连续相位调制原理.docx

连续相位QAM调制原理1 引言目前通信领域正处于急速发展阶段，由于新的需求层出不穷，促使新的业务不断产生， 因而导致频率资源越来越紧张在有限的带宽里要传输大量的多媒体数据，提高频谱利用率 成为当前至关重要的课题，否则将很难容纳如此众多的业务正交幅度调制(QAM)由于具 有很高的频谱利用率被DVB-C等标准选做主要的调制技术与多进制PSK(MPSK)调制不 同， OAM 调制采取幅度与相位相结合的方式，因而可以更充分地利用信号平面，从而在具 有高频谱利用效率的同时可以获得比MPSK更低的误码率平转换图1 QAM调制框图但仔细分析可以发现QAM调制仍存在着频繁的相位跳变，相位跳变会产生较大的谐波 分量，因此如果能够在保证 QAM 调制所需的相位区分度的前提下，尽量减少或消除这种相 位跳变，就可以大大抑制谐波分量，从而进一步提高频谱利用率，同时又不影响QAM的解 调性能文献中提出了针对QPSK调制的相位连续化方法，本文借鉴该方法，提出连续相 位QAM调制技术，并针对QAM调制的特点在电路设计时作了改进2 连续相位 QAM 调制原理QAM调制原理如图1所示QAM调制的表达式一般可表示为儿(0 = £ cosw/ + 战 sin Wt (1)其中Am=dmA，Bm=emA，式中A是固定的振幅大小，(dm，em)由输入数据确定。

利用三角函数关系对(1)式进行变换可得儿⑴=Cm COS(W/ + °」 ⑵其中mT)内调制信号的振幅和相角Cm、0m分别表征QAM调制信号在一个码元区间［T,大小相应的，在相邻的下一个码元区间［mT, T)内，QAM调制信号可表示为令如％h则儿期W = J cos(wt + 賂) (3)儿』⑴=匚朋cos(删*比+加) (4)比较(2)、(4)式可以发现，普通的QAM调制过程中存在着的相位跳变量这种相 位跳变的存在会增大调制信号的谐波分量，从而使频带展宽由于有用 信息主要集中在频 谱的主峰附近，谐波中几乎不含有有用信息，所以从提高频谱利用率的角度，如果能够设法 在保持每个码元主要区间内相位不变的前提下，在信号 相邻码元的过渡区内逐点连续改变 相位的值，直到下一个码元的主要部分，就可以使信号相邻码元之间的过渡区内最大相位差 的绝对值趋近于零，从而既可以保证QAM调制所必须的相位差别，又避免了相位改变时的 剧烈跳变，可以大大抑制谐波分量根据以上分析，连续相位QAM调制原理可用如下的公式表示ym+i") = Cm+］ cos(wr + (5)其中称为连续化函数，2t称为过渡区宽度，而把一个码元的其它部分称为该码元的主要部 分。

之所以选用这样的连续化函数，是因为考虑到sin函数取值在一 I和+1之间，并且是 相当平滑的，这样S(t)的取值范围是［0, 1］,于是运用公式(5)和(6)正好可以使相位在过 渡区2t内完成的变化量，即从0m到0m+1的变化是在过渡区内逐渐完成的，这不 同于一般 QAM 调制的相位跳变在过渡区结束后，即进入一个码元的主要部分时相位已经 达到与输入数据相对应的相位值0m+1这种变化既满足了 QAM调制相位转移的要求， 又实现了用相位连续变化代替跳变的目的2 0-2 2«厘2 Oo 0 1 °卫 0 3 0 4 0 5 0 6 0.7 0.8 Q 0 1 02 0.3 04 0.5 06 0.7 O S时徇(s> 时间(s)(a)普逋I6QAM调制信号波形 (b)连续相16QAM 信号波疤图2两种16QAM调制信号波形图2(a)、b)分别给出采用普通QAM和连续相位QAM调制后的波形(以16QAM为例， 过渡区宽度选为1／4 个码元周期)为了清楚起见，在上图中截取两个相邻码元的波形叠 加放大后绘于图3中图中虚线是经普通16QAM调制后相邻两个码元的波形，从图3可 以看出从当前码元到下一个码元存在着跃变，而连续相位16QAM调制信号的转换线在过 渡区则平缓的多(如图中实线所示)。

