摘 要： 提出了一種基于中國地面數字電視廣播傳輸標準的星座映射與解映射器的設計方法。使用DSP Builder的各種模塊搭建系統，并利用Signal Compiler生成HDL工程。在完成對所生成工程的優化后，進行相關軟硬件仿真驗證。實現了32QAM、16QAM星座映射器與解映射器的設計、仿真，并在利用DSP Builder進行DSP系統開發方面進行了深入的探索。
關鍵詞： DSP Builder；DMB-TH；星座映射；解星座映射
在中國地面數字電視廣播傳輸標準(DMB-TH)中，星座映射在整個發送端的位置如圖1所示，它位于前向糾錯編碼之后，其主要作用是：提高系統的抗干擾能力；將不同用途的信息映射為不同的星座圖，以便于接收端區別。前向糾錯編碼產生的比特流要轉換為均勻的nQAM(n：星座點數)符號流[1]。DMB-TH標準包含有64QAM、32QAM、16QAM、4QAM等星座映射方式。
傳統使用FPGA的數字信號處理系統的設計，首先需要用仿真軟件進行建模仿真，得到預想中的仿真結果后，使用硬件描述語言創建硬件工程，再對硬件進行仿真。整個過程漫長而繁雜，尤其困難的是由于仿真過程不夠直觀，一旦遇到問題無法及時準確確定問題所在。隨著業界引入了Simulink仿真開發工具，雖然可以對數字系統進行直觀的仿真，但由于軟件仿真仍然與硬件實現有很大的距離，而最初只被用于軟件仿真階段。Altera DSP Builder將MATLAB和Simulink系統級設計工具的算法開發、仿真和驗證功能與Altera開發工具整合在一起，縮短了軟件仿真與硬件實現之間的距離。DSP Builder在算法友好的開發環境中可以幫助設計人員快速生成DSP設計硬件表征，從而縮短了DSP設計周期。已有的MATLAB函數和Simulink模塊可以和Altera DSP Builder模塊以及Altera知識產權(IP)MegaCoreR功能相結合，將系統級設計實現和DSP算法開發相鏈接。DSP Builder支持系統、算法和硬件設計共享1個公共開發平臺。
1 星座映射基本原理
一般載波信號的表達式為：
s(t)=A(t)cos[ωct+Φ(t)]=A(t)cosΦ(t)cos(ωct)-A(t)sinΦ(t)sin(ωct)(1)
從式(1)中可以看出載波信號有3個特征分量：幅度、頻率和相位。因此，如果對三者分別進行調制，相應地可以得到幅度鍵控、頻移鍵控和相移鍵控。如果對于幅度和相位進行聯合調制稱為正交幅度調制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)。如果分別以I、Q分量為橫縱軸，在直角坐標系中把符號映射后所代表的坐標點表示出來，就可以得到星座圖。QAM調制是一種矢量調制方法，首先將輸入比特映射為星座點，形成復數調制符號，然后對符號的I、Q分量(對應復平面的實部和虛部，也就是水平和垂直方向)采用幅度調制，分別對應調制在相互正交(時域正交)的2個載波(cos ωct和sinΦct)上。與幅度調制(AM)相比，其頻譜利用率將提高1倍[2]。QAM是幅度、相位聯合調制的技術，它同時利用了載波的幅度和相位來傳遞信息比特，因此在最小距離相同的條件下可實現更高的頻帶利用率。
對于16QAM，每4 bit對應于1個星座符號。前向糾錯編碼輸出的bit數據被拆分成4 bit為1組的符號(b3b2b1b0)，星座點坐標對應的I和Q的取值為-6、-2、2、6。其星座映射如圖2所示。同理對于32QAM，每5 bit對應于1個星座符號，如圖3所示。FEC編碼輸出的bit數據被拆分成5 bit為一組的符號(b4b3b2b1b0)。星座點坐標對應的同相分量I和正交分量Q的取值為-7.5、-4.5、-1.5、1.5、4.5、7.5。
2 星座映射、解映射器的設計
2.1 星座映射器設計
本文利用DSP Builder模塊構建16QAM星座映射器，如圖4所示。首先將輸入比特流信號經過串并轉換變為4 bit位寬的并行信號，然后將此并行信號作為后面查找表的輸入地址，通過地址的選擇，輸出對應圖2中相應星座點的橫縱坐標，分別作為I、Q信號，共8 bit，完成星座映射[3-4]。
經過仿真繪制出星座點圖，如圖5所示，可以很清楚地分辨出有16個星座點。通過改變圖4中串并變換模塊位寬以及查找表模塊的內容，可得32QAM星座映射圖，如圖6所示。4QAM和64QAM的原理與之類似，故不復述。
2.2 解星座映射器設計
16QAM解星座映射器結構如圖7所示，系統輸入端每次輸入1個8 bit的并行數據，高4位是I數據，低4位為Q數據。考慮到信道中的干擾可能會使星座點在原有位置上發生偏移，所以需要首先將I、Q數據進行糾偏，使其恢復到原有位置。隨后將恢復出的各4 bit I、Q數據分別作為橫縱坐標，在星座映射圖中找到對應的星座點，并將其代表的4 bit二進制數據串行輸出，完成整個解星座映射過程[5]。
利用DSP Builder模塊，構建16QAM解星座映射器，如圖8所示。最后進行仿真，得到16QAM星座映射仿真結果，如圖9所示。仿真中使用測試數據為174，二進制表示為10101110，將其分解為I，Q數據分別是-6、-2。對應16QAM星座映射圖上的點為0100，所以仿真周期輸出0100二進制編碼。
本文使用一種有別于傳統方法的開發方式，實現了基于DMB-TH標準下的星座映射器與解映射器的設計及仿真。與傳統方法相比，具有開發效率高、仿真過程容易、測試過程直觀等優點，并具有很高的工程使用價值。
參考文獻
[1] 中國人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局、中國國家標準化管理委員會GB 20600-2006．中華人民共和國國家標準數字電視地面廣播傳輸系統幀結構、信道編碼和調制[S]．北京：中國標準出版社,2006.
[2] Altera． DSP Builder reference manual[EB/OL]． http：//www.Altera.com，2009．
[3] 徐孟俠．對中國地面數字電視廣播傳輸標準的注解和評論[J]．電視技術，2007(4)：2-9.
[4] Altera．DSP Builder user guide[EB/OL]． http：//www.Altera.com，2009．
[5] 張擁軍，趙雪峰，朱維樂．基于FPGA平臺的DVB-T發射端的實現[J]．電視技術，2004(11)：3-6.