基于VHDL的16QAM信号发生器设计与实现
吴华+王辉+温俊青+张小真
摘要：基于VHDL与MAX+PLUSⅡ软件开发平台，采用层次化、模块化与参数化的设计方法，设计并验证了一种性能良好的16QAM信号发生器。介绍了VHDL语言与16QAM原理，阐述了16QAM信号调制与解调的理论方法，设计并实现了正余弦载波产生、16QAM调制、解调等功能模块，给出整体调制解调的模块图与仿真波形。性能分析结果表明该系统设计可行。
关键词：VHDL；16QAM；调制；解调
DOIDOI：10.11907/rjdk.172188
中图分类号：TP319
文献标识码：A文章编号文章编号：1672-7800（2018）001-0113-03
Abstract：Based on VHDL and MAX+PLUS II software development platform， a 16QAM signal generator with good performance is designed and verified by using hierarchical， modular and parametric design methods. The VHDL and 16QAM principle are discussed firstly， and then the theory of 16QAM signal modulation and demodulation is analyzed， and multiple functional modules， such as the sine and cosine carrier waves generation， 16QAM modulation and demodulation， are designed and implemented. Finally， the whole modulation and demodulation module chart and the simulation profiles are achieved， and the performance analysis shows that the design of the system is feasible.
Key Words：VHDL； 16QAM； modulation； demodulation
0引言
數字通信系统一般需要满足两个标准：①高效并不失真地传输有用信息；②在传输过程中尽可能减少或抑制干扰信息。数字通信系统之所以能持续高速发展并成为当代通信系统主流，这与其自身具有易于加密传输、高度集成化的特点密不可分；新的调制技术不仅减小了信道对信号传输的影响，而且在大容量传输、高速率、节省频谱并有效利用带宽等方面均有进展[1]。数字基带信号一般需经过调制后在无线与有线信道传输，这个过程实质上是将信号的频谱从低频迁移到高频，调制后的信号更便于实现远距离传输。幅移键控、频移键控和相移键控是数字调制的基础，然而这3种数字调制方式都存在不足，如频谱利用率低、抗多径衰落能力差、功率谱衰减慢、带外辐射严重等[2]。正交振幅调制QAM（Quadrature Amplitude Modulation） 具有频谱利用率高、抗干扰能力强等优点，QAM编码是一种振幅和相位联合键控，作为一种高效的数字调制方式，在大、中容量数字微波通信系统、有线电视网络高数据传输、卫星通信等领域应用广泛。16QAM是正交振幅调制的一种基本方式，本文采用VHDL语言，通过MAX+PLUSⅡ开发平台[3]，设计了一种性能良好的16QAM信号调制解调发生器，对信号进行振幅相位联合键控，并给出仿真波形。
1VHDL和16QAM原理
1.1VHDL概述
VHDL（Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language）是一种工业硬件描述语言， 1983年由美国国防部创建，随后被IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers）组织作为标准推广使用。随着大规模集成电路及各种电子技术的发展，硬件描述语言已成为EDA（Electronic Design Automation）技术的重要组成部分。VHDL作为一种主流硬件描述语言，在电路设计中具有良好的描述与建模能力，开发者通过快速学习即可完成硬件设计任务。