星座映射与解映射器在DSP Builder的实现

在中国地面数字电视广播传输标准（DMB-TH）中，星座映射在整个发送端的位置，它位于前向纠错编码之后，其主要作用是：提高系统的抗干扰能力；将不同用途的信息映射为不同的星座，以便于接收端区别。前向纠错编码产生的比特流要转换为均匀的nQAM（n:星座点数）符号流[1].DMB-TH标准包含有64QAM、32QAM、16QAM、4QAM等星座映射方式。

传统使用FPGA的数字信号处理系统的设计，首先需要用仿真软件进行建模仿真，得到预想中的仿真结果后，使用硬件描述语言创建硬件工程，再对硬件进行仿真。整个过程漫长而繁杂，尤其困难的是由于仿真过程不够直观，一旦遇到问题无法及时准确确定问题所在。随着业界引入了Simulink仿真开发工具，虽然可以对数字系统进行直观的仿真，但由于软件仿真仍然与硬件实现有很大的距离，而初只被用于软件仿真阶段。Altera可编程逻辑器件（PLD）中的DSP系统设计需要算法和HDL开发工具。Altera DSP Builder将The MathWorks MATLAB和Simulink系统级设计工具的算法开发、仿真和验证功能与VHDL综合、仿真和Altera开发工具整合在一起，实现了这些工具的集成。DSP Builder在算法友好的开发环境中帮助设计人员生成DSP设计硬件表征，从而缩短了DSP设计周期。已有的MATLAB函数和Simulink模块可以和Altera DSP Builder模块以及Altera知识产权（IP）MegaCore功能相结合，将系统级设计实现和DSP算法开发相链接。DSP Builder支持系统、算法和硬件设计共享一个公共开发平台。

　　1  星座映射基本原理

一般载波信号的表达式为：

s（t）=A（t）cos[ωct+Φ（t）]=A（t）cosΦ（t）cos（ωct）-A（t）sinΦ（t）sin（ωct）（1）

从式（1）中可以看出载波信号有3个特征分量：幅度、频率和相位。因此，如果对三者分别进行调制，相应地可以得到幅度键控、频移键控和相移键控。如果对于幅度和相位进行联合调制称为正交幅度调制QAM（Quadrature Amplitude Modulation）。其中A（t）cosΦ（t）是同相分量（I分量），A（t）sinΦ（t）是正交分量（Q分量）。如果分别以I、Q分量为横纵轴，在直角坐标系中把符号映射后所代表的坐标点表示出来，就可以得到星座图。QAM调制是一种矢量调制方法，首先将输入比特映射为星座点，形成复数调制符号，然后对符号的I、Q分量（对应复平面的实部和虚部，也就是水平和垂直方向）采用幅度调制，分别对应调制在相互正交（时域正交）的2个载波（cos ωct和sinΦct）上。与幅度调制（AM）相比，其频谱利用率将提高1倍[2].QAM是幅度、相位联合调制的技术，它同时利用了载波的幅度和相位来传递信息比特，因此在距离相同的条件下可实现更高的频带利用率。

对于16QAM,每4 bit对应于1个星座符号。前向纠错编码输出的bit数据被拆分成4 bit为1组的符号（b3b2b1b0），星座点坐标对应的I和Q的取值为-6、-2、2、6.其星座映射。同理对于32QAM,每5 bit对应于1个星座符号，FEC编码输出的bit数据被拆分成5 bit为一组的符号（b4b3b2b1b0）。星座点坐标对应的同相分量I和正交分量Q的取值为-7.5、-4.5、-1.5、1.5、4.5、7.5.

　　2 星座映射、解映射器的设计

　　2.1 星座映射器设计

DMB-TH标准的主要技术贡献者之一凌讯科技有限公司的共同创始人、副董事长和战略官董弘博士介绍说，DMB-TH是融合了包括清华、上海交大和广科院等多方研发成果的一个方案，但DMB-TH的主要技术是基于清华方案，也就是拥有自主知识产权的TDS-OFDM（时域同步正交频分复用）调制技术，原有的清华方案的主要技术特点都会体现在DMB-TH标准中，同时，DMB-TH提供了单载波和多载波两种技术选项。董弘对《国际电子商情》表示："新的国家标准是单、多载波并存，提供两种选项，不同的运营商可以选择单载波或是多载波，但基础技术TDS-OFDM是来自清华方案。"

本文利用DSP Builder模块构建16QAM星座映射器。首先将输入比特流信号经过串并转换变为4 bit位宽的并行信号，然后将此并行信号作为后面查找表的输入地址，通过地址的选择，输出对应图2中相应星座点的横纵坐标，分别作为I、Q信号，共8 bit,完成星座映射。 

经过仿真绘制出星座点图，，可以很清楚地分辨出有16个星座点。通过改变中串并变换模块位宽以及查找表模块的内容，可得32QAM星座映射图，。4QAM和64QAM的原理与之类似，故不复述。

　　2.2  解星座映射器设计

16QAM解星座映射器结构所示，系统输入端每次输入1个8 bit的并行数据，高4位是I数据，低4位为Q数据。考虑到信道中的干扰可能会使星座点在原有位置上发生偏移，所以需要首先将I、Q数据进行纠偏，使其恢复到原有位置。随后将恢复出的各4 bit I、Q数据分别作为横纵坐标，在星座映射图中找到对应的星座点，并将其代表的4 bit二进制数据串行输出，完成整个解星座映射过程。

利用DSP Builder模块，构建16QAM解星座映射器，所示。进行仿真，得到16QAM星座映射仿真结果，仿真中使用测试数据为174,二进制表示为10101110,将其分解为I,Q数据分别是-6、-2.对应16QAM星座映射图上的点为0100,所以仿真周期输出0100二进制编码。

本文使用一种有别于传统方法的开发方式，实现了基于DMB-TH标准下的星座映射器与解映射器的设计及仿真。与传统方法相比，具有开发效率高、仿真过程容易、测试过程直观等优点，并具有很高的工程使用价值。