基于FPGA的16QAM調制解調系統的設計與實現

(1.梧州學院　廣西　梧州　543002;2.中國電子科技集團公司第29研究所　四川　成都　610036)

一、引言

正交振幅調制[1](Quadrature Amplitude Modulation)技術是一種重要的數字調制技術，廣泛應用于移動通信、有線電視傳輸、數字視頻廣播衛星通信(DVB-S)等領域。在2ASK、2FSK、2PSK這幾種調制方式中，每個碼元僅攜帶1bit信息，而QAM同時使用幅度和相位承載信息，每個碼元可以攜帶更多信息，頻帶利用率、信息傳輸的有效性更高[2]。另外與MPSK相比，MQAM相鄰矢量端點的歐氏距離較大，噪聲容限高，抗噪性能更強。

二、16QAM調制與解調原理

16QAM調制過程可視為ASK與PSK的結合[3]，分為I/Q兩支路，如圖1.1所示。

圖1.1　QAM調制框圖

RB為二元信息的碼元速率，經串并轉化后上下支路的碼元速率降為RB/2。I/Q支路中每2個碼元選擇4種電平，再分別以sinω0t、cosω0t為載波進行ASK調制，最后兩路疊加形成16QAM，如式(1-1)所示。

s16QAM(t)=Ikcosω0t+Qksinω0tk=1,2,3,4

(1-1)

在解調端，16QAM信號在上下兩支路分別進行相干解調，經載波恢復提取出I/Q兩路正交載波sinω0t、cosω0t，再與16QAM信號相乘，得到式(1-2)

(1-2)

經低通濾波器后，得到Ik、Qk兩個電壓信號，再由幅度-碼元對應關系確定I/Q支路碼元，最后通過并串轉換恢復二元數字信號。

三、16QAM調制解調系統的FPGA實現

調制與解調原理圖如圖2.2(a)、(b)所示。s_p、p_s均存儲深度為4bit的FIFO，用于實現I/Q支路的串并和并串轉換；p_s。dds_generate模塊通過256×6bit的ROM生成正交載波。低通濾波器使用2500kHz采樣率、通帶頻率為5kHz、阻帶200KHz的15階FIR濾波器實現。

圖2.2　(a)調制原理圖

圖2.2　(b)解調原理圖

系統仿真結果如圖2.3(a)所示

圖2.3　時序仿真

調制部分，4bit隨機實數信號data_input進行串并轉換后被分解為1個復數信號(data_Ix,data_Qx)，在上下兩支路各選擇4個電平進行ASK調制，得到Ix和Qx兩路模擬信號，再匯成analog_output。經解調模塊成功解調輸出data_output波形。

四、總結

本文分析了16QAM的實現原理，并通過Quartus ii與modelsim聯合仿真實現16QAM的調制和解調。2ASK、2PSK、2FSK每個狀態僅能攜帶1bit信息，而16QAM每個狀態能攜帶4bit信息，提高了頻譜效率，因而應用更廣泛。