VHDL对数字系统具有多层次描述能力，既能从系统级和门级进行电路描述，又能从不同维度如系统结构、逻辑行为、寄存器传输等进行描述。VHDL编写程序的特点是将每项硬件设计按照功能或行为划分模块，每个模块成为一个实体，通过实现实体功能或算法对外提供服务，各实体对外提供唯一接口被其它实体引用。VHDL可以描述数字系统的结构、行为、功能与接口，使用VHDL进行硬件设计具有以下优点[4]：①VHDL在行为描述能力方面比其它语言更强，使用VHDL进行系统设计时，可以从逻辑行为描述设计，能轻松避开器件的具体结构；②有丰富的软件支持VHDL仿真模拟功能，便于开发者在设计早期发现并纠正错误，以验证模块功能的可行性，节约设计时间并减少成本；③支持大规模系统多层次设计分解并可重复利用已存在的设计模块，极大缩短了上市周期，提高了生成效率，降低了工作量；④VHDL硬件开发者可以将高层次行为描述与RTL（Register Transfer Level）描述结合使用，也可单独自定义数据类型，通过使用EDA工具可以便捷地进行逻辑综合仿真与优化，将描述设计自动转换为低层次的门级电路；⑤开发者在使用VHDL进行系统设计仿真时，不必关心目标器件的硬件结构，实现了硬件设计与具体硬件的解耦，从而将主要精力放在系统的功能需求设计上。
1.216QAM原理
QAM又称星座调制，这是由于这种调制方式在矢量图上看起来与星座类似。16QAM是包含16种符号的一种QAM方式，通过将独立的两路正交4ASK信号叠加所得，在此过程中该信号的幅度与相位均被调制。星座图包含的点数越多，图中单个符号所代表的传输信息量就越大，如果在保持星座图平均能量基本恒定不变时加入星座点数，将会造成星座上点与点的间距减小，进而增加系统的误码率，导致系统整体可靠性降低[5]。16QAM信号可以表示为：S（t）=kxkg（t-kTs）cosωct-
其中，S（t）是经过调制的两个正交载波信号的叠加，正交载波sinωct可以使用同相载波cosωct经过相位移动π/2后得到。g（t）代表系统的单位脉冲响应，可取其幅值为1，xk、yk分别表示所要传输的两路4电平信号第k个码元的值，Ts代表一个码元的持续时间，ωc是载波角频率。
2功能模块
在16QAM中，数据信息由相互正交的正、余弦波的幅度变化表示。常用的16QAM是用4个不同幅度的正弦波信号和4个不同幅度的余弦波信号叠加表示的基带信号，通过发送正、余弦波信号实现对基带信号的传输。16QAM信号为模拟信号，而FPGA只能处理数字信号。因此，需对正弦信号采样再经过数/模变换得到所需的16QAM信号，FPGA产生正弦信号的采样值[6]。
2.116QAM调制
输入基带序列经串-并转换后，信号被分为I（同相）、Q（正交）两路，两路信号每次赋2比特数据，共有4种不同的状态，分别对应4种不同的电平幅度且I与Q两路信号正交。任意一个I幅度和任意一个Q幅度组合在星坐图上进行映射，每个星座点代表由4个比特的数据组成的一个映射，I与Q共计16种组合状态。16QAM是二维调制技术，在实现时采用正交调幅方式，用某星座点在I坐标上的投影去调制同相载波幅度，用Q坐标上的投影去调制正交载波的幅度，然后将2个调幅信号相加就是所需的调制信号。
2.2解调
16QAM调制信号中基带信号的幅度与相位不同，因而理论上解调时需要判断调制信号的最大幅值及起始相位。由16QAM调制波形图可知，调制信号在π/4一侧（左侧或右侧）幅值完全分开。在π/4处经调制的基带信号1111达到所有基带信号中的最大幅值，将16QAM数据流存储，利用对调制信号幅值的持续检测，可从调制信号数据流中挑选出局部最大值，也就是基带信号所对应的调制信号最大振幅[7]。在最大振幅处设置标志信号，每隔一个码元检测数据流，根据数据流之间的关系，将调制信号在π/4处分类，再通过每一类在π/4一侧的幅值判断出对应的输入基带信号。由于可编程逻辑器件不能是负电平，因此在设计中采用8位数字信号的中值127作为基准电平。16QAM调制信号的解调原理如图1所示。
3模块设计与性能分析
3.1模块设计与仿真
