l 引 言
由于GMSK調(diào)制方式具有很好的功率頻譜特性,，較優(yōu)的誤碼性能，能夠滿足移動(dòng)通信環(huán)境下對鄰道干擾的嚴(yán)格要求,，因此成為GSM、ETS HiperLANl以及GPRS等系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制方式,。
目前GMSK調(diào)制技術(shù)主要有兩種實(shí)現(xiàn)方法,，一種是利用GMSK ASIC專用芯片來完成,，典型的產(chǎn)品如FX589或CMX909配合MC2833或FX019來實(shí)現(xiàn)GMSK調(diào)制,。這種實(shí)現(xiàn)方法的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡單,、基帶信號速率可控,，但調(diào)制載波頻率固定，沒有可擴(kuò)展性,。另外一種方法是利用軟件無線電思想采用正交調(diào)制的方法在FPGA和DSP平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。其中又包括兩種實(shí)現(xiàn)手段,，一種是采用直接分解將單個(gè)脈沖的高斯濾波器響應(yīng)積分分成暫態(tài)部分和穩(wěn)態(tài)部分,，通過累加相位信息來實(shí)現(xiàn)；另一種采用頻率軌跡合成,，通過采樣把高斯濾波器矩形脈沖響應(yīng)基本軌跡存入ROM作為查找表,，然后通過FM調(diào)制實(shí)現(xiàn)。這種利用軟件無線電思想實(shí)現(xiàn)GMSK調(diào)制的方法具有調(diào)制參數(shù)可變的優(yōu)點(diǎn),，但由于軟件設(shè)計(jì)中涉及到高斯低通濾波,、相位積分和三角函數(shù)運(yùn)算，所以調(diào)制器參數(shù)更改困難,、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜,。綜上所述，本文提出一種基于CMX589A和FPGA的GMSK調(diào)制器設(shè)計(jì)方案,。與傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法比較具有實(shí)現(xiàn)簡單,、調(diào)制參數(shù)方便可控和軟件剪裁容易等特點(diǎn)，適合于CDPD,、無中心站等多種通信系統(tǒng),，具有重要現(xiàn)實(shí)意義。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的硬件主要包括三部分：單片機(jī)控制器及其外圍擴(kuò)展鍵盤和液晶顯示模塊,、高斯濾波器模塊,，以及FPGA調(diào)制器模塊，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,。
系統(tǒng)工作過程如下：系統(tǒng)加電后,，F(xiàn)PGA完成初始化，LCD界面提示用戶輸入控制信息,，同時(shí)系統(tǒng)輸出固定頻率的正弦載波,，表明系統(tǒng)正常工作；用戶通過控制菜單的提示,，從鍵盤輸入控制信息(例如基帶信號的碼元速率,，高斯濾波器的系統(tǒng)參數(shù)，BT值以及調(diào)制器的載波頻率等),；控制信息通過主控制器發(fā)送給高斯濾波模塊及調(diào)制器模塊,；FPGA調(diào)制器模塊根據(jù)接收到A／D轉(zhuǎn)換器的輸入信號的幅度值控制頻率字從而完成對于基帶信號的調(diào)制。
2．1 高斯濾波器模塊設(shè)計(jì)
高斯濾波器模塊采用CML公司生產(chǎn)的CMX589A專用集成芯片,，具有較寬的基帶信號接收速率,。在本設(shè)計(jì)中，為CMX589A提供兩種頻率的外部晶振,，分別為25．576 MHz和8．192 MHz,，通過跳線控制。CMX589A的控制引腳與單片機(jī)的P2口相連來控制濾波器的參數(shù),，其中ClkDivA,、ClkDivB與外部時(shí)鐘配合共同決定高斯濾波器的基帶碼元速率，設(shè)置如表1所示,。BT引腳控制高斯濾波器的系統(tǒng)帶寬,，當(dāng)設(shè)置為“l”時(shí)，系統(tǒng)BT值為O．5,；當(dāng)設(shè)置為“O”時(shí),，BT值為O．3。高斯濾波器的工作過程為：首先根據(jù)不同系統(tǒng)的需要來設(shè)置濾波器的基帶碼元速率和帶寬BT值，然后在Tx Data引腳接入需要調(diào)制的基帶碼元信號,，同時(shí)給Tx Enable置高電平,，通過TxOut就可以接收到高斯濾波基帶信號。
2．2 調(diào)制指數(shù)為O．5的FM發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)
