基于System Generator的1024QAM調制解調系統

潘惠蘭，周勝源

(桂林電子科技大學 信息與通信學院，廣西 桂林　541004)

基于System Generator的1024QAM調制解調系統

潘惠蘭，周勝源

(桂林電子科技大學 信息與通信學院，廣西 桂林541004)

摘要：針對低階QAM調制信號難以滿足通信需求，設計了一種高效率的QAM系統。該系統基于軟件無線電平臺設計思想，根據正交調制解調原理，建立1024QAM調制解調系統模型，設計了數字上下變頻、位同步模塊，并利用System Generator工具箱對系統進行仿真。結果表明，該系統能正確恢復原信號，且理想條件下傳輸速率理論值高達10 bit/(s·Hz)，一定程度上解決了頻帶緊張問題，尤其在高信噪比(≥30 dB)條件下，還可獲得較好的可靠性。

關鍵詞：1024QAM調制解調；軟件無線電；System Generator；高頻帶利用率

正交振幅調制(quadrature amplitude modulation，簡稱QAM)是一種高效的數字調制方式,其載波幅度和相位都攜帶信息，充分利用了整個信號平面，使頻帶利用率大大提高,可滿足通信系統對帶寬和數據傳輸速率的要求。目前，該技術已被廣泛用于中、大容量數字微波通信系統、衛星通信和有線電視網絡高數據傳輸等領域。針對QAM信號及相關技術，國內外學者開展了大量研究。文獻[1-2]分析了不同進制QAM(8/16/32/64/128/256)在高斯信道的性能，但使用的是Simulink工具。目前，低階QAM的傳輸速率及頻帶利用率已難以滿足要求，近年來，高階QAM的研究逐漸興起。文獻[3-4]研究了1024QAM在有線電視環境下的應用，而無線通信要比有線通信復雜得多。文獻[5-6]分別探討了基于FPGA的1024QAM調制解調系統和1024QAM信號通過多徑信道后的性能特點，但這2個系統利用DSPBuilder、System View工具實現，方法相對復雜，可重置性也不高。

目前數字調制已經發展到256/512QAM技術，然而，對更高階QAM的研究還較少，尤其是基于軟件無線電硬件平臺。為此，基于軟件無線電思想，用Xilinx下的System Generator工具對1024QAM調制解調系統建模，設計數字上下變頻和位同步模塊，從系統有效性和可靠性出發，建立高效率的QAM系統。

1基于System Generator的1024QAM系統建模

基于軟件無線電架構的1024QAM系統框圖如圖1所示。

圖1　1024QAM系統框圖Fig.1　Block diagram of 1024QAM

在調制端，輸入的二進制串行數據經過擾碼、串/并轉換后，得到并行信號，此時的速率為輸入的1/10。再進行電平轉換、差分編碼、星座映射，得到32電平信號，經成形濾波器、上變頻后，2路信號分別與載波混頻生成1024QAM信號。

解調端采用相干解調的方法，首先下變頻降低采樣速率，將信號正交分解為2路信號，經匹配濾波后，抽樣判決器對2路信號進行判決檢測，再經星座逆映射、差分解碼、并/串轉換，將2路二進制合成1路二進制信息，解擾恢復原信號。

基于System Generator的系統設計，可圖形化操作、簡單靈活、設計周期短，且能自動生成硬件實現所需的描述語言代碼，不需為仿真和實現建立不同的模型。AWGN信道下的系統模型如圖2所示，其各模塊功能對應圖1的模塊功能。本系統中，基帶碼率為2.048 Mbit/s，載波頻率為1.024 MHz，系統頻率為16.384 MHz。

圖2　AWGN信道下的系統模型Fig.2　System model in AWGN channel

1.1星座映射、逆映射模塊

二進制數據流通過1024QAM映射為I、Q兩路信號，每路為5 bit，共32種狀態，即用32種不同的電平幅度表示，分別從I、Q路信號任取一個幅度組合，可以有32×32=1024種組合[5]，即1024個星座點。差分編碼后輸出32電平為0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31，經星座映射后變為±1、±3、±5、±7、±9、±11、±13、±15、±17、±19、±21、±23、±25、±27、±29、±31。逆映射是個相反的過程，星座圖選擇調制解調比較簡單、更節省發射功率的矩形星座圖[7]，同時，采用可降低誤碼率的格雷碼編碼方式。

