張 騫，邵寶杭

（解放軍體育進(jìn)修學(xué)院 廣東 廣州 510500）

當(dāng)前，通信設(shè)備研制的各階段和對(duì)電磁環(huán)境的研究中越來(lái)越離不開(kāi)仿真的手段。其中，對(duì)通信設(shè)備的半實(shí)物仿真在軟件運(yùn)算的基礎(chǔ)上，在仿真的環(huán)節(jié)中應(yīng)用了部分真實(shí)的物理器件。這種“硬件+軟件”的模式提供了真實(shí)的通信信號(hào)，大大提高了仿真的可信度，因而在通信設(shè)備研制和電磁環(huán)境研究中具有不可替代的作用。在通信設(shè)備半實(shí)物仿真設(shè)計(jì)中，如何利用基本“通用”的硬件框架，來(lái)仿真不同通信體制、調(diào)制方式、調(diào)制參數(shù)的通信信號(hào)，并且在這一通用的硬件框架下可以通過(guò)軟件模塊的組合來(lái)擴(kuò)充通信信號(hào)的種類(lèi)是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

軟件無(wú)線電作為無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展方向，其核心思想就是通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)各種功能，減少對(duì)具體硬件電路的依賴(lài)，以達(dá)到最大的靈活性和開(kāi)放性。理想的軟件無(wú)線電技術(shù)是直接在射頻端進(jìn)行A/D、D/A處理，但由于器件性能的限制，目前必須在中頻進(jìn)行A/D、D/A處理，以降低對(duì)射頻前端器件的要求[1]。這些思想可適用于通信設(shè)備半實(shí)物仿真GMSK的設(shè)計(jì)中。

1 通信設(shè)備半實(shí)物仿真器的硬件結(jié)構(gòu)

通信設(shè)備半實(shí)物仿真器的構(gòu)成[2]原理框圖如圖1所示。

圖1 仿真器的構(gòu)成原理框圖Fig.1 Constitution block diagram of the emulator

為生成多種調(diào)制樣式的通信信號(hào)，同時(shí)避免大量的電路堆積而構(gòu)成仿真器的硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式，仿真器采用了“軟件無(wú)線電”的設(shè)計(jì)思想，由軟件生成各類(lèi)通信信號(hào)的信號(hào)源數(shù)據(jù)，構(gòu)成信號(hào)源庫(kù)，這些數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)的控制下通過(guò)固定的硬件電路產(chǎn)生各類(lèi)調(diào)制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的“通用性”和“可擴(kuò)展性”。

從功能實(shí)現(xiàn)上，圖1中的中頻放大和混頻及高放技術(shù)較成熟。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是軟件生成信號(hào)源數(shù)據(jù)和硬件實(shí)現(xiàn)中頻調(diào)制。中頻調(diào)制部分硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

根據(jù)圖2設(shè)計(jì)的調(diào)制模塊局部電路如圖3所示。

2 GMSK調(diào)制的設(shè)計(jì)

圖2 中頻調(diào)制部分硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 IF modulation part of the hardware block diagram

GMSK是在MSK基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種數(shù)字調(diào)制方式，具有恒包絡(luò)、相位連續(xù)的特點(diǎn)。GMSK已調(diào)信號(hào)功率譜主瓣窄，帶外衰減快，對(duì)鄰道的干擾小，頻譜效率較高。目前，GMSK調(diào)制是GSM移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)和TETRA集群通信標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的調(diào)制方式，在無(wú)線通信中得到了廣泛應(yīng)用。

在通信設(shè)備半實(shí)物仿真中，GMSK調(diào)制通過(guò)軟件把輸入的雙極性不歸零碼（NRZ）經(jīng)高斯濾波器濾波后再進(jìn)行MSK調(diào)制實(shí)現(xiàn)。GMSK調(diào)制中先將數(shù)據(jù)流通過(guò)一個(gè)高斯濾波器進(jìn)行預(yù)調(diào)制濾波，再進(jìn)行頻率調(diào)制，使調(diào)制信號(hào)在交越零點(diǎn)不但相位連續(xù)，而且平滑過(guò)渡，在相同數(shù)據(jù)傳輸速率時(shí)具有較窄的頻率間隔。因此GMSK調(diào)制信號(hào)比MSK信號(hào)具有更窄的帶寬，可以滿足移動(dòng)通信中對(duì)帶外輻射的嚴(yán)格要求。

