高阶调制信号发生器的DSP实现

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　　摘 要：针对如今通信技术的发展，对通信信号源的频率分辨率、频率范围等要求越来越高的问题，传统的频率合成方法设计的通信信号源在功能、精度等方面均存在缺陷和不足，如硬件规模大、不易扩展等问题，本文提出一种基于“软件无线电”的思想，设计提供基本信号的硬件电路，通过软件编程设计，实现信号的收发功能。并采用TI公司生产的TMS320C5509芯片，结合CPLD，运用DDS技术设计了一个高效的实现方案。并针对16位定点型DSP采用定标的方法，实现浮点型数据的运算。通过CCS的仿真验证了16QAM信号的星座图映射，证明了本方案的正确性。
　　关键词：信号发生器;软件无线电;DSP;DDS
　　
　　1 绪论
　　调制信号发生器是通信系统设计、仿真和电磁环境模拟的重要部件。为了处理通信系统中高速数字信号，越来越多的人开始着手于软件无线电技术。本文利用DSP技术设计了一款高阶调制信号发生器，并成功产生了16QAM调制信号。
　　2 硬件电路设计
　　2.1 系统硬件设计
　　TMS320C5509DSP作为电路的主控部件，完成将输入的二进制信号进行数字调制，如进行正交幅度调制（QAM），通过EPM240T100C这款CPLD外扩DSP的I/O，并设计DDS模块产生正弦序列，将产生后的正弦相位的模值存入SDRAM中供DSP读取，以满足DSP进行信号调制时所需要的載波。信号的输出采用的数模转换器是DAC900E。同时，还设计了USB接口和异步串口，使得DSP能够实时的与电脑进行数据传输。
　　2.2 DDS模块设计
　　直接数字频率合成器DDS是从相位概念出发直接合成所需要波形的一种新的频率合成技术[1]。DDS模块的核心是相位累加器，它由一个加法器和一个相位寄存器组成，每一个时钟，相位寄存器以步长增加，相位寄存器的输出与相位控制字相加，然后输入到波形存储器SDRAM中。采用Altera公司的EPM240T100C这款性价比较高的CPLD设计DDS模块的相位累加器。采用VHDL语言进行编写程序。具体实现程序如下。
　　上面程序中，n是用参数说明的相位累加器的字长，r是刷新信号，cp为相位累加器的时钟。
　　3 软件设计
　　3.1 正交幅度调制（QAM）原理
　　正交幅度调制（QAM）是频谱利用率很高的一种调制方式，它是一种矢量调制，将输入比特先映射（一般采用格雷码）到一个复平面（星座图）上，形成复数调制符号，然后将符号的I、Q分量采用幅度调制。这样与幅度调制（AM）相比，其频谱利用率将提高1倍。在理想状态下，M-QAM的M个载波状态可以调制log2M个比特。M-QAM的信号形式为：
　　3.2 16QAM信号的DSP软件编程及仿真
　　本文中用DSP读取SDRAM中的正弦波的相位值，通过CPLD设计的DDS模块产生。输入的二进制数据需要对其进行串并转换，所谓串并转换，就是把数据的输入变成两路，分别对应正交幅度调制中的cosωct和sinωct，输入的数据就是式（1）中的Amc和Ams，再接下来分别对两路进行电平转换，电平转换决定了QAM信号在星座图中的位置。因为不同阶的QAM携带的信号量不一样。所以这边设计程序时候也是有所区别。如16QAM相当于两路独立的QPSK信号叠加，所以采用对I、Q两路分别进行电平转换，前面已经进行了串并转换，二进制序列被分为了两路，对两路码元序列分别进行编码，编码时需要先将每两个比特分成一组，然后用四种相位之一θk表示，两个比特有四种组合，即00、01、10、和11。它们和相位θk之间的关系通常用格雷码（Gray）的规律去安排。采用格雷码的好处在于相邻相位所代表的的比特只有一位不同，由于因相位误差造成错判至相邻相位上的概率最大，故这样编码使之仅造成一个比特误码的概率最大。
　　本次试验在CCS3.3中进行了16QAM正交幅度调制信号的仿真，设采样频率为Fs=32000HZ，载波频率Fc=1000HZ，符号速率fb=9600符号/秒。试验结果如下图所示。4个象限共16个星座点，分布均匀，复制、相位都正确。
　　4 结论
　　16QAM是载波和相位同时调制的复合调制方式，提高了频谱利用率，节约宽带，在未来通信领域中非常具有发展前途，本文设计的基于DSP，利用DDS技术和DSP处理数字信号速度的优势，设计的高阶调制信号发生器非常具有研究意义。
　　参考文献：
　　[1]雷能芳，苏变玲.基于DDS技术的数字移相正弦信号发生器的CPLD设计与仿真[J].科学技术与工程，2009，9（4）：1009-1011.
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