FPGAASIC基于软件无线电的GMSK通信收发机及其FPGA实现

电子发烧友解决方案基于软件无线电的GMSK通信收发机及其FPGA实现蒋济懋李绍荣电子科技大学光电信息学院，四川成都(610054)E-mail:[e-mail]【摘要】：阐述了GMSK调制解调的原理与特点，介绍了其在软件无线电系统中的FPGA实现，并对其关键技术进行了分析，最后给出了在FPGA中GMSK信号调制解调的信号仿真图。与传统的通信收发系统不同，该系统的调制解调，上下变频，滤波，同步抽样判决等工作都是通过软件实现的。由于硬件平台的通用性，在该方案中，只需通过软件修改基带调制解调方式，就可以移植到其他通信制式中去，例如OFDM，QPSK等，具有很强的可移植性、灵活性。关键词：软件无线电GMSKFPGA中图分类号：TP334.221.引言所谓软件无线电，是指构造一个具有标准化、模块化、开放性的硬件平台，将各种功能，如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等用软件来完成，同时使宽带A/D转换器尽可能靠近天线，以充分实现数字化，提高可编程性。软件无线电在现代通信中占有重要地位更是未来通信乃至未来无线电技术的发展方向。现代通信系统的发展趋势是通信频段越来越高，那么自然对信号处理速度的要求也越来越高，这就需要一种处理速度很高处理数据量很大的处理器，而FPGA正是一个合适的选择，所以FPGA对软件无线电系统的发展有着很重要的作用。作为软件无线电系统中重要组成部分的调制解调技术一直是通信领域的热点课题。最小高斯频移键控(GMSK)是一种典型的连续相位调制方式。GMSK信号具有优良的功率谱特性(功率谱旁瓣快衰减特性)，在对信号频带严格限制的各种数字通信领域中得到广泛的应用，又由于其包络恒定，在具有限幅特性的C类放大器构成的非线性信道中体现出比QPSK相位调制更多的优势，因而在无线通信领域得到了广泛应用，如GMS系统、GPRS系统、无线局域网、航空数据链、卫星通信等。目前，GMSK信号已经成为地面蜂窝移动通信系统的一种标准。2.软件无线电中的GMSK收发系统功能与结构2.1发射机部分：原始码元信号首先经过双极性编码，然后对其进行采样，经过插值提高数据采样率，通过高斯低通滤波器对原始信号进行带宽限制处理，然后对限带信号进行MSK基带调制，生成相互正交的I、Q两路基带信号，I、Q两路信号再分别与在载波cos[()]cn、sin[()]cn相乘，最终再通过加法器，使两路信号相加，得到最终的GMSK调制信号，通过DA送到天线部分[1]。发射机结构框图如图1。图1发射机结构电子发烧友2.2接收机部分：经过AD采样过后的GMSK信号首先分别和数字载波cos[()]cn、sin[()]cn相乘，再通过低通滤波器，得到I、Q两路信号，对I、Q信号通过MSK解调，得到基带信号，通过CIC抽取滤波器后，降低基带信号的采样率，最后对解调后的基带信号做位同步、抽样判决，最后解码恢复出原始码元[1]。接收机结构框图如图2所示。图2接收机结构3.GMSK通信收发系统在FPGA中的实现在本系统中，我们采用1片xilinx公司的spartan-3的50万门FPGA(XC4S500)实现所有的通信实时收发，设定原始码元速率为50KHz,系统采样率为500KHz，数字中频载波为62.5KHz，系统主时钟为50MHz。在整个GMSK通信收发系统中，最为关键与核心的有3个模块的FPGA实现：数字滤波器模块，调制解调模块，上下变频模块。3.1高斯数字低通滤波器模块GMSK调制解调通信系统中，MSK调制前需要加一个预调制滤波器，对信号带宽进行限制，抑制信号高频分量、带外辐射功率，同时防止过大的瞬时频偏，而高斯低通滤波器就是一种满足限带特性的预调制滤波器。本系统中，我们选择高斯低通滤波器的BT=0.5，以达到限制源码带宽和减小基带波形码间串扰的平衡，B为高斯滤波器的3dB带宽，T为码元间隔，由于源码速率为50K，所以T=1/50K，B=25KHz。传统滤波器采用乘累加式结构，当滤波器阶数过高时，会占用大量硬件乘法器和块RAM资源，运算速率比较慢。而FPGA中自身的查找表结构和丰富的触发器资源，令我们可以采用分布式算法实现FIR低通滤波，提高运算速度，实现高速信号处理。设kA是滤波器系数，()kxn是n时刻的第k个采样输入数据，y(n)为n时刻的系统响应。1()()NkkkynAxn(1)式(1)中，()kxn可以写成下式(2)的形式：10()2Bbkkbbxnx(2)(2)式中，B为数据格式的字长，kbx为变量的二进制位，只有”0”和”1”两种状态，将(2)代入(1)中：括号里的每一乘积项代表着输入变量的某一位与常量的二进制“与”操作，加号代表着算术和操作，指数因子对括号中的和加权。如果事先构造一查找表，该表存储着括号中所有的可能值，就可以通过所有输入变量相对应位的组合向量(x(N)b,x(N-1)b,…x(1)b)对该表进行寻址，该查找表称为分布式查找表DALUT。DALUT的构造规则如下：FPGA中实现分布式算法的硬件结构如图3所示：电子发烧友图3FPGA实现分布式算法的硬件结构信号在FPGA中通过高斯滤波器限制带宽的仿真结果如图4所示：图4码元通过高斯滤波限带结果图中第一行为原始二进制码元信号，下排为通过滤波器后的限带信号3.2MSK调制解调模块3.2.1基带正交调制模块MSK调制与解调，是整个通信收发系统的核心。为了便于模块的移植，以具有通用性，我们采用正交调制与解调[4]。