【正文】 基于FPGA的16QAM調(diào)制解調(diào)電路設(shè)計畢業(yè)論文目錄前言 1第一章概述 3第一節(jié)課題研究背景及意義 3第二節(jié)QAM技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展 3第三節(jié)本文內(nèi)容和結(jié)構(gòu) 5第四節(jié)本章小結(jié) 5第二章 QAM調(diào)制解調(diào)整體設(shè)計 6第一節(jié) 16QAM調(diào)制的方法和原理 6第二節(jié) 16QAM解調(diào)方法和原理 8第三節(jié)本章小結(jié) 9第三章QAM調(diào)制器分模塊設(shè)計 10第一節(jié) FPGA概述 10第二節(jié)串/并轉(zhuǎn)換模塊 12第三節(jié) DDS載波和線性加法器模塊 13第四節(jié)差分編碼和星座映射模塊 22第五節(jié)時鐘分頻模塊 25第六節(jié)本章小結(jié) 27第四章QAM解調(diào)器分模塊設(shè)計 28第一節(jié)解調(diào)器頂層模塊設(shè)計 28第三節(jié)DDS載波恢復(fù)模塊設(shè)計 33第四節(jié)乘法器模塊設(shè)計 37第四節(jié)低通濾波器模塊設(shè)計 38第五節(jié)采樣判決模塊設(shè)計 39第六節(jié)電平轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計 41第七節(jié)本章小結(jié) 41第五章調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的仿真 42第一節(jié)仿真參數(shù)設(shè)置 42第二節(jié)仿真結(jié)果 42一、16QAM調(diào)制器的仿真結(jié)果 42二、16QAM解制器的仿真結(jié)果 46第三節(jié)仿真結(jié)果分析 49第五節(jié)本章小結(jié) 49結(jié)論 51致謝 52參考文獻 53附錄 54一、英文原文 54二、英文翻譯 61三、源程序 67四、其他 73II 前言在許多領(lǐng)域現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA)芯片都有廣泛的應(yīng)用，尤其是在數(shù)字通信領(lǐng)域當中，F(xiàn)PGA極強的實時性和并行處理能力能夠完成對信號的實時處理。傳統(tǒng)的觀點通常認為在大規(guī)模的數(shù)字系統(tǒng)開發(fā)中應(yīng)用FPGA功耗過大且過于昂貴，一般用來創(chuàng)建原型比較好?，F(xiàn)在，DSP在成本和功耗上都己經(jīng)被FPGA超越了。例如Xilinx公司的Spartan3A DSP系列，它移入了高端Virtex 5系列的DSP性能，而賣價最高才20美分。而TI公司的 C64X系列和AD公司的Blackfm系列處理器，其價格一般都在5?30美分之間。從根本上講DSP只是適合于串行算法，通常多處理器系統(tǒng)是非常昂貴的，而且也僅僅只適合粗粒度的并行運算。但是FPGA可以在片內(nèi)實現(xiàn)細粒度從而完成高度并行的運算。DSP和FPGA兩者各有所長，實現(xiàn)時，一般都是配合使用，通常是利用FPGA的可重配置和高并行度作FIR、FFT等的協(xié)處理器，而用DSP 作主處理器。新的趨勢己經(jīng)表明，再與主流DSP的競爭當中，F(xiàn)PGA已經(jīng)能夠不用受到價格的約束。此外，F(xiàn)PGA擁有比DSP更加強大的計算能力。例如，20美分的Spartan3 ADSP性能可高達每秒200億條乘法累加操作（GMACs),同樣單價30 美分的600MHz C64x DSP,其每秒的累加操作僅僅是25億條，前者在性能上比后者高了一個數(shù)量級。