一种高速GMSK调制解调器实现方法的研究

【摘 要】GMSK信号具有很好的频谱和功率特性，特别适用于功率受限和信道存在非线性、衰落以及多普勒频移的移动突发通信系统。本文提出了基于CMX909B调制芯片和8051控制芯片的GMSK无线调制解调器的软、硬件设计方案，接收/发送速率可达38.4kbps，对GMSK调制进行了性能仿真。该设计成本低，操作灵活，具有应用意义。

【关键词】数字调制解调器，GMSK，单片机

【Abstract】As a bandwidth-efficient and power-efficient modulation method, Gaussian minimum shift keying(GMSK)is important for power-limited digital mobile communication systems having nonlinear channel with fading and Doppler frequency shift. This paper presents a new design for wireless MODEM application including software and hardware scheme, and then simulates the performance of the system. The system has the advantages such as low cost and flexible operation.

【KEYWORDS】：digital MODEM ,GMSK ,simulation and debug

一．引言

为了适应无线信道的特性，由该调制方式所产生的已调波应具有以下两个特点：第一，包络恒定或包络起伏很小。第二，具有最小功率谱占用率。高斯最小频移键控（GMSK）调制方式正好具有上述特性。GMSK调制使在给定的带宽和射频信道条件下数据吞吐量最大。GMSK是当前现代数字调制技术领域研究的一个热点。

二．GMSK原理和性能特点                                                         

采用高斯滤波器作调制前基带滤波器，将基带信号成型为高斯脉冲，再进行MSK调制，这种调制方式称为GMSK。由于成形后的高斯脉冲包络无陡峭边沿，亦无拐点，经调制后的已调波在MSK的基础上进一步得到平滑其相位路径如图1所示。因此它的频谱特性优于MSK，但误比特率性能不如MSK（1）。

                               图1  GMSK平滑相位路径

                      图2  GMSK功率普密度与BT值得关系

一般的二进制部分响应连续相位调制的表达式为 （1）

这里f0是载波频率，复基带信号可表示为，其中承载信息的相位为（2）是输入比特的能量，是独立的信息码元，其取值为{1,-1},且等概率。h是调制指数，在此h=0.5，T是码元间隔。

（3）

    g(t)是平滑滤波器的脉冲响应，P(t)是它的成型函数。对于GMSK，g(t)是持续有限长的高斯函数，在实际应用中通常将g(t)截短，比如在GMSKL中，g(t)滤波函数在[0，LT]上的表示式为（4）这里，，，且

当BT=0.3，从功率谱的角度讲，我们可以取L=3。对于BT=0.25，我们可以取L=4。

调制之后，GMSK信号的表达式（5）式中

（6）这里,a是输入数据。为了便于接收端的判决，通常在调制之前对码元要先进行一次差分编码，对于2bit差分检测差分编码的规则为通过计算机仿真及硬件测试我们看到，图3为GMSK信号相位示意图，图4为调制后GMSK信号的功率谱。

三.设计目标

本文中的调制解调器是针对无线传输设计的，设计方案完全满足Mobitex标准结构。Mobitex是工作在900MHz的窄带分组无线广域网，用来无线数据通信——包括传送电子邮件。该网络使用GMSK.3调制器，以9.6kbps的数据率运行。典型移动/手持通信终端内，无线收/发射机（物理层）与其它层的接口是一个高性能的高斯最小频移键控（GMSK）调制器。这种网络无线基站，典型的是能覆盖半径5~15m的范围，各基站以蜂窝状排列。它的典型终端结构如图3所示。

其中调制解调器为GMSK调制解调器,CMX909B芯片支持该网络的功能。CMX909B的设计与“Mobitex接口细节”条款一致，包括短帧结构编排以满足扩展的节点协议。

CMX909B芯片的典型应用是Mobitex 网络的调制解调器（MODEM）。它是半双工的BT＝0.3的GMSK调制解调器的数据泵，芯片集成了分组数据处理的功能。GMSK调制在给定的带宽和射频信道条件下数据吞吐量最大。集成的分组数据处理能力接收主控制器的一些有规律的处理任务，包括保持比特同步、帧同步、块的编排、循环冗余检验（CRC）和前向纠错编码（FEC）错误处理、数据交织、扰频输出等。解调器采用反馈平衡技术减小信道失真（畸变），同时增强接收机在没有最大似然估计方法的计算前提下的接收性能。

GMSK调制/解调；芯片内集成分组检测功能；接收/发送速率可达38.4kbps；并行uc(主处理器)接口；数据包帧结构短、无填充；低的驱动电压（3/5伏）操作；与Mobitex兼容（包括R14N短帧）；操作灵活和节能模式。

该MODEM对程序员来说，有4个8位的只写寄存器和3个只读寄存器，另外独立的寄存器可通过A0、A1输入芯片进行选择。在MODEM内部寄存器与uC的数据总线之间有8个三态双向缓冲器。

四.设计实现

为了追求低成本，高灵活性，在GMSK信号调制器的设计上采用了廉价的单片机8051，通过软件编程实现工作模式选择和运行速率选择的控制等。调制芯片与微控制器芯片的接口如图4所示。这是硬件设计的主要框架。

