MATLAB與QUARTUSⅡ在16QAM調制器調試中的應用

王莉靜,張建燕,陳國通,劉 衛,盧智嘉

(1.北京鐵路局石家莊電務段,河北石家莊 050000;2.河北科技大學理工學院,河北石家莊050018;3.河北科技大學信息科學與工程學院,河北石家莊 050018;4.石家莊學院電氣信息工程系,河北石家莊 050035)

MATLAB與QUARTUSⅡ在16QAM調制器調試中的應用

王莉靜1,張建燕2,陳國通3,劉 衛3,盧智嘉4

(1.北京鐵路局石家莊電務段,河北石家莊 050000;2.河北科技大學理工學院,河北石家莊050018;3.河北科技大學信息科學與工程學院,河北石家莊 050018;4.石家莊學院電氣信息工程系,河北石家莊 050035)

在設備的調試過程中,仿真結果和儀器測試不容易判斷結果的正確性,也不容易準確定位故障所在位置。在此結合16QAM調制器調試的實例介紹了一種實現快速準確查找故障位置的方法,該方法利用QUARTUSⅡ軟件對數據進行采集,并通過MA TLAB對采集的數據進行分析,實現了故障的快速準確查找。

MA TLAB;QUARTUSⅡ;16QAM調制器

QUARTUSⅡ是AL TERA公司的FPGA開發軟件,它可以對硬件描述語言所描述的硬件邏輯進行仿真調試,使設計者能夠在設計硬件電路之前就已經驗證了硬件功能的正確性,但是在實際調試過程中,這種方法只能采集數據,并不能對采集的數據進行分析。例如在設計16QAM調制器時,由于調制采用平方根升余弦成型濾波,所以直接從眼圖看并不容易判斷調制器程序是否正確,因此需要尋找其他的方法來對仿真結果進行分析、驗證。MA TLAB是一種功能強大的數學分析工具,如果將采集到的數據移植到MA TLAB中,對其進行分析,此類問題將會迎刃而解。筆者結合16QAM調制器設計和調試的實例介紹QUARTUSⅡ和MA TLAB聯合應用的分析、使用過程,包括利用 QUARTUSⅡ中的 SignalTapⅡ采集數據,并用MA TLAB的強大功能對數據進行分析處理,從而實現故障定位[1]。

1 16QAM調制器介紹

圖1 16QAM調制器組成框圖Fig.1 Diagram of 16QAM modulato r

隨著通信技術的快速發展,需要一種高效的調制技術來滿足高速的數據信息的傳輸,而QAM調制正是一種頻譜利用率高的調制方式,它采用正交幅度調制的方法對載波的振幅和相位同時進行調制,從而使得QAM調制信號的幅度和相位都攜帶有效信息,進而有效緩解了信號的帶寬壓力[2]。

QAM調制是利用I,Q 2路基帶信號對2個相互正交的同頻載波進行調制。它的數學表達式如下:

式中:T為碼元周期;Am和Bm為離散的振幅值,對于16QAM振幅可分別取值±1,±3。

16QAM調制過程如圖1所示,一路數字基帶信號經過串并轉換電路形成I,Q 2路數據。每一路數據的2個比特產生一個映射值,例如,當數據是00時映射為1,當數據為01時映射為-1,當數據是10時映射為3,當數據是11時映射為-3[3]。

映射后的數據進行平方根升余弦濾波的成型濾波,平方根升余弦濾波器的時域表達式如下:

式中:T為碼元周期;α為滾降系數,0<α≤1。

在設計成型濾波時α選擇為0.3,截取長度為8個符號持續期。成型濾波的脈沖響應如圖2所示。

圖2 成型濾波器的脈沖響應Fig.2 Pulse response of shaping filter

成型濾波后的數據進行D/A變換,變成模擬基帶信號[3]。頻率合成器產生正交調制器所需的本振信號。正交調制器把I,Q 2路模擬基帶調制到中頻,它的輸出即為所需要的16QAM調制信號[4]。

在設計時首先通過MA TLAB編程,并進行仿真。產生的信號眼圖和星座圖結果如圖3所示。因為采用了平方根升余弦濾波,所以仿真出的眼圖會比較厚。

圖3 16QAM信號的眼圖與星座圖Fig.3 Eye diagram and constellation of 16QAM

將MA TLAB語言編寫的程序用QUARTUSⅡ進行編譯并下載到FPGA當中。通過示波器觀察D/A的輸出,如果程序編寫正確,觀察到的眼圖和MA TLAB仿真的結果是一樣的[5]。但是由于眼圖比較厚,這種觀察不容易判斷D/A的輸出是否正確。如果觀察到的眼圖和圖3不同則說明設備存在故障,這可能有2種情況,第1種情況程序是正確的,D/A、正交調制器等后級電路存在故障;第2種情況可能由于硬件描述語言編寫程序時出現錯誤。但是只基于眼圖人們并不能準確地判斷故障部位。

