連續相位QAM調制解調原理分析

4 仿真結果
為了研究連續相位技術(shù)對QAM調制性能的影響，利用計算機進(jìn)行了模擬仿真實(shí)驗。圖7是普通16QAM調制和連續相位16QAM調制的頻譜對比圖(過(guò)渡區寬 度選為1／4個(gè)碼元周期)。圖中橫軸表示歸一化頻差(f一fc)Tb，縱軸表示功率譜密度。圖7中虛線(xiàn)表示普通QAM調制的單邊功率譜，實(shí)線(xiàn)表示連續相位 QAM調制的單邊功率譜。對比圖中各諧波分量，除主峰和第l諧波峰不變外，第2、3、4峰分別下降了1．27dB、8．19dB和15．7dB，從第5峰 開(kāi)始均下降20dB以上；從整體上比較，兩者的平均功率在2：1左右。由于有用信息主要存在于主峰及其附近區域，現在主峰和第1諧波峰與普通QAM調制時(shí) 一樣，這就說(shuō)明相位連續技術(shù)在壓縮頻帶的同時(shí)，有用信息不會(huì )因此而丟失。

由于在過(guò)渡區依據連續函數S(t)進(jìn)行變化，所以經(jīng)過(guò)相位連續化處理后的信號相對于普通QAM調制信號在波形上存在一定程度的“失真”。為了確定這種改變 對QAM調制傳送信息數據可靠性的影響，利用蒙特卡羅仿真方法產(chǎn)生了連續相位QAM調制在高斯噪聲信道下的誤碼率曲線(xiàn)，如圖8中點(diǎn)線(xiàn)所示。為了便于對比， 圖8中還繪出了在同樣條件下普通QAM調制的誤碼率仿真曲線(xiàn)(如圖中帶*線(xiàn)所示)。對比兩條曲線(xiàn)可以看出，在低信噪比時(shí)，連續相位QAM的誤碼性能要略差 于普通QAM，但相差很??；在高信噪比時(shí)，兩條曲線(xiàn)幾乎重合。這是由于僅在過(guò)渡區對QAM調制進(jìn)行連續化處理，碼元的主要區間內相位沒(méi)有受影響，而在解調 時(shí)，判決又選擇碼元的主要區間，所以采用連續相位技術(shù)后QAM調制的抗噪性能與普通QAM調制幾乎一致。

5 連續相位QAM調制器的FPGA實(shí)現
連續相位QAM調制器的電路結構如圖9所示。整體上由FPGA器件和D／A器件以及濾波器等組成。其中FPGA器件實(shí)現連續相位QAM調制所必須的串并轉 換、相差選擇，相位連續等功能；D／A器件主要把FPGA器件輸出的數字信號轉換成模擬信號，并通過(guò)濾波放大處理以便于發(fā)送出去。

