（通信与信息系统专业论文）遥测技术中qam调制解调器的fpga实现.pdf

遥测技术中q a m 调制解调器的f p g a 实现 摘要 随着遥测系统的数据量不断增大，现有调制技术已不能满足传输要求，于是人们对 通信系统的传输速率和带宽提出了新的要求。同时出于频谱资源的r 趋紧缺，如何提 高频谱剩用率一直是人们关注的焦点之一。三种基本的数字调制方式单独使用幅度或者 相位携带信息，不能够充分利用信号平面，对于频谱资源来讲是一种浪费。需要采用新 的数字调制技术以便在有限的带宽资源条件下获得更高的传输速率。正交幅度调制解调 技术是一种高效的数字调制技术，相比于传统数字调制技术的单独利用振幅或相位携带 信息方式，q a m 调制信号的幅度和相位都携带信息，可以充分利用整个信号平面，因 而大大提高了信息传输的有效性，同时具有很高的频谱利用率，因此q a m 已经广泛的 应用于数字有线电视传输领域和数字m m d s 系统。 本文首先对1 6 q a m 调制解调器的原理进行了详细阐述，详细讨论了正交振幅调制 解调技术以及系统中的数字频率合成、f i r 数字滤波、星座映射、同步技术、串并转换、 进制转换等几个关键技术模块。其中对于数字频率合成的设计，本文采取数字坐标旋转 ( c o r d i c ) 算法实时计算正余弦值的方法，替代传统n c o 采用的正弦查表来实现相位幅 度的转换，可以很好的克服n c o 中使用r o m 表时产生的相位截断误差，极大的提高 了频率和相位分辨率，并显著地节省了f p g a 的内部资源，然后对f p g a 技术做了简单 的介绍，通过分析提出了基于f p g a 的1 6 q a m 调制解调系统的设计方案，并建立了 1 6 q a m 调制解调系统的模型，并在软件环境中进行实验仿真以及分析研究，最后阐述 了异步串口的f p g a 实现。 、 本文提出了一种基于f p g a 的全数字1 6 q a m 调制解调方案，该方案在q u a r t u si i 软件开发平台中进行仿真，采用v e r i l o g h d l 硬件描述语言设计，并给出各模块仿真结 果，最后在a l t e r a 公司的e p 2 c 8 q 2 0 8 c 8 芯片上进行了功能实现，实验结果与理论分 析是符合的，达到了预期的目的，为遥测技术进一步的的研究打下了良好的基础。 关键词：遥测技术；1 6 q a m ；调制解调；f p g a 遥测技术中q a m 调制解调器的f p g a 实现 a b s t r c t a st h ei n c r e a s i n ga m o u n to ft e l e m e t r yd a t a , t h ee x i s t i n gm o d u l a t i o nc a nn o tm e e tt h e t r a n s m i s s i o nr e q u i r e m e n t s ，s op e o p l ep u tf o r w a r dn e wr e q u i r e m e n t so nt h ec o m m u n i c a t i o n s y s t e mb a n d w i d t ha n dt h et r a n s m i s s i o nr a t e m e a n w h i l e ，i n c r e a s i n g l ys c a r c es p e c t r u m r e s o u r c e s ，h o wt oi m p r o v et h es p e c t r u me f f i c i e n c yh a sb e e nt h ef o c u so fa t t e n t i o n t h r e eb a s i c t y p e so fd i g i t a lm o d u l a t i o na m p l i t u d eo rp h a s ea l o n et oc a r r yi n f o r m a t i o n ，c a l ln o tt a k ef u l l a d v a n t a g eo ft h es i g n a lp l a n e ，t h es p e c t r u mi nt e r m so faw a s t e n e e df o ran e wd i 百t a l m o d u l a t i o nt e c h n i q u e sf