在过渡区结束后，即进入每一个码元的主要区问时，连 续相位QAM调制的相位 也已达到输入数据所对应的相位，所以此区间两种调制方式的波 形相同，因而图 3 虚线被实线所覆盖时间⑸图3相位连续化与非连续化时的波形比较图3连续相位QAM解调原理普通QAM的解调过程如图4所示，引入连续化相位技术后，解调过程没有大的改变， 如上文所述，在采用连续相位QAM调制时，每一个码元主要区间的相位仍是与普通QAM 调制相一致的，以反映出相位的变化，不同之处仅仅体现在过渡区内，因此解调时只要在通 过低通滤波器后进行抽样时，把抽样值点落在每一个码元的 主要区间，特别是选在码元的 中间部分时，所得的结果就与普通QAM解调后的结果一致图5(a)、(b)分别是普通 16QAM和连续相位16QAM解调后 同向支路的波形图，图6(a)、(b)是两者解调后正交 支路的波形，图 6 中虚线是经过低通滤波后的波形比较两种情况下的波形可以看出，连 续相位 QAM 和 普通 QAM 解调后波形的区别仅在相位改变的过渡区内，主要区间仍然保 持一致经过低通滤波后的波形则几乎一致，这对判决十分有利0 0.1 0.2 03 0.4 0.5 06时闾(s)(a)普通E6QAM W调后同向支路液形(b)连续相ft 16QAM解调后同向支路波曆图5解调后同向支路波形比较图4 2 O-2-4(a)普通16QAM解调后正乞支路波形 ⑹ 连纯棚位I6QAM解逓后JE交支路波形 图6解调后正交支路波形比较图由于解调过程没有改变，所以仍可采用普通的 QAM 解调器，无需另外专门设计解调器。

4 仿真结果为了研究连续相位技术对QAM调制性能的影响，利用计算机进行了模拟仿真实验图 7是普通16QAM调制和连续相位16QAM调制的频谱对比图(过渡区宽 度选为1/4个码 元周期)图中横轴表示归一化频差(f 一 fc)Tb，纵轴表示功率谱密度图7中虚线表示普 通 QAM 调制的单边功率谱，实线表示连续相位 QAM 调制的单边功率谱对比图中各谐波 分量，除主峰和第I谐波峰不变外，第2、3、4峰分别下降了 1.27dB、8.19dB和15. 7dB, 从第 5 峰 开始均下降 20dB 以上；从整体上比较，两者的平均功率在2：1 左右由于有 用信息主要存在于主峰及其附近区域，现在主峰和第1 谐波峰与普通 QAM 调制时 一样， 这就说明相位连续技术在压缩频带的同时，有用信息不会因此而丢失图7频谱对比图由于在过渡区依据连续函数S(t )进行变化，所以经过相位连续化处理后的信号相对于普 通QAM调制信号在波形上存在一定程度的''失真”为了确定这种改变对QAM调制传送信 息数据可靠性的影响，利用蒙特卡罗仿真方法产生了连续相位QAM调制在高斯噪声信道下 的误码率曲线，如图8中点线所示为了便于对比， 图8 中还绘出了在同样条件下普通 QAM 调制的误码率仿真曲线(如图中带*线所示)。

对比两条曲线可以看出，在低信噪比时， 连续相位QAM的误码性能要略差于普通QAM，但相差很小；在高信噪比时，两条曲线几 乎重合这是由于仅在过渡区对QAM调制进行连续化处理，码元的主要区间内相位没有受 影响，而在解调时，判决又选择码元的主要区间，所以采用连续相位技术后QAM调制的 抗噪性能与普通QAM调制几乎一致图8课码率对比图5连续相位QAM调制器的FPGA实现连续相位QAM调制器的电路结构如图9所示整体上由FPGA器件和D / A器件以及 滤波器等组成其中FPGA器件实现连续相位QAM调制所必须的串并转换、相差选择， 相位连续等功能；D / A器件主要把FPGA器件输出的数字信号转换成模拟信号，并通过滤 波放大处理以便于发送出去申电踣FPGA2选 I腮 样骼倾彗山I器］转 横 (/ 储cosh/ fsinu-r地址计数誥I地址il地hHI( 数器？ I图夕 连续相ft QAM调制器结构團图 9 中串并转换模块将输入的数据按奇偶位分开，变成两路并行的数据，以便于 QAM 进行相位选择相差选择电路实际上是一个存储器，其中存放QAM调制可能的相位跳变 值，每一个经8 位量化，以串并转换模块的输出值作为该存储器的地址码，来决定选相电 路的输出。

