重庆邮电大学本科毕业设计（论文）
前 言
在许多领域现场可编程门阵列（FPGA)芯片都有广泛的应用，尤其是在数字通信领域当中，FPGA极强的实时性和并行处理能力能够完成对信号的实时处理。传统的观点通常认为在大规模的数字系统开发中应用FPGA功耗过大且过于昂贵，一般用来创建原型比较好。现在，DSP在成本和功耗上都己经被FPGA超越了。例如Xilinx公司的Spartan-3A DSP系列， 它移入了高端Virtex 5系列的DSP性能，而卖价最高才20美分。而TI公司的 C64X系列和AD公司的Blackfm系列处理器，其价格一般都在5?30美分之间。从根本上讲DSP只是适合于串行算法，通常多处理器系统是非常昂贵的， 而且也仅仅只适合粗粒度的并行运算;但是FPGA可以在片内实现细粒度从而完 成高度并行的运算。DSP和FPGA两者各有所长，实现时，一般都是配合使用， 通常是利用FPGA的可重配置和高并行度作FIR、FFT等的协处理器，而用DSP 作主处理器。
新的趋势己经表明，再与主流DSP的竞争当中，FPGA已经能够不用受到价格的约束。此外，FPGA拥有比DSP更加强大的计算能力。例如，20美分的Spartan-3 ADSP性能可高达每秒200亿条乘法累加操作（GMACs),同样单价30 美分的600MHz C64x DSP,其每秒的累加操作仅仅是25亿条，前者在性能上比 后者高了一个数量级。数字通信系统中有许多关键技术，如软件无线电、CDMA技术、多用户检 测等技术都需要依靠髙性能、高速的并行处理器来实现。随着近些年来这些应用 的日益多样化，FPGA已经演变成了构件内核，而不再是传统意义上的一块独立芯片。现在，已经可以把FPGA和DSP核集成在一起，FPGA芯片在一些具体方 面的应用也随之得到了极大地推动，如用于基带调制解调、实现语音合成、系统 控制以及纠错编码等功能；用来实现定时的恢复、基带调制解调功能、频率控制和自动增益、脉冲整形、符号检测和匹配滤波器等。特别是应用在调制解调器中，需要大量的复杂数学运算，同时对调制解调器的重量、功耗和大小都特别关注， 这就对FPGA提出了更高的要求，随着FPGA速度的提高调制解调器的速度也不断提高。FPGA在数字通信领域的应用，极大地推动了SOC的发展，同时也让现代 通信系统的性能得到了大大的改善。对于当今的数字通信设备，一片FPGA就己经具备了系统级的处理能力。比如，在现在的第三代无线通信中，单片FPGA不仅能完成信道和信源方面的物理层处理操作，同时还能对高层信令进行处理和控制，而对信令的操作则更多是通过FPGA当中内嵌的软核CPU和硬核CPU来完成的。随着无线通信的带宽更多的向CDMA等标准进行转移，以及高速数据传送网络对XDSL的要求越来越高，基于内嵌CPU/DSP的FPGA SOC将有更为广阔的应用发展前途。今后高速DSP应用技术必将是以系统芯片为核心，而
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且信息处理速度将突破每秒十亿次乘加运算，所以唯有FPGA芯片才能担当此重任。基于FPGA的嵌入式系统不仅具有单片机嵌入式系统和其他微处理器所不具备的技术特性及优点，而且可以通过利用并行算法操作使其具备更高速的数字信号处理能力，从而为系统实时性的实现提供了更为有力的支持。
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第一章 概 述
第一节 课题研究背景及意义
现代社会移动用户数量的不断增加，传统通信系统的容量越来越不能满足通信的要求而可用频带资源有限，同时不能靠无限增加频道数目来解决系统容量问题。此外语音、图像、音乐等信源直接转换而得到的电信号频谱比较低，其频谱特点是低通频谱，有些包括直流分量也有些可能不包含，其最高频率和最低频率的比值一般都比较大，比如语音信号的频谱范围大概为三百到三千赫兹，这种信号被称为基带信号。为了使基带信号能够在频带信道上进行传输，比如无线信道， 同时也为了能够同时传输多路基带信号，就需要采用调制和解调的技术。调制解调研究的主要内容包括：调制的原理、解调的原理、已调信号的产生方法、解调的实现方法等。调制是指为了适应倍道传输的要求，把基带信号的频谱搬移到一定的频带范围。对基带信号进行调制的目的主要有：进行频率分配、减少噪声和干扰的影响、实现多路复用和克服设备的限制等。
第二节 QAM技术现状与发展
以前的通信系统为模拟通信系统，所以调制技术是由模拟信号的调制与解调技术最初开始发展的。后来数字通信系统得到了迅速的发展，随之而来的是数字调制技术的广泛应用和迅速发展。随着现在日益增多的各种通信系统数量，为了更好的充分利用紧张的频谱资源，广大通信科研工作者致力于研究频谱利用率更高的新型数字调制方式，而且原CCITT (国际电报电话咨询委员会）也一直在促进并鼓励开发新奇的频谱使用技术，为使各种通信系统能够有效的进行通信，原CCITT科学地将频段分别分配给各个通信系统，因而许多科研院所，用户个体和通信公司都在通过开发先进的调制技术用以提高频谱利用率提高频谱利用率是人们设计和规划通信系统的关注焦点之一，同时也是提高通信系统容量的重要措施。频谱利用率越高，就要求已调信号所占的带宽要越窄。在数字调制系统中的频谱利用率主要是指传输的效率问题。如果系统的频带利用率高，就表明通信系统具有较高的传输效率，反之传输效率就低。从上面对频谱利用率的定义可以发现，要使得通信系统的频谱利用率有所提高主要可以两种途径：一是通过提高该调制系统的传信率即信息传输速率，二是降低己调信号所占用的频带宽度。