o rb a n d w i d t hr e s o u r c e si nc o n d i t i o n so fl i m i t e da c c e s st oh i g h e r t r a n s m i s s i o nr a t e s q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o nt e c h n o l o g yi sa n e f f i c i e n td i g i t a lm o d u l a t i o n ，d i g i t a lm o d u l a t i o nt e c h n i q u e st h a nt h et r a d i t i o n a li n d i v i d u a lt o c a r r yi n f o r m a t i o nu s i n ga m p l i t u d eo rp h a s em o d e ，q a mm o d u l a t i o ns i g n a la m p l i t u d ea n d p h a s et oc a r r yi n f o r m a t i o n , c a i lt a k ea d v a n t a g eo ft h es i g n a lp l a n e ，t h u sg r e a t l yi m p r o v i n gt h e e f f e c t i v e n e s so fi n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o n , b u ta l s oh a sh i 曲s p e c t r u me f f i c i e n c y , i th a sb e e n w i d e l yu s e di nq a md i g i t a lc a b l et vt r a n s m i s s i o na n dd i g i t a lm m d ss y s t e ma r e a s f i r s t l y , t h ep r i n c i p l eo ft h e16 q a mm o d e md e s c r i b e di nd e t a i l ，d i s c u s s e di nd e t a i l ，a n d q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o nt e c h n i q u e si nd i g i t a lf r e q u e n c ys y n t h e s i s s y s t e m ，f i rd i g i t a lf i l t e r , c o n s t e l l a t i o nm a p p i n g , s y n c h r o n i z a t i o n ，s t r i n ga n dc o n v e r s i o n ，b a s e c o n v e r s i o n , a n ds e v e r a lo t h e rk e yt e c h n o l o g ym o d u l e s o n ed e s i g nf o rd i g i t a lf r e q u e n c y s y n t h e s i s ，t h ep a p e ra d o p t e dc o o r d i n a t er o t a t i o nd i 百t a l ( c o r d i c ) a l g o r i t h mi st h ec o s i n eo f r e a l t i m ec o m p u t i n gi st h em e t h o d ，i n s t e a do ft h et r a d i t i o n a ln c os i n el o o k - u pt a b l eu s e dt o c o n v e r tt h ep h a s em a r g i nc a nb eag o o du s eo fr o mt a b l et oo v e r c o m e 溉n c o g e n e r a t e d w h e nt h ep h a s et r u n c a t