基于寻址的通信信号调制算法实现

龚艳琼 曾春平 马琨

摘  要： 在无线通信技术中，为了充分利用无线信道的时变特性，自适应调制技术依然是当前研究热点。但不管哪种调制技术，调制器中查找表内容总是根据特定通信系统设置且固定不可变，导致查找表中内容不可编程，使输出的星座图案无法根据实际通信环境变化而变化，以致不同通信系统间调制方式不能完全兼容。本文简要介绍了自适应调制技术的发展，阐述并实现了一种基于寻址的通信信号调制算法，达到查找表可编程的目的。采用Verilog HDL语言进行算法设计，通过Quartus II和modelsim平台联合进行软件仿真，最后将程序下载到Altera公司提供的DE4（EP4SGX230KF40C2）开发板并联合MATLAB工具实现FPGA（Field-Programmable Gate Array）验证。仿真验证结果表明此方案可行。

关键词： 可编程查找表;自适应调制;FPGA;无线通信;星座图

中图分类号： TN911. 3    文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.08.044

本文著录格式：龚艳琼，曾春平，马琨，等. 基于寻址的通信信号调制算法实现[J]. 软件，2019，40（8）：194198

【Abstract】： For researchers who worked on the wireless communication systems， adaptived modulation technology had been a hot topic in order to make full use of fading channels. However there was no modulator yet for making programmable look-up table （LUT） and variable constellation pattern. And different communication system also needs different modulator. This paper introduced the development of adaptive modulation scheme in wireless communication system. Besides， a modulation algorithm based on look-up table for communication signal that could get programmable LUT and variable constellation was implement. During design， modeling and simulation were conducted using Verilog HDL language in Quartus II platform with modelsim tool. This modulation scheme was implemented by downloading the related programming data files to FPGA（Field-Programmable Gate Array） development board from Altera company that named DE4（EP4SGX230KF40C2）. Its datas were analyzed by using MATLAB tool. The simulation and experiment results indicate that the design scheme is feasible.

【Key words】： Programmable look-up table; Adaptive modulation; FPGA; Wireless communication; Constellation

0  引言

隨着无线通信系统的发展，人们对传输速率和效率的追求日益剧增，但两者之间往往存在矛盾[1-2]。在传统调制方式中，为保证系统的误码性能，只能根据最恶劣的信道状况选择适当的调制方式，以保证在整个通信过程中信道传输的可靠性，但信道情况最差的时段在整个传输过程中很可能非常短，这就造成了极大的资源浪费[3-5]。实际的移动无线信道具有时变和衰落两大特性，其信道容量是一个时变的随机变量，要想最大限度地利用信道容量，需要发送速率也是一个随信道容量变化的量。因此自适应调制技术应运而生。所谓自适应调制技术，即充分利用无线信道的时变特性，根据当前信道的衰落、干扰及噪声等条件改变无线通信系统的调制方式。一般使用户在理想信道条件下采用较高阶的调制方式，而在不太理想的信道条件下则用较低阶的调制方式，来保证通信的可靠性和有效性[3-8]。但目前存在的自适应调制系统存在不同通信协议之间切换困难问题，使不同通信系统之间的调制方式不能完全兼容。

本文简要介绍了目前无线通信系统中自适应调制技术的发展现状，分析其存在的主要缺陷，同时基于此阐述了一种基于寻址的通信信号调制算法，此算法可输出不同形状的星座图案，可解决不同通信协议之间切换难题。算法首先采用HDL语言进行设计，接着通过Quartus II和Modelsim平台联合实现软件仿真，最后将程序下载到Altera公司提供的DE4（EP4SGX230KF40C2）开发板并联合MATLAB R2015b工具实现FPGA验证。

