基于DSP和RFASIC芯片的GFSK调制解调器
摘要：介绍了一种基于DSP和RFASIC芯片的GFSK正交调制解调器的设计和研制方案。回顾了传统的GFSK调制器的硬件实现方法,分析了GFSK正交调制器的基带构成,讨论了在SYSTEMVIEW平台下GFSK调制解调器的系统仿真,并将仿真算法用于TIVC5402 DSP,在子系统级RFASIC芯片U2793B和AD6459的硬件环境中,较好地实现了GFSK正交调制解调功能。
关键词：自动识别系统;GFSK;正交调制解调;DSP;软件无线电
1 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DSP/FPGA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GFSK调制解调器中,要严格控制高斯滤波器的BT积和调频器的调制系数,并不是一件很简单的事,而在DSP/FPGA软件平台上,则是轻而易举的。本文介绍了一种基于TIVC5402 DSP的GFSK基带信号处理器的设计,并在子系统级RFASIC芯片U2793B和AD6459硬件支持下,实现了GFSK的调制解调功能和技术指标要求。
2 传统的GFSK调制解调器概述
从调制原理上来看,GFSK(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FSK调制的数字调制方式。它在保持恒定幅度的同时,能够通过改变高斯低通滤波器的3dB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,GFSK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。
从实现的方式上来看,GFSK调制可以分为直接调制和正交调制2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0.5,它就是熟知的GMSK(高斯最小频移键控)调制,因此GMSK调制可以看成是GFSK调制的一个特例。而在有的文献中,称具有不同BT积和调制指数的GFSK调制方式为GMSK/FM,这实际上是注意到了当调制指数不等于0.5时,该方式不能称为GMSK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PLL频率合成器的VCO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GFSK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2部分,一部分按常规的调频法加在PLL的VCO端,另一部分则加在PLL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GFSK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,不受环路带宽的影响。但是,两点调制增加了GFSK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GFSK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,GFSK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,GFSK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GFSK ASIC芯片早已问世。典型的产品有CML Microcircuits公司的FX589和FX019,前者是一个可由微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GFSK基带信号处理电路,但GFSK的参数不能随意设定。可用于正交调制解调的ASIC专用芯片有TEMIC Semiconductors公司的U2793B和AD公司的AD6459,它们分别是频率高达300MHz的RF差分输入正交调制器和500MHz的RF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GFSK调制解调器产品性能要求。
考虑到上述因素,本文设计的GFSK调制解调器综合了数字技术和模拟技术的优点,通过DSP器件及其算法实现GFSK基带信号处理,而用U2793B和AD6459实现正交调制和解调功能。
3 GFSK正交调制器的基带子系统构成
类似于文献7的表述,GFSK信号的数学表达式可以写为
式中,m为调制指数,当m=0.5时就是GMSK调制;αn为输入不归零的双极性数据信号码元,T为信号码元周期,h(t)为预调制高斯低通滤波器的冲激响应:
式中,B为高斯低通滤波器的3dB带宽。
上式与文献7的差别只是在相位函数中增加了调制指数m,因而更具一般性。由(1)式可见,给定载波频率和码元速率后,GFSK的特性就取决于B和m两个参数。
根据(1)式,画出GFSK调制器的基带结构框图如图1所示。图中,h(t)为高斯低通滤波器,K=mπ/T,φ(t)为GFSK的相位函数,I(t)为基带相位信号同相输出分量,Q(t)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GFSK基带信号,而称I(t)和Q(t)两路相位信号为GFSK基带IQ信号。
图1 GFSK调制器的基带信号处理器结构框图
由图1可见,GFSK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3个问题。
4 GFSK调制解调器的仿真
为了在DSP上实现GFSK调制解调,需要首先确定DSP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。ELANIX公司的信号级系统仿真软件SYS2TEMVIEW能够胜任这项专门工作,它是一个运行于WINDOWS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2为本文设计的一种SYSTEMVIEW仿真平台下GFSK正交调制解调器系统仿真框图。
图中发端的GFSK基带信号处理器即为图1各部分电路构成,GFSK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。信道模型用于模拟一个适合所设计的系统传输信道,根据需要可以选择诸如多径信道、窄带干扰信道、莱斯(Rise)衰落信道、Jakes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GFSK基带IQ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2 GFSK调制解调器的系统仿真框图
