文档介绍：基于FPGA的16QAM调制器的实现
目录
一、QAM调制原理 4
二、16QAM调制器的实现 5
三、16QAM调制器的仿真结果 7
四、附录 11
1 顶层模块 11
2 时钟分频模块 12
3 串并转换模块 13
4 差分模块和星座映射模块 14
5 DDS 和加法器模块 16
6 testbench 源程序 21
7 用matlab 进行频谱分析 22
一、QAM调制原理
正交幅度调制(QAM)是一种把数字信息包含在载波的振幅和相位中的数字调制方式,也是ASK和PSK的结合。式(1)表示了QAM信号,它还可用式(2)来表示在QAM中是如何结合幅度和相位调制的。
(1)
(2)
16QAM信号的产生有两种基本方法:正交调幅法是用两路正交的四电平振幅键控信号叠加而成;四相叠加法是用两路独立的四相移相键控信号叠加而成。其中,16QAM正交调幅法的调制方框图如图1所示。输入的二进制数据经过串一并变换分别进入a1、a2、b1和b2,4个信道:每个信道的数据速率降为原来的1/4。2—4电平转换器产生一个四电平的PAM信号,每个2~4电平转换器的输出有2种量值和2种相位。两个PAM信号分别调制同相和正交载波,每一个调制器有4种可能的输出,经线性加法器合并产生16QAM信号。
图1 16QAM调制原理图
每路PAM信号的量值和相位由输入的二进制数据及其比特分配模式——星座图决定。16QAM星座图通常有自然码逻辑和Gray码逻辑2种比特模式。因为Gray码可以消除相邻点间符号差错中的2比特误差,即可减小相同符号差错率中的误比特率,。本文在设计16QAM的时候,采用图2的Gray模式进行编码,图中4个比特位从左至右的顺序为blb2ala2。
图2 16QAM星座图的Gray码逻辑模式
二、16QAM调制器的实现
系统输入数据速率为100 Kb/s;系统正交调制载波频率为1 MHz。、差分编码、星座影射等。设计EDA工具为Ahera集成设计软件Quartus II ;硬件描述Verilog HDL语言完成逻辑设计。本系统还用到仿真工具Matlab,搭建16QAM调制器的simulink模块,采用示波器观看波形。
1 系统总体框图
16QAM调制器的实现主要包括时钟模块、串并变换模块、查分编码模块、星座映射、DDS模块、加法器模块。系统总体框图如下:
图3 系统总体框图
系统顶层设计如下:
图4 系统顶层设计
2 时钟分频
时钟分频模块clk利用N分频器对10MHz系统时钟信号进行N分频,以产生调制器模块所需的工作时钟。N分频器是由模N/2计数器实现的,分频输出信号模N/2可自动取反,以产生占空比为1:1的时钟信号。由于信号源产生的基带信号为1bit串行数据,其速率为100 kbps,经并串转换后的4 bit并行数据速率为400 kbps,所以,本设计还采用了100分频器和400分频器。另外将10Mhz直接送入到DDS模块,使得输出的载波频率为1Mhz.
3 串并转换
1bit的数据送过来后,通过串并变换,将输入的第一个数据同它后面的三个数据同时输出,形成4bit的并行信号。
4 差分编码和星座映射
在本模块,同样根据调制方式不同,选用不同位的数据来进行处理。由于几乎都采用相干检测的方式进行解调,因此在解调端载波恢复存在着4个相位稳定点,即提取的相干载波可能与接收信号载波有4种相位关系,称作4重相位模糊度旧3。部分差分编码能消除4重相位模糊度对解调的影响。而部分差分编码相对于全差分编码由于减少了差分编码的bit数。因而减少了误码扩散,具有较好的误码性能。
由于同样的符号误码率下,采用格雷编码比自然码的比特误码率小,所以多幅度电平的电平逻辑采用格雷编码映射。星座影射模块输入4bit并行数据,输出为I/Q路对应的四幅值之一;4 bit并行信号需要将其影射到信号平面,星座影射实现采用查表法分别输出I/:
表1 星座映射
I/Q路输入数据
对应的量化值
00
-2
01
-1
11
1
10
2
5 DDS和线性加法器
在DDS模块中,采用系统时钟10Mhz,由公式可知:但取频率字为K=32'b11001100110011001100110011001, fc=10MHZ, N=32时,可得到输出的正余弦波的频率为1MHz。
三、16QAM调制器的仿真结果
1 使用Quartus 自带仿真器仿真,其总体仿真图如下