隨著移動(dòng)用戶數(shù)量的不斷增加和人們對(duì)圖像等多媒體信息的通信要求，傳統(tǒng)通信系統(tǒng)的容量已經(jīng)越來越不能滿足要求，而可用頻譜資源有限，也不能靠無限增加頻道數(shù)目來解決系統(tǒng)容量問題。確定一種高頻譜利用率的調(diào)制方案能在很大程度上解決這一問題。多電平正交振幅調(diào)制(Multilevel Quadrature Amplitude Modulation)是一種具有高頻譜利用率的調(diào)制技木^[1]。在無線通信中，它可以根據(jù)信道的衰落程度、信道流量等參數(shù)動(dòng)態(tài)改變調(diào)制方式，提高信道利用率和信息傳輸速率。這種高效的數(shù)據(jù)傳輸方式實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是FIR(Finite Impulse Response)濾波器和數(shù)字混頻器" title="混頻器">混頻器的設(shè)計(jì)，它們通常限制了調(diào)制器的速率。本文采用基于CSD(Canonic Signed Digit)編碼的FIR濾波器，并利用FIR濾波器系數(shù)對(duì)稱性、數(shù)據(jù)選擇器實(shí)現(xiàn)模塊重用，簡(jiǎn)化MQAM調(diào)制器設(shè)計(jì)，既節(jié)約了硬件資源又提高了器件的工作頻率" title="工作頻率">工作頻率。
1 MQAM調(diào)制器設(shè)計(jì)
　　MQAM調(diào)制框圖^[2]如圖1所示。

　　MQAM和調(diào)制器由串并轉(zhuǎn)換" title="串并轉(zhuǎn)換">串并轉(zhuǎn)換、IQ分路、脈沖形成和調(diào)制混頻單元組成。串并轉(zhuǎn)換單元將串行的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)化為并行的數(shù)據(jù)流；IQ分路單元根據(jù)不同的調(diào)制星座要求，將輸入的信號(hào)分解成同相和正交分量(I路和Q路信號(hào)分量)；脈沖形成濾波器對(duì)I、Q兩路信號(hào)進(jìn)行波形形成；調(diào)制混頻單元對(duì)I、Q兩路信號(hào)進(jìn)行混頻、合成，形成調(diào)制信號(hào)輸出。
1.1 串并轉(zhuǎn)換
　　串并轉(zhuǎn)換通過log₂ M級(jí)移位寄存器實(shí)現(xiàn)，調(diào)制方式控制字控制串并轉(zhuǎn)換單元的工作時(shí)鐘頻率。若數(shù)據(jù)輸入的速率為f，則串并轉(zhuǎn)換單元的工作頻率是f/log₂ M。輸入數(shù)據(jù)按log₂ M個(gè)比特一組起作用,輸入的二進(jìn)制數(shù)據(jù)分別進(jìn)入log₂ M個(gè)信道，每個(gè)信道的比特率等于輸入比特速率的1/log₂ M，log₂ M比特串行輸入比特分離器，然后同時(shí)并行輸出，信號(hào)進(jìn)入IQ分路單元。

