基于dsp和rfasic芯片的gfsk调制解调器.pdf

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1、!#年第!期研究与开发!#$!%&()*+,-./文章编号：#$%&(（)#*）#)$#*$#+基于,-.和/0 1-23 芯片的 40-5 调制解调器!易 大 方易 大 方（中国西南电子技术研究所，成都*#*）摘!要：介绍了一种基于,-.和/0 1-23 芯片的 40-5 正交调制解调器的设计和研制方案。回顾了传统的 40-5 调制器的硬件实现方法，分析了 40-5 正交调制器的基带构成，讨论了在-6-789:;28)?&和 1,*=+&的硬件环境中，较好地实现了 40-5 正交调制解调功能。关键词：自动识别系统；40-5；正交调制解调；,-.；软件无线电中图分类号：7A&+B#+!文献标识

2、码：1$01#2-3456 78954 3:(#,8:4!1$#;%9!#$%$&（-CDEFGHIE 3FJKL 2KIEJEDEH CM 8NHOEPCKJO 7HOFKCNCQR，3FHKQSD*#*，3FJKL）$?9A8B：1,-.T/0 1-23 IOFHUH MCP 40-5 VDLSPLEDPH UCSHU JI JKEPCSDOHSB 1MEHP L PHWJHG CM JUXNH:UHKELEJCK UHEFCSI MCP EPLSJEJCKLN 40-5 UCSHUI，EFH YLIH YLKS IOFHUH CM L 40-5 VDLSPLEDPH UCSHU JILK

3、LNRZHS，LKS EFH IRIEHU IJUDNLEJCK MCP 49-5 UCSHU CK EFH-6-789;28)?&LKS 1,*=+&，EFH VDLSPLEDPH UCSHU MDKOEJCK JI JUXNHUHKEHS ILEJIMLOECPJNRB25C D3A49：LDECULEJO JSHKEJMJOLEJCK IRIEHU（12-）；40-5；VDLSPLEDPH UCSHU；,-.；ICMEGLPH PLSJC!引!言随着软件无线电理论和高速数字信号处理技术的发展，用,-.0.41 器件实现各种无线通信中的模拟和数字调制解调正在成为相关产品研发的主流，并且有逐

4、步取代专用芯片的趋势。毋庸置疑，数字器件较之模拟器件有其独特的优势。比如，在以往的 40-5 调制解调器中，要严格控制高斯滤波器的 7 积和调频器的调制系数，并不是一件很简单的事，而在,-.0.41 软件平台上，则是轻而易举的。本文介绍了一种基于 72;3+=#),-.的 40-5基带信号处理器的设计，并在子系统级/0 1-23 芯片)?&和 1,*=+&硬件支持下，实现了 40-5 的调制解调功能和技术指标要求。)!传统的 40-5 调制解调器概述从调制原理上来看，40-5（高斯频移键控）调制是把输入数据经高斯低通滤波器预调制滤波后，再进行 0-5 调制的数字调制方式。它在保持恒定幅度的同时

5、，能够通过改变高斯低通滤波器的 S带宽对已调信号的频谱进行控制，具有恒幅包络、功率谱集中、频谱较窄等无线通信系统所希望的特性。因此，40-5 调制解调技术被广泛地应用在移动通信、航空与航海通信等诸多领域中。*#!收稿日期：)#+$#*$#?；修回日期：)#*$#$+!#年第!期研究与开发!#$!%&()*+,-./从实现的方式上来看，#$%调制可以分为直接调制和正交调制&种方式。直接调制是将数字信号经过高斯低通滤波后，直接对射频载波进行模拟调频。当调频器的调制指数等于()，它就是熟知的*$%（高斯最小频移键控）调制，因此*$%调制可以看成是#$%调制的一个特例。而在有的文献中+，称具有不同,-

6、积和调制指数的#$%调制方式为*$%.#*，这实际上是注意到了当调制指数不等于()时，该方式不能称为*$%这一事实。直接调制法虽然简单，但由于通常调制信号都是加在/00 频率合成器的 123 上，其固有的环路高通特性将导致调制信号的低频分量受到损失。因此，为了得到较为理想的#$%调制特性，提出了一种称为两点调制的直接调频技术&。在这种技术中，调制信号被分成&部分，一部分按常规的调频法加在/00 的 123 端，另一部分则加在/00 的主振荡器一端。由于主振荡器不在控制反馈环内，它能够被信号的低频分量所调制。这样，所产生的复合#$%信号具有可以扩展到直流的频谱特性，且调制灵敏度基本上为一常量，不