數(shù)字通信系統(tǒng)中有許多關(guān)鍵技術(shù)，如軟件無線電、CDMA技術(shù)、多用戶檢測等技術(shù)都需要依靠髙性能、高速的并行處理器來實現(xiàn)。隨著近些年來這些應(yīng)用的日益多樣化，F(xiàn)PGA已經(jīng)演變成了構(gòu)件內(nèi)核，而不再是傳統(tǒng)意義上的一塊獨立芯片?，F(xiàn)在，已經(jīng)可以把FPGA和DSP核集成在一起，F(xiàn)PGA芯片在一些具體方面的應(yīng)用也隨之得到了極大地推動，如用于基帶調(diào)制解調(diào)、實現(xiàn)語音合成、系統(tǒng)控制以及糾錯編碼等功能；用來實現(xiàn)定時的恢復(fù)、基帶調(diào)制解調(diào)功能、頻率控制和自動增益、脈沖整形、符號檢測和匹配濾波器等。特別是應(yīng)用在調(diào)制解調(diào)器中，需要大量的復(fù)雜數(shù)學(xué)運算，同時對調(diào)制解調(diào)器的重量、功耗和大小都特別關(guān)注，這就對FPGA提出了更高的要求，隨著FPGA速度的提高調(diào)制解調(diào)器的速度也不斷提高。FPGA在數(shù)字通信領(lǐng)域的應(yīng)用，極大地推動了SOC的發(fā)展，同時也讓現(xiàn)代通信系統(tǒng)的性能得到了大大的改善。對于當今的數(shù)字通信設(shè)備，一片F(xiàn)PGA就己經(jīng)具備了系統(tǒng)級的處理能力。比如，在現(xiàn)在的第三代無線通信中，單片F(xiàn)PGA不僅能完成信道和信源方面的物理層處理操作，同時還能對高層信令進行處理和控制，而對信令的操作則更多是通過FPGA當中內(nèi)嵌的軟核CPU和硬核CPU來完成的。隨著無線通信的帶寬更多的向CDMA等標準進行轉(zhuǎn)移，以及高速數(shù)據(jù)傳送網(wǎng)絡(luò)對XDSL的要求越來越高，基于內(nèi)嵌CPU/DSP的FPGA SOC將有更為廣闊的應(yīng)用發(fā)展前途。今后高速DSP應(yīng)用技術(shù)必將是以系統(tǒng)芯片為核心，而且信息處理速度將突破每秒十億次乘加運算，所以唯有FPGA芯片才能擔當此重任?；贔PGA的嵌入式系統(tǒng)不僅具有單片機嵌入式系統(tǒng)和其他微處理器所不具備的技術(shù)特性及優(yōu)點，而且可以通過利用并行算法操作使其具備更高速的數(shù)字信號處理能力，從而為系統(tǒng)實時性的實現(xiàn)提供了更為有力的支持。第一章 概述第一節(jié) 課題研究背景及意義現(xiàn)代社會移動用戶數(shù)量的不斷增加，傳統(tǒng)通信系統(tǒng)的容量越來越不能滿足通信的要求而可用頻帶資源有限，同時不能靠無限增加頻道數(shù)目來解決系統(tǒng)容量問題。此外語音、圖像、音樂等信源直接轉(zhuǎn)換而得到的電信號頻譜比較低，其頻譜特點是低通頻譜，有些包括直流分量也有些可能不包含，其最高頻率和最低頻率的比值一般都比較大，比如語音信號的頻譜范圍大概為三百到三千赫茲，這種信號被稱為基帶信號。為了使基帶信號能夠在頻帶信道上進行傳輸，比如無線信道，同時也為了能夠同時傳輸多路基帶信號，就需要采用調(diào)制和解調(diào)的技術(shù)。調(diào)制解調(diào)研究的主要內(nèi)容包括：調(diào)制的原理、解調(diào)的原理、已調(diào)信號的產(chǎn)生方法、解調(diào)的實現(xiàn)方法等。調(diào)制是指為了適應(yīng)倍道傳輸?shù)囊螅鸦鶐盘柕念l譜搬移到一定的頻帶范圍。對基帶信號進行調(diào)制的目的主要有：進行頻率分配、減少噪聲和干擾的影響、實現(xiàn)多路復(fù)用和克服設(shè)備的限制等。第二節(jié) QAM技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展以前的通信系統(tǒng)為模擬通信系統(tǒng)，所以調(diào)制技術(shù)是由模擬信號的調(diào)制與解調(diào)技術(shù)最初開始發(fā)展的。