高階調(diào)制信號(hào)發(fā)生器的DSP實(shí)現(xiàn)

紀(jì)雪嵐

摘 要：針對(duì)如今通信技術(shù)的發(fā)展，對(duì)通信信號(hào)源的頻率分辨率、頻率范圍等要求越來越高的問題，傳統(tǒng)的頻率合成方法設(shè)計(jì)的通信信號(hào)源在功能、精度等方面均存在缺陷和不足，如硬件規(guī)模大、不易擴(kuò)展等問題，本文提出一種基于“軟件無線電”的思想，設(shè)計(jì)提供基本信號(hào)的硬件電路，通過軟件編程設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的收發(fā)功能。并采用TI公司生產(chǎn)的TMS320C5509芯片，結(jié)合CPLD，運(yùn)用DDS技術(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)高效的實(shí)現(xiàn)方案。并針對(duì)16位定點(diǎn)型DSP采用定標(biāo)的方法，實(shí)現(xiàn)浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)的運(yùn)算。通過CCS的仿真驗(yàn)證了16QAM信號(hào)的星座圖映射，證明了本方案的正確性。

關(guān)鍵詞：信號(hào)發(fā)生器;軟件無線電;DSP;DDS

1 緒論

調(diào)制信號(hào)發(fā)生器是通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真和電磁環(huán)境模擬的重要部件。為了處理通信系統(tǒng)中高速數(shù)字信號(hào)，越來越多的人開始著手于軟件無線電技術(shù)。本文利用DSP技術(shù)設(shè)計(jì)了一款高階調(diào)制信號(hào)發(fā)生器，并成功產(chǎn)生了16QAM調(diào)制信號(hào)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

TMS320C5509DSP作為電路的主控部件，完成將輸入的二進(jìn)制信號(hào)進(jìn)行數(shù)字調(diào)制，如進(jìn)行正交幅度調(diào)制（QAM），通過EPM240T100C這款CPLD外擴(kuò)DSP的I/O，并設(shè)計(jì)DDS模塊產(chǎn)生正弦序列，將產(chǎn)生后的正弦相位的模值存入SDRAM中供DSP讀取，以滿足DSP進(jìn)行信號(hào)調(diào)制時(shí)所需要的載波。信號(hào)的輸出采用的數(shù)模轉(zhuǎn)換器是DAC900E。同時(shí)，還設(shè)計(jì)了USB接口和異步串口，使得DSP能夠?qū)崟r(shí)的與電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 DDS模塊設(shè)計(jì)

直接數(shù)字頻率合成器DDS是從相位概念出發(fā)直接合成所需要波形的一種新的頻率合成技術(shù)[1]。DDS模塊的核心是相位累加器，它由一個(gè)加法器和一個(gè)相位寄存器組成，每一個(gè)時(shí)鐘，相位寄存器以步長(zhǎng)增加，相位寄存器的輸出與相位控制字相加，然后輸入到波形存儲(chǔ)器SDRAM中。采用Altera公司的EPM240T100C這款性價(jià)比較高的CPLD設(shè)計(jì)DDS模塊的相位累加器。采用VHDL語言進(jìn)行編寫程序。具體實(shí)現(xiàn)程序如下。

上面程序中，n是用參數(shù)說明的相位累加器的字長(zhǎng)，r是刷新信號(hào)，cp為相位累加器的時(shí)鐘。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 正交幅度調(diào)制（QAM）原理

正交幅度調(diào)制（QAM）是頻譜利用率很高的一種調(diào)制方式，它是一種矢量調(diào)制，將輸入比特先映射（一般采用格雷碼）到一個(gè)復(fù)平面（星座圖）上，形成復(fù)數(shù)調(diào)制符號(hào)，然后將符號(hào)的I、Q分量采用幅度調(diào)制。這樣與幅度調(diào)制（AM）相比，其頻譜利用率將提高1倍。在理想狀態(tài)下，M-QAM的M個(gè)載波狀態(tài)可以調(diào)制log2M個(gè)比特。M-QAM的信號(hào)形式為：

3.2 16QAM信號(hào)的DSP軟件編程及仿真

本文中用DSP讀取SDRAM中的正弦波的相位值，通過CPLD設(shè)計(jì)的DDS模塊產(chǎn)生。輸入的二進(jìn)制數(shù)據(jù)需要對(duì)其進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，所謂串并轉(zhuǎn)換，就是把數(shù)據(jù)的輸入變成兩路，分別對(duì)應(yīng)正交幅度調(diào)制中的cosωct和sinωct，輸入的數(shù)據(jù)就是式（1）中的Amc和Ams，再接下來分別對(duì)兩路進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，電平轉(zhuǎn)換決定了QAM信號(hào)在星座圖中的位置。因?yàn)椴煌A的QAM攜帶的信號(hào)量不一樣。所以這邊設(shè)計(jì)程序時(shí)候也是有所區(qū)別。如16QAM相當(dāng)于兩路獨(dú)立的QPSK信號(hào)疊加，所以采用對(duì)I、Q兩路分別進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，前面已經(jīng)進(jìn)行了串并轉(zhuǎn)換，二進(jìn)制序列被分為了兩路，對(duì)兩路碼元序列分別進(jìn)行編碼，編碼時(shí)需要先將每?jī)蓚€(gè)比特分成一組，然后用四種相位之一θk表示，兩個(gè)比特有四種組合，即00、01、10、和11。它們和相位θk之間的關(guān)系通常用格雷碼（Gray）的規(guī)律去安排。采用格雷碼的好處在于相鄰相位所代表的的比特只有一位不同，由于因相位誤差造成錯(cuò)判至相鄰相位上的概率最大，故這樣編碼使之僅造成一個(gè)比特誤碼的概率最大。

本次試驗(yàn)在CCS3.3中進(jìn)行了16QAM正交幅度調(diào)制信號(hào)的仿真，設(shè)采樣頻率為Fs=32000HZ，載波頻率Fc=1000HZ，符號(hào)速率fb=9600符號(hào)/秒。試驗(yàn)結(jié)果如下圖所示。4個(gè)象限共16個(gè)星座點(diǎn)，分布均勻，復(fù)制、相位都正確。

4 結(jié)論

16QAM是載波和相位同時(shí)調(diào)制的復(fù)合調(diào)制方式，提高了頻譜利用率，節(jié)約寬帶，在未來通信領(lǐng)域中非常具有發(fā)展前途，本文設(shè)計(jì)的基于DSP，利用DDS技術(shù)和DSP處理數(shù)字信號(hào)速度的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)的高階調(diào)制信號(hào)發(fā)生器非常具有研究意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]雷能芳，蘇變玲.基于DDS技術(shù)的數(shù)字移相正弦信號(hào)發(fā)生器的CPLD設(shè)計(jì)與仿真[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2009，9（4）：1009-1011.