种高速GMSK调制解调器实现方法的研究

种高速GMSK调制解调器实现方法的研究【摘要】GMSK信号具有很好的频谱和功率特性，特别适用于功率受限和信道存在非线性、衰落以及多普勒频移的移动突发通信系统。本文提出了基于CMX909B调制芯片和8051控制芯片的GMSK无线调制解调器的软、硬件设计方案，接收/发送速率可达38.4kbps，对GMSK调制进行了性能仿真。该设计成本低，操作灵活，具有应用意义。【关键词】数字调制解调器，GMSK，单片机【Abstract】Asabandwidth-efficientandpower-efficientmodulationmethod,Gaussianminimumshiftkeying(GMSK)isimportantforpower-limiteddigitalmobilecommunicationsystemshavingnonlinearchannelwithfadingandDopplerfrequencyshift.ThispaperpresentsanewdesignforwirelessMODEMapplicationincludingsoftwareandhardwarescheme,andthensimulatestheperformanceofthesystem.Thesystemhastheadvantagessuchaslowcostandflexibleoperation.【KEYWORDS】：digitalMODEM,GMSK,simulationanddebug一．引言为了适应无线信道的特性，由该调制方式所产生的已调波应具有以下两个特点：第一，包络恒定或包络起伏很小。第二，具有最小功率谱占用率。高斯最小频移键控（GMSK）调制方式正好具有上述特性。GMSK调制使在给定的带宽和射频信道条件下数据吞吐量最大。GMSK是当前现代数字调制技术领域研究的一个热点。二．GMSK原理和性能特点采用高斯滤波器作调制前基带滤波器，将基带信号成型为高斯脉冲，再进行MSK调制，这种调制方式称为GMSK。由于成形后的高斯脉冲包络无陡峭边沿，亦无拐点，经调制后的已调波在MSK的基础上进一步得到平滑其相位路径如图1所示。因此它的频谱特性优于MSK，但误比特率性能不如MSK（1）。图1GMSK平滑相位路径图2GMSK功率普密度与BT值得关系一般的二进制部分响应连续相位调制的表达式为（1）这里f0是载波频率，复基带信号可表示为，其中承载信息的相位为（2）是输入比特的能量，是独立的信息码元，其取值为{1,-1},且等概率。h是调制指数，在此h=0.5，T是码元间隔。（3）g(t)是平滑滤波器的脉冲响应，P(t)是它的成型函数。对于GMSK，g(t)是持续有限长的高斯函数，在实际应用中通常将g(t)截短，比如在GMSKL中，g(t)滤波函数在[0，LT]上的表示式为（4）这里，，，且当BT=0.3，从功率谱的角度讲，我们可以取L=3。对于BT=0.25，我们可以取L=4。调制之后，GMSK信号的表达式（5）式中（6）这里,a是输入数据。为了便于接收端的判决，通常在调制之前对码元要先进行一次差分编码，对于2bit差分检测差分编码的规则为通过计算机仿真及硬件测试我们看到，图3为GMSK信号相位示意图，图4为调制后GMSK信号的功率谱。三.设计目标本文中的调制解调器是针对无线传输设计的，设计方案完全满足Mobitex标准结构。Mobitex是工作在900MHz的窄带分组无线广域网，用来无线数据通信——包括传送电子邮件。该网络使用GMSK.3调制器，以9.6kbps的数据率运行。典型移动/手持通信终端内，无线收/发射机（物理层）与其它层的接口是一个高性能的高斯最小频移键控（GMSK）调制器。这种网络无线基站，典型的是能覆盖半径5~15m的范围，各基站以蜂窝状排列。它的典型终端结构如图3所示。其中调制解调器为GMSK调制解调器,CMX909B芯片支持该网络的功能。CMX909B的设计与“Mobitex接口细节”条款一致，包括短帧结构编排以满足扩展的节点协议。CMX909B芯片的典型应用是Mobitex网络的调制解调器（MODEM）。它是半双工的BT＝0.3的GMSK调制解调器的数据泵，芯片集成了分组数据处理的功能。GMSK调制在给定的带宽和射频信道条件下数据吞吐量最大。集成的分组数据处理能力接收主控制器的一些有规律的处理任务，包括保持比特同步、帧同步、块的编排、循环冗余检验（CRC）和前向纠错编码（FEC）错误处理、数据交织、扰频输出等。解调器采用反馈平衡技术减小信道失真（畸变），同时增强接收机在没有最大似然估计方法的计算前提下的接收性能。GMSK调制/解调；芯片内集成分组检测功能；接收/发送速率可达38.4kbps；并行uc(主处理器)接口；数据包帧结构短、无填充；低的驱动电压（3/5伏）操作；与Mobitex兼容（包括R14N短帧）；操作灵活和节能模式。该MODEM对程序员来说，有4个8位的只写寄存器和3个只读寄存器，另外独立的寄存器可通过A0、A1输入芯片进行选择。在MODEM内部寄存器与uC的数据总线之间有8个三态双向缓冲器。四.设计实现为了追求低成本，高灵活性，在GMSK信号调制器的设计上采用了廉价的单片机8051，通过软件编程实现工作模式选择和运行速率选择的控制等。调制芯片与微控制器芯片的接口如图4所示。