接下去的二选一选择器是为实现连续相位QAM调制功能引入的，该选择器的 控制端与双可预置值计数器的输出端相连，此计数器的特点是具有两个预置值，从预置值l 递减到零的过程为两个相邻码元的相位连续变化 的阶段，此时计数器输出为0，则二选一 选择器开通0通道，因此相位跳变值进入0通道，实现相位的连续化，即相位从0k-1开 始，经过△8k(t)S(t)的作用，由0k-1连续变化到0k-1+^0k(t)；当预置值I递减到零 后，意味着过渡阶段结束，此时计数器内部由0变到预置值2，并由预置值2开始递 减(直 至减到0再翻转回预置值1),与此同时计数器的输出由0翻转为I，二选一选择器开通1 通道，进入正常的 QAM 的相位值，产生码元的相位主要部分所 以通过改变不同的预置 值I、2,可以改变过渡区和主要部分所占比例，产生不同的相位连续化效果，也即过渡区 宽度是可控的0通道实现相位的连续化功能，由存储器、乘法器、加法器和寄存器2等构成存储器 中存放的是连续函数S(t)抽样后的量化值，考虑到虽然FPGA器件的集 成度越来越高，内 部容量越来越大，但片内资源毕竟有限，因而选取S(t)的64个均匀抽样点，经8位量化 后存入该存储器，实验表明该量化精度足以满足使用需要。

8位乘法器完成相位跳变值△ ek(t)与S(t)的乘积运算寄存器2为两个通道共用的部件，其中存放的是上一次的相位值 ek-1,与乘法器的输出相加后即得到ek-i+^ek(t)s(t)1通道由两个寄存器和一个加法器构成，其中寄存器1存放选相电路输出的相位跳变值 △ek(t)，与寄存器2中存放的相位值ek-i,相加即得到当前相位值ek=ek-i+^ek(t), 此过程紧接在相位连续化完成后，并同时将和值转入寄存器2中，为下一次相位连续化做 准备转换存储器实际上由两个存储器组成，分别存放ek所对应的正弦和余弦值，以ek 的量化值作为地址码通过查找表的方式分别由两个支路Ik, Qk输出这部分电路占用大量内部资源，要求选用 的FPGA具有足够的容量sinwt, coswt存储器中分别存放着载波 的正、余弦值，根据采样定理和实验分析，把一个正、余弦波周期采样32个点，经 过 8 位量化，恢复出来的波形足够光滑两个支路Ik, Qk分别与载波的正、余弦值相乘后，再 相加即实现了连续相位QAM调制，当然此时输出的还是数字信号，再经过D/A转换和 相应滤波处理后，就变成模拟信号6 部分实验结果选用XILINX公司的FPGA器件Virtex XVV3006fg456作为目标芯片对16QAM调 制进行了实验，该FPGA的规模为32万门，内部含1536个CLB（可配置逻辑单元）。

FPGA 内部功能由VHDL语言进行描述，VHDL语言代码己通过XILINX ISE软件的仿真、综合 和布局布线根据综合结果报告，调制器占用1953个Slice（占63%）,使用了 2262个 Slice触发器（占36%）和353*输入LUT表（占58%）整个FPGA的速度可达到 55. 87MHz,满足一般高速数据的传输要求调制器实验利用伪随机码发生器产生信息数据，设置双可预置值计数器的两个预置值之 比为1： 3,这样过渡区宽度占每个码元宽度的l/4,选用TLC7528型8位D/A转换器 进行数模转换，经由TL084放大器构成的低通滤波器后输出已调信。