i o ne r r o r , w h i c hg r e a t l yi m p r o v e dt h ef r e q u e n c ya n dp h a s er e s o l u t i o n , a n das i g n i f i c a n ts a v i n g si nf p g a si n t e m a lr e s o u r c e s f p g at e c h n o l o g ya n dt h e nm a d ea b r i e fi n t r o d u c t i o n , b ya n a l y z i n gt h e p r o p o s e df p g a - b a s e d 16 q a mm o d u l a t i o na n d d e m o d u l a t i o ns y s t e md e s i g na n db u i l dam o d e lo f16 q a mm o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o n s y s t e ma n dt h ee n v i r o n m e n ti nt h es o f t w a r es i m u l a t i o na n da n a l y s i so fe x p e r i m e n t s ，t h ef i n a l d e s c r i b e st h eu n i v e r s a la s y n c h r o n o u sr e c e i v e r t r a n s m i t t e ri nt h ef p g a t h i sp a p e r p r e s e n t saf p g a - b a s e dd i g i t a l16 q a m m o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o ns c h e m e t h a ti nt h eq u a r t u si is i m u l a t i o ns o f t w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，u s i n gv e r i l o gh d lh a r d w a r e d e s c r i p t i o nl a n g u a g ed e s i g na n ds i m u l a t i o nr e s u l t sa r eg i v e nf o re a c hm o d u l e ，t h el a s tc h i pi n t h ea l t e r a c o m p a n ye p 2 c 8 q 2 0 8 c 8 o nt h ef u n c t i o n a li m p l e m e n t a t i o n ，e x p e r i m e n t a lr e s u l t s a n dt h e o r e t i c a la n a l y s i si sc o n s i s t e n tw i t h , a n da c h i e v et h ed e s i r e dp u r p o s e ，f o rt h er e m o t e t e l e m e t r yt e c h n o l o g yt of u r t h e rr e s e a r c ha n dl a i dag o o df o u n d a t i o n 哈尔滨一f ：程大学硕士学位论文 k e y w o r d s ：t e l e m e t r yt e c h n o l o g y ；, 16 q a m ；m o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o n ；f p g a 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景与意义 遥测技术是对相隔一定距离的对象的参量进行检测并把测得结果传送到接收地点 进行记录、显示和处理的一种测量技术。完成遥测任务的整套设备称遥测系统1 。遥测 系统由输入设备、传输设备、终端设备组成。