摘 要：GMSK信號具有很好的頻譜和功率特性，特別適用于功率受限和信道存在非線性、衰落以及多普勒頻移的移動突發(fā)通信系統(tǒng)。根據(jù)GMSK調(diào)制的特點，提出了一種以FPGA和CMX589A為硬件載體的GMSK調(diào)制器的設(shè)計方案，并給出了方案的具體實現(xiàn)，包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、利用CMX589A實現(xiàn)的高斯濾波器、FPGA實現(xiàn)的調(diào)制指數(shù)為0.5的FM調(diào)制器以及控制器。對系統(tǒng)功能和性能測試結(jié)果表明，指標(biāo)符合設(shè)計要求，工作穩(wěn)定可靠。

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關(guān)鍵詞：GMSK；DDS；FM調(diào)制器；FPGA

中圖分類號：TN761.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)11-146-04

Design and Realization of GMSK Modulator Based on FPGA and CMX589A

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GUAN Minghui，NIE Wei

(Telecommunication System Lab，Beijing University of Chemical Technology，Beijing，100029，China)

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Abstract：As a bandwidth-efficient and power efficient modulation method，Gaussian Minimum Shift Keying(GMSK) is important for power limited digital mobile communication systems having nonlinear channel with fading and Doppler frequency shift.This paper presents a new design and realization of GMSK modulator based on FPGA and CMX589A after thinking out of characteristic of GMSK modulation，including the system structure，CMX589A to realize Gaussian filter，frequency modulator based on FPGA and microcontroller.The functions and performance of system are tested，and the results validate the approach and work reliable.

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Keywords：GMSK;DDS;Frequency Modulator;FPGA

1 引 言

由于GMSK調(diào)制方式具有很好的功率頻譜特性，較優(yōu)的誤碼性能，能夠滿足移動通信環(huán)境下對鄰道干擾的嚴(yán)格要求，因此成為GSM、ETS HiperLAN1以及GPRS等系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制方式。

目前GMSK調(diào)制技術(shù)主要有兩種實現(xiàn)方法，一種是利用GMSK ASIC專用芯片來完成，典型的產(chǎn)品如FX589或CMX909配合MC2833或FX019來實現(xiàn)GMSK調(diào)制^[1，2]。這種實現(xiàn)方法的特點是實現(xiàn)簡單、基帶信號速率可控，但調(diào)制載波頻率固定，沒有可擴(kuò)展性。另外一種方法是利用軟件無線電思想采用正交調(diào)制的方法在FPGA和DSP平臺上實現(xiàn)。其中又包括兩種實現(xiàn)手段，一種是采用直接分解將單個脈沖的高斯濾波器響應(yīng)積分分成暫態(tài)部分和穩(wěn)態(tài)部分，通過累加相位信息來實現(xiàn)^[3，4]；另一種采用頻率軌跡合成，通過采樣把高斯濾波器矩形脈沖響應(yīng)基本軌跡存入ROM作為查找表，然后通過FM調(diào)制實現(xiàn)^[5-7]。這種利用軟件無線電思想實現(xiàn)GMSK調(diào)制的方法具有調(diào)制參數(shù)可變的優(yōu)點，但由于軟件設(shè)計中涉及到高斯低通濾波、相位積分和三角函數(shù)運算，所以調(diào)制器參數(shù)更改困難、實現(xiàn)復(fù)雜。綜上所述，本文提出一種基于CMX589A和FPGA的GMSK調(diào)制器設(shè)計方案。 與傳統(tǒng)實現(xiàn)方法比較具有實現(xiàn)簡單、調(diào)制參數(shù)方便可控和軟件剪裁容易等特點，適合于CDPD、無中心站等多種通信系統(tǒng)，具有重要現(xiàn)實意義。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件主要包括三部分：單片機(jī)控制器及其外圍擴(kuò)展鍵盤和液晶顯示模塊、高斯濾波器模塊，以及FPGA調(diào)制器模塊，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

系統(tǒng)工作過程如下：系統(tǒng)加電后，F(xiàn)PGA完成初始化，LCD界面提示用戶輸入控制信息，同時系統(tǒng)輸出固定頻率的正弦載波，表明系統(tǒng)正常工作；用戶通過控制菜單的提示，從鍵盤輸入控制信息(例如基帶信號的碼元速率，高斯濾波器的系統(tǒng)參數(shù)，BT值以及調(diào)制器的載波頻率等)；控制信息通過主控制器發(fā)送給高斯濾波模塊及調(diào)制器模塊；FPGA調(diào)制器模塊根據(jù)接收到A/D轉(zhuǎn)換器的輸入信號的幅度值控制頻率字從而完成對于基帶信號的調(diào)制。