16QAM调制与解调整体模块设计包含6个模块：M序列产生器（M_SEQUENCE）、I、Q信号发生器（DIVIDE）、载波信号发生器（CARRY_WAVE）、I、Q信号调制模块（MODULATION_IQ）、I、Q调制信号合并模块（QAM_MERGE）以及解调模块（QAMACCEPT），如圖2所示。其中，M序列发生器产生4位伪随机序列作为基带信号，进行解调仿真波形对比分析。I、Q信号发生器对基带信号进行串并转换，产生两路两位正交信号。载波信号发生器生成正余弦波形信号100个样值点。I、Q信号调制模块将两路载波信号与I、Q信号分别进行调制，输出两路调制信号。I、Q调制信号合并模块将生成的两路调制信号进行合并，产生16QAM调制信号。解调模块根据输入的16QAM调制信号流的局部最大幅值与π/4处幅值变动情况，判断对应的基带信号，最终解调出16QAM基带信号。模块仿真如图3所示，从中可以看出，经过整体模块的解调信号与基带信号完全一致，表明16QAM系统设计方案是正确的。
3.2性能分析
从图4可以看出，M序列输入基带信号X[0..3]与解调器输出信号Y[3..0]之间的最大延迟为18个时钟周期，即3.6us，表明16QAM调制解调整体延迟低，具有传输速度快的优点。
4结语
16QAM是采用16个标识符的一种正交幅度调制方式。本文利用VHDL语言，在MAX+PLUSⅡ平台通过模块分解并分析各功能模块的实现方法，设计并验证了一种16QAM信号发生器。从整体模块的仿真波形可以看出，M序列产生器、正余弦载波信号发生器、16QAM调制与解调等模块功能符合设计、配合良好，调制信号经过解调输出信号与基带信号保持一致。对解调器的输出信号与输入基带信号延迟性能分析显示，16QAM调制解调器性能优越，速度较快。
参考文献：
[1]樊昌信.通信原理[M].北京：国防工业出版社，2000.
[2]张卫钢.通信原理与通信技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2003.
[3]徐志军.大规模可编程逻辑器件及其应用[M].成都：电子科技大学出版社，2000.
[4]卢毅，赖杰.VHDL与数字电路设计[M].北京：科学出版社，2001.
[5]赵明.MIMO系统中高阶QAM调制下的半定松弛检测算法[J].新型工业化，2011，1（3）：97-103.
[6]郑涛，王丹志，施璟，等.基于FPGA的软件无线电接收平台设计[J].软件，2013，34（4）：26-28.
[7]王红艳，李竹.基于VHDL的4ASK的设计与实现[J].电脑与电信，2009，17（11）：19-23.
（责任编辑：杜能钢）
摘要：基于VHDL与MAX+PLUSⅡ软件开发平台，采用层次化、模块化与参数化的设计方法，设计并验证了一种性能良好的16QAM信号发生器。介绍了VHDL语言与16QAM原理，阐述了16QAM信号调制与解调的理论方法，设计并实现了正余弦载波产生、16QAM调制、解调等功能模块，给出整体调制解调的模块图与仿真波形。性能分析结果表明该系统设计可行。
关键词：VHDL；16QAM；调制；解调
DOIDOI：10.11907/rjdk.172188
中图分类号：TP319
文献标识码：A文章编号文章编号：1672-7800（2018）001-0113-03
Abstract：Based on VHDL and MAX+PLUS II software development platform， a 16QAM signal generator with good performance is designed and verified by using hierarchical， modular and parametric design methods. The VHDL and 16QAM principle are discussed firstly， and then the theory of 16QAM signal modulation and demodulation is analyzed， and multiple functional modules， such as the sine and cosine carrier waves generation， 16QAM modulation and demodulation， are designed and implemented. Finally， the whole modulation and demodulation module chart and the simulation profiles are achieved， and the performance analysis shows that the design of the system is feasible.
