基于FPGA的高階QAM調制器的實現

　　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。而MQAM采用振幅和相位聯合鍵控調制，他能充分利用整個信號平面，將矢量端點重新合理地分布，在不減小最小距離的情況下，增加信號的端點數；在相同信號端點數的情況下，矢量端點之間的最小距離增加。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

　　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。

　　3.1 成形濾波器的設計

　　為了讓信號在帶限的信道中傳輸，提高頻譜利用率，通常在發送端把信號經過成形濾波器進行帶限，由此就會引入碼間干擾。為有效地減少碼間干擾，按照最佳接收理論，收發基帶濾波器應共軛匹配，設計時收發基帶濾波器采用均方根升余弦滾降濾波器即能滿足要求。

　　在實際電路設計中采用具有線性相位的FIR濾波器來實現均方根升余弦滾降特性的成形濾波器。一個N階FIR濾波器的差分方程表達式為：

　　線性相位的FIR濾波器的系數是偶對稱或奇對稱的，利用系數的對稱性可減少乘法器的數量，本系統采用N為偶數且系數偶對稱的線性相位的FIR濾波器。濾波器系數是一個固定的值，根據均方根升余弦的沖擊響應特性，利用Matlab軟件可直接生成FIR數字濾波器系數hk(k=0，1，…，N-1)。所以濾波器的乘法都是固定系數的乘法。