输入设备包括传感器和变换器，传感器把 被测参数变成电信号，变换器把电信号变换成适合于多路传输设备输入端要求的信号。 传输设备是一种多路通信设备。它可以是有线通信或无线电通信，既可传输模拟信号也 可传输数字信号，目的是把输入设备输入的信号不失真地传到终端。终端设备的功能是 接收信号，对信号进行记录，显示和处理，以获得测量结果”柏。遥测系统的发射机和接 收机结构如图1 1 和图1 2 所示。 待 爿固廿 多 测路 参 墨廿 复 数用 多 路 分 解 图1 1 遥测系统发射机图图1 2 遥测系统接收机图 在宇宙探索中，遥测技术帮助了解太阳系遥远天体上的气温、大气构成和表面情况： 投放在敌方的遥测仪器能传回许多情报；取得导弹和飞机的飞行数据；收集核试验情况 也要靠遥测技术。在工业上遥测技术使许多庞大的系统高效安全运行，如电力、输油、 输气系统、城市自来水、煤气和供暖系统等、在研究动物的生活习性中，遥测技术也是 有力的手段，动物带上有传感器的发报机后，在实验室就可研究野外动物的动态田啪。遥 测技术也用在医学上，如测定宇航员和登山队员身体情况。医术高明的大夫利用遥测技 术能为偏僻地区的病人服务。随着现代遥测体制的发展以及对数字化、数据事后处理要 求的不断提高，寻找一种操作灵活、扩展性强、软件升级方便的遥测接收平台已成为当 前遥测研究工作的重要内容 1 。 随着现代通信技术的飞速发展，各种新技术的生存周期越来越短，产品的开发费用 在不断的上升，同时出现了多种通信体制并存，各种协议标准层出不穷的局面，随之也 给人们带来了许多诸如新旧体制互相兼容，各种通信系统的互联互通以及产品技术的改 进，升级等新问题，而以硬件为主的传统通信系统所采用的，“硬布线和简单的硬件堆集 的方法显然已无法满足当前人们对通信的需求以及解决目前通信领域所面临的问题h 。 且这种传统的为实现某种特定功能而设计其系统的方法不但会造成资金的浪费和重复 投入，也给设备的升级带来很大的困难，而且由于射频载波频率和调制方式不同而限制 哈尔滨工程大学硕士学位论文 了各种设备的互通和兼容，因此极不适合现代通信的发展现状。 软件无线电技术为我们克服上述缺点提供了新的思路。软件无线电的含义就是全部 功能由软件定义而不直接依赖于硬件特性。它是继模拟，数字之后的第三代通信技术 软件无线电其基本思想是构造一个具有开放性、标准化、模块化特点的第2 章系统 设计及相关技术通用硬件开发平台，将各种功能的选择，比如说工作频段、调制解调类 型、数据格式、加密模式、通信协议等通过软件来完成，并使宽带模数变换器( a d c ) 及 数模变换器( d a c ) 尽可能靠近r f 射频部分，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来模拟实现电台的各种模块的 功能，以研制出新一代无线通信系统，并具有开放性、全面可编程性、高度灵活性等特 点刚。软件无线电技术采用软件编程的形式，结合数字信号处理器( d s p ) 技术，可以通 过软件编程来进行信道分离，选择信道调制方式、通信频段，实现射频电台的收发功能、 保密结构、网络协议和控制终端功能等。这样，针对特定的任务，可在一通用的硬件平 台上通过更换软件模块来完成，这不仅大大简化设备，还使系统易于扩充和升级。目前 国内航天测控设备的许多功能部件都已实现了数字化、集成化，有些已应用了近年来飞 速发展的数字信号处理技术。 软件无线电系统的工作过程是：在接收端宽带或智能天线将接收到的来自不同系统 的各个频段的宽带模拟信号经射频前端滤波、低噪声放大、模拟下变频处理后送至宽带 a d 变换器( 在这里实现接收信号的数字化后送到可编程的高速d s p ，通过加载各种软件 来灵活实现各种宽带数字滤波、直接数字频率合成、数字下变频、调制解调、差错编码、 信令控制、信源编码及加解密功能，最后将处理后的数据传送至用户端。在发送端，通 过类似接收信号处理的流程将数据通过天线发射出去。利用在线和离线软件，可以实现 通信环境韵分析、管理以及业务和理想的软件无线电系统结构性能的升级。 软件无线电具有如下几个特点： l 、灵活性，工作模式可由软件编程改变，包括可编程的射频频段宽带信号接入方 式和可编程调制方式等。所以可任意更换信道接入方式，改变调制方式或接收不同系统 的信号；可通过软件工具来扩展业务、分析无线通信环境、定义所需增强的业务和实时 环境测试，升级便捷。可通过软件工具来扩展业务、分析无线通信环境。利用软件进行 升级无需额外增加或修改系统硬件设备，可减少设备费用的开支，因而大大降低了整个 网络的成本。 