基于尋址的通信信號(hào)調(diào)制算法實(shí)現(xiàn)

龔艷瓊 曾春平 馬琨

摘 ?要： 在無(wú)線通信技術(shù)中，為了充分利用無(wú)線信道的時(shí)變特性，自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)依然是當(dāng)前研究熱點(diǎn)。但不管哪種調(diào)制技術(shù)，調(diào)制器中查找表內(nèi)容總是根據(jù)特定通信系統(tǒng)設(shè)置且固定不可變，導(dǎo)致查找表中內(nèi)容不可編程，使輸出的星座圖案無(wú)法根據(jù)實(shí)際通信環(huán)境變化而變化，以致不同通信系統(tǒng)間調(diào)制方式不能完全兼容。本文簡(jiǎn)要介紹了自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)的發(fā)展，闡述并實(shí)現(xiàn)了一種基于尋址的通信信號(hào)調(diào)制算法，達(dá)到查找表可編程的目的。采用Verilog HDL語(yǔ)言進(jìn)行算法設(shè)計(jì)，通過(guò)Quartus II和modelsim平臺(tái)聯(lián)合進(jìn)行軟件仿真，最后將程序下載到Altera公司提供的DE4（EP4SGX230KF40C2）開發(fā)板并聯(lián)合MATLAB工具實(shí)現(xiàn)FPGA（Field-Programmable Gate Array）驗(yàn)證。仿真驗(yàn)證結(jié)果表明此方案可行。

關(guān)鍵詞： 可編程查找表;自適應(yīng)調(diào)制;FPGA;無(wú)線通信;星座圖

中圖分類號(hào)： TN911. 3 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.08.044

本文著錄格式：龔艷瓊，曾春平，馬琨，等. 基于尋址的通信信號(hào)調(diào)制算法實(shí)現(xiàn)[J]. 軟件，2019，40（8）：194198

【Abstract】： For researchers who worked on the wireless communication systems， adaptived modulation technology had been a hot topic in order to make full use of fading channels. However there was no modulator yet for making programmable look-up table （LUT） and variable constellation pattern. And different communication system also needs different modulator. This paper introduced the development of adaptive modulation scheme in wireless communication system. Besides， a modulation algorithm based on look-up table for communication signal that could get programmable LUT and variable constellation was implement. During design， modeling and simulation were conducted using Verilog HDL language in Quartus II platform with modelsim tool. This modulation scheme was implemented by downloading the related programming data files to FPGA（Field-Programmable Gate Array） development board from Altera company that named DE4（EP4SGX230KF40C2）. Its datas were analyzed by using MATLAB tool. The simulation and experiment results indicate that the design scheme is feasible.

【Key words】： Programmable look-up table; Adaptive modulation; FPGA; Wireless communication; Constellation

0 ?引言

隨著無(wú)線通信系統(tǒng)的發(fā)展，人們對(duì)傳輸速率和效率的追求日益劇增，但兩者之間往往存在矛盾[1-2]。在傳統(tǒng)調(diào)制方式中，為保證系統(tǒng)的誤碼性能，只能根據(jù)最惡劣的信道狀況選擇適當(dāng)?shù)恼{(diào)制方式，以保證在整個(gè)通信過(guò)程中信道傳輸?shù)目煽啃裕诺狼闆r最差的時(shí)段在整個(gè)傳輸過(guò)程中很可能非常短，這就造成了極大的資源浪費(fèi)[3-5]。實(shí)際的移動(dòng)無(wú)線信道具有時(shí)變和衰落兩大特性，其信道容量是一個(gè)時(shí)變的隨機(jī)變量，要想最大限度地利用信道容量，需要發(fā)送速率也是一個(gè)隨信道容量變化的量。因此自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。所謂自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)，即充分利用無(wú)線信道的時(shí)變特性，根據(jù)當(dāng)前信道的衰落、干擾及噪聲等條件改變無(wú)線通信系統(tǒng)的調(diào)制方式。一般使用戶在理想信道條件下采用較高階的調(diào)制方式，而在不太理想的信道條件下則用較低階的調(diào)制方式，來(lái)保證通信的可靠性和有效性[3-8]。但目前存在的自適應(yīng)調(diào)制系統(tǒng)存在不同通信協(xié)議之間切換困難問題，使不同通信系統(tǒng)之間的調(diào)制方式不能完全兼容。

