基于Quartus的16QAM调制系统设计

摘 要：16QAM调制以其高频谱利用率、高功率谱密度等优势，成为宽带无线接入和无线视频通信的重要技术方案。本文制定了基于Quartus的16QAM调制系统的设计方案，系统包括串并转换模块、成形滤波器模块、载波生成器模块、乘法器模块，模块设计使用VHDL语言和IP核，并利用ModelSim给出了仿真结果。

关键词：Quartus；16QAM；VHDL；ModelSim

中图分类号：TN915.05；TN761 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）02-0039-03

Abstract：16QAM modulation has become an important technical solution for broadband wireless access and wireless video communication due to its high spectrum utilization and high power spectral density. This paper presents the design scheme of the 16QAM modulation system based on Quartus. The system includes serial-to-parallel conversion module，shaping filter module，carrier generator module and multiplier module. The module design uses VHDL language and IP core，and the simulation results are shown in Modelsim.

Keywords：Quartus；16QAM；VHDL；Modelsim

0 引 言

近年来，移动通信发展非常迅速，这对通信系统的传输速率提出了更高的要求，C.R.Chen发现了一种不仅有较高的频带利用率，还具有较高的功率利用率的调制方式，并获得了广泛的应用，即QAM调制技术。本文通过分析QAM的调制原理，制定了基于Quartus的16QAM调制系统的设计方案。

1 QAM调制系统设计

QAM调制系统设计框图如图1所示。

由图可知，串并转换将信息速率为Rb的基带二进制信号分成两个速率为Rb/2的二进制信号I和Q，2/L电平变换将每个速率为Rb/2的二进制信号变为速率为Rb/（2lbL）的电平信号，经过成形滤波器后信号波形变得更为平滑，滤波器输出的信号分别与余弦载波和正弦载波相乘，最后再相加得到调制信号。

2 系统实现

系统实现主要包括三个步骤：（1）通过MATLAB仿真，并得到系统滤波器的系数和系统输入数据；（2）将MATLAB中得到的滤波器系数导入到Quartus中的成形滤波器参数中，实现16QAM调制；（3）基于ModelSim环境得到仿真结果。

2.1 系统顶层设计

基于Quartus的QAM调制系统设计框图如图2所示，其中clk时钟频率为8MHz，clk10时钟频率为100MHz。

2.2 串并转换与2/L电平变换

此模块是通过星座映射关系将4bit基带输入信号映射为I路、Q路信号，映射关系如表1所示。clk是系统时钟信号8MHz，当上升沿时，系统编码映射一次，输入信号din[3..0]是MATLAB中生成的数据（如图3所示），在测试文件中设置输入，输出是经过转换得到的两个3bit的信号I[2..0]和信号Q[2..0]。

2.3 成形滤波器

使用IP核中的FIR II核，将MATLAB中生成的成形滤波器的参数（如图4所示）复制保存为文本文档，将其导入到FIR II核中的参数中并且设置时钟频率等参数。输入din[2..0]3位宽的数据经过滤波器后输出得到18位宽的dout[17..0]信号。

2.4 载波生成器

使用IP核中的核NCO核，outputs选项选择dual outputs。设置系统时钟clk10为100MHz，载波信号的频率为2MHz，然后点击生成按钮即可生成正弦和余弦信号。然后将生成的相关文件添加到工程中。

2.5 乘法器模块

使用IP核中的LPM_MULT核，设置相关参数生成乘法器模块。输入dataa[17..0]18位宽的数据，经过乘法器输出，得到36位宽的result[35..0]信号。

2.6 系统引脚图和逻辑图

QAM调制系统引脚如图5所示，系统的输入din[3..0]，时钟信号clk和clk10是由系统时钟分频得到。输入信号din [3..0]是MATLAB中保存的16进制的随机数，经过串并转换与2/L电平变换模块得到两路信号I和Q。I、Q信号经过成形滤波器模块得到di_lpf和dq_lpf平滑的信号。正弦载波sine与滤波器输出的di_lpf相乘得到mult_i，余弦载波cosine与滤波器的另一路输出dq_lpf相乘得到mult_q。mult_i信号和mult_q信号经过一个加法器相加得到out信号，最后经过取高16位得到dout[15..0]，最终输出结果即已调信号。

图6是调制系统的逻辑图，其中clk频率为8MHz，clk10频率为100MHz，FIR为滤波器模块，qam_1为串并转换与2/L变换模块，noc_2为载波发生模块，multi为乘法器模块。

2.7 系统仿真

图7是QAM调制系统仿真波形图，其显示了各个子模块的输出结果，其中dout是调制系统输出的已调信号，有16种不同情况，代表携带着16种不同的信息。符合16QAM调制系统的规律。

3 结 论

本文分析了QAM的调制原理，在MATLAB环境仿真QAM的调制过程，保存系统的输入数据和滤波器系数，然后在Quartus环境下设计了QAM的调制系统，最后在ModelSim环境下得到了仿真波形，结果正确，证明了本文制定的基于Quartus的16QAM调制系统的设计方案是可行的。

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作者简介：易阳（1998-），男，汉族，江西人，本科，研究方向：通信工程；陈安（1995-），男，汉族，安徽人，本科，无线电检测工程师，通信工程专业，研究方向：无线通信；何雨东（1998-），男，汉族，云南人，本科，研究方向：通信工程；宋晋（1998-），男，汉族，吉林人，本科，研究方向：通信工程。