圖9中串并轉換模塊將輸入的數據按奇偶位分開(kāi)，變成兩路并行的數據，以便于QAM進(jìn)行相位選擇。相差選擇電路實(shí)際上是一個(gè)存儲器，其中存放QAM調制可能 的相位跳變值，每一個(gè)經(jīng)8位量化，以串并轉換模塊的輸出值作為該存儲器的地址碼，來(lái)決定選相電路的輸出。接下去的二選一選擇器是為實(shí)現連續相位QAM調制 功能引入的，該選擇器的控制端與雙可預置值計數器的輸出端相連，此計數器的特點(diǎn)是具有兩個(gè)預置值，從預置值l遞減到零的過(guò)程為兩個(gè)相鄰碼元的相位連續變化 的階段，此時(shí)計數器輸出為0，則二選一選擇器開(kāi)通0通道，因此相位跳變值進(jìn)入O通道，實(shí)現相位的連續化，即相位從θk-1開(kāi)始，經(jīng)過(guò)△θk(t)S(t) 的作用，由θk-1連續變化到θk-1+△θk(t)；當預置值l遞減到零后，意味著(zhù)過(guò)渡階段結束，此時(shí)計數器內部由0變到預置值2，并由預置值2開(kāi)始遞 減(直至減到0再翻轉回預置值1)，與此同時(shí)計數器的輸出由0翻轉為l，二選一選擇器開(kāi)通1通道，進(jìn)入正常的QAM的相位值，產(chǎn)生碼元的相位主要部分。所 以通過(guò)改變不同的預置值l、2，可以改變過(guò)渡區和主要部分所占比例，產(chǎn)生不同的相位連續化效果，也即過(guò)渡區寬度是可控的。
0通道實(shí)現相位的連續化功能，由存儲器、乘法器、加法器和寄存器2等構成。存儲器中存放的是連續函數S(t)抽樣后的量化值，考慮到雖然FPGA器件的集 成度越來(lái)越高，內部容量越來(lái)越大，但片內資源畢竟有限，因而選取S(t)的64個(gè)均勻抽樣點(diǎn)，經(jīng)8位量化后存入該存儲器，實(shí)驗表明該量化精度足以滿(mǎn)足使用 需要。8位乘法器完成相位跳變值△θk(t)與S(t)的乘積運算。寄存器2為兩個(gè)通道共用的部件，其中存放的是上一次的相位值θk-1，與乘法器的輸出 相加后即得到θk-1+△θk(t)S(t)。
1通道由兩個(gè)寄存器和一個(gè)加法器構成，其中寄存器1存放選相電路輸出的相位跳變值△θk(t)，與寄存器2中存放的相位值θk-1，相加即得到當前相位值 θk=θk-1+△θk(t)，此過(guò)程緊接在相位連續化完成后，并同時(shí)將和值轉入寄存器2中，為下一次相位連續化做準備。轉換存儲器實(shí)際上由兩個(gè)存儲器組 成，分別存放θk所對應的正弦和余弦值，以θk的量化值作為地址碼通過(guò)查找表的方式分別由兩個(gè)支路Ik，Qk輸出。這部分電路占用大量?jì)炔抠Y源，要求選用 的FPGA具有足夠的容量。sinwt，coswt存儲器中分別存放著(zhù)載波的正、余弦值，根據采樣定理和實(shí)驗分析，把一個(gè)正、余弦波周期采樣32個(gè)點(diǎn)，經(jīng) 過(guò)8位量化，恢復出來(lái)的波形足夠光滑。兩個(gè)支路Ik，Qk分別與載波的正、余弦值相乘后，再相加即實(shí)現了連續相位QAM調制，當然此時(shí)輸出的還是數字信 號，再經(jīng)過(guò)D／A轉換和相應濾波處理后，就變成模擬信號。

6 部分實(shí)驗結果
選用XILINX公司的FPGA器件Virtex XVV3006fg456作為目標芯片對16QAM調制進(jìn)行了實(shí)驗，該FPGA的規模為32萬(wàn)門(mén)，內部含1536個(gè)CLB(可配置邏輯單元)。FPGA內 部功能由VHDL語(yǔ)言進(jìn)行描述，VHDL語(yǔ)言代碼己通過(guò)XILINX ISE軟件的仿真、綜合和布局布線(xiàn)。根據綜合結果報告，調制器占用1953個(gè)Slice(占63%)，使用了2262個(gè)Slice觸發(fā)器(占36%)和 3536個(gè)4輸入LUT表(占58%)。整個(gè)FPGA的速度可達到55．87MHz，滿(mǎn)足一般高速數據的傳輸要求。
調制器實(shí)驗利用偽隨機碼發(fā)生器產(chǎn)生信息數據，設置雙可預置值計數器的兩個(gè)預置值之比為1：3，這樣過(guò)渡區寬度占每個(gè)碼元寬度的l／4，選用TLC7528型8位D／A轉換器進(jìn)行數模轉換，經(jīng)由TL084放大器構成的低通濾波器后輸出已調信號。
用TEKTRONIX2221A型數字存儲式示波器觀(guān)測實(shí)驗結果，圖10(b)是輸出的連續相位16QAM調制信號波形，為了便于比較，圖10(a)中給 出普通16QAM調制在相同條件下的輸出波形，從圖10中可以看出兩種調制信號僅在相鄰碼元之間的過(guò)渡區有所不同，普通16QAM調制信號存在的尖銳跳變 在連續相位16QAM中則相對平緩得多，而在過(guò)渡區結束后，進(jìn)入每一個(gè)碼元的主要部分時(shí)兩種調制的波形是一致的。

7 結束語(yǔ)
連續相位QAM調制技術(shù)可以在不影響QAM調制可靠性的同時(shí)，大幅壓縮諧波分量，提高頻譜利用率。這在頻率資源日益寶貴的今天，具有特別重要的意義。
隨著(zhù)FPGA技術(shù)的發(fā)展，大規模FPGA的容量在不斷增大，價(jià)格在不斷下降，這使得集成復雜的算法成為可能。用它將實(shí)現連續相位QAM調制所需的大部分功 能封裝于其中，將有利于通信系統實(shí)現小型化和集成化，并可提高系統的穩定性。另外，由于FPGA器件具有在線(xiàn)可編程性，可以很方便地進(jìn)行系統升級和修改， 以滿(mǎn)足不同應用場(chǎng)合的需要。