GMSK调制器的FPGA实现[1]1

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1、GMSK调制器的FPGA实现陈亮， 韩方景（海军工程大学船舶与动力学院 湖北武汉 430033）【摘 要】 GMSK（高斯最小移频键控）信号优良的频谱特性在跳频通信中有广阔的应用前景。本文分析了GMSK调制器的设计理论，给出了一种全数字实现结构并在FPGA上加以实现。仿真结果表明，这种数字实现结构产生的GMSK基带信号具有良好的功率谱及眼图，同时能够有效避免两条支路信号幅度及正交载波相位失衡。【关键词】GMSK；数字调制；数字实现；FPGA中图分类号：TN431.2 文献标识码：AFPGA Implementation of GMSK ModulationChen Liang, Han Fan

2、gjing(Navy University of Engineering , Wuhan 430033, China)【Abstract】 GMSK is a spectrum-efficient modulation signal used widely in the FH communication system. In this paper, the design theory of GMSK modulator is analyzed and an improved digital implementation structure is obtained. Then this stru

3、cture is implemented on FPGA. Simulation result show that GMSK signal generated by the digital implementation structure has nice PSD and eye pattern. Also, the effect of quadrature phase error and amplitude imbalance is avoided.【Keywords】GMSK；Digital Modulation；Digital Implementation；FPGA1 引言跳频通信作为一

4、种重要的抗干扰通信手段，在军事领域广泛应用。如何利用跳频技术传输高速数据已成为军事通信研究的热点问题。由于高速数据需占用更宽的带宽，所以在调制制式上需要一种具有高频谱效率的调制方案。而GMSK具有恒包络、相位连续的特点，其已调信号功率谱主瓣窄且带外衰减快，对邻道的干扰小，频谱效率较高1。因此GMSK调制在实现跳频通信中的高速数据传输上应用广泛2。工程上GMSK调制器的实现方式很多34，包括直接VCO调制法、PLL锁相调制法和波形存储正交调制法。波形存储正交调制法由于易于硬件实现，实际应用较多，但是这种模拟正交调制法因存在支路信号幅度及正交载波相位的不平衡性，影响了已调信号的性能，而采用全数字的

5、实现方式则可有效地避免这些问题。本文介绍了GMSK调制的基本原理，分析了传统GMSK调制实现方式的优劣，同时结合项目应用，对波形存储正交调制法的实现结构进行了数字化改进，并在FPGA上加以实现。理论分析、计算机仿真和工程实现都证明了这种数字实现结构产生的GMSK基带信号在高速数据传输中具有优良的性能。2 GMSK调制的基本原理GMSK信号产生原理如图1。图1 GMSK信号产生原理高斯滤波器的传输函数和冲激响应分别为(1)(2)式中，参数与的3 dB基带带宽有关，即。为了方便GMSK的解调，需要对输入数据进行差分预编码。设输入数据为，将差分编码之后的双极性不归零数据通过高斯低通滤波器，则高斯滤波

6、器的输出为(3)式中为码元周期，为高斯滤波器的矩形脉冲响应。把加于VCO（压控振荡器），经调频后的GMSK信号为(4)式中，相位路径(5)可见，GMSK实现时可采用正交相位调制。由于的取值范围为，它是物理不可实现的，因此在工程中均需要对进行截短或近似。可以证明，则对进行截短处理，截短长度为，即(6)经计算，对于，当时，有。因而，在具体计算时，取的截短长度为，具有足够的精度。 3 GMSK调制的FPGA实现3.1 传统的实现方法在工程实现上，最简单的方法是用基带高斯脉冲序列直接调制VCO的频率，如图1所示。这种实现方式的结构较简单，但是VCO频率的稳定性较差，难以保证GMSK信号的性能。另一种实

7、现方法是采用锁相环的PLL型调制器，如图2所示。锁相技术的采用解决了频率稳定性的问题，但为了平滑BPSK移相器的相位突变，使得码元转换点的相位连续且没有尖角，锁相环的传递函数应具有良好的平滑性能和快速响应能力，这增加了实现的复杂程度，因而实际应用有一定局限5。图2 PLL型GMSK调制器实际应用较多的实现方法是波形存储正交调制法6。由公式可知，在计算后，即可算出GMSK信号。在时刻，只与输入数据和有关，而只取决于其截短长度，因此的状态是有限的，这样由形成的和也只有有限个波形。波形存储正交调制法的基本思想就是将及离散化，制成表，储存在ROM中，根据输入的二进制数据查找波形存储表获得基带信号，再分

8、别经数模变换（DAC）、低通滤波后进行混频。调制器的原理结构如图3所示。这种方法的优点是利用数字技术可以产生具有任何响应特性的基带脉冲波形和已调信号，缺点是两条支路的基带信号的振幅误差以及支路上载波的正交相位误差和幅度误差均会引起已调输出信号的振幅波动和相位误差，即所谓的支路信号幅度及正交载波相位不平衡。在输入数据为随机序列的情况下，会导致已调信号包络起伏。限幅前其功率谱不受影响，而限幅后的功率谱有扩展现象6。所以，在工程实现上必须尽量避免这一问题。图3 波形存储正交调制法原理框图3.2 全数字实现方法如果在查找波形存储表获得基带信号以后不做DAC，就能避免因为模拟滤波而产生的支路信号幅度失衡