本文簡(jiǎn)要介紹了目前無(wú)線通信系統(tǒng)中自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，分析其存在的主要缺陷，同時(shí)基于此闡述了一種基于尋址的通信信號(hào)調(diào)制算法，此算法可輸出不同形狀的星座圖案，可解決不同通信協(xié)議之間切換難題。算法首先采用HDL語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)，接著通過(guò)Quartus II和Modelsim平臺(tái)聯(lián)合實(shí)現(xiàn)軟件仿真，最后將程序下載到Altera公司提供的DE4（EP4SGX230KF40C2）開發(fā)板并聯(lián)合MATLAB R2015b工具實(shí)現(xiàn)FPGA驗(yàn)證。

1 ?自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)的發(fā)展

自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)可簡(jiǎn)單歸納為：接收端把信道變化情況反饋給發(fā)送端，由發(fā)送端決定采用何種調(diào)制方式：當(dāng)信道狀況良好時(shí)采用保證傳輸質(zhì)量的同時(shí)盡可能多的傳輸數(shù)據(jù)以提高通信效率，而當(dāng)信道情況變壞時(shí)，采用降低傳輸速率甚至停止傳輸數(shù)據(jù)以保證傳輸質(zhì)量。若假設(shè)能準(zhǔn)確了解信道的變化情況，從調(diào)制技術(shù)原理出發(fā)調(diào)節(jié)發(fā)送信號(hào)參數(shù)，即可使系統(tǒng)頻帶利用率達(dá)最大?？烧{(diào)參數(shù)包括：數(shù)據(jù)傳輸功率、數(shù)據(jù)傳輸速率和星座圖類型。

自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)源于19世紀(jì)60年代，Gallager 提出的高斯白噪聲（AWGN）下的注水算法可以說(shuō)是自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)的萌芽[9]。1968年Hayes提出功率自適應(yīng)控制方法，實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)的自適應(yīng)傳輸[10]。1995年Steel等人提出了采用星形星座圖的變速率自適應(yīng)正交調(diào)幅調(diào)制（AQAM ， Adaptive Quadrature Amplitude Modulation），極大提高了頻譜利用率[6]。1997年，Goldsmith提出了變速率、變功率MQAM調(diào)制方案[12]，研究了在滿足平均功率和平均誤碼率的約束條件下，同時(shí)改變信號(hào)的傳輸速率和傳輸功率來(lái)達(dá)到最優(yōu)的頻譜效率的系統(tǒng)性能。

文獻(xiàn)[7]提出了多模式QAM 的統(tǒng)一星座標(biāo)簽構(gòu)建思想，使之能夠適用于多個(gè) QAM的正方形星座，這些星座使用同一個(gè)映射表建立映射關(guān)系：即小星座的標(biāo)簽（位數(shù)較少）是大星座標(biāo)簽（位數(shù)較多）的一部分，建立一種統(tǒng)一的星座映射表。統(tǒng)一星座標(biāo)簽構(gòu)建方法根據(jù)不同QAM星座的包含關(guān)系，使所構(gòu)建的各個(gè)星座圖標(biāo)簽之間存在特定的推衍關(guān)系，從而使包括4QAM，16QAM，64QAM，256QAM等多種調(diào)制方式的自適應(yīng)QAM 映射規(guī)則統(tǒng)一。但這種方式只適合 QAM的正方形星座，不能包含所有的調(diào)制方式，如不適合32QAM、128QAM等 QAM類及星形星座、不規(guī)則星座調(diào)制方式。

文獻(xiàn)[8]給出了一種適用于數(shù)字有線電視DVB-C的可變符號(hào)速率4～8M波特率可變星座點(diǎn)數(shù)M=4、16、32、64、128、256的全數(shù)字化MQAM調(diào)制方法，MQAM的星座圖映射集結(jié)果為QPSK {15}、16QAM {5，15}、32QAM {3，9，15}、64QAM {2，6，10，14}、128QAM{1，3，5，7，9，11}、256QAM {1，3，5，7，9，11，13，15}。這樣雖能實(shí)現(xiàn) QAM類調(diào)制方式，但卻不適合形似 類星座圖及不規(guī)則星座圖調(diào)制方式。文獻(xiàn)[13]提出了一種基于查找表的聯(lián)合調(diào)制算法，通過(guò)分析π/2-DBPSK和π/4-DQPSK的原理，以合并查找表的方式實(shí)現(xiàn)兩種調(diào)制方式的同一，實(shí)現(xiàn)了對(duì)兩種調(diào)制方式的自適應(yīng)切換使用。文獻(xiàn)[13]-[15]提到的自適應(yīng)調(diào)制算法均采用MQAM調(diào)制方式切換機(jī)制。文獻(xiàn)[16] 在R-TQAM（Regular Triangle Quadrature Amplitude Modulation）和I-TQAM（Irregular Triangle Quadrature Amplitude Modulation）的基礎(chǔ)上提出了S-TQAM（Semiregular Triangle Quadrature Amplitude Modulation），但此方案僅針對(duì) 調(diào)制類型，無(wú)法滿足星座圖案的多樣性和不規(guī)則性。文獻(xiàn)[17] 對(duì)分布式環(huán)境下可靠數(shù)據(jù)同步及通訊的協(xié)議進(jìn)行分析，這使得不同通信協(xié)議之間的調(diào)制方式自由切換成為可能。

