CN105450310A - 可变符号速率的gmsk信号发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种可变符号速率的GMSK信号发生器，旨在提供一种实现速率快、通用性强、能够以任意速率生成信号的产生器，本发明通过下述技术方案予以实现：控制单元将参数配置各个功能模块。信息处理模块和预编码模块根据控制单元下发调制参数生成调制数据。多级内插模块根据成形滤波模块输出的符号速率，选择对应的内插级数；增益补偿模块基于多级内插模块选择对应的增益补偿并进行低通滤波。MSK调制模块将增益补偿模块输出信号进行MSK调制得到相互正交的I、Q基带信号。Farrow滤波模块对I、Q基带信号分别进行采样速率转化。载波调制模块将I、Q两路分别与载波余弦、正弦分量相乘后再相加输出GMSK带通信号。D/A模块对载波调制模块输出的GMSK信号进行数模转换。

Description

可变符号速率的GMSK信号发生器

技术领域

本发明属于测控通信领域，涉及一种可变符号速率的高斯最小频移键控(GMSK)信号发生器装置。

技术背景

随着现代通信技术的发展，移动通信技术得到快速发展，许多优秀的调制技术应运而生，其中高斯滤波最小频移键控(GMSK)技术是无线通信中比较突出的一种二进制调制方法，它具有良好的功率谱特性和较好的抗干扰性能，特别适用于无线通信和卫星通信，目前，很多通信标准都采用了GMSK技术，例如，GSM，DECT等。在我国数字通信系统中,全数字接收机已经得到了广泛的应用。利用数字化方法设计通信系统中的调制解调技术是实际应用中的一项重要技术。GMSK是一种典型的连续相位调制方式,具有包络恒定、频谱紧凑,可有效降低邻道干扰,提高非线性功率放大器的效率,已在移动通信(如GSM系统)、航天测控等场合得到广泛应用。

高斯滤波最小频移键控简称GMSK，其基本工作原理是将基带信号先经过高斯滤波器成形，再进行最小频移键控(MSK)调制。由于成形后的高斯脉冲包络无陡峭边沿，亦无拐点，因此频谱特性优于MSK信号的频谱特性。GMSK通常将高斯滤波器的3dB带宽B和输入码元宽度T的乘积BT值作为设计高斯滤波器的一个主要参数。BT值越小，相邻码元之间的相互影响越大。理论分析和计算机模拟结果表明。BT值越小，GMSK信号功率频谱密度的高频分量衰减越快。主瓣越小，信号所占用的频带越窄，带外能量的辐射越小，邻道干扰也越小。现有的一些宽带传输系统，一般是通过在信源流与传输(调制前)流之间加入一个传输流复用器，把速率不一的信源流经复用调速，使之成为一个固定速率的传输流，再送至调制器进行调制。但通过对已有调制技术的一些改进，运用一些数字处理技术，并对调制参数加以控制，可实现可变比特流传输。比如改变调制的星座点数，而保持符号速率不变来改变传送比特速率，也可改变符号速率来得到不同传输速率。就调制而言，根据需要改变星座点数只需控制映射编码，而符号速率一般与信号频谱带宽、系统工作时钟、模拟前端参数等直接相关，改变起来有一定困难。在传统GMSK产生方法中，同一装置不能适应任意速率的生成，从而导致电路复杂和难以通用化设计的问题。

目前,工程上GMSK信号一般采用正交调制方式产生，即信号经过高斯滤波器后进行MSK调制，将生成的两路正交基带信号送给载波正交信号cosw_ct和sinw_ct进行混频，得到GMSK信号，但这种方式不能适应多种速率的GMSK信号生成,随着测控通信领域的不断发展，工程上对能实现可变符号速率的GMSK信号发生器需求迫切。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处,提供一种硬件资源消耗小、实现速率快、通用性强、能够适应多种速率的GMSK信号产生装置，以解决现有技术GMSK产生方法中，同一装置不能适应任意速率的生成，导致电路复杂和难以通用化设计的问题。

