基于System Generator的1024QAM调制解调系统

潘惠兰，周胜源

(桂林电子科技大学 信息与通信学院，广西 桂林　541004)

基于System Generator的1024QAM调制解调系统

潘惠兰，周胜源

(桂林电子科技大学 信息与通信学院，广西 桂林541004)

摘要：针对低阶QAM调制信号难以满足通信需求，设计了一种高效率的QAM系统。该系统基于软件无线电平台设计思想，根据正交调制解调原理，建立1024QAM调制解调系统模型，设计了数字上下变频、位同步模块，并利用System Generator工具箱对系统进行仿真。结果表明，该系统能正确恢复原信号，且理想条件下传输速率理论值高达10 bit/(s·Hz)，一定程度上解决了频带紧张问题，尤其在高信噪比(≥30 dB)条件下，还可获得较好的可靠性。

关键词：1024QAM调制解调；软件无线电；System Generator；高频带利用率

正交振幅调制(quadrature amplitude modulation，简称QAM)是一种高效的数字调制方式,其载波幅度和相位都携带信息，充分利用了整个信号平面，使频带利用率大大提高,可满足通信系统对带宽和数据传输速率的要求。目前，该技术已被广泛用于中、大容量数字微波通信系统、卫星通信和有线电视网络高数据传输等领域。针对QAM信号及相关技术，国内外学者开展了大量研究。文献[1-2]分析了不同进制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，低阶QAM的传输速率及频带利用率已难以满足要求，近年来，高阶QAM的研究逐渐兴起。文献[3-4]研究了1024QAM在有线电视环境下的应用，而无线通信要比有线通信复杂得多。文献[5-6]分别探讨了基于FPGA的1024QAM调制解调系统和1024QAM信号通过多径信道后的性能特点，但这2个系统利用DSPBuilder、System View工具实现，方法相对复杂，可重置性也不高。

目前数字调制已经发展到256/512QAM技术，然而，对更高阶QAM的研究还较少，尤其是基于软件无线电硬件平台。为此，基于软件无线电思想，用Xilinx下的System Generator工具对1024QAM调制解调系统建模，设计数字上下变频和位同步模块，从系统有效性和可靠性出发，建立高效率的QAM系统。

1基于System Generator的1024QAM系统建模

基于软件无线电架构的1024QAM系统框图如图1所示。

图1　1024QAM系统框图Fig.1　Block diagram of 1024QAM

在调制端，输入的二进制串行数据经过扰码、串/并转换后，得到并行信号，此时的速率为输入的1/10。再进行电平转换、差分编码、星座映射，得到32电平信号，经成形滤波器、上变频后，2路信号分别与载波混频生成1024QAM信号。

解调端采用相干解调的方法，首先下变频降低采样速率，将信号正交分解为2路信号，经匹配滤波后，抽样判决器对2路信号进行判决检测，再经星座逆映射、差分解码、并/串转换，将2路二进制合成1路二进制信息，解扰恢复原信号。

基于System Generator的系统设计，可图形化操作、简单灵活、设计周期短，且能自动生成硬件实现所需的描述语言代码，不需为仿真和实现建立不同的模型。AWGN信道下的系统模型如图2所示，其各模块功能对应图1的模块功能。本系统中，基带码率为2.048 Mbit/s，载波频率为1.024 MHz，系统频率为16.384 MHz。

图2　AWGN信道下的系统模型Fig.2　System model in AWGN channel

1.1星座映射、逆映射模块

二进制数据流通过1024QAM映射为I、Q两路信号，每路为5 bit，共32种状态，即用32种不同的电平幅度表示，分别从I、Q路信号任取一个幅度组合，可以有32×32=1024种组合[5]，即1024个星座点。差分编码后输出32电平为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，经星座映射后变为±1、±3、±5、±7、±9、±11、±13、±15、±17、±19、±21、±23、±25、±27、±29、±31。逆映射是个相反的过程，星座图选择调制解调比较简单、更节省发射功率的矩形星座图[7]，同时，采用可降低误码率的格雷码编码方式。

1.2成形、匹配滤波器模块

成形滤波器可抑制码间干扰，匹配滤波器能提高信噪比，两者都采用平方根升余弦滚降滤波器实现，所不同的是成形滤波要同时进行上采样，而匹配滤波无需上采样。本系统中，串并转换后的码率为204.8 kbit/s，采样率也为204.8 kbit/s，经成形滤波器的8倍采样，采样率为1638.4 kbit/s，根据实际需要采用具有良好阻带衰减的海明窗，计算出滤波器阶数为64，截止频率为240 kHz。匹配滤波器的参数设置与成形滤波器相同，但不进行8倍采样。

1.3数字上、下变频模块

基于软件无线电的数字变频器由数字滤波器、数控振荡器(numerically controlled oscillator，简称NCO)和数字混频器组成，其中，上变频经过插值、滤波、混频，将基带信号转换为中频信号，而下变频经过混频、抽取、滤波，恢复为基带信号。

数字滤波由可变换采样率的HB滤波器和CIC滤波器级联实现。HB滤波器的参数是中心对称的，且一半为零，可大大提高计算效率，频谱特性也更好，适合速率较低的滤波，而CIC滤波器适合高速率滤波[7]39。因此，在数字上变频中，HB内插滤波为第1级，CIC内插滤波为第2级；而在数字下变频中，CIC抽取滤波为第1级，HB抽取滤波为第2级。本系统采样率需提高16 384/1638.4=10倍，其中HB滤波内插/抽取2倍，使用凯撒窗设计，CIC滤波5级级联内插/抽取5倍，只需要加减运算，适合硬件的高效实现。