7、受环路带宽的影响。但是，两点调制增加了#$%调制指数控制的难度。正交调制则是一种间接调制的方法。该方法将数字信号进行高斯低通滤波并作适当的相位积分运算后，分成同相和正交两部分，分别对载波的同相和正交分量相乘，再合成#$%信号。相对而言，这种方法物理概念清晰，也避免了直接调制时信号频谱特性的损害。另一方面，#$%参数控制可以在一个带有标定因子的高斯滤波器中实现，而不受后续调频电路的影响，因而参数的控制要简单一些。正因为如此，#$%正交调制解调器的基带信号处理特别适合于用数字方法实现。成熟的#$%4$52 芯片早已问世。典型的产品有 2*0*67897687:6;?和#=+?，A，前者是一个可由微

8、处理器控制的全双工数字同步高斯低通滤波器，而后者是一个可用于实现两点调制的数控正交放大器阵列。通常，合理地使用这两种芯片，可以研制出满足一定要求的#$%基带信号处理电路，但#$%的参数不能随意设定。可用于正交调制解调的 4$52 专用芯片有-B*52$CD679EFG:7;98 公司的 H&I?,)和 4J 公司的 4JKA)?K，它们分别是频率高达 *LM 的 N#差分输入正交调制器和)*LM 的 N#差分输入正交解调器子系统级芯片。通过适当地选择这些专用芯片，可以在较短的时间内，用较低的成本实现较高的#$%调制解调器产品性能要求。考虑到上述因素，本文设计的#$%调制解调器综合了数字技术和模

9、拟技术的优点，通过 J$/器件及其算法实现#$%基带信号处理，而用 H&I?,和 4JKA)?实现正交调制和解调功能。!#$%正交调制器的基带子系统构成类似于文献 I 的表述，#$%信号的数学表达式可以写为!（）#$79!%&!()*O$+（#*$(*(&）G#（+）式中，为调制指数，当 P()时就是*$%调制；$为输入不归零的双极性数据信号码元，(为信号码元周期，+（）为预调制高斯低通滤波器的冲激响应：+（）#!$C*!$&（&）$#&QE!&,（）式中，,为高斯低通滤波器的 G,带宽。上式与文献 I 的差别只是在相位函数中增加了调制指数，因而更具一般性。由（+）式可见，给定载波频率和码元速

10、率后，#$%的特性就取决于,和 两个参数。根据（+）式，画出#$%调制器的基带结构框图如图+所示。图中，+（）为高斯低通滤波器，-P!.(，%（）为#$%的相位函数，/（）为基带相位信号同相输出分量，0（）为基带相位信号正交输出分量。为了不致引起歧义，在以下的叙述中，称经高斯滤波后的信号为#$%基带信号，而称/（）和0（）两路相位信号为#$%基带 5R 信号。图+!#$%调制器的基带信号处理器结构框图I+!#年第!期研究与开发!#$!%&()*+,-./!由图 可见，#$%&调制器的基带信号处理需要解决高斯低通滤波、相位积分和三角运算 个问题。(!#$%&调制解调器的仿真为了在)%*上实现#$

11、%&调制解调，需要首先确定)%*算法。而一个算法的优劣，不能等到系统研制完成以后才去评估，这一工作必须在设计阶段进行。+,-./0 公司的信号级系统仿真软件%1%23+45/+6 能够胜任这项专门工作，它是一个运行于 6/.)76%操作系统下的强有力的通信与电子工程设计工具。利用这一工具，可以很方便地验证电路模型的设计方案，确定算法流程，修改设计参数。图8 为本文设计的一种%1%3+45/+6 仿真平台下#$%&正交调制解调器系统仿真框图。图中发端的#$%&基带信号处理器即为图 各部分电路构成，#$%&正交调制和正交解调可以采用软件无线电技术的通用算法9。信道模型用于模拟一个适合所设计的系统传

