高階QAM調(diào)制器的設(shè)計與實現(xiàn)

1 引 言

　　多電平正交幅度調(diào)制MQAM（Multilevel QuadratureAmplitude Modulation）是一種振幅和相位相結(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。因為單獨使甩振幅和相位攜帶信息時，不能最充分利用信號平面，這可由調(diào)制信號星座圖中信號矢量端點的分布直觀觀察到。多進(jìn)制振幅鍵控（MASK）調(diào)制時，矢量端點在一條軸上分布；多進(jìn)制相位鍵控（MPSK）調(diào)制時，矢量點在一個圓上分布。隨著進(jìn)制數(shù)M的增大，這些矢量端點之間的最小距離也隨之減少。因此，MQAM是一種高效的調(diào)制方式，被廣泛應(yīng)用于中、大容量數(shù)字微波通信系統(tǒng)、有線電視網(wǎng)絡(luò)高數(shù)據(jù)傳輸、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域。本文首先介紹了MQAM調(diào)制解調(diào)的基本原理，然后以64QAM為例，介紹了一種全數(shù)字實現(xiàn)的調(diào)制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案，并給出了解調(diào)器的具體FPGA實現(xiàn)方法及關(guān)鍵技術(shù)。

　　2 MQAM調(diào)制原理

　　MQAM （Multiple Quadrature Amplitude Modulation） 多進(jìn)制正交幅度調(diào)制。多進(jìn)制正交幅度調(diào)制是在中、大容量數(shù)字微波通信系統(tǒng)中大量使用的一種載波控制方式。這種方式具有很高的頻譜利用率，在調(diào)制進(jìn)制數(shù)較高時，信號矢量集的分布也較合理，同時實現(xiàn)起來也較方便。目前在SDH數(shù)字微波、LMDS等大容量數(shù)字微波通信系統(tǒng)中廣泛使用的64QAM、128QAM等均屬于這種調(diào)制方式。

　　所謂正交振幅調(diào)制，就是用兩個獨立的基帶波形對兩個相互正交的同頻載波進(jìn)行抑制載波的雙邊帶調(diào)制，利用這種已調(diào)信號在同一帶寬內(nèi)頻譜的正交性來實現(xiàn)兩路并行的數(shù)字信息傳輸。MQAM信號的一般表達(dá)式為：

　　式（1）由兩個相互正交的載波構(gòu)成，每個載波被一組離散的振幅{Am），{Bm）所調(diào)制，故稱這種調(diào)制方式為正交振幅 調(diào)制。式中T為碼元寬度，m=1，2，…，L，L為Am和Bm的電平數(shù)。MQAM中Am和Bm振幅可以表示成：

　　式中：A是固定的振幅，dm，em由輸入數(shù)據(jù)確定，dm，em決定了已調(diào)MQAM信號在信號空間中的坐標(biāo)點。在調(diào)制過程中，載波的振幅與相位都發(fā)生了變化，因此，已調(diào)信號矢量星座圖中每一個坐標(biāo)點代表了一種編碼組合，同時也代表了正交信號矢量合成后的不同的相位及電平，第i個信號可用數(shù)學(xué)描述為：

　　因此每一個坐標(biāo)點也由Ai和φ i惟一確定。

　　3 64QAM調(diào)制器系統(tǒng)設(shè)計

　　圖1給出了全數(shù)字實現(xiàn)的64QAM調(diào)制器的電路原理結(jié)構(gòu)。除D／A變換外，每個功能模塊都用FPGA實現(xiàn)。擾碼、串并轉(zhuǎn)換和差分編碼采用原理圖的方法進(jìn)行設(shè)計，電平轉(zhuǎn)換及星座圖映射采用查表法（LUT）進(jìn)行設(shè)計。本設(shè)計的難點為成形濾波器和基于DDS的正交調(diào)制器實現(xiàn)，下面重點描述成形濾波器和基于DDS的正交調(diào)制器的實現(xiàn)方法。

　　一塊DDS芯片中主要包括頻率控制寄存器、高速相位累加器和正弦計算器三個部分（如Q2220）。頻率控制寄存器可以串行或并行的方式裝載并寄存用戶輸入的頻率控制碼；正弦計算器則對該相位值計算數(shù)字化正弦波幅度（芯片一般通過查表得到）。DDS芯片輸出的一般是數(shù)字化的正弦波，因此還需經(jīng)過高速D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器才能得到一個可用的模擬頻率信號。