基于Verilog HDL语言的QAM调制系统仿真研究

摘要：在信息化高速发展的今天，由于2G系统及蜂窝网的普及带动了用户数的增加，更加由于3G的上市和4G技术的研发使得目前的通信系统已不能满足用户的需求。而现实的情况是，空中频率资源有限，新的利用有效利用频谱的技术还不成熟。因而，系统容量如何增加是一个非常重要的问题。于是从数字调制方式入手，能不能找到一种高效的调制方式使频谱利用率变高呢。基于比较成熟的调制方式而言，QAM调制能够达到这样的要求，合理有效的利用有限的频带，达到高效调制的母的。采用veriloghdl语言编写程序，用FPGA进行实现qam调制方式，文中采取全数字正交幅度调制方法。并采用QuartusII仿真工具进行了模拟仿真，得出正确的结论，作为全数字调制系统的实现，具有其可行性和先进性。

关键词：QAM调制　仿真　VerilogHDL　语言

中图分类号：TN76

文献标识码：A

文章编号：1007-3973(2011)010-067-02

1、引言

在通信系统调制方式中，QAM(正交振幅调制)用途广泛，其频谱利用率高，多用在容量大的电视网络和数据高速传输中，目前中大容量的调制方式包括卫星系统等各个领域都有应用。近年来，随着移动通信技术的发展，信道传输的方式在移动网中出现发生了很大变化。QAM以其自身的很多优势得到人们的广泛重视和应用。从基本原理上分析，正交振幅调制(QAM)是将两路不相关完全独立的数字基带信号进行调制，使之去和两路相干正交的载波进行相乘的双边带调制。其结合了ASK和PSK两种调制方法，是把数字基带信息用载波的振幅和相位进行数字调制的方法从数学理论上来分析计算，这种调制信号调制后在可用带宽内是正交的，利用这种特性，可以来实现同相信号I路和正交信号Q路的同时传输而不互相干扰。

2、系统总体设计

如图1所示，首先看QAM调制系统发送端的调制器组成框图。这里采用M序列作为扩频通信用的伪随机序列，如图1中所示，通过具有将数据串并变换功能的转换器和QAM星座图映射计算单元。得到的两路数据为同相和正交的数据流，为了适合信道的传播，再进入脉冲成型滤波器，去调制相互正交的两路正弦载波信号，之后将所得到的信号通过加法器相叠加，即可得到调制好的QAM信号。本设计中的每个功能模块都用FPGA实现。

图2给出了QAM调制系统解调器框图。首先，DDS(直接数字频率合成器)生成本地载波，载波必须是与发送端的载波信号同频同相的相午信号，信号进入系统后与采样信号进行混频，然后进行信号的解调。图中所示的数字低通滤波器起到插值匹配滤波器的作用，是为了滤除掉混频过程中产生的不必要的噪声频率，通过系统的定时器找到时钟信息达到恢复的目的后，星座图中的多电平数据经过一次逆映射就能变为需要的并行二进制数据码流。

3、FPGA实现

QAM调制系统的实现方法有很多，有四相叠加法、正交调制法等。根据对16QAM调制原理的分析，建立1 6QAM调制器的FPGA设计模型。下面将主要实现模块做一个介绍。

4、模块整体设计

4.1时钟模块

Clock为系统的码元速率，reset为清零端，ac inputAvail和ae_outputAvail为I路和Q路映射电平。

4.2星座映射模块

在本文中采取的调制信号星座图为方形星座映射。此时产生的信号可以直接加到两个正交载波相位上。解调时也较星形星座容易。调制采取输入差分编码规则进行调制，每个码元由4个比特组成。

4.3成型滤波器模块

消除码间干扰的办法之一是采用脉冲成型滤波器，并且能同时减少调制带宽和抑制频率扩散。在本设计中采用升余弦滤波器进行低通滤波，时能量更加集中，从而消除码间干扰。

4.4 DDS模块

DDS模块采用IP Core实现，配置方式为固定输出，产生频率为IM的本地载波，对信号进行I路和Q路的调制，然后将调制信号加到载波上，这两路信号相加得到16QAM调制信号。

4.5星座逆映射

在调制部分，把数字比特流映射到模拟模式。因而在接收端为了恢复传输的数据，需要进行解调，即星座的逆映射。如图2所示，送入解调模块的两路信号，是含有同相和正交相两个分量的复数信号。而解调模块依据调制时所使用的调制映射关系，恢复出调制前的数字原始信息。

5、仿真分析

根据原理框图，我们在仿真过程中，将时钟周期定位10ns，各个模块采用语言的编程方式，在经过编程，对程序进行编译，通过之后进行综合生成模块。最好新建波形文件，进行信号的赋值，得到16QAM调制解调的仿真波形图。m序列作为基带信号经过16QAM调制，从输出端RXIbuf-l-1 RXIbuf-2-1RXQbuf-1-1 RXQbuf-2-l输出16QAM调制后的数字信号，可达到0．5Mbps的信息速率，映射的各点数值经过计算分析仿真结果与实际理论计算结果一致。

6、结语

16QAM已经是一种常用的调制技术，是QAM技术研究的基本模型，本文的研究对象为16QAM调制解调方式，在原理图设计中进行的是正交调制法。调制信号由两路振幅信号叠加而得到，这两路信号是四电平的信号。在程序的设计过程中，选用较方便的Verilog HDL硬件描述语言。利用Quar-tusll8.0为仿真平台进行设计，编译，综合，最后得到仿真结果。从理论的分析和计算来看，仿真结果和计算值一致，证明了本设计的正确性。

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