高階QAM調制器的設計與實現

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，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的分布直觀觀察到。多進制振幅鍵控（MASK）調制時，矢量端點在一條軸上分布；多進制相位鍵控（MPSK）調制時，矢量點在一個圓上分布。隨著進制數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是一種高效的調制方式，被廣泛應用于中、大容量數字微波通信系統、有線電視網絡高數據傳輸、衛星通信等領域。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現的調制系統結構方案，并給出了解調器的具體FPGA實現方法及關鍵技術。

　　2 MQAM調制原理

　　MQAM （Multiple Quadrature Amplitude Modulation） 多進制正交幅度調制。多進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，在調制進制數較高時，信號矢量集的分布也較合理，同時實現起來也較方便。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，就是用兩個獨立的基帶波形對兩個相互正交的同頻載波進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實現兩路并行的數字信息傳輸。MQAM信號的一般表達式為：

　　式（1）由兩個相互正交的載波構成，每個載波被一組離散的振幅{Am），{Bm）所調制，故稱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。在調制過程中，載波的振幅與相位都發生了變化，因此，已調信號矢量星座圖中每一個坐標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個信號可用數學描述為：

　　因此每一個坐標點也由Ai和φ i惟一確定。

　　3 64QAM調制器系統設計

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

　　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字化的正弦波，因此還需經過高速D/A轉換器和低通濾波器才能得到一個可用的模擬頻率信號。