??? 摘? 要： 闡述了GMSK調(diào)制解調(diào)的原理與特點(diǎn)，介紹了其在軟件無線電系統(tǒng)中的硬件實(shí)現(xiàn)，并對其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，最后給出了GMSK信號調(diào)制解調(diào)的仿真圖。
??? 關(guān)鍵詞： 軟件無線電? GMSK? 高斯低通濾波器? 數(shù)字鎖相環(huán)
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??? 隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，特別是通用可編程數(shù)字信號處理技術(shù)的飛速發(fā)展，無線通信系統(tǒng)從信源編碼、信道編碼到A/D轉(zhuǎn)換、抗干擾以及調(diào)制解調(diào)等，整個(gè)無線通信系統(tǒng)的軟硬件都有了很大的改進(jìn)。軟件無線電技術(shù)就是在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，作為未來無線通信的發(fā)展發(fā)向，引起世界各國研究人員的關(guān)注。
??? 作為軟件無線電系統(tǒng)中重要組成部分的調(diào)制解調(diào)技術(shù)一直是通信領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題。目前，連續(xù)相位調(diào)制技術(shù)是未來調(diào)制解調(diào)技術(shù)的趨勢。最小高斯頻移鍵控(GMSK)就是一種典型的連續(xù)相位調(diào)制方式。GMSK調(diào)制信號具有很好的頻譜特性和恒包絡(luò)特性，這二種特性使得GMSK信號在有鄰道干擾和非線性功率放大器的系統(tǒng)中具有很好的性能。正因?yàn)槿绱耍珿MSK已經(jīng)被全球移動通信系統(tǒng)(GSM)作為數(shù)字調(diào)制的標(biāo)準(zhǔn)體制，并在2001年6月被空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會列為未來空間研究計(jì)劃的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字調(diào)制體制。本文主要介紹了GMSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)的原理以及GMSK在軟件無線電系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)。
1? GMSK調(diào)制的基本原理
??? MSK是二進(jìn)制連續(xù)相位調(diào)制(CPFSK)的一種改進(jìn)形式。在FSK方式中，每一碼元的頻率不變或者跳變一個(gè)固定值，在2個(gè)相鄰的頻率跳變碼元信號之間，其相位通常是不連續(xù)的。而MSK就是使FSK信號的相位始終保持連續(xù)變化的調(diào)制方式，其調(diào)制指數(shù)為0.5。二進(jìn)制MSK信號的表達(dá)式如下：
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??? 式中：ωc為載波角頻率；Ts為碼元寬度；ak為第k個(gè)碼元中的信息，其取值為±1；φk為第k個(gè)碼元的相位常數(shù)，其取值為0或π，它在時(shí)間(k-1)Ts≤t≤kTs中保持不變[1]。
MSK是一種正交調(diào)制方式，因此MSK信號也可看作是由二路彼此正交的載波分別調(diào)制后合成的。故可將（1）式表示為：
??? 式中：等號后第一項(xiàng)為同相分量（I分量）；第二項(xiàng)為正交分量（Q分量）；
為加權(quán)函數(shù)；cosφk為同相分量的等效數(shù)據(jù)，-akcosφk為正交分量的等效數(shù)據(jù)，它們都與原始輸入數(shù)據(jù)有確定的關(guān)系。令cosφk=Ik，-akcosφk=Qk，代入（2）式可得
??? 
