MATLAB与QUARTUSⅡ在16QAM调制器调试中的应用

王莉静,张建燕,陈国通,刘 卫,卢智嘉

(1.北京铁路局石家庄电务段,河北石家庄 050000;2.河北科技大学理工学院,河北石家庄050018;3.河北科技大学信息科学与工程学院,河北石家庄 050018;4.石家庄学院电气信息工程系,河北石家庄 050035)

MATLAB与QUARTUSⅡ在16QAM调制器调试中的应用

王莉静1,张建燕2,陈国通3,刘 卫3,卢智嘉4

(1.北京铁路局石家庄电务段,河北石家庄 050000;2.河北科技大学理工学院,河北石家庄050018;3.河北科技大学信息科学与工程学院,河北石家庄 050018;4.石家庄学院电气信息工程系,河北石家庄 050035)

在设备的调试过程中,仿真结果和仪器测试不容易判断结果的正确性,也不容易准确定位故障所在位置。在此结合16QAM调制器调试的实例介绍了一种实现快速准确查找故障位置的方法,该方法利用QUARTUSⅡ软件对数据进行采集,并通过MA TLAB对采集的数据进行分析,实现了故障的快速准确查找。

MA TLAB;QUARTUSⅡ;16QAM调制器

QUARTUSⅡ是AL TERA公司的FPGA开发软件,它可以对硬件描述语言所描述的硬件逻辑进行仿真调试,使设计者能够在设计硬件电路之前就已经验证了硬件功能的正确性,但是在实际调试过程中,这种方法只能采集数据,并不能对采集的数据进行分析。例如在设计16QAM调制器时,由于调制采用平方根升余弦成型滤波,所以直接从眼图看并不容易判断调制器程序是否正确,因此需要寻找其他的方法来对仿真结果进行分析、验证。MA TLAB是一种功能强大的数学分析工具,如果将采集到的数据移植到MA TLAB中,对其进行分析,此类问题将会迎刃而解。笔者结合16QAM调制器设计和调试的实例介绍QUARTUSⅡ和MA TLAB联合应用的分析、使用过程,包括利用 QUARTUSⅡ中的 SignalTapⅡ采集数据,并用MA TLAB的强大功能对数据进行分析处理,从而实现故障定位[1]。

1 16QAM调制器介绍

图1 16QAM调制器组成框图Fig.1 Diagram of 16QAM modulato r

随着通信技术的快速发展,需要一种高效的调制技术来满足高速的数据信息的传输,而QAM调制正是一种频谱利用率高的调制方式,它采用正交幅度调制的方法对载波的振幅和相位同时进行调制,从而使得QAM调制信号的幅度和相位都携带有效信息,进而有效缓解了信号的带宽压力[2]。

QAM调制是利用I,Q 2路基带信号对2个相互正交的同频载波进行调制。它的数学表达式如下:

式中:T为码元周期;Am和Bm为离散的振幅值,对于16QAM振幅可分别取值±1,±3。

16QAM调制过程如图1所示,一路数字基带信号经过串并转换电路形成I,Q 2路数据。每一路数据的2个比特产生一个映射值,例如,当数据是00时映射为1,当数据为01时映射为-1,当数据是10时映射为3,当数据是11时映射为-3[3]。

映射后的数据进行平方根升余弦滤波的成型滤波,平方根升余弦滤波器的时域表达式如下:

式中:T为码元周期;α为滚降系数,0<α≤1。

在设计成型滤波时α选择为0.3,截取长度为8个符号持续期。成型滤波的脉冲响应如图2所示。

图2 成型滤波器的脉冲响应Fig.2 Pulse response of shaping filter

成型滤波后的数据进行D/A变换,变成模拟基带信号[3]。频率合成器产生正交调制器所需的本振信号。正交调制器把I,Q 2路模拟基带调制到中频,它的输出即为所需要的16QAM调制信号[4]。

在设计时首先通过MA TLAB编程,并进行仿真。产生的信号眼图和星座图结果如图3所示。因为采用了平方根升余弦滤波,所以仿真出的眼图会比较厚。

图3 16QAM信号的眼图与星座图Fig.3 Eye diagram and constellation of 16QAM

将MA TLAB语言编写的程序用QUARTUSⅡ进行编译并下载到FPGA当中。通过示波器观察D/A的输出,如果程序编写正确,观察到的眼图和MA TLAB仿真的结果是一样的[5]。但是由于眼图比较厚,这种观察不容易判断D/A的输出是否正确。如果观察到的眼图和图3不同则说明设备存在故障,这可能有2种情况,第1种情况程序是正确的,D/A、正交调制器等后级电路存在故障;第2种情况可能由于硬件描述语言编写程序时出现错误。但是只基于眼图人们并不能准确地判断故障部位。