2 、模块化，软件无线电采用模块化的结构，模块的物理和电气接口技术指标符合 开放标准，在硬件技术发展时，允许更换单个模块，其硬件可以随着器件技术的发展而 更新或扩展。软件无线电不仅能和新体制电台通信，还能与旧体制电台兼容，延长了无 线电台的生命周期。 3 、通用性，多个信道享有共同的射频前端与宽带a d d a 变换器以获取每一信道的 2 第l 章绪论 相对廉价的信号处理性能，即无需额外增加设备即可支持多种通信体制的并存，从而降 低整个网络的成本口丌。 软件无线电技术的出现使遥测接收设备的扩充和改造变的更加方便、灵活，从而很 好地解决了遥测系统升级过程中遇到的急切问题。利用软件来定义和实现无线电台的各 部分功能包括前端接收、中频处理以及信号的基带处理等，这样以硬件为平台，以软件 为核心的软件无线电系统便可工作于多个频段，灵活地改变工作模式，实现不同体制和 标准的各种设备的互通和兼容，系统和产品的改进与升级换代只需开发或下载新的软件 即可实现，非常方便且代价小，同时也延长了系统的生存周期口。 理想的软件无线电系统结构如图1 3 所示。软件无线电的工作过程是在射频( r f ) 或 中频( i f ) 。 上下 高速d s p _ 1 低速d s p 民带多频d 一蚪蛹蜘，、l 1 变换器l h d 器ap 数字 l j 专用町编框 扣 r 1 天线 1 射频邵叩 蛮椽器 应h 卿器 _计算机 天线射频段 高速处理段 低速处理j 语音 图1 3 理想的软件无线电系统结构 对接收信号进行数字化，通过软件编程来灵活实现各种宽带数字滤波、直接数字频 率合成、数字下变频、调制解调、差错编码、信令控制、信源编码及加解密功能。在接 收时，来自天线的信号经过r f 处理和变换，由宽带a d 数字化，然后通过可编程数字 信号处理器( d s p ) 模块实现所需的各种信号处理，并将处理后数据送至多功能用户终端； 同样，在发送时，通过类似接收信号处理的流程将数据通过天线发射出去。利用在线和 离线软件，可以实现通信环境的分析、管理以及业务和性能的升级。 宽带多频段天线与r f 模块是软件无线电不可替代的硬件出入口。软件无线电要求 天线能覆盖所有频段，能用程序控制方法对其功能及参数进行设置。可采用智能化天线 技术。智能天线也称自适应阵列天线，由天线阵、波束形成网络、波束形成算法三部分 组成。它通过满足某种准则算法调节各阵元信号的加权幅度和相位，进而调节天线阵列 的方向图形状，来达到增强所需信号，抑制干扰信号的目的。智能天线也可以用空分复 用( s d m a ) 的概念加以解释，即利用信号入射方向上的差别，将同频率、同时隙的信号 区分开来，从而达到成倍扩展通信系统容量的目的。智能天线具有抑制噪声、自动跟踪 信号、采用智能化时空处理算法形成数字波束等功能。目前，智能天线技术日趋完善， 中国电信科学研究院信威公司已推出带智能天线的同步c d m a 系统，美国麦得威通信 公司的智能天线也开始投放市场。 3 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 射频部分包括预放大和功率输出两部分。射频发射机和接收机，由通用平台和多个 射频发射机模块组成，其工作频带应足够宽，并采用数字频率合成技术设置，对每种标 准应能够多载波工作。发射机包括多只高功率放大器，要求具有高线性。 数字化是软件无线电的基础，模拟信号必须经过采样转化成数字信号才能用软件进 行处理。软件无线电体系结构的一个重要特点是将a d 和d a 尽量靠近射频前段。a d 和d a 器件在软件无线电中的位置非常关键，它直接反映了软件无线电系统的软件化可 操作程度。为减少模拟坏节及适应错综复杂的电磁环境，要求a i d 器件具有适中的采样 频率、较高的工作速度、较宽的工作带宽和较大的动态范围。在设计无线电系统时，选 择模数器件依据的性能指标有：信噪比、转换灵敏度、无散杂动态范围、非线性误差、 互调失真、全功率模拟输入带宽等。 a d 器件性能的局限及采样时引入的频谱混迭、量化误差等，会对软件无线电台的 性能产生不良影响，但这种影响尚缺乏定量分析。 d s p 是软件无线电必需的基本器件，是其灵魂和核心所在。系统在射频或中频( i f ) 对接收信号进行数字化处理，通过软件编程灵活地实现宽带数字滤波、直接数字频率合 成、数字上下变频、调制解调、差错编码、信令控制、信源编码及加解密功能。接收时， 来自天线的信号经过r f 处理和变换，由宽带a d 数字化，然后通过可编程d s p 模块进 行所需的各种信号处理，处理后的数据信号送至多功能用户终端。发送时，通过类似接 收信号处理流程的逆过程将数据通过天线发射出去。