綜上所述，盡管目前國(guó)內(nèi)外對(duì)自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)的研究各有不同，但調(diào)制器輸出的星座圖案固定單一，且調(diào)制器中設(shè)置的查找表的內(nèi)容不可編程，導(dǎo)致表的內(nèi)容也比較單一，只能適用于某一種或有限幾種調(diào)制方式，使不同通信協(xié)議之間不能自由切換，導(dǎo)致不同通信系統(tǒng)之間的調(diào)制方式不能完全兼容。因此需要一種調(diào)制技術(shù)解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述缺陷，使查找表可編程，輸出的星座圖案任意多變。

2 ?算法原理

2.1 ?矢量調(diào)制原理

對(duì)于數(shù)字通信的傳輸過(guò)程而言，為了使數(shù)字信號(hào)在帶通信號(hào)中進(jìn)行傳輸，必須用數(shù)字基帶信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，以使信號(hào)與信道特征相匹配。載波信號(hào)有三個(gè)基本特征：幅度、頻率和相位，其中頻率和相位可以通過(guò)一定的關(guān)系等價(jià)出來(lái)，所以調(diào)制方式可以只針對(duì)相位和幅度。在一個(gè)二維平面里，一個(gè)矢量的信息可以轉(zhuǎn)化為幅度（模）和相位（夾角）來(lái)表示;反過(guò)來(lái)，一個(gè)給定的矢量，由于其模和夾角不同，可以通過(guò)該給定的向量表示一定的信息。利用正交分解（任何矢量都可以投影到X軸和Y軸上面作出兩個(gè)矢量）的原理，改變X軸和Y軸上的分量便可以生成任意的矢量，得到任意信息。如：一個(gè)矢量信號(hào)可以看成是在兩個(gè)正交載波上進(jìn)行幅度調(diào)制的疊加：

其中 為I軸坐標(biāo)， A 為Q軸坐標(biāo)。數(shù)據(jù) 和 分別被載波 和 調(diào)制，即可得到I、Q兩路信號(hào)。這種調(diào)制方式可稱為矢量調(diào)制。

2.2 ?可編程查找表設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)查找表可編程，需要為其劃分不同的地址區(qū)間對(duì)應(yīng)不同的調(diào)制方式，即通過(guò)調(diào)制方式指示信號(hào)map_mode來(lái)進(jìn)行星座圖比特?cái)?shù)的選擇控制，并為其分配不同的地址區(qū)間，進(jìn)而配置出不同形狀的星座圖調(diào)制方式。當(dāng)map_mode為n時(shí)，所對(duì)應(yīng)的地址區(qū)間為 。例如，工作在8QAM調(diào)制方式下，對(duì)應(yīng)星座圖中碼原的點(diǎn)數(shù)為8，星座圖中每一點(diǎn)對(duì)應(yīng)的比特?cái)?shù)為3，則調(diào)制方式指示信號(hào)map_mode取值為3，此時(shí)若輸入信號(hào)data_in進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換分組后得到的碼原信號(hào)data_out依次為0、1、2、3、4、5、6、7，分別對(duì)應(yīng)的地址信息address為6、7、8、9、10、11、12、13可編程查找表的6～13這個(gè)區(qū)間被選中。由此可生成地址信號(hào)address： 。由此可得若調(diào)制方式指示信號(hào)確定，地址區(qū)間便可以確定，這時(shí)只需要改變查找表中地址區(qū)間所對(duì)應(yīng)的I、Q值便可輸出不同類型的星座圖，適應(yīng)不同類型的通信系統(tǒng)。

3 ?方案設(shè)計(jì)

圖1為一種基于尋址的通信信號(hào)調(diào)制算法原理圖。其原理為：首先由控制器將配置信息iq_reg發(fā)給星座圖配置模塊、將調(diào)制方式指示信號(hào)map_mode傳給地址運(yùn)算模塊和串并轉(zhuǎn)換模塊;然后星座圖配置模塊根據(jù)配置信息iq_reg確定所需星座圖案并將各點(diǎn)（I，Q）值映射到查找表LUT模塊后等待查找;其次串并轉(zhuǎn)換模塊根據(jù)調(diào)制方式指示信號(hào)map_mode將串行輸入的二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化為map_mode位并行數(shù)據(jù)并輸入到地址運(yùn)算模塊;接著地址運(yùn)算模塊根據(jù)調(diào)制方式指示信號(hào)map_mode將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為地址信息address輸入到查找表LUT模塊;最后查找表LUT模塊接到地址信息后，將其對(duì)應(yīng)的I、Q值輸出。其中：

