摘 要： 提出了一種基于中國地面數(shù)字電視廣播傳輸標(biāo)準(zhǔn)的星座映射與解映射器的設(shè)計方法。使用DSP Builder的各種模塊搭建系統(tǒng)，并利用Signal Compiler生成HDL工程。在完成對所生成工程的優(yōu)化后，進行相關(guān)軟硬件仿真驗證。實現(xiàn)了32QAM、16QAM星座映射器與解映射器的設(shè)計、仿真，并在利用DSP Builder進行DSP系統(tǒng)開發(fā)方面進行了深入的探索。
關(guān)鍵詞： DSP Builder；DMB-TH；星座映射；解星座映射
在中國地面數(shù)字電視廣播傳輸標(biāo)準(zhǔn)(DMB-TH)中，星座映射在整個發(fā)送端的位置如圖1所示，它位于前向糾錯編碼之后，其主要作用是：提高系統(tǒng)的抗干擾能力；將不同用途的信息映射為不同的星座圖，以便于接收端區(qū)別。前向糾錯編碼產(chǎn)生的比特流要轉(zhuǎn)換為均勻的nQAM(n：星座點數(shù))符號流[1]。DMB-TH標(biāo)準(zhǔn)包含有64QAM、32QAM、16QAM、4QAM等星座映射方式。
傳統(tǒng)使用FPGA的數(shù)字信號處理系統(tǒng)的設(shè)計，首先需要用仿真軟件進行建模仿真，得到預(yù)想中的仿真結(jié)果后，使用硬件描述語言創(chuàng)建硬件工程，再對硬件進行仿真。整個過程漫長而繁雜，尤其困難的是由于仿真過程不夠直觀，一旦遇到問題無法及時準(zhǔn)確確定問題所在。隨著業(yè)界引入了Simulink仿真開發(fā)工具，雖然可以對數(shù)字系統(tǒng)進行直觀的仿真，但由于軟件仿真仍然與硬件實現(xiàn)有很大的距離，而最初只被用于軟件仿真階段。Altera DSP Builder將MATLAB和Simulink系統(tǒng)級設(shè)計工具的算法開發(fā)、仿真和驗證功能與Altera開發(fā)工具整合在一起，縮短了軟件仿真與硬件實現(xiàn)之間的距離。DSP Builder在算法友好的開發(fā)環(huán)境中可以幫助設(shè)計人員快速生成DSP設(shè)計硬件表征，從而縮短了DSP設(shè)計周期。已有的MATLAB函數(shù)和Simulink模塊可以和Altera DSP Builder模塊以及Altera知識產(chǎn)權(quán)(IP)MegaCoreR功能相結(jié)合，將系統(tǒng)級設(shè)計實現(xiàn)和DSP算法開發(fā)相鏈接。DSP Builder支持系統(tǒng)、算法和硬件設(shè)計共享1個公共開發(fā)平臺。
1 星座映射基本原理
一般載波信號的表達式為：
s(t)=A(t)cos[ωct+Φ(t)]=A(t)cosΦ(t)cos(ωct)-A(t)sinΦ(t)sin(ωct)(1)
從式(1)中可以看出載波信號有3個特征分量：幅度、頻率和相位。因此，如果對三者分別進行調(diào)制，相應(yīng)地可以得到幅度鍵控、頻移鍵控和相移鍵控。如果對于幅度和相位進行聯(lián)合調(diào)制稱為正交幅度調(diào)制QAM(Quadrature Amplitude Modulation)。其中A(t)cosΦ(t)是同相分量(I分量)，A(t)sinΦ(t)是正交分量(Q分量)。如果分別以I、Q分量為橫縱軸，在直角坐標(biāo)系中把符號映射后所代表的坐標(biāo)點表示出來，就可以得到星座圖。QAM調(diào)制是一種矢量調(diào)制方法，首先將輸入比特映射為星座點，形成復(fù)數(shù)調(diào)制符號，然后對符號的I、Q分量(對應(yīng)復(fù)平面的實部和虛部，也就是水平和垂直方向)采用幅度調(diào)制，分別對應(yīng)調(diào)制在相互正交(時域正交)的2個載波(cos ωct和sinΦct)上。與幅度調(diào)制(AM)相比，其頻譜利用率將提高1倍[2]。QAM是幅度、相位聯(lián)合調(diào)制的技術(shù)，它同時利用了載波的幅度和相位來傳遞信息比特，因此在最小距離相同的條件下可實現(xiàn)更高的頻帶利用率。