12、输信道，根据需要可以选择诸如多径信道、窄带干扰信道、莱斯（:;?=移动通信信道等。为了补偿信道特性的变化或设计的误差，可以对解调后的信号进行信道均衡，以便尽可能减小码间串扰。解调出的#$%&基带/A 信号经基带恢复算法和滤波等收端的信号处理后，由码元判决后恢复成原来的信码，并与原码一起送入误码率分析器，进行误码分析。为了补偿信道的时延，需要仔细地计算和调整时延的数值，以便分析比较时能得到正确的误码特性。图 8!#$%&调制解调器的系统仿真框图!图 为#$%&调制器基带/A 信号的仿真波形，图(为基带信号眼图，为了比较，绘出了调制器输入端（即高斯滤波器输出端）和解调器输出端 8 种情况下的眼图。

13、通过仿真，可以明显地看出信道噪声和解调器算法误差对信号恢复的影响。图!#$%&调制器基带/A 信号波形图(!#$%&调制解调器输入输出信号眼图BC!#年第!期研究与开发!#$!%&()*+,-./!用于#$%的&%(调制解调器船舶自动识别系统（#)*+,-*./$012*.3./-*.+2%456*1,，#$%）是一种新型的助航系统及设备，该系统为船舶航行安全和航行管理提供了一种新型而有效的手段。目前，#$%已经在发达国家得到了广泛应用。#$%采用 7%$（7812%45*1,5$2*19/+221/*.+2）工作模型，无线传输的带宽为:;:?;!数据处理按照#$%通信协议，在进行&%(调制以

14、前，先要对原始数据作一系列的处理。（）数据组帧#$%的数据组帧格式采用简化的 FW位，:P 位训练码由交替的 G 和 组成，W 位起始标志和终止标志为 GXTK，F 位 OCO 效验只针对有效数据进行，效验多项式为!FY!:Y!Y，初始预置为GX。缓冲部分中，P 位预留给比特填充，:位预留给距离延时，:位预留给重复延时，F 位预留给同步抖动。为了保证信号有足够的变化，在#$%终端上发送一个分组数据时，传输设备要进行比特填充。比特填充规则是：在数据流内每检测到 个连 之后都应该插入 个G。接收器必须在对 BCD$数据解码之后识别填充比特并丢失它们。（:）数据编解码按#$%的要求，数据在形成二进制

15、基带信号之前以及从接收器恢复之后要进行 BCD$编解码。BCD$编码规则是：如果原数据为，则编码后的数据不出现电平变化；如果原数据为 G，则编码后的数据有相应的电平变化。这样，一串连续的 G 会使得BCD$数据每比特周期都会出现跳变，而一串连续的 则使得数据中长时间不会出现变化。（N）码元变换码元变换的目的是将单极性不归零码变为双极性不归零码，以合乎&%(调制的要求。根据以上#$%的数据组帧格式和编码要求，可以编制出#$%调制器的基带数据处理 Q%R 程序，其流程为：从缓冲寄存器中读取数据,计算 OCO 效验码,比特填充,数据组帧,BCD$编码,码元极性变换。而#$%解调器的基带数据处理 Q%

16、R 程序流程则是其逆过程：码元极性变换,BCD$解码,数据解帧,去比特填充,计算 OCO 效验码,数据存入缓冲寄存器。?:!&%(调制器基带信号处理（）高斯低通滤波器由于$C 滤波器的幅度特性可设计成多种多样，同时还可保证精确、严格的相位特性，通常高斯低通滤波器都采用$C 结构。高斯低通滤波器的Q%R 实现是简单和直接的，重要的是系数表的产生。利用%I%JKL$KM 的 7RKC#J7CA$VJKC 工具，可以直接设计各种可变参数的高斯低通滤波器，只需输入滤波器带宽和抽头数（抽头数可以由系统自动优化产生），就能生成所需要的$C 滤波器系数。这比其它数字信号处理软件如#JV#U 等更为方便。!（

17、:）相位积分器注意到（）式中被积函数就是 Q%R 程序中$C滤波器的输出，将它记为!（），则&%(的相位函数!（）可以表示为!（）#$!%)&Z!（）0（P）!利用复化积分公式，可将上式表为离散数字化形式：!（）#$!%(:%$)#!（)%(）*!（)&）%(（）式中%(为 Q%R 的积分器采样周期。在 Q%R 程序中，上式可以很容易地用一个累加器实现。需要注意的是应该设置一个上下限，防止积分器发生溢出。利用三角函数的周期性，将此上下限设为 :!，就能达到既不会使累加器溢出，又不影响基带信号的正确性的双重目的。除此以外，由于浮点数要转换成定点数，还要注意 Q%R 的不同+值之间的定点数EG!#

