基于FPGA的映射调制实现

本文介绍了一种基于FPGA的映射调制方法,包括数学建模、MATLAB仿真、FPGA代码及测试,展示了从算法设计到硬件实现的全过程。

项目简述

在通信过程中,经常能碰见调制解调,这里将讲解一种映射调制的方法,并且给出相应的代码供大家学习。一般调制位于无线通信中比较靠后的未知,在交织之后。这里的映射调制并没有介入载波,只是进行了相应的星座图映射,至于最后载波的加入,将在后面的博客中学习。

数学建模

首先我们常见的QPSK与16-QAM的星座图如下:
在这里插入图片描述
由星座图可以得到编码之后的如下信息:
QPSK编码对应坐标轴大小
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
16-QAM编码对应坐标轴大小
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

星座图映射的对象为位交织输出 u = ( u 0 , u 1 , . . . , u N l d p c − 2 , u N l d p c − 1 ) u=(u_0,u_1,...,u_{N_{ldpc}-2},u_{N_{ldpc}-1}) u=(u0,u1,...,uNldpc2,uNldpc1) , N l d p c = 16200 N_{ldpc}=16200 Nldpc=16200主要是因为LDPC编码之后每包的长度就是16200,星座图映射分为两步:
(1)解复用,将 u u u 分解为 N s u b s t r e a m s N_{substreams} Nsubstreams 个子流
(2)将 N s u b s t r e a m s N_{substreams} Nsubstreams 个子流根据调制方式映射到对应星座图。

那么对于不同的调制方式, $N_{substreams}的值如下:

Modulation Number of sub-streams N s u b s t r e a m s N_{substreams} Nsubstreams
QPSK 2
16-QAM 8

首先我们要完成解复用,其实说白了解复用就是一个串并变换。

在这里插入图片描述
解复用模块将输入 v d i v_{di} vdi 映射到输出 b i , j b_{i,j} bi,j,其中 i i i为第 i i i个子流, j = d i   d i v   N s u b s t r e a m s j=di \ div\ N_{substreams} j=di div Nsubstreams。其中对于QPSK调制,i与 d i   m o d   N s u b s t r e a m s di \ mod\ N_{substreams} di mod Nsubstreams的值一样,对于16-QAM则进行了相应的变换,如下表:

Modulation format QPSK
d i   m o d   N s u b s t r e a m s di \ mod\ N_{substreams} di mod Nsubstreams 0 1
e 0 1
Modulation format 16-QAM
d i   m o d   N s u b s t r e a m s di \ mod\ N_{substreams} di mod Nsubstreams 0 1 2 3 4 5 6 7
e 7 1 4 2 5 3 6 0

进行完解复用之后就应该进行相应的映射操作,将会将上面产生的 N s u b s t r e a m s N_{substreams} N

FPGA实现QPSK调制解调涉及多种方法和技术。 在调制方面,首先将输入的数据进行串/并转换,再对其进行单/双极性变换,得到双比特码元,形成I路和Q路两路的信号,再经过滤波器进行滤波处理。进行调制(I路和cos相乘,Q路和sin相乘),再对两路的输出进行混频处理,输出QPSK的中频信号[^2]。 在FPGA平台上实现QPSK调制解调,还涉及数字信号处理、DDS波形生成、I/Q调制解调等关键技术点。可以利用Verilog或VHDL在FPGA实现QPSK调制解调器,包括系统架构设计、硬件验证以及性能优化。同时,MATLAB仿真工具也可用于算法验证和系统性能分析,确保设计满足实时性和高效性要求,最终将QPSK调制解调器集成到完整的通信系统中,构成一个高效、灵活且可定制的通信解决方案[^1]。 ```verilog // 简单示例代码,仅作示意,非完整实现 module qpsk_modulation ( input wire clk, input wire rst, input wire [1:0] data_in, output wire [7:0] i_signal, output wire [7:0] q_signal ); // 这里可以添加串并转换、单双极性变换等逻辑 // 假设 data_in 已经是经过串并转换和单双极性变换后的双比特码元 // 简单的 I/Q 映射 always @(posedge clk or posedge rst) begin if (rst) begin i_signal <= 8'd0; q_signal <= 8'd0; end else begin case (data_in) 2'b00: begin i_signal <= 8'd127; q_signal <= 8'd127; end 2'b01: begin i_signal <= 8'd127; q_signal <= 8'd - 128; end 2'b11: begin i_signal <= 8'd - 128; q_signal <= 8'd - 128; end 2'b10: begin i_signal <= 8'd - 128; q_signal <= 8'd127; end default: begin i_signal <= 8'd0; q_signal <= 8'd0; end endcase end end endmodule ```
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