對于16QAM，每4 bit對應(yīng)于1個星座符號。前向糾錯編碼輸出的bit數(shù)據(jù)被拆分成4 bit為1組的符號(b3b2b1b0)，星座點坐標(biāo)對應(yīng)的I和Q的取值為-6、-2、2、6。其星座映射如圖2所示。同理對于32QAM，每5 bit對應(yīng)于1個星座符號，如圖3所示。FEC編碼輸出的bit數(shù)據(jù)被拆分成5 bit為一組的符號(b4b3b2b1b0)。星座點坐標(biāo)對應(yīng)的同相分量I和正交分量Q的取值為-7.5、-4.5、-1.5、1.5、4.5、7.5。
2 星座映射、解映射器的設(shè)計
2.1 星座映射器設(shè)計
本文利用DSP Builder模塊構(gòu)建16QAM星座映射器，如圖4所示。首先將輸入比特流信號經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換變?yōu)? bit位寬的并行信號，然后將此并行信號作為后面查找表的輸入地址，通過地址的選擇，輸出對應(yīng)圖2中相應(yīng)星座點的橫縱坐標(biāo)，分別作為I、Q信號，共8 bit，完成星座映射[3-4]。
經(jīng)過仿真繪制出星座點圖，如圖5所示，可以很清楚地分辨出有16個星座點。通過改變圖4中串并變換模塊位寬以及查找表模塊的內(nèi)容，可得32QAM星座映射圖，如圖6所示。4QAM和64QAM的原理與之類似，故不復(fù)述。
2.2 解星座映射器設(shè)計
16QAM解星座映射器結(jié)構(gòu)如圖7所示，系統(tǒng)輸入端每次輸入1個8 bit的并行數(shù)據(jù)，高4位是I數(shù)據(jù)，低4位為Q數(shù)據(jù)?？紤]到信道中的干擾可能會使星座點在原有位置上發(fā)生偏移，所以需要首先將I、Q數(shù)據(jù)進行糾偏，使其恢復(fù)到原有位置。隨后將恢復(fù)出的各4 bit I、Q數(shù)據(jù)分別作為橫縱坐標(biāo)，在星座映射圖中找到對應(yīng)的星座點，并將其代表的4 bit二進制數(shù)據(jù)串行輸出，完成整個解星座映射過程[5]。
利用DSP Builder模塊，構(gòu)建16QAM解星座映射器，如圖8所示。最后進行仿真，得到16QAM星座映射仿真結(jié)果，如圖9所示。仿真中使用測試數(shù)據(jù)為174，二進制表示為10101110，將其分解為I，Q數(shù)據(jù)分別是-6、-2。對應(yīng)16QAM星座映射圖上的點為0100，所以仿真周期輸出0100二進制編碼。
本文使用一種有別于傳統(tǒng)方法的開發(fā)方式，實現(xiàn)了基于DMB-TH標(biāo)準(zhǔn)下的星座映射器與解映射器的設(shè)計及仿真。與傳統(tǒng)方法相比，具有開發(fā)效率高、仿真過程容易、測試過程直觀等優(yōu)點，并具有很高的工程使用價值。
參考文獻
[1] 中國人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局、中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會GB 20600-2006．中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電視地面廣播傳輸系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)、信道編碼和調(diào)制[S]．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2006.
[2] Altera． DSP Builder reference manual[EB/OL]． http：//www.Altera.com，2009．
[3] 徐孟俠．對中國地面數(shù)字電視廣播傳輸標(biāo)準(zhǔn)的注解和評論[J]．電視技術(shù)，2007(4)：2-9.
[4] Altera．DSP Builder user guide[EB/OL]． http：//www.Altera.com，2009．
[5] 張擁軍，趙雪峰，朱維樂．基于FPGA平臺的DVB-T發(fā)射端的實現(xiàn)[J]．電視技術(shù)，2004(11)：3-6.