高階QAM調制器的設計與實(shí)現

1 引 言

　　多電平正交幅度調制MQAM（Multilevel QuadratureAmplitude Modulation）是一種振幅和相位相結合的高階調制方式，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(shí)，不能最充分利用信號平面，這可由調制信號星座圖中信號矢量端點(diǎn)的分布直觀(guān)觀(guān)察到。多進(jìn)制振幅鍵控（MASK）調制時(shí)，矢量端點(diǎn)在一條軸上分布；多進(jìn)制相位鍵控（MPSK）調制時(shí)，矢量點(diǎn)在一個(gè)圓上分布。隨著(zhù)進(jìn)制數M的增大，這些矢量端點(diǎn)之間的最小距離也隨之減少。因此，MQAM是一種高效的調制方式，被廣泛應用于中、大容量數字微波通信系統、有線(xiàn)電視網(wǎng)絡(luò )高數據傳輸、衛星通信等領(lǐng)域。本文首先介紹了MQAM調制解調的基本原理，然后以64QAM為例，介紹了一種全數字實(shí)現的調制系統結構方案，并給出了解調器的具體FPGA實(shí)現方法及關(guān)鍵技術(shù)。

　　2 MQAM調制原理

　　MQAM （Multiple Quadrature Amplitude Modulation） 多進(jìn)制正交幅度調制。多進(jìn)制正交幅度調制是在中、大容量數字微波通信系統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，在調制進(jìn)制數較高時(shí)，信號矢量集的分布也較合理，同時(shí)實(shí)現起來(lái)也較方便。目前在SDH數字微波、LMDS等大容量數字微波通信系統中廣泛使用的64QAM、128QAM等均屬于這種調制方式。

　　所謂正交振幅調制，就是用兩個(gè)獨立的基帶波形對兩個(gè)相互正交的同頻載波進(jìn)行抑制載波的雙邊帶調制，利用這種已調信號在同一帶寬內頻譜的正交性來(lái)實(shí)現兩路并行的數字信息傳輸。MQAM信號的一般表達式為：

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

　　式中：A是固定的振幅，dm，em由輸入數據確定，dm，em決定了已調MQAM信號在信號空間中的坐標點(diǎn)。在調制過(guò)程中，載波的振幅與相位都發(fā)生了變化，因此，已調信號矢量星座圖中每一個(gè)坐標點(diǎn)代表了一種編碼組合，同時(shí)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(gè)信號可用數學(xué)描述為：

　　因此每一個(gè)坐標點(diǎn)也由Ai和φ i惟一確定。

　　3 64QAM調制器系統設計

　　圖1給出了全數字實(shí)現的64QAM調制器的電路原理結構。除D／A變換外，每個(gè)功能模塊都用FPGA實(shí)現。擾碼、串并轉換和差分編碼采用原理圖的方法進(jìn)行設計，電平轉換及星座圖映射采用查表法（LUT）進(jìn)行設計。本設計的難點(diǎn)為成形濾波器和基于DDS的正交調制器實(shí)現，下面重點(diǎn)描述成形濾波器和基于DDS的正交調制器的實(shí)現方法。

　　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(gè)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(hù)輸入的頻率控制碼；正弦計算器則對該相位值計算數字化正弦波幅度（芯片一般通過(guò)查表得到）。DDS芯片輸出的一般是數字化的正弦波，因此還需經(jīng)過(guò)高速D/A轉換器和低通濾波器才能得到一個(gè)可用的模擬頻率信號。