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圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 高斯濾波器模塊設(shè)計

高斯濾波器模塊采用CML公司生產(chǎn)的CMX589A專用集成芯片，具有較寬的基帶信號接收速率。在本設(shè)計中，為CMX589A提供兩種頻率的外部晶振，分別為25.576 MHz和8.192 MHz，通過跳線控制。CMX589A的控制引腳與單片機(jī)的P2口相連來控制濾波器的參數(shù)，其中ClkDivA、ClkDivB與外部時鐘配合共同決定高斯濾波器的基帶碼元速率，設(shè)置如表1所示。BT引腳控制高斯濾波器的系統(tǒng)帶寬，當(dāng)設(shè)置為“1”時，系統(tǒng)BT值為0.5；當(dāng)設(shè)置為“0”時，BT值為0.3。高斯濾波器的工作過程為：首先根據(jù)不同系統(tǒng)的需要來設(shè)置濾波器的基帶碼元速率和帶寬BT值，然后在Tx Data引腳接入需要調(diào)制的基帶碼元信號，同時給Tx Enable置高電平，通過Tx Out就可以接收到高斯濾波基帶信號。

表1 基帶信號速率設(shè)置

輸入25.576 MHz8.192 MHz

2.2 調(diào)制指數(shù)為0.5的FM發(fā)射機(jī)設(shè)計

調(diào)頻發(fā)射機(jī)由FPGA配合A/D、D/A來實現(xiàn)。FPGA選用Cyclone系列EP1C6Q240C8，它是采用SRAM工藝制造的混合低電壓FPGA芯片。A/D采用TI公司生產(chǎn)的8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC5510， D/A則采用10位數(shù)模轉(zhuǎn)換器THS5651A，用以完成高速率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。調(diào)頻發(fā)射機(jī)的系統(tǒng)時鐘為20 MHz，同時提供給D/A THS5651A作為轉(zhuǎn)換時鐘。A/D轉(zhuǎn)換時鐘由FPGA提供，系統(tǒng)時鐘經(jīng)過分頻提供給A/D轉(zhuǎn)換器1 MHz的工作時鐘。同時單片機(jī)的P3口通過2 b的頻率控制位與1 b的“使能”控制位與FPGA相連來控制調(diào)制器的4種中心頻率，分別為20 kHz，200 kHz，2 MHz和20 MHz，中心頻率設(shè)置如表2所示。當(dāng)載波的中心頻率設(shè)置為20 MHz的時候，系統(tǒng)工作時鐘需要通過FPGA內(nèi)部的PLL倍頻實現(xiàn)。

2.3 單片機(jī)控制器設(shè)計

控制器采用AT89C51單片機(jī)，外擴(kuò)LCD，4*4矩陣鍵盤，并通過接口與單片機(jī)的P0和P1相連，單片機(jī)的P2口與高斯濾波器的控制線相連，P3口與FPGA相連控制發(fā)射機(jī)的中心頻率。

鍵盤處理及LCD顯示模塊：利用鍵盤實現(xiàn)人機(jī)接口，該模塊包括鍵盤的掃描、去抖、連擊以及功能鍵的信號處理。用戶根據(jù)需要來調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，并通過與LCD顯示器的結(jié)合來顯示當(dāng)前調(diào)制信號的各種參數(shù)，從而使系統(tǒng)更具可操作性。

功能參數(shù)設(shè)置模塊：此模塊負(fù)責(zé)處理鍵盤的輸入數(shù)據(jù)，根據(jù)用戶指令選擇相應(yīng)的系統(tǒng)參數(shù)(例如基帶信號的碼元速率、FM調(diào)制器的中心頻率等)。表3表示在高斯濾波器模塊工作時鐘為8.192 MHz時，單片機(jī)控制濾波器系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置。

表3 濾波器參數(shù)設(shè)置

系統(tǒng)的軟件編程主要包括兩部分：單片機(jī)控制模塊和FPGA實現(xiàn)調(diào)制指數(shù)為0.5的FM調(diào)制器模塊。系統(tǒng)的軟件流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件流程圖

