彭龍， 田書林， 劉科

（電子科技大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，四川 成都 611731）

0 引言

正交調(diào)制通過將同相分量和正交分量與兩路正交的載波信號(hào)分別調(diào)制之后相加來實(shí)現(xiàn)已調(diào)信號(hào)，其實(shí)現(xiàn)過程有模擬和數(shù)字兩種。由于外界噪聲干擾等因素的影響，模擬方法實(shí)現(xiàn)正交調(diào)制難以保證相位的正交性以及正交信號(hào)幅度的一致性[1]。隨著數(shù)字技術(shù)，特別是直接數(shù)字頻率合成（direct digital synthesis， DDS）技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字方法實(shí)現(xiàn)正交調(diào)制由于相位正交性好而得到廣泛的采用[2]。文獻(xiàn)[3]使用DDS芯片AD9854產(chǎn)生相位正交性好的載波信號(hào)，但調(diào)制過程通過模擬電路實(shí)現(xiàn)，降低了正交信號(hào)的幅度一致性和整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾性。

本文在利用FPGA實(shí)現(xiàn)DDS的基礎(chǔ)上[4～8]，用DDS原理產(chǎn)生兩路相位正交性好的數(shù)字正交載波信號(hào)，設(shè)計(jì)了用于產(chǎn)生數(shù)字同相分量和正交分量的IQ映射模塊，最后實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字的IQ調(diào)制。這種方法具有精度高、可重復(fù)性好和抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。

1 IQ調(diào)制基本原理

調(diào)制是使信號(hào)f(t)控制載波的某一個(gè)（或幾個(gè)）參數(shù)，使被控制的參數(shù)按照f(t)的規(guī)律變化的過程。載波信號(hào)Acos(wt+θ)可供改變的參數(shù)只有振幅、頻率和相位3種。由于相位的微分即是頻率,所以載波信號(hào)的振幅和相位可以說是兩個(gè)主要的調(diào)制變量。極坐標(biāo)上任意點(diǎn)到原點(diǎn)的距離和相角，正好可以用來表示載波的振幅和相位，所以，我們可以用極坐標(biāo)上的點(diǎn)來表示載波的調(diào)制情況。極坐標(biāo)方式的調(diào)制波表示方法可轉(zhuǎn)化為直角坐標(biāo)方式，也就是I-Q圖。如圖1所示，載波振幅A和相位θ可由極坐標(biāo)上一點(diǎn)表示，這一點(diǎn)決定的向量在橫軸和縱軸上的投影分別為I值和Q值，I為同相位(In-phase)分量，Q為90°相移(Quadrate)分量。IQ調(diào)制的表達(dá)式如下：

圖1 載波Acos(wt+θ)的I-Q圖

其中，

代表調(diào)制波形的同相分量；

代表調(diào)制波形90°相移分量；

根據(jù)公式（1）可見，IQ調(diào)制實(shí)現(xiàn)的原理圖如圖2所示。

圖2 IQ調(diào)制實(shí)現(xiàn)原理圖

2 IQ數(shù)字調(diào)制的實(shí)現(xiàn)方法

2.1 總體方案

IQ數(shù)字調(diào)制的實(shí)現(xiàn)方法如圖3所示，包括3個(gè)功能模塊，分別是IQ映射模塊、DDS載波產(chǎn)生模塊和乘加運(yùn)算模塊。本方案的工作流程是：當(dāng)選擇內(nèi)部IQ源時(shí)，將二進(jìn)制串行編碼輸入到IQ映射模塊中，IQ映射模塊根據(jù)需要進(jìn)行的多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制映射出數(shù)字的同向分量和正交分量，產(chǎn)生的同相分量與正交分量與DDS載波產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的兩路數(shù)字的正交載波信號(hào)在乘加模塊中進(jìn)行乘加運(yùn)算，再將運(yùn)算結(jié)果經(jīng)DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換后通過過低通濾波器后便可得到IQ調(diào)制波；當(dāng)選擇外部IQ源時(shí)，調(diào)制波形的同相分量與正交分量將由外部輸入并經(jīng)過ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換之后提供給乘加運(yùn)算模塊，其他的操作與內(nèi)部IQ源的情況一樣。

圖3 數(shù)字IQ調(diào)制的整體框圖

2.2 IQ映射模塊

IQ映射模塊如圖4所示，用于提供IQ數(shù)字調(diào)制的同相分量I信號(hào)與90°相移分量Q信號(hào)。IQ映射模塊輸出的IQ信號(hào)可分為內(nèi)部源IQ信號(hào)和外部源IQ信號(hào)。當(dāng)信號(hào)IQ_SRC控制I源選擇開關(guān)和Q源選擇開關(guān)選擇外部IQ源時(shí)，IQ映射模塊將外部輸入模擬的I信號(hào)與Q信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后送入后面的處理模塊，當(dāng)IQ_SRC選擇內(nèi)部源時(shí)，IQ映射模塊將根據(jù)具體的多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制映射出與輸入的串行二進(jìn)制編碼所對應(yīng)的數(shù)字I信號(hào)和Q信號(hào)?；镜挠成湓硎牵合葘⑿枰M(jìn)行數(shù)字IQ調(diào)制的多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制的星座圖上各點(diǎn)的同相分量I與正交方分量Q分別按用戶需要的順序存儲(chǔ)在各自的存儲(chǔ)器I值RAM和Q值RAM中，然后，將二進(jìn)制串行編碼經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換后，地址映射單元再根據(jù)具體的多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制方式將串并轉(zhuǎn)換后的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成I值RAM和Q值RAM的地址，讀出該地址對應(yīng)的I值與Q值。在本方案中，內(nèi)部源的IQ映射是通過串并轉(zhuǎn)換器，地址映射單元，地址更新計(jì)數(shù)器，I值RAM和Q值RAM來實(shí)現(xiàn)。串并轉(zhuǎn)換器是一個(gè)串行輸入，并行輸出的移位寄存器，其寬度是根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)的最多狀態(tài)的多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制狀態(tài)數(shù)量Mmax來確定的。地址映射單元根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)的多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制方式在計(jì)數(shù)值為NM的地址更新計(jì)數(shù)器提供的時(shí)鐘clkupdate的驅(qū)動(dòng)下讀入CP，然后將CP的低NM作為I值RAM和Q值RAM的地址AI，AQ輸出。