調(diào)頻發(fā)射機(jī)由FPGA配合A／D,、D／A來實(shí)現(xiàn),。FPGA選用Cyclone系列EPlC6Q240C8，它是采用SRAM工藝制造的混合低電壓FPGA芯片,。A／D采用TI公司生產(chǎn)的8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC5510,，D／A則采用10位數(shù)模轉(zhuǎn)換器THS5651A，用以完成高速率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,。調(diào)頻發(fā)射機(jī)的系統(tǒng)時(shí)鐘為20 MHz,，同時(shí)提供給D／A THS565lA作為轉(zhuǎn)換時(shí)鐘。A／D轉(zhuǎn)換時(shí)鐘由FPGA提供,，系統(tǒng)時(shí)鐘經(jīng)過分頻提供給A／D轉(zhuǎn)換器1 MHz的工作時(shí)鐘,。同時(shí)單片機(jī)的P3口通過2 b的頻率控制位與1 b的“使能”控制位與FPGA相連來控制調(diào)制器的4種中心頻率，分別為20 kHz,，200 kHz,，2 MHz和20 MHz，中心頻率設(shè)置如表2所示,。當(dāng)載波的中心頻率設(shè)置為20 MHz的時(shí)候,，系統(tǒng)工作時(shí)鐘需要通過FPGA內(nèi)部的PLL倍頻實(shí)現(xiàn)。
2．3 單片機(jī)控制器設(shè)計(jì)
控制器采用AT89C51單片機(jī),，外擴(kuò)LCD,，4*4矩陣鍵盤，并通過接口與單片機(jī)的P0和P1相連,，單片機(jī)的P2口與高斯濾波器的控制線相連,，P3口與FPGA相連控制發(fā)射機(jī)的中心頻率。
鍵盤處理及LCD顯示模塊：利用鍵盤實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口,，該模塊包括鍵盤的掃描,、去抖、連擊以及功能鍵的信號處理,。用戶根據(jù)需要來調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，并通過與LCD顯示器的結(jié)合來顯示當(dāng)前調(diào)制信號的各種參數(shù),，從而使系統(tǒng)更具可操作性,。
功能參數(shù)設(shè)置模塊：此模塊負(fù)責(zé)處理鍵盤的輸入數(shù)據(jù)，根據(jù)用戶指令選擇相應(yīng)的系統(tǒng)參數(shù)(例如基帶信號的碼元速率,、FM調(diào)制器的中心頻率等),。表3表示在高斯濾波器模塊工作時(shí)鐘為8．192 MHz時(shí)，單片機(jī)控制濾波器系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的軟件編程主要包括兩部分：單片機(jī)控制模塊和FPGA實(shí)現(xiàn)調(diào)制指數(shù)為O．5的FM調(diào)制器模塊,。系統(tǒng)的軟件流程圖如圖2所示,。
3．1 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)
控制模塊主要包括擴(kuò)展矩陣鍵盤、LCD液晶顯示,、調(diào)制器參數(shù)控制,。
單片機(jī)控制器的系統(tǒng)工作過程如下：
單片機(jī)初始化，LCD顯示開始菜單,，包括“高斯濾波器參數(shù)設(shè)置”和“FM調(diào)制器參數(shù)設(shè)置”兩個(gè)選項(xiàng),；
進(jìn)入“高斯濾波器參數(shù)設(shè)置”子菜單，包括“系統(tǒng)帶寬設(shè)置”和“基帶碼元速率設(shè)置”,，分別可以設(shè)置2種不同的濾波器帶寬和8種基帶碼元速率,，單片機(jī)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置在P2端口輸出控制信息；
進(jìn)入“調(diào)制器參數(shù)設(shè)置”的子菜單以設(shè)置“調(diào)制載波的中心頻率”,，可以設(shè)定四種不同的載波中心頻率,，并通過單片機(jī)P3口控制FPGA的調(diào)制載波的中心頻率。
3．2 調(diào)制器的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
FM調(diào)制器采用DDS思想在FPGA平臺(tái)上實(shí)現(xiàn),。DDS(Direct Digital Frequency Synthesizer,，直接數(shù)字頻率合成)是一種新型的頻率合成技術(shù)，具有較高的頻率分辨率,，可以實(shí)現(xiàn)快速的頻率切換,。DDS系統(tǒng)主要由系統(tǒng)時(shí)鐘源、相位累加器,、正弦波查找表,、D／A轉(zhuǎn)換器和低通補(bǔ)償濾波器組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示,。其中相位累加器是DDS系統(tǒng)的核心,，它由N位加法器和N位相位寄存器組成。每來一位參考時(shí)鐘脈沖,，N位加法器將頻率控制字和累積器的相位輸出相加,，把相加的結(jié)果送到相位寄存器的輸入端。相位寄存器一方面將輸出的相位數(shù)據(jù)反饋到加法器的輸入端,，以使加法器繼續(xù)在時(shí)鐘脈沖的作用下繼續(xù)與頻率控制字相加,，另一方面又將輸出的相位數(shù)據(jù)又作為波形存儲(chǔ)表的地址輸入。波形存儲(chǔ)表把輸入的地址相位信息映射成波形數(shù)據(jù),，最后經(jīng)過DAC和低通濾波器得到模擬信號,。