3.1 單片機(jī)軟件設(shè)計

控制模塊主要包括擴(kuò)展矩陣鍵盤、LCD液晶顯示、調(diào)制器參數(shù)控制。

單片機(jī)控制器的系統(tǒng)工作過程如下：

單片機(jī)初始化，LCD顯示開始菜單，包括“高斯濾波器參數(shù)設(shè)置”和“FM調(diào)制器參數(shù)設(shè)置”兩個選項；

進(jìn)入 “高斯濾波器參數(shù)設(shè)置” 子菜單，包括“系統(tǒng)帶寬設(shè)置”和“基帶碼元速率設(shè)置”，分別可以設(shè)置2種不同的濾波器帶寬和8種基帶碼元速率，單片機(jī)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置在P2端口輸出控制信息；

進(jìn)入“調(diào)制器參數(shù)設(shè)置”的子菜單以設(shè)置“調(diào)制載波的中心頻率”，可以設(shè)定四種不同的載波中心頻率，并通過單片機(jī)P3口控制FPGA的調(diào)制載波的中心頻率。

3.2 調(diào)制器的系統(tǒng)實現(xiàn)

FM調(diào)制器采用DDS思想在FPGA平臺上實現(xiàn)。DDS(Direct Digital Frequency Synthesizer，直接數(shù)字頻率合成)是一種新型的頻率合成技術(shù)，具有較高的頻率分辨率，可以實現(xiàn)快速的頻率切換。DDS系統(tǒng)主要由系統(tǒng)時鐘源、相位累加器、正弦波查找表、D/A轉(zhuǎn)換器和低通補(bǔ)償濾波器組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中相位累加器是DDS系統(tǒng)的核心，它由N位加法器和N位相位寄存器組成。每來一位參考時鐘脈沖，N位加法器將頻率控制字和累積器的相位輸出相加，把相加的結(jié)果送到相位寄存器的輸入端。相位寄存器一方面將輸出的相位數(shù)據(jù)反饋到加法器的輸入端，以使加法器繼續(xù)在時鐘脈沖的作用下繼續(xù)與頻率控制字相加，另一方面又將輸出的相位數(shù)據(jù)又作為波形存儲表的地址輸入。波形存儲表把輸入的地址相位信息映射成波形數(shù)據(jù)，最后經(jīng)過DAC和低通濾波器得到模擬信號^[8]。

圖3 DDS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本設(shè)計采用20 MHz外部晶振作為時鐘源，系統(tǒng)采用40位相位累加器，故頻率字也取40位，所以系統(tǒng)的頻率分辨率如下式所示:



Δf=fc/2M=20 MHz/240=1.82×10-5 Hz



系統(tǒng)輸出頻率為:



fout=Δf×fword



FM調(diào)制器完成幅度到頻率的轉(zhuǎn)換是系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。例如設(shè)定基帶信號的速率為8 kHz，載波的中心頻率為200 kHz(fword=“10995116277”)，為了實現(xiàn)調(diào)制指數(shù)為0.5的FM調(diào)制器， FM調(diào)制器的頻率差為4 kHz。FPGA根據(jù)8位A/D轉(zhuǎn)換器輸入的信號幅度值選擇相應(yīng)的頻率字，從而控制輸出信號的頻率完成調(diào)頻功能。載波的中心頻率對應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換器中心幅值ain=“1000 0000”；當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換器輸入為0 V(即ain=“0000 0000”)時，對應(yīng)的調(diào)制信號的輸出頻率為198 kHz(fword=“10885165114”)；當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換器的輸入為滿刻度2 V(ain=“1111 1111”)時，調(diào)制輸出頻率為202 kHz(fword= “11105067440”)。把頻率從198 kHz到202 kHz等分成255份，把相應(yīng)的頻率轉(zhuǎn)換成40位頻率字，則A/D轉(zhuǎn)換器的256個幅值與256個頻率字一一對應(yīng)。在每一個系統(tǒng)時鐘周期，頻率控制字與40位的相位累加器的值相加結(jié)果存入相位累加器。由于選用的ROM查找表的地址線為10位，所以取相位累加器的高10位作為正弦查找表的地址。正弦查找表利用Cyclone內(nèi)部的ROM模塊完成查找表的設(shè)計，字長為10位，與所選用的DAC的數(shù)據(jù)位數(shù)相匹配。