9、。这样的数字信号经过低通滤波器（LPF）抑止高频分量后，再通过DDS（数字频率合成器）进行数字混频，就能够得到GMSK数字已调信号。因为DDS完全可以保证载波相位的正交性，因此在采样精度允许的范围内，数字化实现GMSK调制器，就能有效避免两条支路信号幅度及正交载波相位失衡。图4 基于FPGA的改进实现结构在作者从事的项目中，整个系统工作在短波段，硬件上完全可以由FPGA来实现这样的GMSK数字调制器，如图4所示。FPGA包含丰富的IP core资源，其中就有正弦余弦查找表和DDS，可以为硬件实现带来极大的便利。将相位路径离散化，存储在图中的相位路径表中，由输入的二进制数据查找相位路径表获得相位

10、路径，正弦余弦查找表计算出相应的及，这样就得到了基带信号。经过内插并抑止高频分量后，再进行数字混频，最后就能得到GMSK数字已调信号。按照图4所示结构实现GMSK数字调制器，我们在Xilinx公司的xc2v6000-4芯片上进行了测试与仿真，测试采用的开发环境为ISE6.3_01i，综合工具选用Synplify Pro v7.6，仿真工具为Modelsim 5.8b。选取输入码元序列为二进制贝努利序列，码元宽度为，的截短长度为，的抽样速率，量化电平。图5为FPGA平台上实现的顶层RTL(寄存器传输级逻辑)原理图。图5 FPGA实现后的顶层RTL原理图该GMSK数字调制器的最高时钟频率达到202

11、.8 MHz，对FPGA资源占用分别为：4输入查找表（即LUT）71个，Slices 293 个，BlockRAMs 1个。4 性能分析因为GMSK信号的功率谱密度可看为将基带波形或的功率谱搬移到载频上，所以求GMSK信号功率谱只需计算基带信号功率谱即可。用MATLAB对FPGA时序仿真后所得的数据进行处理，这里采用Welch法对GMSK基带信号进行功率谱估计7。如图6所示，曲线（a）表示图4中正弦余弦查找表输出端的谱估计图。可以看出，曲线（a）存在着由于抽样造成的副瓣，影响了功率谱性能。因此必须加低通滤波器来抑止高频分量。选用3dB带宽为2.88KHz的32阶数字低通滤波器，使得基带已调信号

12、经低通滤波后的功率谱如图6的曲线（b）所示。由仿真得到的功率谱和眼图可以证明，这种GMSK数字调制器产生的基带已调信号具有良好的功率谱特性，完全能够实用。图6 GMSK基带已调信号功率谱密度及仿真眼图5 结论 本文作者的创新点： 本文对传统的波形存储正交调制法进行了改进，采用全数字的方法实现GMSK调制，有效的解决了传统GMSK调制器I/Q支路信号幅度和正交载波相位失衡的问题，最大限度保证了GMSK信号的性能。仿真结果表明，得到的GMSK数字已调信号具有良好的功率谱和眼图，完全符合实用要求，目前已经应用在作者所从事的项目中。该项目系通信装备改造项目，总经费为60万元。参考文献1 陈萍 等编著.

13、 现代通信实验系统的计算机仿真. 国防工业出版社. 2003.4: 243-254.2 彭伟军，宋文涛，罗汉文. GMSK在跳频通信中的应用及其性能分析. 通信学报, 2000, Vol.21, No.11: 41-47.3 郭梯云等. 数字移动通信. 人民邮电出版社. 1996.4 M.Mouly and M.B. Pautet “The GSM System for Mobile Communications” Palaiseau 1992.5 罗来源，肖先赐. 基于线性近似的GMSK信号调制. 信号处理, 2002, Vol.18, No.4: 363-364.6 张德纯，王兴亮 主编.

14、 现代通信理论与技术导论. 西安电子科技大学出版社, 2004.10: 109-114.7 庞沁华，李卫东，黄宇红. 数字移动通信高斯最小移频键控调制器. 北京邮电大学学报, 1994, Vol.17, No.4: 20-25.8 朱卫华,黄乡佩,卢桂荣. 基于FPGA的高精度数字移相低频正弦波发生器设计J微计算机信息 , 2005,(07).作者简介：陈 亮（1982年2月-），男，江西九江人，海军工程大学船舶与动力学院助教，研究方向为通信抗干扰技术、数字信号处理技术。Biography: Chen Liang(1982-), male, Jiangxi province, Navy Uni

15、versity of Engineering, engineer, Research area include antiinterference technique and digital signal processing technique.（430033 湖北武汉 海军工程大学船舶与动力学院） 陈亮韩方景（1968年9月-），男，黑龙江哈尔滨人，国防科技大学电子科学与工程学院副教授，博士，研究方向为无线通信，通信抗干扰技术。Biography: Han Fangjing(1968-), male, Heilongjiang province, National University of Defense Technology, vice professor, Doctor, Research area include wireless communication and antiinterference technique.（410073 湖南长沙 国防科技大学电子科学与工程学院） 韩方景通讯地址：（430033 湖北武汉 海军工程大学电气院） 陈亮E-mail：yingzistory