一種基于軟件無線電思想的GMSK調制設計

張 騫，邵寶杭

（解放軍體育進修學院 廣東 廣州 510500）

當前，通信設備研制的各階段和對電磁環境的研究中越來越離不開仿真的手段。其中，對通信設備的半實物仿真在軟件運算的基礎上，在仿真的環節中應用了部分真實的物理器件。這種“硬件+軟件”的模式提供了真實的通信信號，大大提高了仿真的可信度，因而在通信設備研制和電磁環境研究中具有不可替代的作用。在通信設備半實物仿真設計中，如何利用基本“通用”的硬件框架，來仿真不同通信體制、調制方式、調制參數的通信信號，并且在這一通用的硬件框架下可以通過軟件模塊的組合來擴充通信信號的種類是設計的重點。

軟件無線電作為無線電技術的發展方向，其核心思想就是通過軟件編程實現各種功能，減少對具體硬件電路的依賴，以達到最大的靈活性和開放性。理想的軟件無線電技術是直接在射頻端進行A/D、D/A處理，但由于器件性能的限制，目前必須在中頻進行A/D、D/A處理，以降低對射頻前端器件的要求[1]。這些思想可適用于通信設備半實物仿真GMSK的設計中。

1 通信設備半實物仿真器的硬件結構

通信設備半實物仿真器的構成[2]原理框圖如圖1所示。

圖1 仿真器的構成原理框圖Fig.1 Constitution block diagram of the emulator

為生成多種調制樣式的通信信號，同時避免大量的電路堆積而構成仿真器的硬件系統的設計方式，仿真器采用了“軟件無線電”的設計思想，由軟件生成各類通信信號的信號源數據，構成信號源庫，這些數據在計算機的控制下通過固定的硬件電路產生各類調制信號，從而實現系統的“通用性”和“可擴展性”。

從功能實現上，圖1中的中頻放大和混頻及高放技術較成熟。設計的關鍵是軟件生成信號源數據和硬件實現中頻調制。中頻調制部分硬件結構框圖如圖2所示。

根據圖2設計的調制模塊局部電路如圖3所示。

2 GMSK調制的設計

圖2 中頻調制部分硬件結構框圖Fig.2 IF modulation part of the hardware block diagram

GMSK是在MSK基礎上發展起來的一種數字調制方式，具有恒包絡、相位連續的特點。GMSK已調信號功率譜主瓣窄，帶外衰減快，對鄰道的干擾小，頻譜效率較高。目前，GMSK調制是GSM移動通信標準和TETRA集群通信標準中所規定的調制方式，在無線通信中得到了廣泛應用。

在通信設備半實物仿真中，GMSK調制通過軟件把輸入的雙極性不歸零碼（NRZ）經高斯濾波器濾波后再進行MSK調制實現。GMSK調制中先將數據流通過一個高斯濾波器進行預調制濾波，再進行頻率調制，使調制信號在交越零點不但相位連續，而且平滑過渡，在相同數據傳輸速率時具有較窄的頻率間隔。因此GMSK調制信號比MSK信號具有更窄的帶寬，可以滿足移動通信中對帶外輻射的嚴格要求。

圖3 調制模塊局部電路Fig.3 Part of the modulation module circuit

2.1 GMSK調制的設計

GMSK調制的功能組成框圖如圖4所示。

圖4 GMSK調制的功能組成框圖Fig.4 Functional block diagram of the GMSK modulation

圖4中，輸入的NRZ序列通過高斯濾波后的輸出由軟件編制的查找表獲取，經累加器實現積分器功能后，獲得積分相位信號，再通過CORDIC算法獲得基帶I、Q正交分量值，調整為串行格式后輸出至中頻調制硬件電路。

2.2 高斯濾波器輸出查找表的設計

高斯濾波器的傳輸函數和沖激響應分別為

由（1）、（2）可知，寬度為 Tb的矩形脈沖通過高斯濾波器后，響應為

（3）式是理想狀態下，高斯濾波器的脈沖響應。在實際系統中要對 g（t）截短。 設截短長度為（2N+1）Tb，則截短后

在設計中，用5Tb截短近似表示單個脈沖通過高斯濾波器的響應，即N=2。

假設對輸入的NRZ碼進行M點采樣，則單個碼元經過濾波后，輸出5 M個樣點值。每個樣點值的高斯濾波器沖擊響應可由軟件運算生成。設帶寬Bb、碼元傳輸速率Rb、采樣速率fs，則生成沖擊響應系數的Matlab程序為：

將軟件生成的沖擊響應系數存入5M位的數組，構成沖擊響應系數查找表，輸入的數據與查找表進行卷積運算后，就得到濾波器輸出的數據。

2.3 CORDIC算法

CORDIC算法將目標旋轉角分解為一組預定單元旋轉角的加權和，用這組預先規定的基本角度的線性組合逼近，用于計算運算函數的循環迭代。通過CORDIC算法運算，可以獲得高斯濾波器輸出的相位積分信號中I、Q正交分量。

用Matlab編寫的CORDIC算法部分代碼如下：

3 M atlab仿真結果

利用Matlab仿真[5-6]的I、Q分量如圖5所示。仿真結果表明，軟件生成了I、Q分量，可傳遞給通用的硬件通路。

圖5 I、Q 分量Fig.5 I，Q components

4 結 論

通信設備半實物仿真器設計中借鑒了 “軟件無線電”的思想，找到通信信號的“通用”表達形式和用硬件搭建“通用型”的信號流通通路尤為重要。正交調制法是解決通信信號“通用”形式的較好方法。通過仿真可見，在已有的仿真器硬件框架下，可以運用正交調制法產生GMSK信號。仿真器中，信號的實時性運算要求不高，高斯濾波器的實現可以通過事前運算產生通信信號的信號源數據，存儲在硬盤上，在產生信號時將信號源數據發送到硬件調制電路板上即可，所以可以通過軟件來實現高斯濾波器和CORDIC算法的功能。

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