图3为GFSK调制器基带IQ信号的仿真波形,图4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2种情况下的眼图。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3GFSK调制器基带IQ信号波形
图4GFSK调制解调器输入输出信号眼图
5 用于AIS的GFSK调制解调器
船舶自动识别系统(Automatic Identification System,AIS)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,AIS已经在发达国家得到了广泛应用。AIS采用OSI(Open Systems Interconnection)工作模型,无线传输的带宽为25kHz或12.5kHz,调制采用GMSK/FM(即GFSK)方案,数据编码为NRZI方式,数据传输的比特率为9600bit/s。下面介绍一种可用于AIS的GFSK调制解调器,它是在SYSTEMVIEW仿真基础上,一种基于TMS320VC5402DSP软件平台和U2793B、AD6459RF调制解调子系统硬件环境的系统设计。
5.1 数据处理
按照AIS通信协议,在进行GFSK调制以前,先要对原始数据作一系列的处理。
(1)数据组帧
AIS的数据组帧格式采用简化的HDLC协议,其组成结构如图5所示。
图5 AIS数据组帧结构
其中,数据组帧长度为256位,有效数据为168位,24位训练码由交替的0和1组成,8位起始标志和终止标志为0x7E,16位CRC效验只针对有效数据进行,效验多项式为x16+x12+x5+1,初始预置为0xFFFF。缓冲部分中,4位预留给比特填充,12位预留给距离延时,2位预留给重复延时,6位预留给同步抖动。为了保证信号有足够的变化,在AIS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5个连1之后都应该插入1个0。接收器必须在对NRZI数据解码之后识别填充比特并丢失它们。
(2)数据编解码
按AIS的要求,数据在形成二进制基带信号之前以及从接收器恢复之后要进行NRZI编解码。NRZI编码规则是:如果原数据为1,则编码后的数据不出现电平变化;如果原数据为0,则编码后的数据有相应的电平变化。这样,一串连续的0会使得NRZI数据每比特周期都会出现跳变,而一串连续的1则使得数据中长时间不会出现变化。
(3)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GFSK调制的要求。
根据以上AIS的数据组帧格式和编码要求,可以编制出AIS调制器的基带数据处理DSP程序,其流程为:从缓冲寄存器中读取数据→计算CRC效验码→比特填充→数据组帧→NRZI编码→码元极性变换。而AIS解调器的基带数据处理DSP程序流程则是其逆过程:码元极性变换→NRZI解码→数据解帧→去比特填充→计算CRC效验码→数据存入缓冲寄存器。
5.2 GFSK调制器基带信号处理
(1)高斯低通滤波器
由于FIR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FIR结构。高斯低通滤波器的DSP实现是简单和直接的,重要的是系数表的产生。利用SYSTEMVIEW的OPERATOR/FILTER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FIR滤波器系数。这比其它数字信号处理软件如MATLAB等更为方便。
(2)相位积分器
注意到(1)式中被积函数就是DSP程序中FIR滤波器的输出,将它记为x(t),则GFSK的相位函数φ(t)可以表示为
利用复化积分公式,可将上式表为离散数字化形式:
式中Ts为DSP的积分器采样周期。在DSP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±2π,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DSP的不同Q值之间的定点数运算问题。
(3)三角函数发生器
TMS320VC5402 DSP的软硬件资源十分丰富,为用户提供了2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。
5.3 RF正交调制解调
RF正交调制解调器可以有2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ASIC芯片。另一种为软件方式,利用数控振荡器(NCO)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DSP的开销。由于U2793B/AD6459是模拟器件,在调制方,需要将基带IQ数字信号通过DAC转变为I、Q两路差分模拟信号,对U2793B的本振信号进行调制;而在解调方,需要通过ADC将I、Q两路差分模拟信号转变为数字信号,以便适合DSP进行GFSK解调信号处理。为方便起见,以下列出U2793B/AD6459的主要特性。
U2793B有以下主要功能特点:精确的90°相移特性;30～300MHz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。
AD6459有以下主要功能特点:DC～500MHz的射频和本振信号频率带宽;5～50MHz的中频解调频率范围;高达80dB的整机AGC增益调整范围;高温度稳定性的对数中频放大器。
5.4 GFSK解调器基带信号处理
GFSK基带IQ信号从AD6459解调出来后,通过A/D变换,变成数字信号送到DSP处理器,进行GFSK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。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DSP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1/G(ω)的滤波器,而G(ω)为调制端高斯滤波器的传输函数。有关这方面的DSP算法和程序,本文继承了文献[8]的成果。
6 结论
本文介绍了一种DSP+RFASIC芯片的GFSK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GFSK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C54DSP仿真平台CCS上,还是通过示波器直接对原理样机的端口信号采样并进行波形分析,所研制的GFSK正交调制解调器各个功能模块的波形和数据都能够符合SYSTEMVIEW的仿真结果。
[7]杨小牛,等.软件无线电原理与应用[M].北京:电子工业出版社,2001.
[8]易大方.差分GPS数字信标接收机的研制[J].电讯技术,2004,44(5).