基于軟件無線電的GMSK通信收發(fā)機(jī)及其FPGA實(shí)現(xiàn)

1、解決方案基于軟件無線電的GMSK通信收發(fā)機(jī)及其FPGA實(shí)現(xiàn)蔣濟(jì)懋 李紹榮電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院，四川成都 (610054)E-mail: 【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FPGA實(shí)現(xiàn)，并對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，最后給出了在FPGA中GMSK信號(hào)調(diào)制解調(diào)的信號(hào)仿真圖。與傳統(tǒng)的通信收發(fā)系統(tǒng)不同，該系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)，上下變頻，濾波，同步抽樣判決等工作都是通過軟件實(shí)現(xiàn)的。由于硬件平臺(tái)的通用性，在該方案中，只需通過軟件修改基帶調(diào)制解調(diào)方式，就可以移植到其他通信制式中去，例如OFDM，QPSK等，具有很強(qiáng)的可移植性、靈活性。關(guān) 鍵

2、 詞：軟件無線電 GMSK FPGA中圖分類號(hào)：TP334.221.引言所謂軟件無線電，是指構(gòu)造一個(gè)具有標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、開放性的硬件平臺(tái)，將各種功能，如工作頻段、調(diào)制解調(diào)類型、數(shù)據(jù)格式、加密模式、通信協(xié)議等用軟件來完成，同時(shí)使寬帶A/D轉(zhuǎn)換器盡可能靠近天線，以充分實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，提高可編程性。軟件無線電在現(xiàn)代通信中占有重要地位更是未來通信乃至未來無線電技術(shù)的發(fā)展方向?，F(xiàn)代通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是通信頻段越來越高，那么自然對(duì)信號(hào)處理速度的要求也越來越高，這就需要一種處理速度很高處理數(shù)據(jù)量很大的處理器，而FPGA正是一個(gè)合適的選擇，所以FPGA對(duì)軟件無線電系統(tǒng)的發(fā)展有著很重要的作用。作為軟件無線電系統(tǒng)中重

3、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。最小高斯頻移鍵控(GMSK)是一種典型的連續(xù)相位調(diào)制方式。GMSK信號(hào)具有優(yōu)良的功率譜特性(功率譜旁瓣快衰減特性)，在對(duì)信號(hào)頻帶嚴(yán)格限制的各種數(shù)字通信領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用，又由于其包絡(luò)恒定，在具有限幅特性的C類放大器構(gòu)成的非線性信道中體現(xiàn)出比QPSK相位調(diào)制更多的優(yōu)勢(shì)，因而在無線通信領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，如GMS系統(tǒng)、GPRS系統(tǒng)、無線局域網(wǎng)、航空數(shù)據(jù)鏈、衛(wèi)星通信等。目前，GMSK信號(hào)已經(jīng)成為地面蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的一種標(biāo)準(zhǔn)。2.軟件無線電中的GMSK收發(fā)系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)2.1發(fā)射機(jī)部分：原始碼元信號(hào)首先經(jīng)過雙極性編碼，然后對(duì)其進(jìn)行采樣，經(jīng)過插值提高

4、數(shù)據(jù)采樣率，通過高斯低通濾波器對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行帶寬限制處理，然后對(duì)限帶信號(hào)進(jìn)行MSK基帶調(diào)制，生成相互正交的I、Q兩路基帶信號(hào)，I、Q兩路信號(hào)再分別與在載波、相乘，最終再通過加法器，使兩路信號(hào)相加，得到最終的GMSK調(diào)制信號(hào)，通過DA送到天線部分 1。發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)框圖如圖1。圖1 發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)2.2接收機(jī)部分：經(jīng)過AD采樣過后的GMSK信號(hào)首先分別和數(shù)字載波、相乘，再通過低通濾波器，得到I、Q兩路信號(hào)，對(duì)I、Q信號(hào)通過MSK解調(diào)，得到基帶信號(hào)，通過CIC抽取濾波器后，降低基帶信號(hào)的采樣率，最后對(duì)解調(diào)后的基帶信號(hào)做位同步、抽樣判決，最后解碼恢復(fù)出原始碼元 1。接收機(jī)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。圖2 接收機(jī)結(jié)構(gòu)

5、3.GMSK通信收發(fā)系統(tǒng)在FPGA中的實(shí)現(xiàn)在本系統(tǒng)中，我們采用1片xilinx公司的spartan-3的50萬門FPGA(XC4S500)實(shí)現(xiàn)所有的通信實(shí)時(shí)收發(fā)，設(shè)定原始碼元速率為50KHz, 系統(tǒng)采樣率為500KHz，數(shù)字中頻載波為62.5KHz，系統(tǒng)主時(shí)鐘為50MHz。在整個(gè)GMSK通信收發(fā)系統(tǒng)中，最為關(guān)鍵與核心的有3個(gè)模塊的FPGA實(shí)現(xiàn)：數(shù)字濾波器模塊，調(diào)制解調(diào)模塊，上下變頻模塊。3.1高斯數(shù)字低通濾波器模塊GMSK調(diào)制解調(diào)通信系統(tǒng)中，MSK調(diào)制前需要加一個(gè)預(yù)調(diào)制濾波器，對(duì)信號(hào)帶寬進(jìn)行限制，抑制信號(hào)高頻分量、帶外輻射功率，同時(shí)防止過大的瞬時(shí)頻偏，而高斯低通濾波器就是一種滿足限帶特性的預(yù)調(diào)

