GMSK调制解调的数字实现方法

2002年 12月 第 13卷 第 6期 装 备 指 挥 技 术 学 院 学 报 Journa1 of the Academy of Equipment Command& Technology December 2002 VolI 13 No．6 GMSK调制解调的数字实现方法 郝建华 江修富 许 斌 (装备指挥技术学院 测量控制系，北京 101416) 摘 要：分析了高斯滤波最小频移键控(GMSK)调制解调存在的问题 ，研 究了其原理与特点；详细阐述了其在移动通信中的数字实现方法；给 出了用 FPGA 实现 的框 图和 GMSK 数 字解调 方法 ，以及调制解调过程 中各 部分的实际仿真波形 。 关 键 词 ：GMSK；移 动通信 ；数字 ；FPGA 中图分 类号 ：TN 919．3 文献标 识码 ：A 文 章 编 号 ：CN11-3987／G3(2002)06—0091—03 GMSK调制方式[1 能满足移动通信环境下 对邻道干扰的严格要求 ，以其 良好的性能而被泛 欧数字蜂窝移动通信系统 (GSM)所采用 。调制 器输出已调波频谱 由前置高斯滤波器的特性控 制 ，因此实现 GMSK调制的关键是高斯低通滤波 器的设计。为了使输出频谱密集 ，高斯滤波器必 须具备以下特性 ：① 窄带和尖锐 的截止特性，以 抑制 FM 调制器输入信号中的高频分量 ；② 脉冲 响应过冲量小，以防止瞬时频偏过大 ；③ 保持滤 波器输 出脉 冲响应 曲线下的面积对应于 兀／2的相 移，使调制指数为 1／2。然而用硬件直接数字实 现 GMSK调制 比较 复杂 ，也有一 定的局限性 。本 文介绍．一种具有数字基带波形发生器的正交调制 器 ，用频率路径查表作相位累加的 GMSK数字调 制方法 ，用硬件 比较易于实现，也能适应数字化、 集成化和软件无线电 [2 要求。 1 GMSK调 制的基本原理 GMSK调制原理如 图 1所示 ： m 盈 受 图 1 GMSK调 制器 的原 理框 图 高斯滤波器的传输函数和冲激响应分别为 H(，)=exp(-- a )； )一 exp[一( ； a a 收 稿 日期 ：2002—07—08 作者简介；郝建华(1973一)，男 ，讲师，硕士 式 中：a是 与滤 波 器带 宽 B 有关 的参 数 ：aB 一 √专 n2≈o·588 7；Bd为3 dB带宽。如果输入为 双极性非归零矩形 脉冲数据 序列 ： (￡)一∑口 b(t—nT6)口 一土1 其中：6( )一 去。4 1 tl≤孚；T6为码元周期。 【0 other 则高斯滤波器的输出为 x(￡)一 (z)* (￡)=∑口 g(t—nT6) 式中：g(￡)为高斯滤波器的矩形脉冲响应： ． )一 )* )一 b( (￡一 r)dr GMSK调制信号表达式的推导 ： 把 X(￡)加于压控振荡器，经调频后的 GMSK 信号为 SGMsK(￡)一 AcosE~ t+ (￡)] Acos[ (￡)coscc， t—Asin[ (￡)]sincc， t 附加 的相位 函数 (￡)为 [31 (￡)一 K0L。。X(r)dr— K。∑口 。。g(v—nT )dr一 - 兀 ~-a．L 一 r GMSK调制信号为 COS(~ t+ (￡))一 cos~(t)cosoJct— sin~(t)sino~ t 可见，实现时可采用正交相位调制 ，其中基带 维普资讯 http://www.cqvip.com Administrator 铅笔 92 装 备 指 挥 技 术 学 院 学 报 2002年 信号： (￡)一Acos[ (￡)]，Q(￡)一一Asin[-~(t)] 2 GMSK调 制器的数字 实现 2．1 GMSK调制器 正交调 制原理 附加相位函数 (￡)与输入数据和系统冲击 响应 g(￡)有关 ，而 g(￡)只能取其截 短 函数 。也就 是说，在 g(￡)和截短长度 K 确定后，只要把在码 元周期内的全部组合波形值或频率路径算出来 ， 并存入 ROM 中 ，然后输入数据 进行寻址 访 问 ，取 出相应的预调制波形。数字正交调制器原理如图 2所 示 ： 号 】 图 2 GMSK调制器正交调制原理框图 2．2 相位或频率路径计算 相位累加在数字实现时，通过频率的积分来 1)计算 8种 (3比特截短)相位路径 的变化 实现。