基于FPGA的16QAM调制解调电路设计

编 号：

审定成绩：

重庆邮电大学 毕业设计（论文）

设计（论文）题目：

基于FPGA的16QAM调制解调电路设计

学 院 名 称 ： 自动化

学 生 姓 名 ： 赵国强 专 业 ：

机械设计制造及其自动化

班 级 ： 0841003 学 号 ： 指 导 教 师 ：

2010213292 周围

答辩组 负责人 ： 张开碧

填表时间： 2014 年 5 月

重庆邮电大学教务处制

重庆邮电大学本科毕业设计（论文）

摘 要

正交振幅调制（QAM)技术有着非常广泛的应用范围，不仅在移动通信领域应用，而且在有线电视传输、数字视频广播卫星通信（DVB-S)等领域也都得到广泛应用。它在调制过程中利用了相位和幅度两维空间资源，比只利用单一维度空间资源的PSK和ASK调制方式频谱利用率高，不仅如此，QAM的星座点比PSK的星座点更分散，星座点之间的距离因此更大，所以能提供更好的传输性能。

本文在对QAM调制解调的基本原理、调制端的基带成形理论研究的基础上，通过Matlab软件的Simulink仿真平台实现了 16QAM调制解调系统的建立及实验验证。之后利用Alera公司的Quartus II软件加载ModelSim作为软件开发环境，设计并实现了16QAM调制解调系统的串并转换、差分和星座映射、DDS和加法器等关键模块。关于载波信号发生器的设计，本文釆取传统DDS采用的正弦查表来实现DDS中相位幅度的转换。

本文主要研究了基于FPGA的16QAM调制与解调的实现。釆用Verilog硬件描述语言对16QAM调制解调系统中的关键模块进行描述，完成了功能上的仿真验证，通过对比验证了设计的正确性，为下一步的硬件实现打下了很好的基础。说明了QAM调制和解调的原理，，然后对各系统组成模块分析与仿真之后提出基于FPGA的16QAM调制与解调的总体设计方案。最后用Verilog语言编写程序完成了整个系统的仿真，并对编好的程序其进行了编译调试。首先对16QAM调制解调总体进行了系统仿真；然后用Verilog语言在Quartus II软件平台下完成了系统各功能模块的编写、功能与时序仿真和综合，最后把各模块组成的顶层原理图编译成的程序下载到EPMC20T100C5芯片上，手动输入基带信号，经过芯片处理后，基带信号得以有效恢复。

【关键词】正交振幅调制 FPGA 调制解调 现场可编程逻辑门阵列

I

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ABSTRACT

QAM(Quadrature Amplitude Modulation) is a new modulation technique, because of the use of phase and amplitude two-dimensional space resources in the modulation process, it has a higher efficiency than PSK and ASK modulation witch use only a single dimension of space resources. Moreover, the QAM constellation points of PSK constellation points more dispersed, the distance between the constellation points is therefore, so it is able to provide better transmission performance. With the rise of third generation mobile communication and the transmission capacity increases, M-ary quadrature amplitude modulation of MQAM (Multiple quadrature the Amplitude Modulation) will be more widely used. This paper studies the realization of FPGA-based 16QAM modulation and demodulation. Firstly, the principle of QAM modulation is presented, and the modeling of the 16QAM modulation&demodulation system is built with the SystemView software.

Then, by way of analyzing system composition modules and partial simulation, the design of the l6QAM modulation system based on FPGA is put forwards. Finally the whole system simulation is realized with Verilog, And programmed to compile debug. In this paper, the principle and design method of carrier recovery, quadrature coherent demodulator, FIR low pass filter and sampling and decision are detailedly introduced.

Firstly, The system of 16QAM is simulated with SystemView. Then, each functional module is implemented with Verilog HDL on the Quartus II sofiware flat, and the function&timing simulation and the synthesis are finished. Finally, the program compiled from the top schematic diagram is downloaded to the EP2C35F672C6N chip and when manually entered the baseband signal, the signal can be effectively recovered.

【Key words】Quadrature amplitude modulation FPGA modulation demodulation field programmable logic gate array

II

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目 录

前 言 .................................................................................................................................... - 1 - 第一章 概 述 ........................................................................................................................ - 3 -

第一节 课题研究背景及意义 ......................................................................................... - 3 - 第二节 QAM技术现状与发展 ...................................................................................... - 3 - 第三节 本文内容和结构 ................................................................................................. - 5 - 第四节 本章小结 ............................................................................................................. - 5 - 第二章 QAM调制解调整体设计 ......................................................................................... - 6 -

第一节 16QAM调制的方法和原理 .............................................................................. - 6 - 第二节 16QAM解调方法和原理 .................................................................................. - 8 - 第三节 本章小结 ............................................................................................................. - 9 - 第三章 QAM调制器分模块设计 ....................................................................................... - 10 -

第一节 FPGA概述 ....................................................................................................... - 10 - 第二节 串/并转换模块.................................................................................................. - 12 - 第三节 DDS载波和线性加法器模块 .......................................................................... - 13 - 第四节 差分编码和星座映射模块 ............................................................................... - 22 - 第五节 时钟分频模块 ................................................................................................... - 25 - 第六节 本章小结 ........................................................................................................... - 27 - 第四章 QAM解调器分模块设计 ....................................................................................... - 28 -

第一节 解调器顶层模块设计 ....................................................................................... - 28 - 第三节 DDS载波恢复模块设计 .................................................................................. - 33 - 第四节 乘法器模块设计 ............................................................................................... - 37 - 第四节 低通滤波器模块设计 ....................................................................................... - 38 - 第五节 采样判决模块设计 ........................................................................................... - 39 - 第六节 电平转换模块设计 ........................................................................................... - 41 - 第七节 本章小结 ........................................................................................................... - 41 - 第五章 调制解调系统的仿真 ............................................................................................ - 42 -

第一节 仿真参数设置 ................................................................................................... - 42 - 第二节 仿真结果 ........................................................................................................... - 42 -

一、16QAM调制器的仿真结果 ........................................................................... - 42 - 二、16QAM解制器的仿真结果 ........................................................................... - 46 - 第三节 仿真结果分析 ................................................................................................... - 49 - 第五节 本章小结 ........................................................................................................... - 49 -

III