后來數(shù)字通信系統(tǒng)得到了迅速的發(fā)展，隨之而來的是數(shù)字調(diào)制技術(shù)的廣泛應(yīng)用和迅速發(fā)展。隨著現(xiàn)在日益增多的各種通信系統(tǒng)數(shù)量，為了更好的充分利用緊張的頻譜資源，廣大通信科研工作者致力于研究頻譜利用率更高的新型數(shù)字調(diào)制方式，而且原CCITT (國際電報電話咨詢委員會）也一直在促進并鼓勵開發(fā)新奇的頻譜使用技術(shù)，為使各種通信系統(tǒng)能夠有效的進行通信，原CCITT科學(xué)地將頻段分別分配給各個通信系統(tǒng)，因而許多科研院所，用戶個體和通信公司都在通過開發(fā)先進的調(diào)制技術(shù)用以提高頻譜利用率提高頻譜利用率是人們設(shè)計和規(guī)劃通信系統(tǒng)的關(guān)注焦點之一，同時也是提高通信系統(tǒng)容量的重要措施。頻譜利用率越高，就要求已調(diào)信號所占的帶寬要越窄。在數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)中的頻譜利用率主要是指傳輸?shù)男蕟栴}。如果系統(tǒng)的頻帶利用率高，就表明通信系統(tǒng)具有較高的傳輸效率，反之傳輸效率就低。從上面對頻譜利用率的定義可以發(fā)現(xiàn)，要使得通信系統(tǒng)的頻譜利用率有所提高主要可以兩種途徑：一是通過提高該調(diào)制系統(tǒng)的傳信率即信息傳輸速率，二是降低己調(diào)信號所占用的頻帶寬度。振幅和相位聯(lián)合調(diào)制技術(shù)作為本課題的研究對象，就是一種近些年來獲得了飛速發(fā)展的調(diào)制技術(shù)，該技術(shù)就具有極高的信息傳輸速。正交幅度調(diào)制是一種振幅與相位相結(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，現(xiàn)如今已在中、大容量數(shù)字微波通信系統(tǒng)、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域中得到廣泛運用。隨著第三代移動通信系統(tǒng)的日趨成熟，頻譜利用率較高的QPSK及QAM調(diào)制解調(diào)方式都會得到更多的采用。尤其是多進制QAM（16QAM），由于其頻帶利用率高，在通信業(yè)務(wù)日益增多使得頻帶利用率成為主要矛盾的情況下，正交幅度調(diào)制方式是一種比較好的選擇。除了要解決提高語音服務(wù)質(zhì)量問題，第三代移動通信系統(tǒng)更要解決如何在有限頻帶資源中提供多媒體綜合業(yè)務(wù)的問題。所以，在選擇調(diào)制方案時，第三代移動通信系統(tǒng)考慮的就不能只是抗干擾性能，頻帶利用率與靈活性應(yīng)該予以更多考慮。低容量、低速率的語音服務(wù)能被傳統(tǒng)的調(diào)制方案所適用，但高容量、高速率的多媒體業(yè)務(wù)卻難以滿足。而正交振幅調(diào)制QAM具有高頻譜利用率，能根據(jù)信號傳輸環(huán)境與信號源的不同自適應(yīng)地調(diào)整調(diào)制速率等優(yōu)點，因此可以有效緩解可用頻帶緊張的情況及實現(xiàn)多速率的多媒體綜合業(yè)務(wù)傳輸。傳統(tǒng)數(shù)字調(diào)制方式下，通常單碼元攜帶l bit的信息，但QAM調(diào)制信號的幅度和相位均攜帶信息，隨著16QAM中M的增大，調(diào)制信號所攜帶的信息量也相應(yīng)增加，例如16QAM中一個碼元攜帶4bit的信息，64QAM中一個碼元攜帶6bit的信息，由此可知，16QAM中一個碼元攜帶N bit()的信息，這極大地提高了信道頻譜利用率。因此，在通信傳輸領(lǐng)域，QAM調(diào)制方式得到了廣泛的應(yīng)用。而且，QAM得到了廣泛應(yīng)用還有一個重要原因，那即是QAM碼間距比MASK，MPSK的要大，所以在提高頻帶利用率基礎(chǔ)上，誤碼率更小。