具体计算为如图 3所示： ， 值； 图 3 频率途径 2)以连续 3位为全 1或全 0时相位增加或 减少 兀／2为基准，计算积分项的比例系数； 3)通过计算相邻 2采样点间相位的变化，决 定频率路径中 8种情况下 8个采样点的频率值 ， 作为数字实现时的频率表。 2．3 高斯滤波基带调制信号的实现 GMSK正交数字调制在硬件上可用 FPGA 实现，如图 4所示。图 中的 F0为所加 的固定频 偏，P0为相位补偿值，保证 J、Q两路的平衡。 图 4 基带正交数字调制信号的 FPGA实现原理 其 中一个 码元 内相位 的变化量 为 3 GMSK解调器 的数字实现 数字解调器 的实现如 图 5所示 ： 图 5 GMSK 数字解调器的实现 GMSK数字解调时可采用 正交相 干解调。 由接收机前端来的 COS(~ t+ (￡))信号分别与相 干载 波 cosm~t和 sin~a,t相 乘 ，经低 通滤 波后得 到 基带信号 cos~(t)和 sinqg(t)，然后作相位计算 。 △ (是)一 (是)一 (七一 1) 由于在一个码元内采样的点数为 8～16点， 现取 8点，则每相邻 2点间的相位变化量计算为 sinAqg(i)= (i一 1)·Q( )一 ( )·Q(i一 1) 由于 △ ( )≤n／16，则 有 sinAi(i)≈△ ( )，而 △ ( )反映 了调制的基带信号 。 4 结 论 GMSK调制解调数字实现的仿真波形如图 6 所示 ： 图中，(n)为输入的双极性非 归零基 带数据波 维普资讯 http://www.cqvip.com Administrator 铅笔 Administrator 铅笔 第 6期 郝建华 ，等：GMSK调制解调的数字实现方法 93 ● - _ ● l - · - 一 J⋯ 一 一 ^ 一 一 一 - ^ ‘ 一 一 ‘ — 一 ’ ’ ’ ’ ’ ⋯ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ J t I ● _ ● 0 20 40 ∞ 80 100 120 140 1∞ 180 图 6 GMSK调 制解 调仿 真结 果 图 形；(6)为基带数据经高斯滤波后波形 ，即用频率 路径查表并作相位累加后的 J路波形 ；(c)为载波 参 考 文 献 调制后的 GMSK调制波形；( )为 GMSK调制信 [1]曹志刚 ， 钱亚生．现代通信原理[M]．北京：清华大学出版 号经接收 机 下变 频 后 的 波形 ；(e)为经 低 通后 波 社，1992． 形；( )为相位计算后波形 △ ( )；(g)为对 △ ( ) [2]杨小牛，楼才义．软件无线电原理与应用[M]．北京：电子 低通后 的数 据 波 形 。可 见 ，△ (i)与 输 入 的 双极 工业出版社， 0o · 性非归零基带数据波形相同，力Ⅱ位同步 可恢 言 乐‘现代数字调制技术m1北京‘人民邮电 复原始基带数据 。 The Digital Realizing Method of GMSK Modulation and Demodulation HAO J ian-hua J IANG Xiu-fu XU Bin (Department of Tracking and Control，The Academy of Equipment Command＆ Technology，Beijing 101416 China) Abstract~This paper analyzes the problems，principle and property of Premodulation Gaussian filtered—M SK．The paper presents the digital realizing way and the block diagram of the GM SK digital demodulation and the emulational wave of modulation and demodulation ． Key words：GMSK ；mobile comm unication；digital；FPGA (责任编校：傅鸿吉) 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 维普资讯 http://www.cqvip.com Administrator 铅笔