1.2成形、匹配濾波器模塊

成形濾波器可抑制碼間干擾，匹配濾波器能提高信噪比，兩者都采用平方根升余弦滾降濾波器實現，所不同的是成形濾波要同時進行上采樣，而匹配濾波無需上采樣。本系統中，串并轉換后的碼率為204.8 kbit/s，采樣率也為204.8 kbit/s，經成形濾波器的8倍采樣，采樣率為1638.4 kbit/s，根據實際需要采用具有良好阻帶衰減的海明窗，計算出濾波器階數為64，截止頻率為240 kHz。匹配濾波器的參數設置與成形濾波器相同，但不進行8倍采樣。

1.3數字上、下變頻模塊

基于軟件無線電的數字變頻器由數字濾波器、數控振蕩器(numerically controlled oscillator，簡稱NCO)和數字混頻器組成，其中，上變頻經過插值、濾波、混頻，將基帶信號轉換為中頻信號，而下變頻經過混頻、抽取、濾波，恢復為基帶信號。

數字濾波由可變換采樣率的HB濾波器和CIC濾波器級聯實現。HB濾波器的參數是中心對稱的，且一半為零，可大大提高計算效率，頻譜特性也更好，適合速率較低的濾波，而CIC濾波器適合高速率濾波[7]39。因此，在數字上變頻中，HB內插濾波為第1級，CIC內插濾波為第2級；而在數字下變頻中，CIC抽取濾波為第1級，HB抽取濾波為第2級。本系統采樣率需提高16 384/1638.4=10倍，其中HB濾波內插/抽取2倍，使用凱撒窗設計，CIC濾波5級級聯內插/抽取5倍，只需要加減運算，適合硬件的高效實現。

NCO模塊產生2個正交的正余弦波，與I、Q兩路信號混頻得到調制信號。系統時鐘頻率為16.384 MHz，若累加器數據位寬為10，輸出載波頻率為1024 kHz，則可計算出頻率控制字為64。

1.4位同步模塊

QAM解調系統中，位同步是正確取樣判決的基礎。基于Gardner定時誤差檢測的算法，每個符號只需2個采樣點，且對載波頻偏不敏感，實現簡單，其模型包括內插濾波器、定時誤差檢測器、環路濾波器、插值控制器[7]197?？刂破魇褂肗CO確定內插基點和小數間隔，經內插器實現采樣速率的轉換，得到最佳采樣點和兩采樣點間的信號樣點；誤差檢測器提取當前采樣相位誤差，該誤差經環路濾波后得到NCO的步長，通過更新步長控制NCO的溢出，從而控制輸出頻率。計算得到的插值時刻和誤差間隔反饋給內插器，由此逐步減小誤差，實現同步[8]。

本系統中，定時誤差檢測器采用Gardner算法，該算法基于QPSK，改進后用于1024QAM的Gardner算法誤差為：

(1)

其中：yI(r)、yQ(r)為I、Q路基帶信號第r個符號的采樣值；yI(r-1/2)、yQ(r-1/2)為r-1和r之間的中間采樣值；a=(y(r)+y(r-1))/2。

環路濾波器采用有源比例積分型實現，其二階環的環路時域方程為：

(2)

其中c1、c2為環路系數。

控制器包含NCO和誤差間隔計算。NCO相當于一個相位累加器，每溢出一次，計算一次內插值，由此確定內插基點，再根據內插點值以及NCO的控制字確定誤差間隔。誤差間隔計算公式為：

(3)

其中：η(mk)為定時控制寄存器控制字；W(mk)為環路濾波輸出的控制字。

1.5系統性能測試模塊

從信息傳輸方面考慮，數字通信系統最主要的性能指標是有效性和可靠性，通過頻帶利用率和誤碼率體現。

具有升余弦滾降特性的系統頻帶利用率為：

(4)