QAM并不是一種新的調(diào)制方式，QAM在有線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用早在10多年前就已經(jīng)開始了，但直到最近幾年，它在無線信道中的應(yīng)用才開始興起，在數(shù)字電視這樣的寬帶通信系統(tǒng)中QAM應(yīng)用較多，但在無線窄帶通信系統(tǒng)中的應(yīng)用還非常少。研究QAM調(diào)制的文章很多，可多數(shù)是討論如何應(yīng)用于數(shù)字電視系統(tǒng)的文章，而且這些文章研究的重點集中在解調(diào)中的載波提取部分，對QAM調(diào)制解調(diào)的整個系統(tǒng)進行完整的論述的文章很少。在實現(xiàn)方法及過程中，多數(shù)文章內(nèi)容以軟件仿真為主，而且大多文章只實現(xiàn)系統(tǒng)的某個模塊，介紹用FPGA硬件實現(xiàn)的文章更是寥寥無幾。而如今，無線寬帶數(shù)字通信的“軟件無線電”設(shè)計方案越來越受到工程師們的青睞。所謂軟件無線電，即在一個開放的、標準化的、模塊化的通用硬件平臺上，通信功能由軟件完成。由于代碼具有靈活性，開放性的特點，軟件無線電系統(tǒng)的實現(xiàn)也具有高度的靈活性，開放性。調(diào)制解調(diào)器作為軟件無線電技術(shù)研究的核心內(nèi)容之一，如何實現(xiàn)調(diào)制解調(diào)器的軟件化是實現(xiàn)軟件無線電通用性、開放性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。多數(shù)傳統(tǒng)的數(shù)字調(diào)制解調(diào)是利用專門的調(diào)制解調(diào)芯片實現(xiàn)的，固化的硬件極大限制了設(shè)計的靈活性。本文在FPGA這一軟件無線電平臺上采用verilog語言的方式實現(xiàn)16QAM調(diào)制解調(diào)，靈活性好。第三節(jié)本文內(nèi)容和結(jié)構(gòu)近些年，對數(shù)字QAM調(diào)制解調(diào)研究的相關(guān)文獻比較多。數(shù)字QAM調(diào)制解調(diào)技術(shù)自提出至今雖然己經(jīng)得到長足的發(fā)展，但研究的重心往往偏于QAM調(diào)制解調(diào)的各種模塊的算法實現(xiàn)。關(guān)于如何運用這些模塊搭建一個完整的QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)，并使其滿足設(shè)計性能的要求，目前相關(guān)的研究方法并不是很多。另外無線信道的復(fù)雜度對QAM解調(diào)也提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。所以，研究QAM調(diào)制解調(diào)技術(shù)及其FPGA實現(xiàn)有著及其重要的現(xiàn)實意義。本課題主要將對QAM調(diào)制解調(diào)技術(shù)進行研究，在深入研究理論的基礎(chǔ)上完成調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)中關(guān)鍵模塊的設(shè)計實現(xiàn)。本文主要討論了16QAM調(diào)制解調(diào)器中載波恢復(fù)、正交相干解調(diào)、要求在一片F(xiàn)PGA芯片上實現(xiàn)，工作量較大，具有一定難度。利用Quartus II軟件搭建了16QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)，是系統(tǒng)算法的快速實驗平臺，對整個系統(tǒng)有著舉足輕重的作用。載波恢復(fù)采用DDS實現(xiàn)，既簡單又快速。采樣判決采用門限設(shè)計來實現(xiàn)。第四節(jié)本章小結(jié)l 第一章介紹了課題背景、意義、QAM技術(shù)發(fā)展概要及應(yīng)用現(xiàn)狀和論文內(nèi)容。