m基于FPGA的64QAM调制解调、载波同步verilog实现

1.算法描述

   64QAM（正交幅度调制），在使用同轴电缆的网络中，这种数字频率调制技术通常用于发送下行链路数据。64QAM在6mhz信道中，64QAM的传输速率非常高，最多可支持38.015mbps的峰值传输速率。然而，它对干扰信号很敏感，难以适应嘈杂的上行链路传输（从电缆用户到互联网）。参见QPSK、DQPSK、CDMA、S-CDMA、BPSK和VSB。

    它具有调制效率高、对传输路径的信噪比要求高、带宽利用率高的特点，适合有线电视传输；QAM（DVB-C调制）在中国有线电视网络中得到广泛应用。QAM是一种联合幅度和相位调制技术。它利用载波的幅度和相位同时传输信息位。不同的幅度和相位表示不同的编码符号。因此，在相同的最小距离条件下，QAM星座可以容纳更多的星座点，以实现更高的频带利用率。

   载波同步又称载波恢复（carrierrestoration），即在接收设备中产生一个和接收信号的载波同频同相的本地振荡（localoscillation），供给解调器作相干解调用。当接收信号中包含离散的载频分量时，在接收端需要从信号中分离出信号载波作为本地相干载波；这样分离出的本地相干载波频率必然与接收信号载波频率相同，但为了使相位也相同，可能需要对分离出的载波相位作适当的调整。若接收信号中没有离散载波分量，例如在2PSK信号中（“1” 和“0”以等概率出现时），则接收端需要用较复杂的方法从信号中提取载波。因此，在这些接收设备中需要有载波同步电路，以提供相干解调所需要的相干载波；相干载波必须与接收信号的载波严格地同频同相。

本系统几个设计要点：

  第一：环路滤波系数的分段更新，实现频率跟踪效果的稳定。当锁相环开始工作的时候，首先由一组较大的环路滤波系数实现频率的快速跟踪，然后由一组较小的环路系数，实现频率的稳定跟踪。

第二：环路平滑处理。

第三：同时进行鉴频和鉴相

上面两个是性能上的改进，然后针对FPGA的设计，我们采用如下的改进设计构架。

第一：基于流水线的设计流程，使得载波同步算法能够以流的形式进行反馈工作；

第二：基于Cordic算法的NCO产生对应的SIN和COS。

2.仿真效果预览
算法仿真:MATLAB 2022a

FPGA设计：quartusii13.0

FPGA仿真:ModelSim-Altera 6.6d

3.MATLAB核心程序

module tops(
            i_clk,
                i_rst,
                o_signal,
               o_I_map,
               o_Q_map,
               o_sin,
                o_cos,
                o_64QAM_real,
                o_64QAM_imag,
                o_cosfai,
                o_sinfai,
                o_I_PLL,
                o_Q_PLL,
                o_discriminator,
                o_nco,
                o_nco_smooth,
                o_fre
            );
                
input              i_clk;
input              i_rst;
output       [5:0] o_signal;    
output signed[3:0] o_I_map;
output signed[3:0] o_Q_map;
output signed[11:0]o_sin;
output signed[11:0]o_cos; 
output signed[15:0]o_64QAM_real;
output signed[15:0]o_64QAM_imag; 
 
output signed[15:0]o_cosfai;
output signed[15:0]o_sinfai;
output signed[15:0]o_I_PLL;
output signed[15:0]o_Q_PLL;
 
output signed[15:0]o_discriminator;
output signed[23:0]o_nco;
output signed[23:0]o_nco_smooth;
output signed[23:0]o_fre;
signal signal_u(
               .i_clk    (i_clk),
                   .i_rst    (i_rst),
                   .o_signal (o_signal)
              );
                  
//64QAM mod
mod_64QAM_tops mod_64QAM_tops_u(
                               .i_clk      (i_clk),
                               .i_rst      (i_rst),
                                      .i_signal   (o_signal),
                                      .o_I_map    (o_I_map),
                                      .o_Q_map    (o_Q_map),
                                      .o_sin      (o_sin),
                                      .o_cos      (o_cos),
                                      .o_QAM_real (o_64QAM_real),
                                      .o_QAM_imag (o_64QAM_imag)
                                      );                 
                          
                     
//64QAM demod    
demod_64QAM_tops demod_64QAM_tops_u(
                                                .i_clk           (i_clk),
                                                .i_rst           (i_rst),
                                                .i_Qam_real      (o_64QAM_real),
                                                .i_Qam_imag      (o_64QAM_imag),
                                                .o_cosfai        (o_cosfai),
                                                .o_sinfai        (o_sinfai),
                                                .o_I_PLL         (o_I_PLL),
                                                .o_Q_PLL         (o_Q_PLL),
                                                .o_discriminator (o_discriminator),
                                                .o_nco           (o_nco),
                                                .o_nco_smooth    (o_nco_smooth),
                                                .o_fre           (o_fre)
                                                );    
 
endmodule 
01-124m