GMSK擴頻調制信號解調解擴技術及實現(xiàn)

(中國西南電子技術研究所，成都 610036)

1 引 言

GMSK等恒包絡調制信號具有相位連續(xù)、碼元交替時載波相位不會產(chǎn)生大的突變、主瓣外的信號功率衰減速度很快、中頻信號帶寬窄等特點，同時這類信號可采用效率較高的非線性放大器(效率高于75%)，不會使發(fā)射信號頻帶增大[1]。信號頻譜擴展可以降低其功率譜密度，提高抗多徑干擾能力，增強信號的隱蔽性，降低被截獲及檢測概率，因而在通信領域得到了廣泛應用。目前，擴頻調制中BPSK、QPSK等實現(xiàn)簡單，因此應用較多。雖然GMSK相對BPSK解調解擴性能惡化超過1 dB以上[2]，但是由于GMSK具有更低的通道間干擾、更高的頻帶利用率等優(yōu)點，因而在特定的民用、軍事通信領域也得到了廣泛的應用，美軍JTIDS系統(tǒng)使用的戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈Link16、美軍的增強型定位報告系統(tǒng)(EPLRS)等都使用了這種調制方式。

GMSK擴頻體制目前主要包含直接序列擴頻和軟擴頻兩種方式。軟擴頻技術是近些年從直接序列擴頻技術與編碼技術相結合而發(fā)展起來的一種擴頻技術，主要是應用于頻帶受限而數(shù)據(jù)率又要求較高的通信系統(tǒng)中，如短時突發(fā)通信等[3]。目前，對于直接序列擴頻信號的解擴解調研究較多，文獻[4]介紹了對MSK直擴信號進行解調和解擴的研究，需要比較復雜的擴頻碼的捕獲、跟蹤、同步等技術；GMSK軟擴頻調制的解擴和解調多采用聲表面波(SAW)匹配濾波器方案[5]，不僅成本較高、體積較大，且抗寬溫特性及抗振動性等參數(shù)也較差，不利于大規(guī)模批量產(chǎn)品的生產(chǎn)，本文則采用中頻數(shù)字化處理的方案。

2 GMSK軟擴頻信號的解調解擴方法

文獻[6]介紹了采用聲表面波器件完成MSK擴頻調制、解擴解調的方案，接收到的中頻信號經(jīng)過聲表面波MSK匹配濾波器完成MSK擴頻信號的解擴得到中頻相關峰，然后通過中頻相關峰的差分解調方式恢復信息。本文采用的是中頻信號數(shù)字化處理方案完成對GMSK軟擴頻信號的解調和解擴，取代傳統(tǒng)的SAW匹配濾波器方案。由于數(shù)字化處理方案與信號格式有關，為描述GMSK擴頻信號解調解擴的原理，在此采用如圖1所示的簡化的信號格式。

圖1 GMSK擴頻調制簡化信號幀格式Fig.1 Simplified frame format of tamed spread spectrum GMSK

如圖1所示，相鄰兩字符間距是13 μs，字符脈沖寬度是6.4 μs。P1～P8為幀同步脈沖，可以看作8 bit巴可碼信息“10111000”。巴可碼的“0”為DS1原碼，巴可碼的“1”為DS1反碼。P9～P39為31個字符，每個字符脈沖代表5 bit信息。DSi為擴頻碼原碼循環(huán)移位代表所傳輸?shù)? bit信息(這里擴頻方式是(32,5)的軟擴頻)。

同步頭及信息調制采用的是“PAM+GMSK”調制方式。突發(fā)GMSK擴頻調制的框圖如圖2所示。

圖2 GMSK擴頻調制實現(xiàn)框圖Fig.2 Block diagram of GMSK spread spectrum modulation

GMSK軟擴頻調制信號的解調解擴中頻數(shù)字化處理可采用基帶解調相關法和中頻直接相關法兩種方式進行，前者首先進行GMSK解調，然后進行基帶相關解擴；后者不進行解調，直接進行中頻或者零中頻相關解擴。

由文獻[5-7]可知，中頻直接相關的結構簡單，設計時可以將包含64位的GMSK調制信息的本地相關序列事先存儲在FPGA內(nèi)部ram中。而中頻直接相關法的最大問題是資源問題，需要64×9個多位數(shù)乘法器，對FPGA的選型要求比較高，資源消耗很大，且相關峰的大小受中頻信號的強弱成線性關系，受發(fā)射與接收的頻差、相差影響而造成相關峰值有一定的起伏；而基帶解調相關法是先解調再解擴的方法，如果采用Cordic算法則相關峰的大小與中頻信號的強弱沒有關系，便于判決門限設置，且不受發(fā)射與接收的頻差、相差影響，并且解調后的基帶信號相關時本地序列都是±1，則可以采用加法器即可完成相關運算，對FPGA選型要求不高。

兩種方法效果在信噪比5 dB以上差別不大，在5 dB以下時中頻直接相關的效果明顯好于解調相關的結果；如果靈敏度下信噪比超過5 dB，綜合成本和性能考慮，可采用的是基帶解調相關法。

3 算法設計與實現(xiàn)