6、制濾波器。本系統(tǒng)中，我們選擇高斯低通濾波器的 BT=0.5，以達(dá)到限制源碼帶寬和減小基帶波形碼間串?dāng)_的平衡，B為高斯濾波器的3dB帶寬，T為碼元間隔，由于源碼速率為50K，所以T=1/50K，B=25KHz。傳統(tǒng)濾波器采用乘累加式結(jié)構(gòu)，當(dāng)濾波器階數(shù)過高時(shí)，會(huì)占用大量硬件乘法器和塊RAM資源，運(yùn)算速率比較慢。而FPGA中自身的查找表結(jié)構(gòu)和豐富的觸發(fā)器資源，令我們可以采用分布式算法實(shí)現(xiàn)FIR低通濾波，提高運(yùn)算速度，實(shí)現(xiàn)高速信號(hào)處理。設(shè)是濾波器系數(shù)，是n時(shí)刻的第k個(gè)采樣輸入數(shù)據(jù)，y(n)為n時(shí)刻的系統(tǒng)響應(yīng)。 (1)式(1)中，可以寫成下式(2)的形式： (2)(2)式中，B為數(shù)據(jù)格式的字長(zhǎng)，為變量的

7、二進(jìn)制位，只有”0”和”1”兩種狀態(tài)，將(2)代入(1)中：括號(hào)里的每一乘積項(xiàng)代表著輸入變量的某一位與常量的二進(jìn)制“與”操作，加號(hào)代表著算術(shù)和操作，指數(shù)因子對(duì)括號(hào)中的和加權(quán)。如果事先構(gòu)造一查找表，該表存儲(chǔ)著括號(hào)中所有的可能值，就可以通過所有輸入變量相對(duì)應(yīng)位的組合向量(x(N)b,x(N-1)b,x(1)b)對(duì)該表進(jìn)行尋址，該查找表稱為分布式查找表DALUT。DALUT的構(gòu)造規(guī)則如下：FPGA中實(shí)現(xiàn)分布式算法的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示：圖3 FPGA實(shí)現(xiàn)分布式算法的硬件結(jié)構(gòu)信號(hào)在FPGA中通過高斯濾波器限制帶寬的仿真結(jié)果如圖4所示：圖4 碼元通過高斯濾波限帶結(jié)果圖中第一行為原始二進(jìn)制碼元信號(hào)，下排為通

8、過濾波器后的限帶信號(hào)3.2MSK調(diào)制解調(diào)模塊3.2.1基帶正交調(diào)制模塊MSK調(diào)制與解調(diào)，是整個(gè)通信收發(fā)系統(tǒng)的核心。為了便于模塊的移植，以具有通用性，我們采用正交調(diào)制與解調(diào) 4 。MSK信號(hào)是FSK信號(hào)的一種特殊調(diào)制方式，其調(diào)制指數(shù)mf =0.5, 二進(jìn)制MSK信號(hào)表達(dá)式為：當(dāng)輸入符號(hào)為+1時(shí)，角頻率：；當(dāng)輸入符號(hào)為-1時(shí)，角頻率：；由于調(diào)制指數(shù)，對(duì)于MSK，mf =0.5，為碼元角頻率，f 為碼元頻率，T為碼元間隔；由于MSK為FSK調(diào)制的一種，所以MSK信號(hào)還可以表示為：對(duì)于正交調(diào)制，得到基帶I、Q兩路信號(hào)：其中，相位為： Kf為調(diào)頻系數(shù)，又因?yàn)樵即a元為單頻信號(hào)，碼元角頻率為，所以設(shè)，則相

9、位：所以，我們可以根據(jù)上式得到調(diào)頻系數(shù)：在本系統(tǒng)中，碼元速率為50K，則Kf=0.5*2*25K=78.5K；整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)制結(jié)構(gòu)如圖5所示：圖5 GMSK信號(hào)的產(chǎn)生圖6 為FPGA中信號(hào)經(jīng)GMSK正交調(diào)制產(chǎn)生的I、Q通道信號(hào)仿真結(jié)果：圖6 正交調(diào)制后的I、Q信號(hào)（第一行為I信號(hào)，第二行為Q信號(hào)）其中，原碼序列為循環(huán)發(fā)送”01010011”,可見I、Q兩路信號(hào)是相互正交的。3.2.2 基帶正交解調(diào)模塊由于GMSK調(diào)制是FSK調(diào)制的一種特例，也即是調(diào)頻的一種。所以，GMSK的解調(diào)和傳統(tǒng)的調(diào)頻信號(hào)解調(diào)一樣，應(yīng)該對(duì)相位函數(shù)求導(dǎo) 3 ： 由上式可見，對(duì)調(diào)頻類解調(diào)的過程中，要對(duì)相位函數(shù)進(jìn)行除法與反正切運(yùn)算