??? 由（3）式可得出一種MSK的調(diào)制器，其原理圖如圖1所示。
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MSK調(diào)制方式的突出優(yōu)點(diǎn)是：信號具有恒定的振幅且信號的功率譜在主瓣外衰減較快。但在移動通信中，對信號帶外輻射功率的限制十分嚴(yán)格，MSK信號還不能滿足這種要求。于是就在MSK調(diào)制器前加一個(gè)高斯低通濾波器作為前置濾波器，即形成了GMSK調(diào)制方式，如圖2所示。其中對高斯低通濾波器有如下要求：(1)帶寬窄，且是銳截止的。(2)具有較低的過脈沖響應(yīng)。(3)能保持輸出脈沖的面積不變。
2? GMSK解調(diào)基本原理
??? 對GMSK信號的解調(diào)可采用相干解調(diào)，也可采用非相干解調(diào)。這里主要介紹信號的正交相干解調(diào)方法，原理圖如圖3所示。
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??? 該解調(diào)方法中，輸入的GMSK信號同時(shí)與2路的相應(yīng)相干載波相乘，并分別進(jìn)行積分判決。積分判決交替工作，每次積分時(shí)間為2Ts，即二者相差Ts時(shí)間[1]。
3? 基于軟件無線電的GMSK調(diào)制解調(diào)器的實(shí)現(xiàn)
??? 軟件無線電的結(jié)構(gòu)主要由天線、射頻前端、模擬中頻、A/D、D/A轉(zhuǎn)換、高速數(shù)字信號處理部分和各種軟件組成，如圖4所示。天線部分要覆蓋比較寬的頻帶；RF部分在接收和發(fā)射時(shí)要完成濾波和功率放大的功能；變頻器在接收時(shí)完成信號的下變頻，降低數(shù)據(jù)流速率；A/D、D/A轉(zhuǎn)換部分完成模擬信號和數(shù)字信號的相互轉(zhuǎn)換；數(shù)字信號處理部分主要功能是對基帶信號進(jìn)行處理，包括調(diào)制解調(diào)，各種抗干擾、抗衰落的實(shí)現(xiàn)以及糾錯(cuò)加密等[2]。
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??? 在軟件無線電系統(tǒng)中，一般采用“微處理器+協(xié)處理器”結(jié)構(gòu)，微處理器一般使用通用DSP，主要完成系統(tǒng)通信和基帶處理等工作；協(xié)處理器使用FPGA實(shí)現(xiàn)，主要完成底層算法的運(yùn)算任務(wù)。在本系統(tǒng)中應(yīng)用軟處理器IP核代替DSP，在1片Spartan-Ⅱ20萬門的FPGA（XC2S200）內(nèi)就能實(shí)現(xiàn)整個(gè)GMSK調(diào)制器的設(shè)計(jì)。這樣可以簡化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的整體性能。
??? 整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)方案，包括1個(gè)母板和多個(gè)子板。其中母板上帶有各種數(shù)據(jù)和控制接口(RS232接口、USB接口和I2C接口)。子板中包括A/D子板、D/A子板和FPGA子板，其中最為重要的是FPGA子板。GMSK調(diào)制信號就是在FPGA子板上實(shí)現(xiàn)的， FPGA子板的結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。
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3.1 GMSK調(diào)制器的實(shí)現(xiàn)
??? GMSK調(diào)制器可分為以下幾個(gè)主要模塊：差分編碼、高斯低通濾波器、串并變換器和基帶信號產(chǎn)生器。
3.1.1 差分編碼器的設(shè)計(jì)
??? 為了方便GMSK信號的解調(diào)，需要對輸入信號進(jìn)行差分預(yù)編碼。可用FPGA實(shí)現(xiàn)差分編碼器。將差分編碼器輸出信號di延時(shí)1個(gè)碼元后與輸入信號di-1進(jìn)行“異或”，得到信號di+1；再對di+1進(jìn)行不歸零處理，即可得到差分編碼后的不歸零碼。
3.1.2 高斯低通濾波器的設(shè)計(jì)
??? GMSK調(diào)制系統(tǒng)中的高斯低通濾波器的主要作用在于對基帶信號進(jìn)行頻譜整形，以降低信號頻帶寬度，提高頻譜利用率，同時(shí)降低對相鄰信道的干擾。這里選用的高斯低通濾波器，其傳輸函數(shù)可表示為：
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??? 其中a是可選擇的參量，選擇不同的a，濾波器的特性隨之改變。令Bb為此濾波器的3dB帶寬，即
由(4)可得：
