高阶QAM调制器的设计与实现

1 引 言

　　多电平正交幅度调制MQAM（Multilevel QuadratureAmplitude Modulation）是一种振幅和相位相结合的高阶调制方式，具有较高的频带利用率和较好的功率利用率。因为单独使甩振幅和相位携带信息时，不能最充分利用信号平面，这可由调制信号星座图中信号矢量端点的分布直观观察到。多进制振幅键控（MASK）调制时，矢量端点在一条轴上分布；多进制相位键控（MPSK）调制时，矢量点在一个圆上分布。随着进制数M的增大，这些矢量端点之间的最小距离也随之减少。因此，MQAM是一种高效的调制方式，被广泛应用于中、大容量数字微波通信系统、有线电视网络高数据传输、卫星通信等领域。本文首先介绍了MQAM调制解调的基本原理，然后以64QAM为例，介绍了一种全数字实现的调制系统结构方案，并给出了解调器的具体FPGA实现方法及关键技术。

　　2 MQAM调制原理

　　MQAM （Multiple Quadrature Amplitude Modulation） 多进制正交幅度调制。多进制正交幅度调制是在中、大容量数字微波通信系统中大量使用的一种载波控制方式。这种方式具有很高的频谱利用率，在调制进制数较高时，信号矢量集的分布也较合理，同时实现起来也较方便。目前在SDH数字微波、LMDS等大容量数字微波通信系统中广泛使用的64QAM、128QAM等均属于这种调制方式。

　　所谓正交振幅调制，就是用两个独立的基带波形对两个相互正交的同频载波进行抑制载波的双边带调制，利用这种已调信号在同一带宽内频谱的正交性来实现两路并行的数字信息传输。MQAM信号的一般表达式为：

　　式（1）由两个相互正交的载波构成，每个载波被一组离散的振幅{Am），{Bm）所调制，故称这种调制方式为正交振幅 调制。式中T为码元宽度，m=1，2，…，L，L为Am和Bm的电平数。MQAM中Am和Bm振幅可以表示成：

　　式中：A是固定的振幅，dm，em由输入数据确定，dm，em决定了已调MQAM信号在信号空间中的坐标点。在调制过程中，载波的振幅与相位都发生了变化，因此，已调信号矢量星座图中每一个坐标点代表了一种编码组合，同时也代表了正交信号矢量合成后的不同的相位及电平，第i个信号可用数学描述为：

　　因此每一个坐标点也由Ai和φ i惟一确定。

　　3 64QAM调制器系统设计

　　图1给出了全数字实现的64QAM调制器的电路原理结构。除D／A变换外，每个功能模块都用FPGA实现。扰码、串并转换和差分编码采用原理图的方法进行设计，电平转换及星座图映射采用查表法（LUT）进行设计。本设计的难点为成形滤波器和基于DDS的正交调制器实现，下面重点描述成形滤波器和基于DDS的正交调制器的实现方法。

　　一块DDS芯片中主要包括频率控制寄存器、高速相位累加器和正弦计算器三个部分（如Q2220）。频率控制寄存器可以串行或并行的方式装载并寄存用户输入的频率控制码；正弦计算器则对该相位值计算数字化正弦波幅度（芯片一般通过查表得到）。DDS芯片输出的一般是数字化的正弦波，因此还需经过高速D/A转换器和低通滤波器才能得到一个可用的模拟频率信号。