Key Words：VHDL； 16QAM； modulation； demodulation
0引言
數字通信系统一般需要满足两个标准：①高效并不失真地传输有用信息；②在传输过程中尽可能减少或抑制干扰信息。数字通信系统之所以能持续高速发展并成为当代通信系统主流，这与其自身具有易于加密传输、高度集成化的特点密不可分；新的调制技术不仅减小了信道对信号传输的影响，而且在大容量传输、高速率、节省频谱并有效利用带宽等方面均有进展[1]。数字基带信号一般需经过调制后在无线与有线信道传输，这个过程实质上是将信号的频谱从低频迁移到高频，调制后的信号更便于实现远距离传输。幅移键控、频移键控和相移键控是数字调制的基础，然而这3种数字调制方式都存在不足，如频谱利用率低、抗多径衰落能力差、功率谱衰减慢、带外辐射严重等[2]。正交振幅调制QAM（Quadrature Amplitude Modulation） 具有频谱利用率高、抗干扰能力强等优点，QAM编码是一种振幅和相位联合键控，作为一种高效的数字调制方式，在大、中容量数字微波通信系统、有线电视网络高数据传输、卫星通信等领域应用广泛。16QAM是正交振幅调制的一种基本方式，本文采用VHDL语言，通过MAX+PLUSⅡ开发平台[3]，设计了一种性能良好的16QAM信号调制解调发生器，对信号进行振幅相位联合键控，并给出仿真波形。
1VHDL和16QAM原理
1.1VHDL概述
VHDL（Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language）是一种工业硬件描述语言， 1983年由美国国防部创建，随后被IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers）组织作为标准推广使用。随着大规模集成电路及各种电子技术的发展，硬件描述语言已成为EDA（Electronic Design Automation）技术的重要组成部分。VHDL作为一种主流硬件描述语言，在电路设计中具有良好的描述与建模能力，开发者通过快速学习即可完成硬件设计任务。VHDL对数字系统具有多层次描述能力，既能从系统级和门级进行电路描述，又能从不同维度如系统结构、逻辑行为、寄存器传输等进行描述。VHDL编写程序的特点是将每项硬件设计按照功能或行为划分模块，每个模块成为一个实体，通过实现实体功能或算法对外提供服务，各实体对外提供唯一接口被其它实体引用。VHDL可以描述数字系统的结构、行为、功能与接口，使用VHDL进行硬件设计具有以下优点[4]：①VHDL在行为描述能力方面比其它语言更强，使用VHDL进行系统设计时，可以从逻辑行为描述设计，能轻松避开器件的具体结构；②有丰富的软件支持VHDL仿真模拟功能，便于开发者在设计早期发现并纠正错误，以验证模块功能的可行性，节约设计时间并减少成本；③支持大规模系统多层次设计分解并可重复利用已存在的设计模块，极大缩短了上市周期，提高了生成效率，降低了工作量；④VHDL硬件开发者可以将高层次行为描述与RTL（Register Transfer Level）描述结合使用，也可单独自定义数据类型，通过使用EDA工具可以便捷地进行逻辑综合仿真与优化，将描述设计自动转换为低层次的门级电路；⑤开发者在使用VHDL进行系统设计仿真时，不必关心目标器件的硬件结构，实现了硬件设计与具体硬件的解耦，从而将主要精力放在系统的功能需求设计上。
1.216QAM原理
QAM又称星座调制，这是由于这种调制方式在矢量图上看起来与星座类似。16QAM是包含16种符号的一种QAM方式，通过将独立的两路正交4ASK信号叠加所得，在此过程中该信号的幅度与相位均被调制。星座图包含的点数越多，图中单个符号所代表的传输信息量就越大，如果在保持星座图平均能量基本恒定不变时加入星座点数，将会造成星座上点与点的间距减小，进而增加系统的误码率，导致系统整体可靠性降低[5]。16QAM信号可以表示为：S（t）=kxkg（t-kTs）cosωct-
其中，S（t）是经过调制的两个正交载波信号的叠加，正交载波sinωct可以使用同相载波cosωct经过相位移动π/2后得到。g（t）代表系统的单位脉冲响应，可取其幅值为1，xk、yk分别表示所要传输的两路4电平信号第k个码元的值，Ts代表一个码元的持续时间，ωc是载波角频率。
2功能模块