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??? 由于g(t)的取值范圍是(-∞，+∞)，在物理上是不可實(shí)現(xiàn)的，因此需要對g(t)進(jìn)行截短。取截短長度為(2N+1)Ts，若BbTs=0.3，經(jīng)計(jì)算，當(dāng)N=2時(shí)，
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??? 在實(shí)際計(jì)算φ(t)時(shí)，取g(t)的截短長度為5Ts(有足夠的精度)。濾波器的實(shí)現(xiàn)可通過調(diào)用Systemview軟件的FPGA Achitect功能調(diào)用現(xiàn)成的Xilinx LogiCores完成設(shè)計(jì)。這種方法大大簡化了設(shè)計(jì)的流程，節(jié)約設(shè)計(jì)所需花費(fèi)的時(shí)間，并且提高了設(shè)計(jì)系統(tǒng)的性能。
3.1.3 串并變換器的實(shí)現(xiàn)
??? 串并變換模塊將差分編碼后的數(shù)據(jù)按奇偶位分開，變成并行的2路信號。用Verilog語言進(jìn)行串并變換時(shí)，首先要進(jìn)行分頻，然后按分頻后的頻率對數(shù)據(jù)進(jìn)行串并變換。
??? 串并變換器的Verilog語言實(shí)現(xiàn)如下：
??? if (start==1)//開始信號start為1，表示開始傳輸
??? ? begin
??? ??? if(clkedge)//檢測到分頻信號上升沿信號clkedge時(shí)，進(jìn)入狀態(tài)機(jī)
??? ????? casex(state)
??? ? state1：//狀態(tài)1按分頻后的頻率將輸入數(shù)據(jù)InDATA送入I路
????????? ??if(sclk)
?????????? ??? begin
?????????? ????? IDATA<=InDATA；
?????????? ????? State<=state2；
?????????? ??? End
????????????Else
?????????? ??? State<=state1；
??? ? State2：//狀態(tài)2按分頻后的頻率將輸入數(shù)據(jù)InDATA送入Q路
?????????? ??? If(sclk)
???????????????? Begin
???????????????? ???QDATA<=InDATA；
???????????????? ???State<=state1；
?????????? ????? End
?????????????? Else
?????????????? State<=stae2；
??? Endcase
??? end
3.1.4 基帶信號的產(chǎn)生
??? 在本系統(tǒng)的FPGA實(shí)現(xiàn)中，采用了ISE中的IP核DDS(Direct Digital Synthesizer)V3.0。DDS采用了查表法來產(chǎn)生波形，即事先根據(jù)各個(gè)NCO正弦波相位計(jì)算好相位的正弦值，并按相位角度作為地址存儲該相位的正弦值數(shù)據(jù)。查找表(look-up table)一般是等間距地存儲1個(gè)周期的正弦波或余弦波的抽樣值。這些抽樣值代表了長度量化為
這樣，這些抽樣值就成了θ(n)=n
的函數(shù)[3]。
??? 而NCO的輸出頻率定義為：
其中Bθ(n)表示查找表地址的比特?cái)?shù)， Δθ為每個(gè)采樣周期增加的相位增量，fclk表示系統(tǒng)時(shí)鐘。這樣就可以從已知的參量中計(jì)算出所需要的Δθ，以控制輸出頻率。由于NCO可以同時(shí)輸出正弦和余弦二路波形，所以可以得到幾乎完全正交的sin2πfct和cos2πfct。具體的FPGA實(shí)現(xiàn)框圖如圖6所示。
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3.2 GMSK解調(diào)器的實(shí)現(xiàn)
??? GMSK解調(diào)方式采用正交相干解調(diào)方式，接收機(jī)將接收到的已調(diào)信號cos(ωct+φ(t))分別與相干載波cosωct和sinωct相乘，經(jīng)低通濾波器后得到基帶信號cosφ(t)和sinφ(t)，然后作相位計(jì)算。
??? 載波提取是GMSK相干解調(diào)器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，能否有效地減小相位誤差將直接影響到解調(diào)器的性能。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，采用了一種數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)載波同步，可在FPGA平臺上實(shí)現(xiàn)，其框圖如圖7所示。環(huán)路濾波器采用理想比例積分濾波器，其傳遞函數(shù)為：
??? 