1  自适应调制技术的发展

自适应调制技术可简单归纳为：接收端把信道变化情况反馈给发送端，由发送端决定采用何种调制方式：当信道状况良好时采用保证传输质量的同时尽可能多的传输数据以提高通信效率，而当信道情况变坏时，采用降低传输速率甚至停止传输数据以保证传输质量。若假设能准确了解信道的变化情况，从调制技术原理出发调节发送信号参数，即可使系统频带利用率达最大。可调参数包括：数据传输功率、数据传输速率和星座图类型。

自适应调制技术源于19世纪60年代，Gallager 提出的高斯白噪声（AWGN）下的注水算法可以说是自适应调制技术的萌芽[9]。1968年Hayes提出功率自适应控制方法，实现了闭环的自适应传输[10]。1995年Steel等人提出了采用星形星座图的变速率自适应正交调幅调制（AQAM ， Adaptive Quadrature Amplitude Modulation），极大提高了频谱利用率[6]。1997年，Goldsmith提出了变速率、变功率MQAM调制方案[12]，研究了在满足平均功率和平均误码率的约束条件下，同时改变信号的传输速率和传输功率来达到最优的频谱效率的系统性能。

文献[7]提出了多模式QAM 的统一星座标签构建思想，使之能够适用于多个 QAM的正方形星座，这些星座使用同一个映射表建立映射关系：即小星座的标签（位数较少）是大星座标签（位数较多）的一部分，建立一种统一的星座映射表。统一星座标签构建方法根据不同QAM星座的包含关系，使所构建的各个星座图标签之间存在特定的推衍关系，从而使包括4QAM，16QAM，64QAM，256QAM等多种調制方式的自适应QAM 映射规则统一。但这种方式只适合 QAM的正方形星座，不能包含所有的调制方式，如不适合32QAM、128QAM等 QAM类及星形星座、不规则星座调制方式。

文献[8]给出了一种适用于数字有线电视DVB-C的可变符号速率4～8M波特率可变星座点数M=4、16、32、64、128、256的全数字化MQAM调制方法，MQAM的星座图映射集结果为QPSK {15}、16QAM {5，15}、32QAM {3，9，15}、64QAM {2，6，10，14}、128QAM{1，3，5，7，9，11}、256QAM {1，3，5，7，9，11，13，15}。这样虽能实现 QAM类调制方式，但却不适合形似 类星座图及不规则星座图调制方式。文献[13]提出了一种基于查找表的联合调制算法，通过分析π/2-DBPSK和π/4-DQPSK的原理，以合并查找表的方式实现两种调制方式的同一，实现了对两种调制方式的自适应切换使用。文献[13]-[15]提到的自适应调制算法均采用MQAM调制方式切换机制。文献[16] 在R-TQAM（Regular Triangle Quadrature Amplitude Modulation）和I-TQAM（Irregular Triangle Quadrature Amplitude Modulation）的基础上提出了S-TQAM（Semiregular Triangle Quadrature Amplitude Modulation），但此方案仅针对 调制类型，无法满足星座图案的多样性和不规则性。文献[17] 对分布式环境下可靠数据同步及通讯的协议进行分析，这使得不同通信协议之间的调制方式自由切换成为可能。

综上所述，尽管目前国内外对自适应调制技术的研究各有不同，但调制器输出的星座图案固定单一，且调制器中设置的查找表的内容不可编程，导致表的内容也比较单一，只能适用于某一种或有限几种调制方式，使不同通信协议之间不能自由切换，导致不同通信系统之间的调制方式不能完全兼容。因此需要一种调制技术解决现有技术所存在的上述缺陷，使查找表可编程，输出的星座图案任意多变。

2  算法原理

2.1  矢量调制原理

对于数字通信的传输过程而言，为了使数字信号在带通信号中进行传输，必须用数字基带信号对载波进行调制，以使信号与信道特征相匹配。载波信号有三个基本特征：幅度、频率和相位，其中频率和相位可以通过一定的关系等价出来，所以调制方式可以只针对相位和幅度。在一个二维平面里，一个矢量的信息可以转化为幅度（模）和相位（夹角）来表示;反过来，一个给定的矢量，由于其模和夹角不同，可以通过该给定的向量表示一定的信息。利用正交分解（任何矢量都可以投影到X轴和Y轴上面作出两个矢量）的原理，改变X轴和Y轴上的分量便可以生成任意的矢量，得到任意信息。如：一个矢量信号可以看成是在两个正交载波上进行幅度调制的叠加：