系統(tǒng)輸入信號的幅度與頻率字轉(zhuǎn)換的核心代碼如下：

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U3: fmfrerom port map(address=>ain，clock=> CLK，q=>fwout);

其中，fmid為調(diào)制信號的中心頻率，fmfrerom為A/D輸入的信號幅度值與頻偏之間的映射關(guān)系，系統(tǒng)根據(jù)接收到信號的幅度值相應(yīng)改變調(diào)制信號的頻偏從而完成調(diào)制功能。

4 系統(tǒng)軟件仿真及測試

4.1 軟件仿真

本設(shè)計利用EDA工具QuartusⅡ6.0完成調(diào)制器軟件編程，通過編譯環(huán)境進(jìn)行軟件仿真如圖4所示，其中clk為系統(tǒng)晶振時鐘，addr40為相位累加器，ain為A/D的轉(zhuǎn)換器的8位輸出信號，fword為系統(tǒng)頻率字，fout為波表輸出的調(diào)制信號幅度值。

圖4 調(diào)制器的軟件仿真

4.2 系統(tǒng)測試與分析

系統(tǒng)測試通過IFR2399A頻譜儀來完成系統(tǒng)的硬件測試。圖5表示在相同的硬件平臺上實現(xiàn)MSK調(diào)制的頻譜圖，圖6表示GMSK調(diào)制的頻譜圖。對比兩個圖可以發(fā)現(xiàn)，由于加入了高斯濾波器，GMSK的頻譜更加緊湊，帶外衰減也要快于MSK。同時由測試結(jié)果可以看出，中頻載波為200 kHz，主瓣寬度以及衰減狀況等與理論分析結(jié)果相符。

圖5 MSK調(diào)制信號頻譜圖

圖6 GMSK調(diào)制信號頻譜圖

5 結(jié) 語

本文實現(xiàn)了一種基于CMX589A和FPGA的GMSK調(diào)制器。系統(tǒng)采用了主從式的結(jié)構(gòu)，主控機(jī)由單片機(jī)實現(xiàn)

對于GMSK調(diào)制器系統(tǒng)參數(shù)的控制，CMX589A模塊完成基帶信號高斯濾波，F(xiàn)M調(diào)制器采用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)(DDS)在FPGA硬件平臺上實現(xiàn)，系統(tǒng)最高輸出頻率為25 MHz。同時系統(tǒng)具有很寬的基帶信號數(shù)據(jù)和調(diào)制參數(shù)靈活可控等特點，并且克服了正交調(diào)制方案中嚴(yán)格正交載波產(chǎn)生困難的缺陷。測試結(jié)果表明，已調(diào)信號包絡(luò)恒定，頻譜滿足設(shè)計要求，適用于CDPD，無中心站等多種通信系統(tǒng)。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］郭曉峰.基于CMX909B的高速數(shù)傳電臺的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.電子設(shè)計應(yīng)用，2005(2):114-115.

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［2］郭斌.高斯濾波調(diào)制解調(diào)器的實現(xiàn)技術(shù)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2006，29(15):41-45.

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［3］楊運甫，陶然，王越.一種新的GMSK調(diào)制信號產(chǎn)生方法［J］.電子學(xué)報，2005，33(6):1 095-1 098.

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［4］丁陽，韋志棉. 高斯最小頻移鍵控的實現(xiàn)方法研究與仿真［J］.無線電工程，2006，36(3):32-34.

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［5］李紅亮，陳巖.一種基于軟件無線電的GMSK信號調(diào)制方式的實現(xiàn)［J］. 信息通信，2007，20(3):14-16.

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［7］易大方.基于DSP和RF ASIC芯片的GFSK調(diào)制解調(diào)器［J］.電訊技術(shù)，2006，46(2):106-110.

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［8］黃叢生，齊海冰.利用DDS技術(shù)的通用調(diào)制器的設(shè)計與FPGA實現(xiàn)\\[J\\].現(xiàn)代電子技術(shù)，2006，29(10):103-105.

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作者簡介

關(guān)明輝 男，1982年出生，遼寧省大連市人，碩士研究生。主要研究通信系統(tǒng)中調(diào)制解調(diào)器的實現(xiàn)。

聶 偉 男，1960年出生，山西省太原市人，博士，副教授。主要研究移動通信，計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。