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??? 由(10)式可得數(shù)字環(huán)路濾波器的傳遞函數(shù)為：
??? 
??? C2和C1為濾波器的參數(shù)，通過調(diào)整C2、C1可以滿足濾波器的各種要求。在FPGA上的具體實(shí)現(xiàn)同樣采用Systemview的FPGA Architect功能來完成。
??? 接收端將收到的已調(diào)信號進(jìn)行平方變換，鑒相器對輸入的信號和數(shù)控振蕩器輸出的信號的正向過零點(diǎn)進(jìn)行檢測。當(dāng)檢測到輸入信號的正向過零點(diǎn)后，啟動一個(gè)計(jì)數(shù)器，待檢測到輸出信號的正向過零點(diǎn)后停止計(jì)數(shù)，將計(jì)數(shù)器值N送入環(huán)路濾波器。計(jì)數(shù)值N與二信號相位差有如下關(guān)系，
??? 
??? 其中：fin為鑒相器輸入信號頻率，fc為計(jì)數(shù)器時(shí)鐘頻率。環(huán)路濾波器對該相位差加以平滑得到控制信號去控制數(shù)控振蕩器的周期。數(shù)控振蕩器的輸出信號經(jīng)過二分頻即可恢復(fù)出載波信號[4]。
4? 系統(tǒng)原理的仿真
?? ?受器件性能的限制，在FPGA中實(shí)現(xiàn)信號調(diào)制時(shí)，載波的頻率不可能太高，實(shí)用的低中頻頻率一般在幾百kHz到幾兆Hz。為設(shè)計(jì)方便，取載波頻率為符號速率的整數(shù)倍。用Systemview軟件對軟件無線電調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)做了仿真，調(diào)制信號選用速率為5kHz的PN碼，正弦載波頻率選為1MHz，經(jīng)GMSK調(diào)制后已調(diào)信號的頻譜圖如圖8所示?？梢钥闯?，GMSK信號有著較為理想的頻譜特性。
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5? 結(jié)束語
??? 隨著通信技術(shù)的發(fā)展，對無線服務(wù)的要求也越來越高，而軟件無線電是第三代移動通信的必然發(fā)展趨勢。GMSK調(diào)制方式由于具有良好的頻譜特性必將在無線通信中得到更廣泛的應(yīng)用。用FPGA實(shí)現(xiàn)調(diào)制解調(diào)器，具有開發(fā)成本低、開發(fā)周期短、體積小和易于系統(tǒng)功能擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。但由于目前器件水平的限制，F(xiàn)PGA還只局限在基帶和中頻發(fā)揮作用。隨著工藝水平的提高，以FPGA為主的可編程器件將在第三代移動通信中發(fā)揮更大的作用。
參考文獻(xiàn)
1?? 樊昌信，張甫，徐炳祥等.通信原理.北京：國防工業(yè)出版社，2001
2?? 楊小牛，樓義才.軟件無線電原理與應(yīng)用.北京：電子工業(yè)出版社，2001
3?? 陸濤，虞忠輝，汪小寧.基于FPGA的QPSK調(diào)制器的實(shí)現(xiàn).通信技術(shù)，2002；(12)
4?? 彭飛，趙繼勇.基于FPGA的全數(shù)字低中頻QPSK調(diào)制解調(diào)器的實(shí)現(xiàn).電子設(shè)計(jì)應(yīng)用，2003；(9)