可见，软件无线电的灵活性、开放 性、兼容性等特点主要是通过以数字信号处理为中心的通用硬件平台及d s p 软件实现 的。 目前的d s p 无论在功能上还是在性能上，都不能满足无线电的要求，很难用单片 、d s p 直接处理宽带射频或中频信号，可以先采用数字变频技术对宽带射频或中频信号进 行处理，然后再用d s p 完成各种信号处理功能。数字变频的组成与模拟变频组成类似， 包括数字混频器、数字控制振荡器和低通滤波器三部分，所不同的是数字变频采用正交 混频。数字变频具有载频和数字滤波器系数可编程性、不存在非线性失真、频响特性好 及造价低等优点。 目前在航天测控领域，统一测控系统将遥控、遥测、测速、测距、话音等综合为一 体，能够完成多功能、多目标的测控任务。尽管与以前的分离设备相比，扩大了应用范 围，提高了可扩充性，可兼容性，而且由于设备集中使得易于管理和维护。但带来的问 题是系统关键设备电路为实现众多的功能而过于复杂，影响系统的可靠性。比如，由于 不同测控任务对工作模式和参数要求的不同，要求综合调制器包含多种数字调制方式， 多频点可变的副载波和码速率，基带信号包括二迸制数据信息和宽度、间隔，次数均可 编程的方波脉冲，以满足一机多用的需要。而遥测系统的解调设备要根据不同的任务 需要，在一定噪声环境中j 下确解调相应参数和调制方式的信息。传统方法是设计一个涵 4 第l 犟绪论 1 1 1 i i 盖所有功能的综合的测控系统，以满足不同任务对不同工作参数和调制解调方式的要 求，这必然造成硬件设备罗列，软件功能模块增多，各种功能测试与检测频繁。 同时随着遥测的数据量不断增大，现有调制不能满足传输要求，于是人们对传输速 率和带宽也提出了新的要求。同时，频谱资源的f = 1 趋紧缺，如何提高频谱利用率一直是 人们关注的焦点之一。三种基本的数字调制方式单独使用幅度或者相位携带信息，不能 够充分利用信号平面，对于频谱资源来讲是一种浪费。需要采用新的数字调制技术以便 在有限的带宽资源条件下获得更高的传输速率。正交幅度调制解调技术( q u a d r a t u r e a m p l i t u d em o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o n ，q a m ) 是一种高效的数字调制技术，相比于传 统数字调制技术的单独利用振幅或相位携带信息方式，q a m 调制信号的幅度和相位都 携带信息，可以充分利用整个信号平面，因而大大提高了信息传输的有效性，同时具有 很高的频谱利用率，因此q a m 已经广泛的应用于数字有线电视传输领域和数字m m d s 系统酊。 1 2 研究现状 由于以前的通信系统为模拟通信系统，所以调制技术是由模拟信号的调制与解调技 术最初开始发展的。后来，数字通信系统得到了迅速的发展，随之而来的是数字调制技 术的广泛应用和迅速发展。随着现在日益增多的各种通信系统数量，为了更好的充分利 用只益紧张的频谱资源，广大通信科研工作者致力于研究频谱利用率更高的新型数字调 制方式，而且原c c i t t ( 国际电报电话咨询委员会) 也一直在促进并鼓励开发新奇的频谱 使用技术，为了各种通信系统能够有效的进行通信，原c c i t t 科学地将频段分别分配 给各个通信系统，因而，许多科研院所，用户个体和通信公司都在通过开发先进的调制 技术用以提高频谱利用率睁儿。 q a m 数字调制还被广泛用于宽带接入应用中。局部多点分布服务网( l m d s ) 和有线 c a b l em o d e m 基本采用6 4 q a m 调制方式，而a d s l 采用的是d m t 调制方式，v d s l 传输速率要比a d s l 更高，因此，v d s l 标准采用的调制方式有d m t 、q a m 和c a p 几种方式，其c a p 方式和q a m 调制非常的相似。 数字q a m 解调技术自提出至今虽然已得到一定发展，但研究偏重于实现q a m 解 调的各种模块的算法实现。关于运用这些模块搭建整个q a m 解调结构使其满足设计性 能要求，目前相关方法并不是很多，如何在有限的面积和功耗情况下，增强q a m 解调 的性能是该领域亟待解决和完善的主要问题。另外，信道的复杂度对高阶q a m 解调也 提出了更大的挑战。因此完善q a m 解调技术的设计方法与理论，设计实现高性能q a m 解调器是十分值得研究的课题。 q a m 调制技术早在十多年前就已经在通信领域得到了广泛的应用，但是主要应用 于数字有线电视传输领域，近两年才在无线通信领域开始应用。 