18、年第!期研究与开发!#$!%&()*+,-./运算问题。（）三角函数发生器#$%&()*+&,%-的软硬件资源十分丰富，为用户提供了&种三角函数产生方法，即查表法和计算法，可以为编程提供方便，节省开发时间。*.!/0 正交调制解调/0 正交调制解调器可以有&种方式实现。一是采用硬件方式，这就是本文前面提到的利用专用1%2)芯片。另一种为软件方式，利用数控振荡器（3)4）对基带数字信号直接进行调制解调。本文采用前一种方式，以便充分利用成熟的硬件资源，节约,%-的开销。由于 5&6789 1,:+*7 是模拟器件，在调制方，需要将基带 2;数字信号通过,1)转变为 2、;两路差分模拟信号，对 5&

19、678 的本振信号进行调制；而在解调方，需要通过 1,)将 2、;两路差分模拟信号转变为数字信号，以便适合,%-进行 相移特性；?$A 的本振频率范围；占空比发生器使输出信号具有良好的边带抑制特性；输出电平和杂散产物可调节。1,:+*7 有以下主要功能特点：,)?*$A的射频和本振信号频率带宽；*?*$A 的中频解调频率范围；高达 B C8 的整机 1)增益调整范围；高温度稳定性的对数中频放大器。*.+!0%=解调器基带信号处理0%=基带 2;信号从 1,:+*7 解调出来后，通过 19,变换，变成数字信号送到,%-处理器，进行0%=基带信号处理，恢复出发端的信码。其中包括抗混叠滤波、反正切运

20、算、微分运算、基带恢复滤波、抽样门限判决等算法流程，可以采用软件无线电技术的通用算法6。应该指出，基带恢复滤波对于降低码间串扰、减小误码率是重要的。在,%-实现上，就是在恢复出基带信号以后再插入一个频域特性为 D!（!）的滤波器，而 （!）为调制端高斯滤波器的传输函数。有关这方面的,%-算法和程序，本文继承了文献 B 的成果。:!结!论本文介绍了一种,%-E/0 1%2)芯片的 0%=正交调制解调器的设计和研制方案。该方案既有利于解决传统的 0%=高斯滤波器和模拟调频电路的参数控制问题，又能充分发挥成熟产品的技术优势。测试表明，无论在)*+,%-仿真平台)%上，还是通过示波器直接对原理样机的端

21、口信号采样并进行波形分析，所研制的 0%=正交调制解调器各个功能模块的波形和数据都能够符合%F%#G$(2GH 的仿真结果。参考文献：D!/IJKLLIMCNOPKM 2#5 Q/$.D6D QD，#IJRMPJNS JRNTNJUOITPVOPJV WKT N XMPYITVNS VRPZKTMI NXOKLNOPJ PCIMOPWPJNOPKMVVOIL XVPM OPLI CPYPVPKM LXSOPZSI NJJIVV PM ORI(0LNTPOPLI LKPSI NMC（;XIVOPKM 2#5 Q/&9B）%.&!/KM XMOIT，0TIC=KVOICO.5VPM#K Q-KPM

22、O$KCXSNOPKM#K/ICXJI%MORIVPAIT-TKSILV HRIM,IVPMPM,)Q)KXZSIC$%=$KCXSNOKTV _.$Q)4$，2MJ.，&.!0*B7 aK Q(KSONI9 PR Q%ZIIC$%=$KCIL _.-/4,5)#2304/$1#243)$a%ILPJKMCXJOKT-TKCUXJOV，D77B.+!0D7,PPONSS)KMOTKSSIC;XNC 1LZSPWPIT 1TTN _.)$a%ILPJKMCXJOKT-TKCXJOV-/4,5)#2304/$1U#243，D77*.*!5&678 Q 0%Q$A;XNCTNOXTI$KCXSNOKT _.#G$2)#GaG053=G3%ILPJKMCXJOKTV，D77*.:!1,:+*7%$(/IJIPYIT 20%XVVOIL _.1MNSK,IYPJIV 2MJ.，D77:.6!杨小牛，等.软件无线电原理与应用$.北京：电子工业出版社，&D.B!易大方.差分-%数字信标接收机的研制 b.电讯技术，&+，+（*）.作者简介：!易大方，男，湖南株洲人，博士，研究员，研究方向：新一代移动通信、通信信号处理、电磁理论与天线，（电话）&B Q B6*:6（电子信箱）CNWNMcPd VKRX.JKL。DD