其中 为I轴坐标， A 为Q轴坐标。数据 和 分别被载波 和 调制，即可得到I、Q两路信号。这种调制方式可称为矢量调制。

2.2  可编程查找表设计

为了实现查找表可编程，需要为其划分不同的地址区间对应不同的调制方式，即通过调制方式指示信号map_mode来进行星座图比特数的选择控制，并为其分配不同的地址区间，进而配置出不同形状的星座图调制方式。当map_mode为n时，所对应的地址区间为 。例如，工作在8QAM调制方式下，对应星座图中码原的点数为8，星座图中每一点对应的比特数为3，则调制方式指示信号map_mode取值为3，此时若输入信号data_in进行串并转换分组后得到的码原信号data_out依次为0、1、2、3、4、5、6、7，分别对应的地址信息address为6、7、8、9、10、11、12、13可编程查找表的6～13这个区间被选中。由此可生成地址信号address： 。由此可得若调制方式指示信号确定，地址区间便可以确定，这时只需要改变查找表中地址区间所对应的I、Q值便可输出不同类型的星座图，适应不同类型的通信系统。

3  方案设计

图1为一种基于寻址的通信信号调制算法原理图。其原理为：首先由控制器将配置信息iq_reg发给星座图配置模块、将调制方式指示信号map_mode传给地址运算模块和串并转换模块;然后星座图配置模块根据配置信息iq_reg确定所需星座图案并将各点（I，Q）值映射到查找表LUT模块后等待查找;其次串并转换模块根据调制方式指示信号map_mode将串行输入的二进制数转化为map_mode位并行数据并输入到地址运算模块;接着地址运算模块根据调制方式指示信号map_mode将并行数据转换为地址信息address输入到查找表LUT模块;最后查找表LUT模块接到地址信息后，将其对应的I、Q值输出。其中：

（1）控制器模块：根据信道检测信号得到星座图配置信息iq_reg并输入至星座图配置模块，将星座图对应的比特数map_mode输入至串并转换模块和逻辑运算模块;

（2）星座图配置模块：将其星座点的横纵坐标（I，Q）值分别映射到其所对应的查找表LUT模块地址中;

（3）串并转换模块：将需要的串行数据转换为map_mode位并行数据输入逻辑运算模块;

（4）地址逻辑运算模块：   。

（5）查找表LUT模块：存储地址信息，其地址里的值可变且由星座图决定，初始化时其地址里存储方形星座图调制对应的（I，Q）值，当收到address信号时，将其地址所对应的（I，Q）值输出。

4  仿真验证结果及分析

在windows7环境下，通过QuartusII 13.0平台、采用Verilog HDL语言、通过Modelsim实现RTL级仿真。仿真通过后将程序下载到Altera公司提供的DE4（EP4SGX230KF40C2）开发板，然后调用嵌入式逻辑分析仪SignalTap II Logical Anaylzer抓取系统输出的数据，并将此数据导入MATLAB R2015b工具中与预设值的I、Q进行对比分析，若两者数据一一对应即说明仿真验证结果正确，方案可行。在为系统输入随机生成的二进制串行数据配置文件和星座圖配置文件后，仿真验证结果如下：

（1）当map_mode=4时，将方形星座图的I、Q值映射到可编程查找表中时，仿真结果如图2所示。将仿真导出的数据导入MATLAB，与预设数据对比如图3所示（点为MATLAB中预设值，圈为仿真导出的值，下同）。可以看出，得到的数据与MATLAB中的原始数据完全重合。

（2）在其他环境不变的前提下，改变查找表中的I、Q值，使其输出星形星座图形，仿真结果如图4所示。同样将仿真导出的数据导入MATLAB，与预设数据对比如图5所示。可以看出，得到的数据也与MATLAB中的原始数据完全重合。