本設(shè)計(jì)采用20 MHz外部晶振作為時(shí)鐘源，系統(tǒng)采用40位相位累加器,，故頻率字也取40位,，所以系統(tǒng)的頻率分辨率如下式所示：
FM調(diào)制器完成幅度到頻率的轉(zhuǎn)換是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,。例如設(shè)定基帶信號的速率為8 kHz，載波的中心頻率為200 kHz(fword=“10995116277”),，為了實(shí)現(xiàn)調(diào)制指數(shù)為0．5的FM調(diào)制器,，F(xiàn)M調(diào)制器的頻率差為4 kHz。FPGA根據(jù)8位A／D轉(zhuǎn)換器輸入的信號幅度值選擇相應(yīng)的頻率字,，從而控制輸出信號的頻率完成調(diào)頻功能,。載波的中心頻率對應(yīng)的A／D轉(zhuǎn)換器中心幅值a in=“10000 0000”；當(dāng)A／D轉(zhuǎn)換器輸入為O V(即a in=“0000 0000”)時(shí),，對應(yīng)的調(diào)制信號的輸出頻率為198 kHz(fword=“10885165114”),；當(dāng)A／D轉(zhuǎn)換器的輸入為滿刻度2 V(ain=“1111 1111”)時(shí)，調(diào)制輸出頻率為202 kHz(fword=“11105067440”),。把頻率從198 kHz到202 kHz等分成255份,，把相應(yīng)的頻率轉(zhuǎn)換成40位頻率字，則A／D轉(zhuǎn)換器的256個(gè)幅值與256個(gè)頻率字一一對應(yīng),。在每一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期,，頻率控制字與40位的相位累加器的值相加結(jié)果存入相位累加器。由于選用的ROM查找表的地址線為10位,，所以取相位累加器的高10位作為正弦查找表的地址,。正弦查找表利用Cyclone內(nèi)部的ROM模塊完成查找表的設(shè)計(jì)，字長為10位,，與所選用的DAC的數(shù)據(jù)位數(shù)相匹配,。
系統(tǒng)輸入信號的幅度與頻率字轉(zhuǎn)換的核心代碼如下：
其中，f_mid為調(diào)制信號的中心頻率,，fm_frerom為A／D輸入的信號幅度值與頻偏之間的映射關(guān)系,，系統(tǒng)根據(jù)接收到信號的幅度值相應(yīng)改變調(diào)制信號的頻偏從而完成調(diào)制功能。
4 系統(tǒng)軟件仿真及測試
4．1 軟件仿真
本設(shè)計(jì)利用EDA工具QuartusⅡ6．O完成調(diào)制器軟件編程,，通過編譯環(huán)境進(jìn)行軟件仿真如圖4所示,，其中clk為系統(tǒng)晶振時(shí)鐘，addr40為相位累加器,，a_in為A／D的轉(zhuǎn)換器的8位輸出信號,，fword為系統(tǒng)頻率字，fout為波表輸出的調(diào)制信號幅度值,。
4．2 系統(tǒng)測試與分析
系統(tǒng)測試通過IFR2399A頻譜儀來完成系統(tǒng)的硬件測試,。圖5表示在相同的硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)MSK調(diào)制的頻譜圖，圖6表示GMSK調(diào)制的頻譜圖,。對比兩個(gè)圖可以發(fā)現(xiàn),，由于加入了高斯濾波器，GMSK的頻譜更加緊湊,，帶外衰減也要快于MSK,。同時(shí)由測試結(jié)果可以看出，中頻載波為200 kHz,，主瓣寬度以及衰減狀況等與理論分析結(jié)果相符,。
5 結(jié) 語
本文實(shí)現(xiàn)了一種基于CMX589A和FPGA的GMSK調(diào)制器。系統(tǒng)采用了主從式的結(jié)構(gòu),，主控機(jī)由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對于GMSK調(diào)制器系統(tǒng)參數(shù)的控制,，CMX589A模塊完成基帶信號高斯濾波，F(xiàn)M調(diào)制器采用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)(DDS)在FPGA硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn),、系統(tǒng)最高輸出頻率為25 MHz,。同時(shí)系統(tǒng)具有很寬的基帶信號數(shù)據(jù)和調(diào)制參數(shù)靈活可控等特點(diǎn)，并且克服了正交調(diào)制方案中嚴(yán)格正交載波產(chǎn)生困難的缺陷,。測試結(jié)果表明,，已調(diào)信號包絡(luò)恒定，頻譜滿足設(shè)計(jì)要求,，適用于CDPD,，無中心站等多種通信系統(tǒng)。