系统主要包括三个模块——数据输入模块，调制模块和控制模块。其工作原理如下：

系统上电或者复位以后完成初始化，然后单片机循环扫描串口和并口键盘；基带数据从单片机串口以中断的方式输入，或者系统附带键盘数据以中断的方式从并口输入；单片机缓存数据并把它们编排成帧，帧由帧头加若干个数据块构成，帧头包括帧同步格式，这是为了接收端的MODEM可以识别每一帧的开头；经过8155H输入到CMX909B中，CMX909B完成CRC和FEC错误处理、数据交织、扰频输出。各种操作，比如发送一个数据块，MODEM都是当作任务——TASK来对待的。在接收模式下，MODEM 可以在得到指令后去组装一个块的有用比特，再去扰频、去交织、检错、纠错，然后把二进制数据放到数据缓冲区，以便uC读取。解调器采用反馈平衡技术减小信道失真（畸变），同时增强接收机在没有最大似然估计方法的计算前提下的接收性能。

    系统传输的数据传输格式是紧跟帧头之后是一个短数据块或n（0～32）个普通数据块。帧头包含7个字节：

        2字节位同步——11001100   11001100————来自基站；00110011   00110011————来自移动台；并且是从左至右传送。

2字节帧同步——随系统不同而不同。

        2字节控制信息——地址信息。

1字节的FEC编码——7～4比特位针对第一个控制字节，3～0比特对应第二控制字节。

   帧头的每个字节都是从第七比特（MSB）开始传送，知道第零比特（LSB）。

   数据块由以下部分组成（30字节或9字节）：

        18字节数据（普通数据块）或4字节数据（短数据块）；

        2字节CRC码——由数据字节计算得到；

        与各数据字节和控制字节对应，分别产生4比特的FEC编码。

   然后该数据块进行交织和扰频后输出。

根据系统设计功能、系统内部时序以及数据格式要求，设计系统流程图。键盘数据发送驱动程序按下述流程图编写。

软件设计用C语言和汇编语言混合编写，系统功能用C语言实现，寄存器初始化和核心硬件处理用汇编语言实现。驱动程序主要包含以下几个部分：系统初始化程序、时钟管理、循环扫描、中断调用（包括数据处理、数据发送、出错处理等），其中数据调制发送过程子程序如下。

SEND:MOV DPTR,#0E500H       ;A0,A1对应命令寄存器

     MOV A,#07H               ;给CMX909B写入复位命令

     MOVX @DPTR,A

     MOV R0,#02H              ;每帧内的数据块个数

     MOV DPTR,#0E600H        ;A0,A1对应控制寄存器

     MOV A,#0A2H             ;CMX909B数据率为8Kbps,X1=8MHz

     MOVX @DPTR,A

     MOV DPTR,#0E700H        ;A0,A1对应模式寄存器

     MOV A,#0B0H              ;设定CMX909B……

     MOVX @DPTR,A           ;读P1口

     MOV P1,#0FFH

     MOVX A,@DPTR

     SETB C

     ANL C,ACC.6             ;ACC.6为bfree位，

     JZ SEND                     ;为0，则buffer不为空，等待

     MOV DPTR,#0E400H          ;为空，则写入6字节的帧头

     MOV A,#33H                 ;位同步码

     MOVX @DPTR,A

     MOVX @DPTR,A

     MOV A,#77H                 ;位同步码

     MOVX @DPTR,A

     MOVX @DPTR,A             ;地址控制信息

     MOV A,#55H

     MOVX @DPTR,A

     MOVX @DPTR,A

     ACALL DELAY               ;等待>2bit的时间让滤波器启动

     MOV DPTR,#0E500H          ;给命令寄存器写T7H任务

     MOV A,#01H

     MOVX @DPTR,A

WAIT1:MOV A,#20H                ;等缓冲器空

     ANL A,PSW

     JZ WAIT1

     MOV A,R0

     JZ FOLLOW                  ;一帧内数据块计数＝0，发下一帧

     MOV R1,#12H                ;每个数据块含18字节

     MOV DPTR,#0E400H

DATABLOCK:SETB RS0            ;发送18字节的数据块

     MOV A,@R0

     INC R0

     CLR RS0

     MOVX @DPTR,A

     DEC R1

     MOV A,R1

     JZ  GO                        ;发满了18字节，转GO

     SETB RS0

     MOV A,R0

     CLR RS0

     CJNE A,#30H,DATABLOCK

     ACALL FILL                   ;栈空，填“0”

  GO:MOV DPTR,#0E500H           ;给CMX909B写TDB任务

     MOV A,#03H

     MOVX @DPTR,A

WAIT2:MOV A,#20H                ;等buffer空

     ANL A,PSW

     JZ  WAIT2

     MOV A,R3

     XRL A,#0FH                 ;若有出错标志，放弃发送

     JZ  FINISH

     DEC R0                      ;数据块计数器减1

     CJNE R0,#00H,DATABLOCK    ;不等于0，继续发送数据块

FOLLOW:SETB RS0

      MOV A,R0

      CLR RS0

      CJNE A,#30H,SEND           ;R6于R7不等，发送下一帧

READY:MOV DPTR,#0E400H         ;写Hang字节，结束一次发送

      MOV A,#0DDH

      MOVX @DPTR,A               ;写TSB任务

      MOV DPTR,#0E500H

      MOV A,#05H

      MOVX @DPTR,A

      AJMP FINISH

FILL:MOV A,#00H                    ;填“0”子程序

     MOVX @DPTR,A

     DEC R1

     CJNE R1,#00H,FILL

     RET

FINISH:SETB P2.4           ;“SEND”中断处理结束,亮蓝灯

使用伟福仿真平台和CMX909B开发平台可以观察各端口和寄存器数据值。如下图示。

五.结束语

本文分析了GMSK的原理，在考虑到可行性、实用性和经济性的前提下，成功地完成了方案设计、印刷电路板的制作和安装、完成了软件（驱动程序）的设计和调试，达到了设计要求。该设计很理想地适用于Mobitex、无线遥测、无需许可的无线数据传输和ISM频带无线传输等应用。