m ，这说明1 6 c l a m 的抗干扰能力强于1 6 p s k 。1 2基于f p g a 的e d s l 系统q a m 解调器的研究与实现当平均功率受限时，删的优点更为显著，因为m 洲信号的峰值功率与平均功率之眈为：后；牡( 圳2 ( 复一1 ) 2此时，d 蚴侧又可加大为玄倍。胙1 6 时，眙1 8 ，西6 洲= o 4 7 瓜。o 6 3 。在平均功率相等的条件下，1 6 q a m 的相邻信号距离超过1 6 p s k 约4 1 9 d b n 玎。渊和m p s k 一样，也可以用正交调制的方法产生。不同的是：凇s k 在掺4 时，同相与正交两路基带信号的电平不是相互独立，丽是互相关联的，以保证合成矢量落点在圆上；而q a m 的同相和正交两路基带信号的电平则是互相独立的渊。3 1 2q 蝴调制解调一般原理如果两通道的基带信号分别为石似，y 似，则m 删信号可表示为：s 鲫= 茗( f ) s 谢。l 一岁咖吐f( 3 5 )式中，同相分量：工 ) = 瓢g o 一露e )( 3 - 6 )正交分量：y ( f ) = y 量g l i f 后瓦)( 3 - 7 )其中，y 。分别表示所要传输的2 路多电平信号第七个码元的值，g p 一圮) 是宽度为t 的脉冲信号，。为载波角频率。删的调制原理如图3 3 所示l私l叫叶啼ri7电平掣洲调掣串转换厂并1 驰度移穗| 转正弦波发生耩ii换l奈l事lk_ l _ _ ，s 、。一r电平l 删l 拶转换图3 3m c a m 调制系统号基于f p g a 的e d s l 系统o a m 解调器的研究与实现以q p s k 为例，将两路双极性不归零码输入电路中，经低通滤波器去掉带外干扰，再分别送入到i 、q 两路调制器进行调制后，可得到4 种不同正交q m输出波形，其输入与混合后输出的关系如表3 2 所示。表3 2 二元码正交调制输入与输出关系a 路b 路i 路调制输出q 路调制输出混合后输出看作四矢量旋输入输入元码转序号00一s ( 哆f )一s ( q - 石4 )压c o s 勖4 )0o1一c o s ( q f )c o s ( q f + 石4 )压s ( 吖+ 新4 )0 1111s ( 吐f )c o s ( 哆f + 万4 )压s ( 吐f + 石4 )1 1210c o s ( 吐f )一s ( 吐。石4 )压c o s ( 吖+ 彻4 )1 03删信号可以采用正交相干解调的方法解调，解调原理如图3 4 所示。图3 4m q a m 解调系统解调器首先对收到的q 蝴信号进行正交分解、滤波，可得到：同相分量：石，0 ) = 罗口，g ( 刀一，1 )。一正交分量：x q o ) = k g o m )号( 3 8 )( 3 9 )对同相、正交分量两路信号进行抽样判决，即可恢复出并行数据，经并串转换后便可得到所传输的数据。在理想情况下，m q 舢订信号的频带利用率为l 0 9 2 mb s h z ，当收发基带滤波器合成响应为滚降因子r 的升余弦滚降滤波器时，m q a m 信号的频带利用率1 4基于f p g a 的e d s l 系统q a m 解调器的研究与实现为1 0 9 2 m ( 1 + r ) b ! 沿i z 嘲。3 2q w 解调的方法目前，对q 蝴信号的解调方法很多，其主要方法有以下三种：( 1 ) 模拟相干解调：q 削解调器接收调制模拟信号，从模拟信号中恢复出载波和定时信号，再用同相和正交的两个载波信号与接收的模拟调制信号相乘，经模拟低通滤波器滤波后得到基带信号，然后用定时信号控制采样器对基带信号采样、判决、数字化，这样就可以恢复出所传输的数字序列n 铂。( 2 ) 数字相干解调：q 砧解调器首先对接收的调制模拟信号采样并数字化，然后从数字信号中恢复出载波和定时信号，再用同相和正交的两个载波信号与数字化的调制信号相乘，经过数字低通滤波器滤波后得到数字基带信号，恢复的定时信号用于反馈控制采样器，因此能得到无定时偏差的数字系列n 钉。( 3 ) 全数字解调：解调器首先对接收的调制模拟信号采样并数字化，其采样时钟振荡于固定频率，不需要后继的数字信号处理部分提供振荡控制信号。a d 变换后的数字信号与同样振荡于固定频率的两个正交载波信号相乘，经过数字低通滤波器滤波后得到数字基带信号，不过此时基带信号可能存在定时误差和载波相位误差，然后对该数字基带信号进行处理以补偿