在16QAM中，数据信息由相互正交的正、余弦波的幅度变化表示。常用的16QAM是用4个不同幅度的正弦波信号和4个不同幅度的余弦波信号叠加表示的基带信号，通过发送正、余弦波信号实现对基带信号的传输。16QAM信号为模拟信号，而FPGA只能处理数字信号。因此，需对正弦信号采样再经过数/模变换得到所需的16QAM信号，FPGA产生正弦信号的采样值[6]。
2.116QAM调制
输入基带序列经串-并转换后，信号被分为I（同相）、Q（正交）两路，两路信号每次赋2比特数据，共有4种不同的状态，分别对应4种不同的电平幅度且I与Q两路信号正交。任意一个I幅度和任意一个Q幅度组合在星坐图上进行映射，每个星座点代表由4个比特的数据组成的一个映射，I与Q共计16种组合状态。16QAM是二维调制技术，在实现时采用正交调幅方式，用某星座点在I坐标上的投影去调制同相载波幅度，用Q坐标上的投影去调制正交载波的幅度，然后将2个调幅信号相加就是所需的调制信号。
2.2解调
16QAM调制信号中基带信号的幅度与相位不同，因而理论上解调时需要判断调制信号的最大幅值及起始相位。由16QAM调制波形图可知，调制信号在π/4一侧（左侧或右侧）幅值完全分开。在π/4处经调制的基带信号1111达到所有基带信号中的最大幅值，将16QAM数据流存储，利用对调制信号幅值的持续检测，可从调制信号数据流中挑选出局部最大值，也就是基带信号所对应的调制信号最大振幅[7]。在最大振幅处设置标志信号，每隔一个码元检测数据流，根据数据流之间的关系，将调制信号在π/4处分类，再通过每一类在π/4一侧的幅值判断出对应的输入基带信号。由于可编程逻辑器件不能是负电平，因此在设计中采用8位数字信号的中值127作为基准电平。16QAM调制信号的解调原理如图1所示。
3模块设计与性能分析
3.1模块设计与仿真
16QAM调制与解调整体模块设计包含6个模块：M序列产生器（M_SEQUENCE）、I、Q信号发生器（DIVIDE）、载波信号发生器（CARRY_WAVE）、I、Q信号调制模块（MODULATION_IQ）、I、Q调制信号合并模块（QAM_MERGE）以及解调模块（QAMACCEPT），如圖2所示。其中，M序列发生器产生4位伪随机序列作为基带信号，进行解调仿真波形对比分析。I、Q信号发生器对基带信号进行串并转换，产生两路两位正交信号。载波信号发生器生成正余弦波形信号100个样值点。I、Q信号调制模块将两路载波信号与I、Q信号分别进行调制，输出两路调制信号。I、Q调制信号合并模块将生成的两路调制信号进行合并，产生16QAM调制信号。解调模块根据输入的16QAM调制信号流的局部最大幅值与π/4处幅值变动情况，判断对应的基带信号，最终解调出16QAM基带信号。模块仿真如图3所示，从中可以看出，经过整体模块的解调信号与基带信号完全一致，表明16QAM系统设计方案是正确的。
3.2性能分析
从图4可以看出，M序列输入基带信号X[0..3]与解调器输出信号Y[3..0]之间的最大延迟为18个时钟周期，即3.6us，表明16QAM调制解调整体延迟低，具有传输速度快的优点。
4结语
16QAM是采用16个标识符的一种正交幅度调制方式。本文利用VHDL语言，在MAX+PLUSⅡ平台通过模块分解并分析各功能模块的实现方法，设计并验证了一种16QAM信号发生器。从整体模块的仿真波形可以看出，M序列产生器、正余弦载波信号发生器、16QAM调制与解调等模块功能符合设计、配合良好，调制信号经过解调输出信号与基带信号保持一致。对解调器的输出信号与输入基带信号延迟性能分析显示，16QAM调制解调器性能优越，速度较快。
参考文献：
[1]樊昌信.通信原理[M].北京：国防工业出版社，2000.
[2]张卫钢.通信原理与通信技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2003.
[3]徐志军.大规模可编程逻辑器件及其应用[M].成都：电子科技大学出版社，2000.
[4]卢毅，赖杰.VHDL与数字电路设计[M].北京：科学出版社，2001.
[5]赵明.MIMO系统中高阶QAM调制下的半定松弛检测算法[J].新型工业化，2011，1（3）：97-103.
[6]郑涛，王丹志，施璟，等.基于FPGA的软件无线电接收平台设计[J].软件，2013，34（4）：26-28.
[7]王红艳，李竹.基于VHDL的4ASK的设计与实现[J].电脑与电信，2009，17（11）：19-23.
（责任编辑：杜能钢）