这是硬件设计的主要框架。系统主要包括三个模块——数据输入模块，调制模块和控制模块。其工作原理如下：系统上电或者复位以后完成初始化，然后单片机循环扫描串口和并口键盘；基带数据从单片机串口以中断的方式输入，或者系统附带键盘数据以中断的方式从并口输入；单片机缓存数据并把它们编排成帧，帧由帧头加若干个数据块构成，帧头包括帧同步格式，这是为了接收端的MODEM可以识别每一帧的开头；经过8155H输入到CMX909B中，CMX909B完成CRC和FEC错误处理、数据交织、扰频输出。各种操作，比如发送一个数据块，MODEM都是当作任务——TASK来对待的。在接收模式下，MODEM可以在得到指令后去组装一个块的有用比特，再去扰频、去交织、检错、纠错，然后把二进制数据放到数据缓冲区，以便uC读取。解调器采用反馈平衡技术减小信道失真（畸变），同时增强接收机在没有最大似然估计方法的计算前提下的接收性能。系统传输的数据传输格式是紧跟帧头之后是一个短数据块或n（0～32）个普通数据块。帧头包含7个字节：2字节位同步——1100110011001100————来自基站；0011001100110011————来自移动台；并且是从左至右传送。2字节帧同步——随系统不同而不同。2字节控制信息——地址信息。1字节的FEC编码——7～4比特位针对第一个控制字节，3～0比特对应第二控制字节。帧头的每个字节都是从第七比特（MSB）开始传送，知道第零比特（LSB）。数据块由以下部分组成（30字节或9字节）：18字节数据（普通数据块）或4字节数据（短数据块）；2字节CRC码——由数据字节计算得到；与各数据字节和控制字节对应，分别产生4比特的FEC编码。然后该数据块进行交织和扰频后输出。根据系统设计功能、系统内部时序以及数据格式要求，设计系统流程图。键盘数据发送驱动程序按下述流程图编写。软件设计用C语言和汇编语言混合编写，系统功能用C语言实现，寄存器初始化和核心硬件处理用汇编语言实现。驱动程序主要包含以下几个部分：系统初始化程序、时钟管理、循环扫描、中断调用（包括数据处理、数据发送、出错处理等），其中数据调制发送过程子程序如下。SEND:MOVDPTR,#0E500H;A0,A1对应命令寄存器MOVA,#07H;给CMX909B写入复位命令MOVX@DPTR,AMOVR0,#02H;每帧内的数据块个数MOVDPTR,#0E600H;A0,A1对应控制寄存器MOVA,#0A2H;CMX909B数据率为8Kbps,X1=8MHzMOVX@DPTR,AMOVDPTR,#0E700H;A0,A1对应模式寄存器MOVA,#0B0H;设定CMX909B……MOVX@DPTR,A;读P1口MOVP1,#0FFHMOVXA,@DPTRSETBCANLC,ACC.6;ACC.6为bfree位，JZSEND;为0，则buffer不为空，等待MOVDPTR,#0E400H;为空，则写入6字节的帧头MOVA,#33H;位同步码MOVX@DPTR,AMOVX@DPTR,AMOVA,#77H;位同步码MOVX@DPTR,AMOVX@DPTR,A;地址控制信息MOVA,#55HMOVX@DPTR,AMOVX@DPTR,AACALLDELAY;等待2bit的时间让滤波器启动MOVDPTR,#0E500H;给命令寄存器写T7H任务MOVA,#01HMOVX@DPTR,AWAIT1:MOVA,#20H;等缓冲器空ANLA,PSWJZWAIT1MOVA,R0JZFOLLOW;一帧内数据块计数＝0，发下一帧MOVR1,#12H;每个数据块含18字节MOVDPTR,#0E400HDATABLOCK:SETBRS0;发送18字节的数据块MOVA,@R0INCR0CLRRS0MOVX@DPTR,ADECR1MOVA,R1JZGO;发满了18字节，转GOSETBRS0MOVA,R0CLRRS0CJNEA,#30H,DATABLOCKACALLFILL;栈空，填“0”GO:MOVDPTR,#0E500H;给CMX909B写TDB任务MOVA,#03HMOVX@DPTR,AWAIT2:MOVA,#20H;等buffer空ANLA,PSWJZWAIT2MOVA,R3XRLA,#0FH;若有出错标志，放弃发送JZFINISHDECR0;数据块计数器减1CJNER0,#00H,DATABLOCK;不等于0，继续发送数据块FOLLOW:SETBRS0MOVA,R0CLRRS0CJNEA,#30H,SEND;R6于R7不等，发送下一帧READY:MOVDPTR,#0E400H;写Hang字节，结束一次发送MOVA,#0DDHMOVX@DPTR,A;写TSB任务MOVDPTR,#0E500HMOVA,#05HMOVX@DPTR,AAJMPFINISHFILL:MOVA,#00H;填“0”子程序MOVX@DPTR,ADECR1CJNER1,#00H,FILLRETFINISH:SETBP2.4;“SEND”中断处理结束,亮蓝灯使用伟福仿真平台和CMX909B开发平台可以观察各端口和寄存器数据值。如下图示。五.结束语本文分析了GMSK的原理，在考虑到可行性、实用性和经济性的前提下，成功地完成了方案设计、印刷电路板的制作和安装、完成了软件（驱动程序）的设计和调试，达到了设计要求。该设计很理想地适用于Mobitex、无线遥测、无需许可的无线数据传输和ISM频带无线传输等应用。