通過QUARTUSⅡ軟件把FPGA中的數據采集到計算機中,并利用M A TLAB對數據進行分析的方法可以準確地判斷故障部位。

2 通過SignalTapⅡ采集數據

QUARTUSⅡ的SignalTapⅡ工具提供了對芯片內正在運行的信號進行數據采集的功能。SignalTapⅡ運行時,通過JTAG口把保存在片內的存儲器中的數據讀到計算機中,并且在SignalTapⅡ的窗口進行顯示。

SignalTapⅡ有3個菜單:Setup菜單,Data菜單和Advanced Trigger菜單。通過Setup菜單,用戶能夠增加一個節點到SignalTapⅡFiles(.stp),設置需要的參數、產生1個觸發狀態。在Data菜單,用戶能夠觀測到采集的數據,顯示形式可以是數據格式也可以是波形的形式。在A dvanced菜單,用戶能夠設置1個復雜的觸發條件。

在本次試驗中,需做如下設置:Samp le dep th設為1 000,Trigger Levels設為1,其他設置保持默認。設置完后把JTAG口編程電纜連到芯片的配置口上,按Scan Chain按鈕,軟件會自動識別芯片型號。對工程重新進行編譯,然后把程序下載到芯片內。按Run Analysis按鈕,在Data窗口下就會出現采集到的數據。

在File菜單里的 Expo rt選項中選擇輸出格式為Comma Separated Value,選擇輸出路徑,點OK按鈕,此時SignalTapⅡ會把數據輸出到指定的路徑下。用Excel把該文件打開,把要分析的數據選出并復制到一個新的文件里。

3 通過MATLAB對數據分析

調制器的成型濾波器采用平方根升余弦函數,如果把調制的數據再通過一個平方根升余弦濾波器,那么將會得到升余弦濾波后的數據,該數據的眼圖是匯聚的,此時再對數據進行眼圖分析,便可以很直觀地判斷數據是否正確。

通過MA TLAB對數據分析時,首先打開MA TLAB,在 File菜單中選擇 Import data,并選擇上一步驟所產生的文件,按照提示就可以把數據加載到MA TLAB的工作空間中,把數據改名為data。下面就可以對數據進行分析了。

首先產生平方根升余弦系數:

如果MA TLAB分析的結果眼圖顯示如圖4所示,則說明調制器程序沒有故障。

如果經過MA TLAB分析的結果眼圖與圖4不同,則可以證明故障部位是程序部分。因此通過采用這種方法可以很方便地對故障部位進行定位。

4 結 語

筆者用MA TLAB作為分析工具,使用它為硬件設計進行分析和測試擴展了QUARTUSⅡ仿真系統的功能。利用此方法會給設計者帶來巨大的便利。

圖4 匹配濾波后的眼圖Fig.4 Eye diagram after shaping filter

[1]馮 數,海宋宇.MA TLAB對 QuartusⅡ復雜仿真功能的增強與應用[J].內江科技(Neijiang Science and Technology),2007(5):90-91.

[2]梁光勝,陳 靜,許 釗.一種基于 FPGA 的16QAM調制[J].中國電力教育(China Electric Pow er Education),2008(S1):24-25.

[3]田永毅,倪宏斌.M IMO-OFDM系統中基于子載波分組信道估計的改進算法[J].河北科技大學學報(Journal of Hebei University of Science and Technology),2009,30(2):141-145.

[4]李曉麗,王躍存.基于Simulink的16QAM調制系統的仿真實現[J].儀器儀表用戶(U sers of Instrument),2008(5):84-85.

[5]方嘉寧,趙 艷.第三代移動通信3GPP規范中的HSDPA技術[J].河北科技大學學報(Journal of Hebei University of Science and Technology),2004,25(2):36-37.

App lication of MA TLAB and QUARTUSⅡin 16QAM debugging

WANG Li-jing1,ZHANG Jian-yan2,CHEN Guo-tong3,L IU Wei3,LU Zhi-jia4
(1.Shijiazhuang Electric Services Segment,Beijing Railway Station,Shijiazhuang Hebei 050000,China;2.Polytechnic College,Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuang Hebei 050018,China;3.College of Information Science and Engineering,Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuang Hebei050018,China;4.School of Electrical and Information Engineering,Shijiazhuang Institute,Shijiazhuang Hebei 050035,China)

In the equipment debugging p rocess,the simulation results and instrument test are hardly able to judge the correctness of the results o r the accurate faults location.This paper p resents a fast and accurate way to find fault locations through the examp les of 16QAM modulato r debugging.Thismethod achieves fast and accurate fault location by using QuartusⅡand MA TLAB software.

MA TLAB;QUARTUSⅡ;16QAM modulato r

TN914

A

1008-1542(2010)02-0104-04

2009-03-19;

2009-12-16;責任編輯:李 穆

王莉靜(1978-),女(滿族),河北唐山人,碩士,主要從事數字交換與傳輸方面的研究。

陳國通教授