其中：M為進制數；α為滾降系數。

矩形星座圖中，若M=2k且k為偶數，QAM信號相當于正交載波的2個PAM信號，其誤碼率為

(5)

其中Es/No為符號信噪比。本系統可通過Simulink中現有的誤碼計算模塊得到系統誤碼數目及誤碼率。

2仿真結果及性能分析

系統仿真時間為1/20.48 s，信噪比為30 dB，經過仿真可知，碼元總數為100 000，AWGN信道輸入端信號的輸出功率為1.08 W，系統誤碼率為0.134%。

系統調制和解調端的星座圖分別如圖3、4所示。對比圖3、4可知，系統可以正確產生1024個星座點，解調端的星座點與調制端的基本一致。由于信道噪聲干擾，圖4的星座點有誤碼。

系統調制解調波形如圖5所示。從圖5可知，輸入的二進制信號與解調輸出信號波形一致，說明系統能正確恢復出原始信號，從而驗證了系統建模的正確性。

圖3　系統調制端星座圖Fig.3　Constellation diagram of system modulation

圖4　系統解調端星座圖Fig.4　Constellation diagram of system demodulation

圖5　系統調制解調波形Fig.5　Oscillogram of system modulation and demodulation

根據式(4)，利用Matlab仿真得到不同階數QAM頻帶利用率隨滾降系數α的變化曲線如圖6所示。從圖6可看出，1024QAM的頻帶利用率明顯高于低階QAM，且理想條件下，1024QAM的頻帶利用率可達10 bit/(s·Hz)，由此驗證了高階QAM的高有效性。

圖6　不同階數QAM頻帶利用率曲線Fig.6　Band utilization rate curve of the different order QAM

根據式(5)，理論誤碼率和仿真誤碼率隨信噪比的變化如圖7所示。從圖7可知，仿真的誤碼率與理論誤碼率基本保持一致，低信噪比(≤30 dB)時，誤碼率相對較大，隨著信噪比的增加，誤碼率也逐漸減小，達到37 dB時，誤碼率可降到10-4級數，此后系統的誤碼率與理論誤碼率開始產生偏差。

圖7　AWGN信道下誤碼率變化曲線Fig.7　Bit error rate curve in AWGN channel

3結束語

基于軟件無線電思想，設計了1024QAM調制解調系統，并利用System Generator工具箱對系統進行仿真。仿真結果表明，系統可靠性高。利用System Generator工具箱建?？芍刂眯愿撸澥∠到y資源，大大縮短開發時間，并可為更高階QAM(如1024/2048/4096QAM)的實現及應用提供思路。然而，系統獲取良好性能局限于高信噪比，當對傳輸可靠性要求高時，該系統仍然需要改善，后續的研究可考慮引入恒包絡FM調制、均衡技術，以進一步提高系統可靠性。

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編輯：翁史振

1024QAM modulation and demodulation system based on System Generator

PAN Huilan, ZHOU Shengyuan

(School of Information and Communication Engineering, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China)

Abstract：The low order QAM modulation signal is difficult to meet the demand of communication, so an efficient QAM system is designed. Based on the thought of software radio platform and the algorithms of digital orthogonal, the 1024QAM modem system is set up, the digital frequency conversion and bit synchronization module are designed. System Generator tool is used for modeling and simulation at last. The result shows that the system can recover the original signal correctly, and the transmission rate is up to 10 bit/(s·Hz). The problem of band tension is improved and the better reliability is obtained at high signal to noise ratio (≥30 dB) condition.

Key words：1024QAM modulation and demodulation; software defined radio; System Generator; high frequency efficiency

收稿日期：2015-11-24

基金項目：廣西教育廳科研項目(201203YB084)

通信作者：周勝源(1974-)，男，廣西梧州人，教授，博士，研究方向為無線通信、寬帶通信網絡、軟件無線電等。E-mail:440702@qq.com

中圖分類號：TN914.3

文獻標志碼：A

文章編號：1673-808X(2016)02-0108-05

引文格式： 潘惠蘭，周勝源.基于System Generator的1024QAM調制解調系統[J].桂林電子科技大學學報，2016,36(2):108-112.