NCO模块产生2个正交的正余弦波，与I、Q两路信号混频得到调制信号。系统时钟频率为16.384 MHz，若累加器数据位宽为10，输出载波频率为1024 kHz，则可计算出频率控制字为64。

1.4位同步模块

QAM解调系统中，位同步是正确取样判决的基础。基于Gardner定时误差检测的算法，每个符号只需2个采样点，且对载波频偏不敏感，实现简单，其模型包括内插滤波器、定时误差检测器、环路滤波器、插值控制器[7]197。控制器使用NCO确定内插基点和小数间隔，经内插器实现采样速率的转换，得到最佳采样点和两采样点间的信号样点；误差检测器提取当前采样相位误差，该误差经环路滤波后得到NCO的步长，通过更新步长控制NCO的溢出，从而控制输出频率。计算得到的插值时刻和误差间隔反馈给内插器，由此逐步减小误差，实现同步[8]。

本系统中，定时误差检测器采用Gardner算法，该算法基于QPSK，改进后用于1024QAM的Gardner算法误差为：

(1)

其中：yI(r)、yQ(r)为I、Q路基带信号第r个符号的采样值；yI(r-1/2)、yQ(r-1/2)为r-1和r之间的中间采样值；a=(y(r)+y(r-1))/2。

环路滤波器采用有源比例积分型实现，其二阶环的环路时域方程为：

(2)

其中c1、c2为环路系数。

控制器包含NCO和误差间隔计算。NCO相当于一个相位累加器，每溢出一次，计算一次内插值，由此确定内插基点，再根据内插点值以及NCO的控制字确定误差间隔。误差间隔计算公式为：

(3)

其中：η(mk)为定时控制寄存器控制字；W(mk)为环路滤波输出的控制字。

1.5系统性能测试模块

从信息传输方面考虑，数字通信系统最主要的性能指标是有效性和可靠性，通过频带利用率和误码率体现。

具有升余弦滚降特性的系统频带利用率为：

(4)

其中：M为进制数；α为滚降系数。

矩形星座图中，若M=2k且k为偶数，QAM信号相当于正交载波的2个PAM信号，其误码率为

(5)

其中Es/No为符号信噪比。本系统可通过Simulink中现有的误码计算模块得到系统误码数目及误码率。

2仿真结果及性能分析

系统仿真时间为1/20.48 s，信噪比为30 dB，经过仿真可知，码元总数为100 000，AWGN信道输入端信号的输出功率为1.08 W，系统误码率为0.134%。

系统调制和解调端的星座图分别如图3、4所示。对比图3、4可知，系统可以正确产生1024个星座点，解调端的星座点与调制端的基本一致。由于信道噪声干扰，图4的星座点有误码。

系统调制解调波形如图5所示。从图5可知，输入的二进制信号与解调输出信号波形一致，说明系统能正确恢复出原始信号，从而验证了系统建模的正确性。

图3　系统调制端星座图Fig.3　Constellation diagram of system modulation

图4　系统解调端星座图Fig.4　Constellation diagram of system demodulation

图5　系统调制解调波形Fig.5　Oscillogram of system modulation and demodulation

根据式(4)，利用Matlab仿真得到不同阶数QAM频带利用率随滚降系数α的变化曲线如图6所示。从图6可看出，1024QAM的频带利用率明显高于低阶QAM，且理想条件下，1024QAM的频带利用率可达10 bit/(s·Hz)，由此验证了高阶QAM的高有效性。

图6　不同阶数QAM频带利用率曲线Fig.6　Band utilization rate curve of the different order QAM

根据式(5)，理论误码率和仿真误码率随信噪比的变化如图7所示。从图7可知，仿真的误码率与理论误码率基本保持一致，低信噪比(≤30 dB)时，误码率相对较大，随着信噪比的增加，误码率也逐渐减小，达到37 dB时，误码率可降到10-4级数，此后系统的误码率与理论误码率开始产生偏差。

图7　AWGN信道下误码率变化曲线Fig.7　Bit error rate curve in AWGN channel

3结束语

基于软件无线电思想，设计了1024QAM调制解调系统，并利用System Generator工具箱对系统进行仿真。仿真结果表明，系统可靠性高。利用System Generator工具箱建模可重置性高，节省系统资源，大大缩短开发时间，并可为更高阶QAM(如1024/2048/4096QAM)的实现及应用提供思路。然而，系统获取良好性能局限于高信噪比，当对传输可靠性要求高时，该系统仍然需要改善，后续的研究可考虑引入恒包络FM调制、均衡技术，以进一步提高系统可靠性。

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[4]NAKAMURA N,KURAKAKE T,OVAMADA K,et al.Performance evaluation of 1024 QAM signal transmission in cable television distribution systems by software demodulation method[C]//The 8th International Conference on Communication Systems,2002,1:534-538.

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编辑：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

基金项目：广西教育厅科研项目(201203YB084)

通信作者：周胜源(1974-)，男，广西梧州人，教授，博士，研究方向为无线通信、宽带通信网络、软件无线电等。E-mail:440702@qq.com

中图分类号：TN914.3

文献标志码：A

文章编号：1673-808X(2016)02-0108-05

引文格式： 潘惠兰，周胜源.基于System Generator的1024QAM调制解调系统[J].桂林电子科技大学学报，2016,36(2):108-112.