（3）当map_mode=9时，将方形星座图的I、Q值映射到可编程查找表中时，仿真结果如图6所示。同样将仿真得到的数据导入MATLAB，与预设数据对比如图7所示。可以看出，得到的数据也与MATLAB中的原始数据完全重合。

5  结论

本文简要介绍了目前无线通信系统中自适应调制技术的发展现状及主要缺陷，分析了一种基于寻址的通信信号调制算法原理，并采用HDL语言完成系统方案设计，通过QuartusII 13.0和Modelsim SE-64 10.4平台联合实现软件级仿真验证，最后将所设计的程序下载到Altera公司提供的DE4（EP4SGX230KF40C2）开发板并联合MATLAB R2016b工具实现FPGA验证。仿真验证结果表明，本设计实现了查找表可编程，可随意输出不同形状的星座案。这为解决目前不同通信协议之间切换困难，导致不同通信系统之间调制方式不能完全兼容缺陷奠定了基础。

参考文献

[1] 杨丽雯， 张永继. 基于Wi-Fi Mesh 网络构建区域通信平台问题研究[J]. 软件， 2015， 36（8）： 112-116.

[2] 宋晓莉， 张晋豫. 一种减小多普勒频移的通信系统仿真[J]. 软件， 2016， 37（1）： 57-60.

[3] 李艳峰， 赵旦峰， 李欣. 一种自适应调制方案[J]. 信息与电子工程， 2005， 1（4）： 45-48.

[4] 刘艳华. 基于MATLAB 的跳频扩频调制系统的实现[J]. 软件， 2015， 36（9）： 101-103.

[5] 杨婧， 王霞， 程乃平. 基于特征参数提取的信号调制识别算法研究[J]. 软件， 2018， 39（4）： 180-184.

[6] Webb W T， Steele R. Variable rate QAM for mobile radio[J]. IEEE Trans Comm， 1995， 43（7）： 2223-2230.

[7] 王国正， 赵利. 一种星座可变的自适应QAM调制方案[J]. 电视技术， 2012， 36（9）： 92-96.

[8] 赵民建， 袁梦涛， 李式巨等. 全数字多星座图、可变符号率QAM调制器[J]. 电路与系统学报. 2016. 3， 6（1）： 1-6.

[9] 刘先桥， 杨凡， 阮定良等. 无线通信中自适应调制技术的现状与发展[J]. 微机处理， 2017. 6， 3： 34-37.

[10] J. F. Hayes， Adaptive feedback communications[J]. IEEE Trans. Common. Tech.， vol. 16， no. 1， pp. 29-34， 1968.

[11] S. Otsuki， S. Sampei， and N. Morinaga， Square QAM adaptive modulation/TDMA/TDD systems using modulation level estimation with Walsh function[J]. Electronics Letters， vol. 31， pp. 169-171， Feb. 1995.

[12] 贺焱秋， 李国权， 庞宇等. 基于体域网调制方式的研究及FPGA实现[J]. 无线互联科技. 2016. 1， 1： 13-14.

[13] 罗亚松， 胡生亮， 刘志坤， 等. 正交频分复用水声通信自适应调制算法[J]. 国防科技大学学报， 2017（1）.

[14] 段红光， 胡利， 田枚. LTE-Advanced系统中的自适应调制技术[J]. 电信科学， 2017， 33（7）.

[15] 曾孝平， 毛海伟， 杨凡等. Nakagami-m衰落信道下D2D通信自适应调制算法研究[J]. 通信学报， 2018， 39（9）.

[16] Abdelaziz M， Gulliver TA . Triangular Constellations for Adaptive Modulation[J]. IEEE Transactions on Communications， 2018， 66（2）： 756-766.

[17] 刘皓. 分布式环境下可靠数据同步及通讯的协议分析[J]. 软件， 2015， 36（9）： 113-116.