1.2 IQ分路單元
　　圖2是IQ分路的實(shí)現(xiàn)框圖。L為輸入和輸出查找表" title="查找表">查找表的數(shù)據(jù)線組數(shù)，數(shù)值上等于MQAM調(diào)制器的調(diào)制方式種數(shù)，如實(shí)現(xiàn)4、16、64、256QAM調(diào)制器，則L=4。寬度為log₂ M的數(shù)據(jù)輸入星座映射模塊，根據(jù)調(diào)制方式控制字，星座映射的L組輸出線中，相應(yīng)的一組起作用，輸入數(shù)據(jù)被映射為寬度為log₂ M的數(shù)據(jù)輸出，作為查找表陣列中對(duì)應(yīng)查找表的地址輸入。查找表中存儲(chǔ)的是與調(diào)制方式對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，位寬n根據(jù)需要的精度設(shè)定。由于I、Q兩路查找表數(shù)據(jù)一樣，可以控制在不同的時(shí)刻使星座映射單元映射輸出不同的地址，使I、Q兩路使用同一個(gè)查找表，這樣星座映射單元輸出數(shù)據(jù)的頻率為2f/log₂ M，I、Q兩路的輸出相差一個(gè)查找表的工作時(shí)鐘。最后，數(shù)據(jù)選擇器根據(jù)控制字選擇一組作為IQ分路單元的輸出。
1.3 脈沖形成濾波器
　　脈沖形成濾波器采用FIR濾波器，F(xiàn)IR濾波器公式^[3]：
　　
　　FIR濾波器的系數(shù)是偶對(duì)稱或者奇對(duì)稱，即有：
　　h(n)=h(N-1-n)(偶對(duì)稱)或者h(yuǎn)(n)=-h(N-1-n)(奇對(duì)稱)　　　　　　(2)
　　利用系數(shù)對(duì)稱性減少乘法器數(shù)量的FIR濾波器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　在濾波器參數(shù)確定后，系數(shù)是一個(gè)固定值，所以濾波器的所有乘法都是固定系數(shù)乘法。實(shí)現(xiàn)固定系數(shù)乘法就可以用移位、加/減來代替并行乘法。任何濾波器系數(shù)都可表示成CSD碼^[4～5]的形式，這樣加減法的次數(shù)就可以達(dá)到最少，對(duì)理想濾波器的系數(shù)進(jìn)行CSD量化可簡(jiǎn)化硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)乘法器部分的結(jié)構(gòu)。
　　二進(jìn)制補(bǔ)碼與CSD編碼的轉(zhuǎn)換方法如下：
　　一個(gè)數(shù)X=x(n-1)x(n-2)…x(0)，如果對(duì)于所有i=0,1,...,n-1，x(i) =0,1,或－1，且對(duì)于所有i=1,…,n－1，滿足x(i)x(i-1)=0,則X=x(n-1)x(n-2)…x(0)稱為X的CSD編碼表示。
　　一個(gè)數(shù)的CSD表示中的非0比特位總是不相鄰的，用一個(gè)2bit的二進(jìn)制數(shù)表示一個(gè)CSD碼中的非0比特?cái)?shù)，01代表＋1，11代表－1(最高位通過符號(hào)位擴(kuò)展實(shí)現(xiàn))，則可以將一個(gè)數(shù)的CSD編碼表示轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制CSD編碼(BCSD)表示。二者具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。根據(jù)上述原理，一種將二進(jìn)制補(bǔ)碼數(shù)變換得到其CSD編碼表示的過程描述為：首先將二進(jìn)制補(bǔ)碼表示轉(zhuǎn)換為稱為BCSD編碼的表示，然后按照01代表＋1，11代表－1相反的過程轉(zhuǎn)換BCSD編碼得到數(shù)的CSD編碼表示。一種將二進(jìn)制補(bǔ)碼數(shù)轉(zhuǎn)換得到BCSD編碼的算法描述如下：
　　(1)初始化：輸入X=x(n-1)x(n-2)…x(0)；符號(hào)擴(kuò)展x(n)=x(n-1)；計(jì)數(shù)器置0(i=0)；標(biāo)志位置0(f=0)。
　　(2)循環(huán)執(zhí)行下列語句：如果i＞n-1，則跳轉(zhuǎn)到(3)，否則繼續(xù)執(zhí)行下列語句：
　?、偃绻鹒＝0：如果x(i+1)x(i)=11，則f＝1，i=i+2；如果x(i+1)x(i)=01，則f＝0，i=i+2；否則，f＝0，i=i+1。
　?、谌绻鹒＝1：如果x(i+1)x(i)=00，則f＝0，x(i)=1，i=i+2；如果x(i+1)x(i)=10，則f＝1，x(i)=1，i=i+2；否則，f＝0，x(i)=0，i=i+1。
　　③返回到(2)。
　　(3)如果f＝1，則x(i)＝!x(i)；否則，x(i)＝x(i)。
　　(4)結(jié)束。
　　本文采用12抽頭hamming形式的低通濾波器，截止頻率為0.15。為了便于CSD量化，將最大濾波器系數(shù)歸一化，其余各系數(shù)也乘以相應(yīng)的常數(shù)，濾波器特性沒有改變。表1是濾波器系數(shù)，圖4是原始系數(shù)與CSD編碼系數(shù)FIR濾波器幅頻響應(yīng)圖。

1.4 調(diào)制混頻器的設(shè)計(jì)
　　混頻器輸出信號(hào)^[6]為：
　　s(k)=I(k)cos(2πkf_c/f_d)+Q(k)sin(2πkf_c/f_d)　　　　　　　　(3)
　　其中，f_d為DDS的工作頻率，當(dāng)f_d＝4 f_c時(shí)，得到：
　　s(k)=I(k)cos(πk/2)+Q(k)sin(πk/2)　　　　　　　　　　　　　　(4)
　　以上兩式中，1≤k≤∞，cos(πk/2)可以表示為1,0,-1,0…的序列，sin(πk/2)可以表示為0,1,0,-1...的序列。設(shè)同相路I(f)的樣本序列I(k)為I₁,I₂,I₃…，正交路Q(f)的樣本序列Q(k)為Q₁,Q₂,Q₃…，則S(k)的樣本序列為I₁,Q₂,-I₃,-Q₄,I₅,Q₆…。這樣，正交調(diào)制就可以簡(jiǎn)化成子濾波器和數(shù)據(jù)選擇器構(gòu)成。如圖5所示，輸出由每一個(gè)時(shí)刻使能不同的子濾波器得到。這種結(jié)構(gòu)適合高速設(shè)計(jì)，而且占用硬件資源少，輸出時(shí)鐘是子濾波器時(shí)鐘的2倍。
　　其中，N為濾波器的抽頭數(shù)，又由上面的分析可以知道輸出序列可以表示為：
　　h(0)x(n)+h(4)x(n-4)+h(8)x(n-8)+…(5)
　　h(1)x(n-1)+h(5)x(n-5)+h(9)x(n-9)+…(6)
　　-h(2)x(n-2)-h(6)x(n-6)-h(10)x(n-10)-…(7)
　　-h(3)x(n-3)-h(7)x(n-7)-h(11)x(n-11)-… (8)
　　綜合(2)(5)(6)(7)(8)可以看出，(5)(8)可以用同一組濾波器實(shí)現(xiàn)，(6)(7)可以用同一組濾波器實(shí)現(xiàn)，濾波器組的輸入是N/4組寬度為n的數(shù)據(jù)，輸出是 N/4組寬度為m的數(shù)據(jù)，m與查找表和濾波器系數(shù)的位寬有關(guān)，利用數(shù)據(jù)選擇器選擇一組濾波器組輸出送到加法器，最后即為調(diào)制混頻輸出，位寬x根據(jù)需要確定。
2 MQAM調(diào)制器各部分工作時(shí)鐘
　　MQAM調(diào)制器各模塊工作時(shí)鐘關(guān)系如圖6所示。