10、，這對(duì)FPGA來說是比較復(fù)雜的。因此，我們不得不尋求其他的方法來解決這個(gè)問題。即可采用如圖7所示結(jié)構(gòu)進(jìn)行解調(diào)：圖7 GMSK基帶信號(hào)的解調(diào)其中，Tb為一個(gè)碼元間隔時(shí)間，即1/50K，恢復(fù)出的基帶信號(hào)經(jīng)抽樣判決即可恢復(fù)出原始碼元。3.3數(shù)字上下變頻模塊GMSK兩路基帶I、Q信號(hào)必須經(jīng)過數(shù)字上變頻后，再相加合成一個(gè)中頻信號(hào)，最后生成中頻GMSK信號(hào)，然后送給DA，轉(zhuǎn)換成射頻信號(hào)發(fā)射；同樣，接收機(jī)必須首先把數(shù)字中頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字下變頻，經(jīng)低通濾波后，恢復(fù)出基帶I、Q兩路信號(hào)，然后進(jìn)行基帶解調(diào)。圖8數(shù)字下變頻圖9 數(shù)字上變頻實(shí)現(xiàn)數(shù)字混頻的關(guān)鍵是通過一數(shù)控振蕩器NCO產(chǎn)生一個(gè)頻率可變的正弦波樣本，即：fl

11、o為本地振蕩頻率，即數(shù)字中頻頻率；fs為輸入混頻器的信號(hào)采樣率 2 。由于FPGA豐富的查找表資源，NCO產(chǎn)生正弦波最有效、最快速的方法就是查表法，即事先根據(jù)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(chǔ)該相位的正弦值數(shù)據(jù)。DDC工作時(shí)，每向DDC輸入一個(gè)待下變頻的信號(hào)采樣樣本，NCO就增加一個(gè)的相位增量，然后按照相位累加角度作為地址，檢測(cè)該地址上的正余弦數(shù)值并輸出到數(shù)字混頻器，與信號(hào)樣本相乘，乘積再經(jīng)過LPF輸出，即完成了下變頻。數(shù)字上變頻亦是如此。經(jīng)混頻后數(shù)據(jù)速率仍然不變，仍為采樣速率fs。圖10為I、Q信號(hào)經(jīng)數(shù)字上變頻后最終形成的GMSK中頻信號(hào)，原碼仍循環(huán)發(fā)送”01010

12、011”序列，由圖可見，GMSK為調(diào)制指數(shù)為0.5的FSK信號(hào)。圖10 GMSK中頻信號(hào)4.結(jié)論本文給出了基于軟件無線電結(jié)構(gòu)FPGA實(shí)現(xiàn)GMSK通信收發(fā)機(jī)的一種詳細(xì)實(shí)現(xiàn)方案，并對(duì)其關(guān)鍵模塊的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)分析和信號(hào)仿真。由于硬件平臺(tái)的通用性，在該方案中，只需通過軟件修改基帶調(diào)制解調(diào)方式，就可以移植到其他通信制式中去，例如OFDM，QPSK等，具有很強(qiáng)的可移植性、靈活性。用FPGA實(shí)現(xiàn)通信收發(fā)，具有開發(fā)成本低，開發(fā)周期短，體積小，易于系統(tǒng)功能擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。參 考 文 獻(xiàn)1 楊小牛，樓才義等. 軟件無線電原理與應(yīng)用. 電子工業(yè)出版社. 2001.2 姜宇柏, 黃志強(qiáng)等. 通信收發(fā)信機(jī)的Verilog

13、實(shí)現(xiàn)與仿真. 機(jī)械工業(yè)出版社, 2006.3 趙民建，仇佩亮，李國(guó)綱，一種軟件無線電GMSK非相干接收機(jī)，電路與系統(tǒng)學(xué)報(bào)，2003.10，Vol.8(No.5)，PP22-25.4 單亞嫻，王華，匡鏡明，一種基于軟件無線電的通用調(diào)制器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，通訊與電視，2004第二期，PP17-195 C Lam，et al，Secure Global Roaming Architecture for SDR，2003.9Communication System of GMSK and Its FPGA Implementation Based on SDRJiang Jimao, Li ShaoRon

14、gSchool of Opto-Electronic Information,UESTC,Chengdu,610054,ChinaAbstract：This paper introduces the theory and property of GMSK modulation and demodulation, provides its FPGA implementation in SDR(software definition radio) system, analyzes the key technologies of the system, finally gives the plot for simulation signals of GMSK modulation and demodulation in FPGA. Comparing with the traditional communication system,