PDF《梁先明》

文章编号:1001 - 893X( 2010)

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05 GMSK 扩频调制信号解调解扩技术及实现 梁先明(中国西南电子技术研究所,成都610036) 摘要 : 分析并比较了两种GMSK 软扩频调制解扩解调原理和方法,介绍了硬件实现中一些节省FP GA 资源以及帧头判决的技巧和方法,最后在FPGA 中实现和硬件验证了算法,结果证明该方法能够完全取代传统的声表面波(SAW) 匹配滤波器方法.

关键词:突发通信;

GMSK;

扩频调制;

解扩;

软扩频中图分类号:TN76 文献标识码:TNA doi: 10.3969 / j. issn.1001 - 893x.2010.05.011 Realization of Demodulation and Despread Technology for GMSK Spread Spectrum Signal LIANG Xianming ( Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China) Abstract: The principles and methods of two demodulation and despread technology for tamed spread spectrum GMSK modulation are analysed and compared. Then, the skills to save FPGA resource and detect frame are intro duced in hardware design. Finally, the arithmetic is implemented in FPGA and verified by hardware. The result shows the method is feasible and can replace SAW( Surface Acoustic Wave)matched filter method. Key words: burst communication;

GMSK;

spread spectrum modulation;

despread;

tamed spread spectrum

1 引言 GMSK 等恒包络调制信号具有相位连续、码元交替时载波相位不会产生大的突变、主瓣外的信号功率衰减速度很快、中频信号带宽窄等特点,同时这类信号可采用效率较高的非线性放大器(效率高于75%) , 不会使发射信号频带增大[1] .信号频谱扩展可以降低其功率谱密度,提高抗多径干扰能力,增强信号的隐蔽性,降低被截获及检测概率,因而在通信领域得到了广泛应用.目 前,扩频调制中BPSK、 QP SK 等实现简单,因此应用较多.虽 然GMSK 相对BPSK 解调解扩性能恶化超过1dB以上[2] , 但是由于GMSK 具有更低的通道间干扰、更高的频带利用率等优点,因而在特定的民用、军事通信领域也得到了广泛的应用,美 军JTIDS 系统使用的战术数据链Link

16、 美军的增强型定位报告系统(EPLRS) 等都使用了这种调制方式.GMSK 扩频体制目前主要包含直接序列扩频和软扩频两种方式.软 扩频技术是近些年从直接序列扩频技术与编码技术相结合而发展起来的一种扩频技术,主要是应用于频带受限而数据率又要求较高的通信系统中,如短时突发通信等[3] .目前,对于直接序列扩频信号的解扩解调研究较多,文献[4] 介绍了对MSK 直扩信号进行解调和解扩的研究,需要比较复杂的扩频码的捕获、跟踪、同步等技术;

GMSK 软扩频调制的解扩和解调多采用声表面波(SAW) 匹配滤波器方案[5] , 不仅成本较高、体积较大,且抗宽温特性及抗振动性等参数也较差,不利于大规模批量产品的生产,本文则采用中频数字化处理的方案.・15・第50 卷第5期2010 年5月电讯技术Telecommunication Engineering Vol.50 No.5 May

2010 收稿日期:2010 -

03 - 06;

修回日期:2010 -

04 -

06 2 GMSK 软扩频信号的解调解扩方法文献[6] 介绍了采用声表面波器件完成MSK 扩频调制、解扩解调的方案,接收到的中频信号经过声表面波MSK 匹配滤波器完成MSK 扩频信号的解扩得到中频相关峰,然后通过中频相关峰的差分解调方式恢复信息.本 文采用的是中频信号数字化处理方案完成对GMSK 软扩频信号的解调和解扩,取代传统的SAW 匹配滤波器方案.由 于数字化处理方案与信号格式有关,为描述GMSK 扩频信号解调解扩的原理,在此采用如图1所示的简化的信号格式.图1GMSK 扩频调制简化信号帧格式Fig.1 Simplified frame format of tamed spread spectrum GMSK 如图1所示,相邻两字符间距是13μ s, 字符脉冲宽度是6.4μ s.P1 ~ P8为帧同步脉冲,可以看作8bit 巴可码信息

10111000 .巴可码的

0 为DS1 原码,巴可码的

1 为DS1 反码.P9 ~ P39为31 个字符,每个字符脉冲代表5bit 信息.DSi 为扩频码原码循环移位代表所传输的5bit 信息(这里扩频方式是(32, 5) 的软扩频).同步头及信息调制采用的是 PAM + GMSK 调制方式.突 发GMSK 扩频调制的框图如图2所示.图2GMSK 扩频调制实现框图Fig.2 Block diagram of GMSK spread spectrum modulation GMSK 软扩频调制信号的解调解扩中频数字化处理可采用基带解调相关法和中频直接相关法两种方式进行,前者首先进行GMSK 解调,然后进行基带相关解扩;

后者不进行解调,直接进行中频或者零中频相关解扩.由文献[5-7] 可知,中频直接相关的结构简单,设计时可以将包含64 位的GMSK 调制信息的本地相关序列事先存储在FPGA 内部ram 中 .而 中频直接相关法的最大问题是资源问题,需要64 *

9 个多位数乘法器,对FPGA 的选型要求比较高,资源消耗很大,且相关峰的大小受中频信号的强弱成线性关系,受发射与接收的频差、相差影响而造成相关峰值有一定的起伏;

而基带解调相关法是先解调再解扩的方法,如果采用Cordic 算法则相关峰的大小与中频信号的强弱没有关系,便于判决门限设置,且不受发射与接收的频差、相差影响,并且解调后的基带信号相关时本地序列都是±1, 则可以采用加法器即可完成相关运算,对FPGA 选型要求不高.两种方法效果在信噪比5dB以上差别不大,在5dB以下时中频直接相关的效果明显好于解调相关的结果;

如果灵敏度下信噪比超过5dB, 综合成本和性能考虑,可采用的是基带解调相关法.3算法设计与实现根据中频直接相关法和基带解调相关法两种方法进行了算法仿真和对比,最终确定采用基带解调相关法,其处理终端的GMSK 解扩解调部分的结构图如图3所示.AD 器件选用高速、低功耗、高SNR、 高SFDR 的AD9236,FPGA 是Altera 公司的性价比高、Cyclone II 系列的EP2C35, 其包含33

216 个LE ( 每个LE 有1个4输入查找表和1个多功能寄存器)、105 个4kbit的RAM 块、35 个18 *

18 专用乘法器(这里配置成70 个9*9的乘法器)、4个PLL、 最大475 个I/ O 等 .图

3 中信号中心频率为78.75 MHz, A/ D 采样时钟取45 MHz, 相对于1个扩频码符号9个采样点,所有信号处理都是在同一块FPGA 内实现.图3处理终端GMSK 解扩解调结构框图Fig.3 Block diagram of signal processing terminal for tamed spread spectrum GMSK 3.1 GMSK 解扩GMSK 扩频信号经Cordic 算法差分解调后的瞬・25・www. teleonline. cn 电讯技术2010 年时频率基带信号与本地基带信号进行相关解扩处理(32 位扩频码,每个码9个样点),如图4所示.图4GMSK 解扩结构框图Fig.4 Block diagram of demodulation and despread for tamed spread spectrum GMSK 对于帧头采用的是包含32 个伪随机码的相关器,由图可知需要8*32 +

31 =

287 个加法器,而实现时根据其结构特点可以继续简化,下面进行推导:如图4所示,当前0时刻对应的相关结果Y为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个时刻的相........