振幅和相位联合调制技术作为本课题的研究对象，就是一种近些年来获得了飞速发
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展的调制技术，该技术就具有极高的信息传输速。正交幅度调制是一种振幅与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，现如今已在中、大容量数字微波通信系统、卫星通信等领域中得到广泛运用。随着第三代移动通信系统的日趋成熟，频谱利用率较高的QPSK及QAM调制解调方式都会得到更多的采用。尤其是多进制QAM（16QAM），由于其频带利用率高，在通信业务日益增多使得频带利用率成为主要矛盾的情况下，正交幅度调制方式是一种比较好的选择。除了要解决提高语音服务质量问题，第三代移动通信系统更要解决如何在有限频带资源中提供多媒体综合业务的问题。所以，在选择调制方案时，第三代移动通信系统考虑的就不能只是抗干扰性能，频带利用率与灵活性应该予以更多考虑。低容量、低速率的语音服务能被传统的调制方案所适用，但高容量、高速率的多媒体业务却难以满足。而正交振幅调制QAM具有高频谱利用率，能根据信号传输环境与信号源的不同自适应地调整调制速率等优点，因此可以有效缓解可用频带紧张的情况及实现多速率的多媒体综合业务传输。
传统数字调制方式下，通常单码元携带l bit的信息，但QAM调制信号的幅度和相位均携带信息，随着16QAM中M的增大，调制信号所携带的信息量也相应增加，例如16QAM中一个码元携带4bit的信息，64QAM中一个码元携带6bit的信息，由此可
N知，16QAM中一个码元携带N bit(2?M)的信息，这极大地提高了信道频谱利用率。
因此，在通信传输领域，QAM调制方式得到了广泛的应用。而且，QAM得到了广泛应用还有一个重要原因，那即是QAM码间距比MASK，MPSK的要大，所以在提高频带利用率基础上，误码率更小。
QAM并不是一种新的调制方式，QAM在有线通信系统中的应用早在10多年前就已经开始了，但直到最近几年，它在无线信道中的应用才开始兴起，在数字电视这样的宽带通信系统中QAM应用较多，但在无线窄带通信系统中的应用还非常少。研究QAM调制的文章很多，可多数是讨论如何应用于数字电视系统的文章，而且这些文章研究的重点集中在解调中的载波提取部分，对QAM调制解调的整个系统进行完整的论述的文章很少。在实现方法及过程中，多数文章内容以软件仿真为主，而且大多文章只实现系统的某个模块，介绍用FPGA硬件实现的文章更是寥寥无几。
而如今，无线宽带数字通信的“软件无线电”设计方案越来越受到工程师们的青睐。所谓软件无线电，即在一个开放的、标准化的、模块化的通用硬件平台上，通信功能由软件完成。由于代码具有灵活性，开放性的特点，软件无线电系统的实现也具有高度的灵活性，开放性。调制解调器作为软件无线电技术研究的核心内容之一，如何实现调制解调器的软件化是实现软件无线电通用性、开放性的关键环节。多数传统的数字调制解调是利用专门的调制解调芯片实现的，固化的硬件极大限制了设计的灵活性。本文在FPGA这一软件无线电平台上采用verilog语言的方式实现16QAM调制解调，灵活性好。
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第三节 本文内容和结构
近些年，对数字QAM调制解调研究的相关文献比较多。数字QAM调制解调技术自提出至今虽然己经得到长足的发展，但研究的重心往往偏于QAM调制解调的各种模块的算法实现。关于如何运用这些模块搭建一个完整的QAM调制解调系统，并使其满足设计性能的要求，目前相关的研究方法并不是很多。另外无线信道的复杂度对QAM解调也提出了严峻的挑战。所以，研究QAM调制解调技术及其FPGA实现有着及其重要的现实意义。
本课题主要将对QAM调制解调技术进行研究，在深入研究理论的基础上完 成调制解调系统中关键模块的设计实现。本文主要讨论了16QAM调制解调器中载波恢复、正交相干解调、要求在一片FPGA芯片上实现，工作量较大，具有一定难度。利用Quartus II软件搭建了16QAM调制解调系统，是系统算法的快速实验平台，对整个系统有着举足轻重的作用。载波恢复采用DDS实现，既简单又快速。采样判决采用门限设计来实现。
第四节 本章小结
? 第一章介绍了课题背景、意义、QAM技术发展概要及应用现状和论文内容。 ? 第二章分析了16QAM调制解调的整体设计，16QAM顶层模块原理和程序实现。 ? 第三章分析了16QAM调制的原理与设计，16QAM发送端各个模块的程序实现。 ? 第四章分析了16QAM解调的原理与设计，16QAM接收端各个模块的程序实现。 ? 第五章给出了各个分模块在Quartus II软件平台上的仿真结果和调制、解调系统整
体调试。
? 第六章总结了本文的主要内容和创新点，指明了下一步的研究方向。
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