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 在国际上，将q a m 技术最早应用于无线窄带通信系统的是摩托罗拉公司，在摩托 罗拉公司的i d e n 数字集群系统中，在2 5 k h z 带宽的信道中实现了1 6 q a m 的调制解调， 但它依托于系统，未形成独立的产品，而且出于商业利益的考虑，摩托罗拉公司并未公 开其技术细节。市场上现有的应用于无线信道的q a m 调制解调芯片全是应用于数字电 视系统或有线系统，至今还没有应用于无线窄带通信系统的q a m 调制解调芯片面市。 在国内，研究q a m 调制的文章很多，但主要讨论应用于数字电视系统的情况，而 且研究的焦点集中在解调算法中的载波提取环节，很少有文章对q a m 调制解调的整个 系统进行完整的论述，在实践环节上，大多数文章主要以仿真为主，介绍用f p g a 硬件 上实现的文章数量有限，而且大多只实现系统的某个环节，将整个系统在f p g a 硬件上 实现的还没有哺1 。根据在北京、天津、上海等地的调研，在国内公司中至今没有将q a m 调制技术应用于无线窄带系统的实际案例。上海5 0 6 研究所和天津通广集团下属的一个 通信机部门现在正在做这方面的研究，但至今都未能形成产品，更谈不到实际的应用。 1 3 课题主要研究内容 论文围绕1 6 q a m 调制解调器的研究和实现展开，通过分析提出了一种基于f p g a 的全数字1 6 q a m 调制解调方案，并建立了1 6 q a m 调制解调系统的模型，该方案在 q u a r t u si i 软件开发平台中进行仿真，采用v e r i l o gh d l 硬件描述语言设计，并给出各模 块仿真结果，最后在硬件平台上进行了功能实现。 全文共分为五章，结构安排如下： 第一章绪论，阐述了本课题提出的背景与意义，突出了课题的重要性。然后对国内 外研究现状进行了简要的介绍和分析，并对本文的研究内容和结构安排进行了概括。 第二章1 6 q a m 调制解调原理，分析了1 6 q a m 调制解调技术的原理与性能。 第三章硬件设计及开发环境，主要介绍了实现全数字1 6 q a m 调制解调器的硬件平 台的搭建和集成开发环境基本知识。 第四章1 6 q a m 调制器的设计与实现，具体介绍了1 6 q a m 调制器的f p g a 实现。 第五章1 6 q a m 解调器的设计与实现，具体介绍了1 6 q a m 调制器的f p g a 实现。 第六章结束语，总结了全文，并对今后工作作了一些展望。 6 第2 章1 6 q 舢 v t 调制解调原理 第2 章1 6 q a m 调制解调原理 正交幅度调制解调技术( q a m ) 调制是一种高效的数字调制技术，是用两个独立的基 带波形对两个互相正交的同频载波进行抑制载波的双边带调制。相比于传统数字调制技 术的单独利用振幅或相位携带信息方式，q a m 调制信号的幅度和相位都携带信息，代 表幅度的矢量端点分靠在一条轴上，代表相位的矢量端点分布在一个完整的圆上，也就 是说，利用幅度及相位定义了一个数字或组合数字的信息，因此能很充分地利用整个平 面，因而大大提高了信息传输的有效性，同时具有很高的频谱利用率，因此q a m 已经 广泛的应用于现代通信系统邛1 。 采用多进制正交振幅调制，可记为m q a m ( m 2 ) 。增大m 可提高频率利用率，也 即提高传输有效性。下面介绍q a m 调制解调的基本原理p 1 。 2 11 6 q a m 调制技术 2 1 1 1 6 q a m 调制原理 正交振幅调制信号的一般表示式为 s 删( f ) = a , g ( t n t s ) c o s ( c o j + 纯) ( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中，a n 是基带信号幅度：g ( t n t s ) 是宽度为t s 的单个基带信号波形。上式可 以写成另一种正交表示形式： r1 厂 1 s 蚴榭( f ) = l 4 9 0 一以乃) c o s 纯i c o s 吐f - i 彳。g ( t - n t s ) s i n o 1 s i n 吐f ( 2 2 ) l jl 村j 令 、 j x 一= 4 0 0 s 纯2 c n 彳( 2 - 3 ) i 匕= 一a 。s i n p , = d 。a 式( 2 - 3 ) 中，a 是固定振幅，巳和吃由输入码元决定， 巳 和 以) 决定了已调q a m 信号在信号空间中的坐标点。 