根據(jù)中頻直接相關法和基帶解調相關法兩種方法進行了算法仿真和對比，最終確定采用基帶解調相關法，其處理終端的GMSK解擴解調部分的結構圖如圖3所示。AD器件選用高速、低功耗、高SNR、高SFDR的AD9236，F(xiàn)PGA是Altera公司的性價比高、Cyclone II系列的EP2C35，其包含33 216個LE(每個LE有1個4輸入查找表和1個多功能寄存器)、105個4 kbit的RAM塊、35個18×18專用乘法器(這里配置成70個9×9的乘法器)、4個PLL、最大475個I/O等。圖3中信號中心頻率為78.75 MHz，A/D采樣時鐘取45 MHz，相對于1個擴頻碼符號9個采樣點，所有信號處理都是在同一塊FPGA內(nèi)實現(xiàn)。

圖3 處理終端GMSK解擴解調結構框圖Fig.3 Block diagram of signal processing terminal for tamed spread spectrum GMSK

3.1 GMSK解擴

GMSK擴頻信號經(jīng)Cordic算法差分解調后的瞬時頻率基帶信號與本地基帶信號進行相關解擴處理(32位擴頻碼，每個碼9個樣點)，如圖4所示。

圖4 GMSK解擴結構框圖Fig.4 Block diagram of demodulation and despread for tamed spread spectrum GMSK

對于幀頭采用的是包含32個偽隨機碼的相關器，由圖可知需要8×32+31=287個加法器，而實現(xiàn)時根據(jù)其結構特點可以繼續(xù)簡化，下面進行推導：

如圖4所示，當前0時刻對應的相關結果Y為

Y(i)=[f(i+287)+f(i+286)+…+f(i+279)]×

code1+[f(i+278)+f(i+277)+…+f(i+270)]×

code2+…+[f(i+8)+f(i+7)+…+f(i)]×

code32=a1×code1+a2×code2+…+a32×code32

(1)

第k個時刻的相關結果Y為

Y(i+k)=[f(i+k+287)+f(i+k+286)+…+

f(i+k+279)]×code1+[f(i+k+278)+

f(i+k+277)+…+f(i+k+270)]×code2+…+

[f(i+k+8)+f(i+k+7)+…+f(i+k)]×

code32=b1×code1+b2×code2+…+b32×code32

(2)

由式(2)，b1于b2正好相差9個樣點，b2和b3、…、b31和b32都是相差9個樣點， 所以實現(xiàn)時采用如圖5的結構。

采用如圖5的設計實現(xiàn)框圖，只需要8+31=39個加法器，從而可以比圖4的改進結構再節(jié)省86%的加法器資源。

圖5 32位相關器的實現(xiàn)框圖Fig.5 Block diagram of realizing 32bit correlation

3.2 幀頭判決

根據(jù)圖1的簡化信號格式，幀頭P1～P8為幀同步，表示的信息是8位巴克碼0xB8，即使在同步頭的8個脈沖丟失2個也能很好地進行幀同步。幀頭相關峰是將解擴相關峰進行再次相關運算得到的結果，如圖6。由于幀頭的8個解擴相關峰間隔是13 μs(用45 MHz時鐘對應是585個時鐘周期)，所以采用了4 095級移位存儲器實現(xiàn)。幀頭判決如圖7所示。

幀頭判決采用的是包含32位隨機碼的相關器，當判斷到幀頭時馬上切換成包含2個32位隨機碼的相關器得到信息相關峰。

圖6 幀頭相關峰實現(xiàn)結構圖Fig.6 Block diagram of realizing frame detection

圖7 幀頭判決示意圖Fig.7 Schematic diagrams of frame detection

4 影響解調解擴性能分析

在仿真及實際信號處理過程中，發(fā)現(xiàn)影響GMSK軟擴頻調制信號的解擴解調性能的因素包括信噪比、相關器形式、幀頭位置判決等，其中主要因素是信號的信噪比情況，當信噪比低于5 dB后會出現(xiàn)誤碼率急劇增大的現(xiàn)象。從實際效果看，較低的信噪比、AD位數(shù)截取等可能造成相關峰值起伏以及位置波動并造成信息幀頭位置波動，幀頭位置波動較大再加上信息位置相關峰波動很可能造成信息誤判，需要對相關峰進行一定的平滑處理。

本文采用64位相關器雖然可以節(jié)省不少硬件資源，但由于仍然是32位的偽隨機碼，所以64位相關性能會下降，尤其是在信噪比較低的情況下，圖8是在信噪比為10 dB時采用64位相關與32位相關的性能對比。

圖8 64位與32位相關性能對比Fig.8 Performance comparison between 64bit correlation and 32bit correlation

需要說明的是，采用數(shù)字化改進方案后，其系統(tǒng)誤碼率性能比采用SAW匹配濾波器的方案稍好，射頻信號靈敏度可以提高2 dB左右，優(yōu)于-99 dBm，且系統(tǒng)更穩(wěn)定，尤其是在環(huán)境溫度試驗中。

5 結束語

本文以某工程指令接收設備為背景介紹了突發(fā)GMSK軟擴頻信號的解擴解調原理，重點分析了GMSK擴頻信號解擴解調的兩種方法并進行了對比。在設計實現(xiàn)時通過改進算法從而節(jié)省了FPGA器件資源，并介紹了幀頭判決的方法。該算法在硬件中得到了實現(xiàn)和實際驗證，結果表明優(yōu)于要求的技術指標。筆者認為還存在繼續(xù)優(yōu)化以及性能提高的空間：隨著大容量FPGA性價比不斷提升，可采用中頻直接相關法從而得到更好的靈敏度指標；通過完善信號格式在解調解擴中能夠進行相干解調解擴[8]，也可以提高系統(tǒng)誤碼性能。

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