（1）控制器模塊：根據(jù)信道檢測(cè)信號(hào)得到星座圖配置信息iq_reg并輸入至星座圖配置模塊，將星座圖對(duì)應(yīng)的比特?cái)?shù)map_mode輸入至串并轉(zhuǎn)換模塊和邏輯運(yùn)算模塊;

（2）星座圖配置模塊：將其星座點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)（I，Q）值分別映射到其所對(duì)應(yīng)的查找表LUT模塊地址中;

（3）串并轉(zhuǎn)換模塊：將需要的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為map_mode位并行數(shù)據(jù)輸入邏輯運(yùn)算模塊;

（4）地址邏輯運(yùn)算模塊： ? 。

（5）查找表LUT模塊：存儲(chǔ)地址信息，其地址里的值可變且由星座圖決定，初始化時(shí)其地址里存儲(chǔ)方形星座圖調(diào)制對(duì)應(yīng)的（I，Q）值，當(dāng)收到address信號(hào)時(shí)，將其地址所對(duì)應(yīng)的（I，Q）值輸出。

4 ?仿真驗(yàn)證結(jié)果及分析

在windows7環(huán)境下，通過(guò)QuartusII 13.0平臺(tái)、采用Verilog HDL語(yǔ)言、通過(guò)Modelsim實(shí)現(xiàn)RTL級(jí)仿真。仿真通過(guò)后將程序下載到Altera公司提供的DE4（EP4SGX230KF40C2）開發(fā)板，然后調(diào)用嵌入式邏輯分析儀SignalTap II Logical Anaylzer抓取系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)，并將此數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB R2015b工具中與預(yù)設(shè)值的I、Q進(jìn)行對(duì)比分析，若兩者數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)即說(shuō)明仿真驗(yàn)證結(jié)果正確，方案可行。在為系統(tǒng)輸入隨機(jī)生成的二進(jìn)制串行數(shù)據(jù)配置文件和星座圖配置文件后，仿真驗(yàn)證結(jié)果如下：

（1）當(dāng)map_mode=4時(shí)，將方形星座圖的I、Q值映射到可編程查找表中時(shí)，仿真結(jié)果如圖2所示。將仿真導(dǎo)出的數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB，與預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖3所示（點(diǎn)為MATLAB中預(yù)設(shè)值，圈為仿真導(dǎo)出的值，下同）?？梢钥闯觯玫降臄?shù)據(jù)與MATLAB中的原始數(shù)據(jù)完全重合。

（2）在其他環(huán)境不變的前提下，改變查找表中的I、Q值，使其輸出星形星座圖形，仿真結(jié)果如圖4所示。同樣將仿真導(dǎo)出的數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB，與預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖5所示?？梢钥闯?，得到的數(shù)據(jù)也與MATLAB中的原始數(shù)據(jù)完全重合。

（3）當(dāng)map_mode=9時(shí)，將方形星座圖的I、Q值映射到可編程查找表中時(shí)，仿真結(jié)果如圖6所示。同樣將仿真得到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB，與預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖7所示?？梢钥闯?，得到的數(shù)據(jù)也與MATLAB中的原始數(shù)據(jù)完全重合。

5 ?結(jié)論

本文簡(jiǎn)要介紹了目前無(wú)線通信系統(tǒng)中自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及主要缺陷，分析了一種基于尋址的通信信號(hào)調(diào)制算法原理，并采用HDL語(yǔ)言完成系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，通過(guò)QuartusII 13.0和Modelsim SE-64 10.4平臺(tái)聯(lián)合實(shí)現(xiàn)軟件級(jí)仿真驗(yàn)證，最后將所設(shè)計(jì)的程序下載到Altera公司提供的DE4（EP4SGX230KF40C2）開發(fā)板并聯(lián)合MATLAB R2016b工具實(shí)現(xiàn)FPGA驗(yàn)證。仿真驗(yàn)證結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了查找表可編程，可隨意輸出不同形狀的星座案。這為解決目前不同通信協(xié)議之間切換困難，導(dǎo)致不同通信系統(tǒng)之間調(diào)制方式不能完全兼容缺陷奠定了基礎(chǔ)。

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