圖3 調(diào)制模塊局部電路Fig.3 Part of the modulation module circuit

2.1 GMSK調(diào)制的設(shè)計(jì)

GMSK調(diào)制的功能組成框圖如圖4所示。

圖4 GMSK調(diào)制的功能組成框圖Fig.4 Functional block diagram of the GMSK modulation

圖4中，輸入的NRZ序列通過(guò)高斯濾波后的輸出由軟件編制的查找表獲取，經(jīng)累加器實(shí)現(xiàn)積分器功能后，獲得積分相位信號(hào)，再通過(guò)CORDIC算法獲得基帶I、Q正交分量值，調(diào)整為串行格式后輸出至中頻調(diào)制硬件電路。

2.2 高斯濾波器輸出查找表的設(shè)計(jì)

高斯濾波器的傳輸函數(shù)和沖激響應(yīng)分別為

由（1）、（2）可知，寬度為 Tb的矩形脈沖通過(guò)高斯濾波器后，響應(yīng)為

（3）式是理想狀態(tài)下，高斯濾波器的脈沖響應(yīng)。在實(shí)際系統(tǒng)中要對(duì) g（t）截短。 設(shè)截短長(zhǎng)度為（2N+1）Tb，則截短后

在設(shè)計(jì)中，用5Tb截短近似表示單個(gè)脈沖通過(guò)高斯濾波器的響應(yīng)，即N=2。

假設(shè)對(duì)輸入的NRZ碼進(jìn)行M點(diǎn)采樣，則單個(gè)碼元經(jīng)過(guò)濾波后，輸出5 M個(gè)樣點(diǎn)值。每個(gè)樣點(diǎn)值的高斯濾波器沖擊響應(yīng)可由軟件運(yùn)算生成。設(shè)帶寬Bb、碼元傳輸速率Rb、采樣速率fs，則生成沖擊響應(yīng)系數(shù)的Matlab程序?yàn)椋?/p>

將軟件生成的沖擊響應(yīng)系數(shù)存入5M位的數(shù)組，構(gòu)成沖擊響應(yīng)系數(shù)查找表，輸入的數(shù)據(jù)與查找表進(jìn)行卷積運(yùn)算后，就得到濾波器輸出的數(shù)據(jù)。

2.3 CORDIC算法

CORDIC算法將目標(biāo)旋轉(zhuǎn)角分解為一組預(yù)定單元旋轉(zhuǎn)角的加權(quán)和，用這組預(yù)先規(guī)定的基本角度的線性組合逼近，用于計(jì)算運(yùn)算函數(shù)的循環(huán)迭代。通過(guò)CORDIC算法運(yùn)算，可以獲得高斯濾波器輸出的相位積分信號(hào)中I、Q正交分量。

用Matlab編寫(xiě)的CORDIC算法部分代碼如下：

3 M atlab仿真結(jié)果

利用Matlab仿真[5-6]的I、Q分量如圖5所示。仿真結(jié)果表明，軟件生成了I、Q分量，可傳遞給通用的硬件通路。

圖5 I、Q 分量Fig.5 I，Q components

4 結(jié) 論

通信設(shè)備半實(shí)物仿真器設(shè)計(jì)中借鑒了 “軟件無(wú)線電”的思想，找到通信信號(hào)的“通用”表達(dá)形式和用硬件搭建“通用型”的信號(hào)流通通路尤為重要。正交調(diào)制法是解決通信信號(hào)“通用”形式的較好方法。通過(guò)仿真可見(jiàn)，在已有的仿真器硬件框架下，可以運(yùn)用正交調(diào)制法產(chǎn)生GMSK信號(hào)。仿真器中，信號(hào)的實(shí)時(shí)性運(yùn)算要求不高，高斯濾波器的實(shí)現(xiàn)可以通過(guò)事前運(yùn)算產(chǎn)生通信信號(hào)的信號(hào)源數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在硬盤(pán)上，在產(chǎn)生信號(hào)時(shí)將信號(hào)源數(shù)據(jù)發(fā)送到硬件調(diào)制電路板上即可，所以可以通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)高斯濾波器和CORDIC算法的功能。

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