MSK信号是FSK信号的一种特殊调制方式，其调制指数mf=0.5,二进制MSK信号表达式为：)2cos()(nknCtTatts当输入符号为+1时，角频率：/2cT；当输入符号为-1时，角频率：/2cT；由于调制指数/fm，对于MSK，mf=0.5，为码元角频率2f，f为码元频率，1/2fT，T为码元间隔；由于MSK为FSK调制的一种，所以MSK信号还可以表示为：000()cos[()()cos()cos[()]sin()sin[()]tctctcsttKfvdsttKfvdtKfvd对于正交调制，得到基带I、Q两路信号：00()cos[()]()sin[()]ttItKfvdQtKfvd其中，相位为：0()tKfvdKf为调频系数，又因为原始码元为单频信号，码元角频率为，所以设()cosvtt，则相位：0cos()sinsintfKfKfdtmt所以，我们可以根据上式得到调频系数：fKfm在本系统中，码元速率为50K，则Kf=0.5*2*25K=78.5K；整个系统的调制结构如图5所示：图5GMSK信号的产生图6为FPGA中信号经GMSK正交调制产生的I、Q通道信号仿真结果：图6正交调制后的I、Q信号（第一行为I信号，第二行为Q信号）其中，原码序列为循环发送”01010011”,可见I、Q两路信号是相互正交的。3.2.2基带正交解调模块由于GMSK调制是FSK调制的一种特例，也即是调频的一种。所以，GMSK的解调和传统的调频信号解调一样，应该对相位函数()n求导[3]：()'()()(1)fnnnn电子发烧友])1()1([])()([nXnXarctgnXnXarctgIQIQ由上式可见，对调频类解调的过程中，要对相位函数()n进行除法与反正切运算，这对FPGA来说是比较复杂的。因此，我们不得不寻求其他的方法来解决这个问题。)()1()()1()]1()()[()]1()()[()()(')(')()()()()(')(')()(')(22nXnXnXnXnXnXnXnXnXnXnXnXnXnXnXnXnXnXnXnXnnfIQQIIIQQQIQIQIQIQIQI即可采用如图7所示结构进行解调：图7GMSK基带信号的解调其中，Tb为一个码元间隔时间，即1/50K，恢复出的基带信号经抽样判决即可恢复出原始码元。3.3数字上下变频模块GMSK两路基带I、Q信号必须经过数字上变频后，再相加合成一个中频信号，最后生成中频GMSK信号，然后送给DA，转换成射频信号发射；同样，接收机必须首先把数字中频信号进行数字下变频，经低通滤波后，恢复出基带I、Q两路信号，然后进行基带解调。图8数字下变频图9数字上变频实现数字混频的关键是通过一数控振荡器NCO产生一个频率可变的正弦波样本，即：()cos[2(/)*]Snflofsnflo为本地振荡频率，即数字中频频率；fs为输入混频器的信号采样率[2]。由于FPGA丰富的查找表资源，NCO产生正弦波最有效、最快速的方法就是查表法，即事先根据NCO正弦波相位计算好相位的正弦值，并按相位角度作为地址存储该相位的正弦值数据。DDC工作时，每向DDC输入一个待下变频的信号采样样本，NCO就增加一个2(/)flofs的相位增量，然后按照2(/)flofs相位累加角度作为地址，检测该地址上的正余弦数值并输出到数字混频器，与信号样本相乘，乘积再经过LPF输出，即完成了下变频。数字上变频亦是如此。经混频后数据速率仍然不变，仍为采样速率fs。图10为I、Q信号经数字上变频后最终形成的GMSK中频信号，原码仍循环发送”01010011”序列，由图可见，GMSK为调制指数为0.5的FSK信号。图10GMSK中频信号4.结论本文给出了基于软件无线电结构FPGA实现GMSK通信收发机的一种详细实现方案，并对其关键模块的实现进行了详细分析和信号仿真。由于硬件平台的通用性，在该方案中，只需通过软件修改基带调制解调方式，就可以移植到其他通信电子发烧友制式中去，例如OFDM，QPSK等，具有很强的可移植性、灵活性。用FPGA实现通信收发，具有开发成本低，开发周期短，体积小，易于系统功能扩展等优点。参考文献1杨小牛，楼才义等.软件无线电原理与应用.电子工业出版社.2001.2姜宇柏,黄志强等.通信收发信机的Verilog实现与仿真.机械工业出版社,2006.3赵民建，仇佩亮，李国纲，一种软件无线电GMSK非相电子发烧友干接收机，电路与系统学报，2003.10，Vol.8(No.5)，PP22-25.4单亚娴，王华，匡镜明，一种基于软件无线电的通用调制器的设计和实现，通讯与电视，2004第二期，PP17-195CLam，etal，SecureGlobalRoamingArchitectureforSDR，2003.9CommunicationSystemofGMSKandItsFPGAImplementationBasedonSDRJiangJimao,LiShaoRongSchoolofOpto-ElectronicInformation,UESTC,Chengdu,610054,ChinaAbstract：ThispaperintroducesthetheoryandpropertyofGMSKmodulationanddemodulation,providesitsFPGAimplementationinSDR(softwaredefinitionradio)system,analyzesthekeytechnologiesofthesystem,finallygivestheplotforsimulationsignalsofGMSKmodulationanddemodulationinFPGA.Comparingwiththetraditionalcommunicationsystem,thissystem’smodulation,d