巳 和 以) 的值为士1 ，士3 ，士i ，( 对于m q a m 矩阵星座 图，f = l o g ：m ) ，并且点 巳) 和 以) 的值是相互独立的。 则式( 2 2 ) 可写为 广1r s 删( f ) - i 莓x g o 一以b j c o s a o c t + 1 ；匕烈f - 刀瓦l 8 i n 纹f ( 2 4 ) l 詹jlnj 、一， = a ( t ) c o s o o 。t + b ( t ) s i n c o d 式( 2 - 4 ) 由两个相互正交的载波构成，每个载波被一组离散的振幅a ( t ) 、b ( t ) 所调制， 故称这种调制方式为正交振幅调制。 1 6 q a m 调制原理框图如图2 1 所示，原始基带调制信号是一串二进制码流，图中 串并转换模块是将输入串行数据转换成相互独立的并行的i 、q 两路调制信号，为了得 哈尔滨i t 程大学硕士学位论文 到多进制的q a m 信号，首先应将二进制信号转换成四进制信号a ( t ) 和b ( t ) ，然后经过两 个乘法器分别与n c o 生成的两路互为正交的正弦信号相乘，得到两路相互正交的调幅 波，进行正交调制，最后再相加即得到1 6 q a m 信掣m 。 图2 11 6 q a m 调制框图 类似于其他数字调制方式，q a m 发射的信号集可以用星座图方便地表示，星座图 上每一个星座点对应发射信号集中的那一点。星座点经常采用水平和垂直方向等间距的 正方网格配置，当然也有其他的配置方式。数字通信中数据常采用二进制数表示，这种 情况下星座点的个数一般是2 的幂。星座点数越多，每个符号能传输的信息量就越大。 但是，如果在星座图的平均能量保持不变的情况下增加星座点，会使星座点之间的距离 变小，进而导致误码率上升。因此高阶星座图的可靠性比低阶要差。采用q a m 调制技 术，信道带宽至少要等于码元速率，为了定时恢复，还需要另外的带宽，一般要增加1 5 左右。 q a m 调制方式对应的空间信号矢量端点分布图称为星座图，如图为1 6 q a m 调制 的星座图，一共有1 6 个矢量端点，图中的黑点即代表每个码元的位置，它们都是由两 个正交矢量合成的。可以看出，电平数m 和信号状态膨之间的关系是m = 7 2 。根据星 座映射规则的不同，星座图有不同的分布形式。以1 6 q a m 为例，两种常用的星座图如 图2 2 所示，分别为方型星座图和星型星座图。方型星座图也称标准型星座图，其中信 号点的分布呈方形，因为它是其他q a m 调制的基础，且有着极其广泛的应用，本文主 要对这种标准型的16 q a m 进行研究”。 8 第2 章1 6 q 蝴调制解调原理 0 ( ：一 ( 习蜀)( 习i ) f i 仉口l 压 d 式中： c o 角频率( 2 矿) f 脉冲周期 口 滚降因子( r o l lo f f f a c t o o c - 0 一口) f d 万( 1 + a ) r ( 2 1 2 ) 第2 章i o q a m 调制解调原理 所谓升余弦特性，就是指将h 珂( 厂) 在一定条件下进行平滑，这种平滑的现象通常又 称为“滚降 ，平滑的程度用系数口来表示。假设滤波器无滚降时的截止频率为石，滚 降部分的截止频率为厶，则口= i ：l i , 。滚降是指它的频谱过渡特性，而不是波形的形 状1 1 6 1 0 升余弦滚降滤波器的频率响应和冲激响应如图2 6 及图2 7 所示： 一 l - - 一神l l - = 1 3 。 p l 强 仁) 4 、 w彩 图2 6 升余弦频率响应特性图2 7 升余弦时域响应 升余弦滤波器的响应特性可以通过一个被称为滚降因子的参数来进行调节，该因子由口 来表示，0 口1 。 在口= 0 的情况下，频率响应局限于l 2 兀。 当口= l ，频率响应局限为名。 当口在0 和l 之间时，频率响应被局限在1 2 f o 和厶之间，五为采样频率。 成形滤波器的设计之前，需要确定很多参数，其中主要有滤波器窗函数的选取、函 数的滚降系数、滤波器冲激响应滤波形的截短长度、滤波器的量化字长、符号周期内滤 波器的抽样点数，亦即输入信号码元信号的数据采样率。这些参数需要根据系统的具体 要求和实现算法来确定。 2 21 6 q a m 解调技术 2 2 11 6 q a m 解调原理 m q a m 的解调方法通常是j 下交相干解调法，解调框图如图2 4 所示， 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 图2 41 6 q a m 解调框图 解调器首先对收到的1 6 q a m 信号进行正交相干