摘 要：提出了一种基于中国地面数字电视广播传输标准的星座映射与解映射器的设计方法。使用DSP Builder的各种模块搭建系统，并利用Signal Compiler生成HDL工程。在完成对所生成工程的优化后，进行相关软硬件仿真验证。实现了32QAM、16QAM星座映射器与解映射器的设计、仿真，并在利用DSP Builder进行DSP系统开发方面进行了深入的探索。
关键词：DSP Builder；DMB-TH；星座映射；解星座映射
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如图1所示，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图，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，而最初只被用于软件仿真阶段。AlteraDSP Builder将MATLAB和Simulink系统级设计工具的算法开发、仿真和验证功能与Altera开发工具整合在一起，缩短了软件仿真与硬件实现之间的距离。DSP Builder在算法友好的开发环境中可以帮助设计人员快速生成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)MegaCoreR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1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，因此在最小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。其星座映射如图2所示。同理对于32QAM，每5 bit对应于1个星座符号，如图3所示。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
本文利用DSP Builder模块构建16QAM星座映射器，如图4所示。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[3-4]。
经过仿真绘制出星座点图，如图5所示，可以很清楚地分辨出有16个星座点。通过改变图4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，如图6所示。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解星座映射器结构如图7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[5]。
利用DSP Builder模块，构建16QAM解星座映射器，如图8所示。最后进行仿真，得到16QAM星座映射仿真结果，如图9所示。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。
参考文献
[1] 中国人民共和国国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会GB 20600-2006．中华人民共和国国家标准数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制[S]．北京：中国标准出版社,2006.
[2] Altera． DSP Builder reference manual[EB/OL]． http：//www.Altera.com，2009．
[3] 徐孟侠．对中国地面数字电视广播传输标准的注解和评论[J]．电视技术，2007(4)：2-9.
[4] Altera．DSP Builder user guide[EB/OL]． http：//www.Altera.com，2009．
[5] 张拥军，赵雪峰，朱维乐．基于FPGA平台的DVB-T发射端的实现[J]．电视技术，2004(11)：3-6.