l 第二章分析了16QAM調(diào)制解調(diào)的整體設(shè)計，16QAM頂層模塊原理和程序?qū)崿F(xiàn)。l 第三章分析了16QAM調(diào)制的原理與設(shè)計，16QAM發(fā)送端各個模塊的程序?qū)崿F(xiàn)。l 第四章分析了16QAM解調(diào)的原理與設(shè)計，16QAM接收端各個模塊的程序?qū)崿F(xiàn)。l 第五章給出了各個分模塊在Quartus II軟件平臺上的仿真結(jié)果和調(diào)制、解調(diào)系統(tǒng)整體調(diào)試。l 第六章總結(jié)了本文的主要內(nèi)容和創(chuàng)新點，指明了下一步的研究方向。 7 第二章 QAM調(diào)制解調(diào)整體設(shè)計引言：正交幅度調(diào)制16QAM是一種振幅和相位的聯(lián)合鍵控。在多進制聯(lián)合鍵控體制中，相位鍵控的帶寬和功率占用方面都具有優(yōu)勢，即帶寬占用小和比特信噪比要求低。因此MPSK和MDPSK體制為人們所喜用。但是，在MPSK體制中，隨著M的增大，相鄰相位的距離逐漸減小，使噪聲容限隨之減小，誤碼率難于保證。為了改善在M大時的噪聲容限，發(fā)展出了QAM體制。在QAM體制中，信號的振幅和相位作為兩個獨立的參量同時受到調(diào)制[1]。本章介紹了16QAM調(diào)制解調(diào)的原理，對原理及性能進行了數(shù)學(xué)分析，揭示了16QAM體制的優(yōu)勢所在，并用SystemView軟件對整個系統(tǒng)進行行為級的仿真，為之后的FPGA實現(xiàn)提供了理論依據(jù)和可行性驗證。第一節(jié) 16QAM調(diào)制的方法和原理16QAM調(diào)制信號可以表示為：，() 式中和是電平值，這些電平值是通過將2比特序列映射為二進制4電平振幅而獲得的，為信號脈沖，是正交載波頻率，M為進制數(shù)，16QAM調(diào)制中M為16。在調(diào)制過程中，作為調(diào)制信號的輸入四路數(shù)據(jù)兩兩結(jié)合，分別進入兩個電平轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成兩路4電平數(shù)據(jù)，兩路4電平數(shù)據(jù)和分別被載波和調(diào)制，然后相減，即可得到16QAM信號。，該星座圖是通過用16QAM中M＝4PAM的信號對每個正交載波進行振幅調(diào)制再將兩路幅值映射到x，y軸得到的，星座點數(shù)為。 M=16的QAM信號星座圖同時16QAM調(diào)制信號還可以這樣表示： 8 ()上式中，由此可以看出，QAM調(diào)制信號可以看成是幅度和相位的聯(lián)合調(diào)制。如果，那么QAM方法就可以達到以符號速率同時發(fā)送個二進制數(shù)據(jù)。對于16QAM，系統(tǒng)能同時發(fā)送4個串行二進制數(shù)據(jù)。平衡調(diào)制器相位變換平衡調(diào)制器發(fā)送濾波器本地振蕩發(fā)送濾波器串/并轉(zhuǎn)換二進制數(shù)據(jù)QAM信號 QAM調(diào)制器框圖將(21)式變形，令 ()其中()脈沖信號的能量為，由此可得任意兩個信號間的歐氏距離是： ()當信號幅值取時，兩點間歐氏距離最小，為：。第二節(jié) 16QAM解調(diào)方法和原理解調(diào)實質(zhì)上是調(diào)制的逆過程，在理想情況下，16QAM信號的頻帶利用率為，目前，對QAM信號的解調(diào)方法很多，其主要方法有以下三種：模擬相干解調(diào)、數(shù)字相干解調(diào)、全數(shù)字解調(diào)。本文采用數(shù)字相干解調(diào)法對QAM進行解調(diào)，： QAM解調(diào)器框圖在接收端接收到的調(diào)制信號分別和兩路相互正交的載波信號相乘，化簡之后相同信號的表達式為： ()正交信號表達式為：