圖4 IQ映射模塊

地址更新計(jì)數(shù)器的模NM及clkupdate的頻率fupdate的計(jì)算方法如下：其中，M為多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制需要實(shí)現(xiàn)的狀態(tài)數(shù)量。

2.3 DDS載波產(chǎn)生模塊

DDS載波產(chǎn)生模塊如圖5，用于產(chǎn)生數(shù)字IQ調(diào)制的同相載波和90°相移載波。在本方案中，由于需要兩路具有較好正交性的數(shù)字載波信號(hào)，所以，將兩路正交的載波波形存儲(chǔ)在DDS的波形RAM中，波形RAM的前半部分存同相載波，后半部分存90°相移載波；將相位累加器產(chǎn)生的地址的高A位分為兩路，一路在高位補(bǔ)0作為波形RAM前半部分的讀地址，另一路在高位補(bǔ)1作為波形RAM后半部分的讀地址，然后將這兩路地址經(jīng)過并串轉(zhuǎn)換后得到了一路(A+1)位寬的前后部分地址交替的RAM讀地址B；波形RAM輸出地址B所對應(yīng)的波形樣點(diǎn)，波形樣點(diǎn)再經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換后輸出兩路正交的載波信號(hào)。由于兩路載波數(shù)據(jù)是由同一個(gè)DDS模塊產(chǎn)生，所以可以保證同時(shí)輸出的兩路正交載波的兩個(gè)樣點(diǎn)的相位偏移嚴(yán)格相等，從而保證了兩路正交載波具有非常好的相位正交性。

圖5 DDS載波產(chǎn)生模塊

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

為了驗(yàn)證上述方案的可行性，本文采用“FPGA+RAM+DAC”的方案構(gòu)建了200MSPS基于DDS的驗(yàn)證模塊。該模塊中，波形RAM的采樣率是200MSPS，因此，經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換后，每路載波的采樣率是100MSPS。串行二進(jìn)制編碼的最高碼率是1Mbps。圖6、圖7和圖8是該方案分別實(shí)現(xiàn)的碼率為1Kbps的BPSK調(diào)制、QPSK調(diào)制和8QAM調(diào)制。

由圖6，圖7，圖8完成的BPSK、QPSK及8QAM調(diào)制效果可以看出，基于DDS的數(shù)字IQ調(diào)制能夠可靠的實(shí)現(xiàn)BPSK和MPSK等多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制。

圖6 用本方案實(shí)現(xiàn)的BPSK波形

圖7 用本方案實(shí)現(xiàn)的BPSK波形

圖8 用本方案實(shí)現(xiàn)的8QAM波形

4 結(jié)論

目前，正交調(diào)制實(shí)現(xiàn)的過程主要有數(shù)字和模擬兩種。模擬電路在實(shí)現(xiàn)IQ調(diào)制過程中，不可避免的會(huì)引入干擾，正交信號(hào)幅度的一致性以及相位的正交性很難保證。而基于DDS的數(shù)字IQ調(diào)制，由DDS模塊產(chǎn)生數(shù)字的正交載波信號(hào)，用IQ映射模塊產(chǎn)生數(shù)字的同相分量和90°相移分量，調(diào)制過程也是用數(shù)字的乘加運(yùn)算模塊來完成，因此有效的保證了IQ調(diào)制的幅度一致性和相位的正交性。

在實(shí)驗(yàn)中，采用“FPGA+RAM+DAC”的結(jié)構(gòu)構(gòu)建的200MSPS基于DDS的驗(yàn)證模塊，可實(shí)現(xiàn)MPSK和MQAM等多進(jìn)制調(diào)制。但在數(shù)字系統(tǒng)中，載波及調(diào)制分量都是由有限位數(shù)的數(shù)字信號(hào)表示的，而且由于DAC的分辨率有限，在調(diào)制過程中進(jìn)行乘加運(yùn)算后的數(shù)據(jù)位數(shù)為了與DAC的位數(shù)一致，需要截掉低位數(shù)據(jù)。由于載波和調(diào)制分量用數(shù)字量表示時(shí)位數(shù)的有限性和運(yùn)算結(jié)果數(shù)據(jù)的低位截?cái)喽鸬恼`差還需要定量分析。同時(shí)，提高DDS波形RAM和DAC的采樣率以實(shí)現(xiàn)對更高頻率基帶信號(hào)的IQ調(diào)制也是數(shù)字IQ調(diào)制需要繼續(xù)研究的問題。

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