通过QUARTUSⅡ软件把FPGA中的数据采集到计算机中,并利用M A TLAB对数据进行分析的方法可以准确地判断故障部位。

2 通过SignalTapⅡ采集数据

QUARTUSⅡ的SignalTapⅡ工具提供了对芯片内正在运行的信号进行数据采集的功能。SignalTapⅡ运行时,通过JTAG口把保存在片内的存储器中的数据读到计算机中,并且在SignalTapⅡ的窗口进行显示。

SignalTapⅡ有3个菜单:Setup菜单,Data菜单和Advanced Trigger菜单。通过Setup菜单,用户能够增加一个节点到SignalTapⅡFiles(.stp),设置需要的参数、产生1个触发状态。在Data菜单,用户能够观测到采集的数据,显示形式可以是数据格式也可以是波形的形式。在A dvanced菜单,用户能够设置1个复杂的触发条件。

在本次试验中,需做如下设置:Samp le dep th设为1 000,Trigger Levels设为1,其他设置保持默认。设置完后把JTAG口编程电缆连到芯片的配置口上,按Scan Chain按钮,软件会自动识别芯片型号。对工程重新进行编译,然后把程序下载到芯片内。按Run Analysis按钮,在Data窗口下就会出现采集到的数据。

在File菜单里的 Expo rt选项中选择输出格式为Comma Separated Value,选择输出路径,点OK按钮,此时SignalTapⅡ会把数据输出到指定的路径下。用Excel把该文件打开,把要分析的数据选出并复制到一个新的文件里。

3 通过MATLAB对数据分析

调制器的成型滤波器采用平方根升余弦函数,如果把调制的数据再通过一个平方根升余弦滤波器,那么将会得到升余弦滤波后的数据,该数据的眼图是汇聚的,此时再对数据进行眼图分析,便可以很直观地判断数据是否正确。

通过MA TLAB对数据分析时,首先打开MA TLAB,在 File菜单中选择 Import data,并选择上一步骤所产生的文件,按照提示就可以把数据加载到MA TLAB的工作空间中,把数据改名为data。下面就可以对数据进行分析了。

首先产生平方根升余弦系数:

如果MA TLAB分析的结果眼图显示如图4所示,则说明调制器程序没有故障。

如果经过MA TLAB分析的结果眼图与图4不同,则可以证明故障部位是程序部分。因此通过采用这种方法可以很方便地对故障部位进行定位。

4 结 语

笔者用MA TLAB作为分析工具,使用它为硬件设计进行分析和测试扩展了QUARTUSⅡ仿真系统的功能。利用此方法会给设计者带来巨大的便利。

图4 匹配滤波后的眼图Fig.4 Eye diagram after shaping filter

[1]冯 数,海宋宇.MA TLAB对 QuartusⅡ复杂仿真功能的增强与应用[J].内江科技(Neijiang Science and Technology),2007(5):90-91.

[2]梁光胜,陈 静,许 钊.一种基于 FPGA 的16QAM调制[J].中国电力教育(China Electric Pow er Education),2008(S1):24-25.

[3]田永毅,倪宏斌.M IMO-OFDM系统中基于子载波分组信道估计的改进算法[J].河北科技大学学报(Journal of Hebei University of Science and Technology),2009,30(2):141-145.

[4]李晓丽,王跃存.基于Simulink的16QAM调制系统的仿真实现[J].仪器仪表用户(U sers of Instrument),2008(5):84-85.

[5]方嘉宁,赵 艳.第三代移动通信3GPP规范中的HSDPA技术[J].河北科技大学学报(Journal of Hebei University of Science and Technology),2004,25(2):36-37.

App lication of MA TLAB and QUARTUSⅡin 16QAM debugging

WANG Li-jing1,ZHANG Jian-yan2,CHEN Guo-tong3,L IU Wei3,LU Zhi-jia4
(1.Shijiazhuang Electric Services Segment,Beijing Railway Station,Shijiazhuang Hebei 050000,China;2.Polytechnic College,Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuang Hebei 050018,China;3.College of Information Science and Engineering,Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuang Hebei050018,China;4.School of Electrical and Information Engineering,Shijiazhuang Institute,Shijiazhuang Hebei 050035,China)

In the equipment debugging p rocess,the simulation results and instrument test are hardly able to judge the correctness of the results o r the accurate faults location.This paper p resents a fast and accurate way to find fault locations through the examp les of 16QAM modulato r debugging.Thismethod achieves fast and accurate fault location by using QuartusⅡand MA TLAB software.

MA TLAB;QUARTUSⅡ;16QAM modulato r

TN914

A

1008-1542(2010)02-0104-04

2009-03-19;

2009-12-16;责任编辑:李 穆

王莉静(1978-),女(满族),河北唐山人,硕士,主要从事数字交换与传输方面的研究。

陈国通教授