本发明解决其上述技术问题所采用的技术方案是，一种可变符号速率的GMSK信号发生器，包括控制单元、信息处理模块、预编码模块、成形滤波模块、多级内插模块、增益补偿模块、MSK调制模块、Farrow滤波模块、载波调制模块和数模转换D/A模块，其特征在于：控制单元对符号速率R_c、是否预编码以及注入数据内容参数进行配置并下发各个功能模块；信息处理模块和预编码模块根据控制单元下发调制参数，将生成的信息数据送入成形滤波模块进行基带成形处理；成形滤波之后信号的不同符号速率通过多级内插模块进行多级内插，增益补偿模块将多级内插模块输出信号根据选择的内插级数进行增益补偿和低通滤波；MSK调制模块将经过成形滤波模块输出信号进行积分累加，输出相位值，将依据相位值查ROM表获得相互正交的I、Q基带信号送入Farrow滤波模块进行符号速率到采样速率的分数转换；载波调制模块将经过Farrow滤波处理后的I、Q两路基带信号，分别与载波通过直接数字频率合成器DDS产生的余弦分量cos[W_C(n)]、正弦分量sin[W_C(n)]相乘后再相加，输出高斯最小频移键控GMSK调制信号。数模转换D/A模块对载波调制模块输出的GMSK信号进行数模转换。

本发明提出的一种可变符号速率的GMSK信号产生装置,相对现技术具有的有益效果是：

本发明相比现有GMSK信号产生器，能够提供速率可变的GMSK信号发生装置。

本发明在不改变成形滤波器系数的前提下，通过控制单元改变调制信号的符号速率，将成形滤波之后信号的不同符号速率通过多级内插，达到相近的采样速率，以便不同符号速率的调制信号镜像位置相对接近，增益补偿模块根据选择内插级数进行相应的增益补偿，Farrow滤波模块完成信号的符号速率到系统采样率的分数转变，有效地提高了GMSK信号速率的精度，能够以此较简单的电路和不增加电路复杂度的条件下，实现符号速率为1Kbps～10Mbps的GMSK信号任意速率生成，具有硬件资源消耗小、实现速率快、通用化处理以及误码性能好的特点。从而解决了传统GMSK产生方法中，同一装置不能适应任意速率的生成，从而导致电路复杂和难以通用化设计的问题。

附图说明

图1是本发明用于产生可变符号速率的GMSK信号发生器的系统框图。

图2图1预编码模块结构原理示意图。

图3是图1中多级内插模块结构原理示意图。

图4是图1中Farrow滤波模块结构原理示意图。

图5是图1中载波调制模块的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进一步说明。

参阅图1。在GMSK信号发生器的系统中，控制单元通过信息处理模块顺次串联预编码模块、成形滤波模块、多级内插模块、增益补偿模块、MSK调制模块，MSK调制模块输出端两相并联的Farrow滤波模块串联载波调制模块和数模转换D/A模块。其中，控制单元对符号速率R_c、是否预编码以及注入数据内容参数进行配置并下发各个功能模块；信息处理模块根据控制单元下发调制参数，生成需要调制的信息数据；为了便于GMSK的解调和降低误码率，预编码模块对调制的信息数据进行预编码处理；成形滤波模块完成对预编码后的数据的上采样和平滑滤波；多级内插模块串联增益补偿模块，共同组成内插滤波单元，将不同符号速率的信号内插到相近的采样速率，并根据内插级数对信号幅度进行相应补偿和低通滤波处理，消除镜像。

多级内插模块根据成形滤波模块输出的符号速率，选择对应的内插级数；增益补偿模块基于多级内插模块选择对应的增益补偿并进行低通滤波；MSK调制模块将经过成形滤波模块输出信号进行积分累加，输出相位值，根据相位值查ROM表获得相互正交的I、Q基带信号；Farrow滤波模块完成对输入基带信号速率到系统采样速率的转化和延时同步；载波调制模块将经过Farrow滤波处理后的I、Q两路分别和载波的cos[W_C(n)]、sin[W_C(n)]相乘后再相加，输出GMSK调制信号。数模转换D/A模块对载波调制模块输出的GMSK信号进行数模转换。

参阅图2。预编码模块输入数据d_k为二进制码元序列0或1，与前一时刻数据d_k-1进行模2加运算，得到新的预编码数据a_k后进行NRZ编码，即输入信号a_k为0时，经NRZ编码后输出为-1；输入信号a_k为1时，经NRZ编码后输出为1。其中d_k为输入第k个二进制码元，d_k-1为输入第k-1个二进制码元，a_k为预编码后输出第k个码元。

参阅图3。多级内插模块将成形滤波模块输出信号进行多级内插，该模块包括n个2阶内插滤波器，该模块根据输入信号的不同符号速率R_c，选择不同的滤波器个数n,输出相对接近的符号速率。

参阅图4。Farrow滤波模块将输入信号的符号速率转换成载波的采样率，并用如下转换公式转换：

$y\left({\mathrm{mT}}_y\right)=\underset{n=-\mathrm{\∞}}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}x\left({\mathrm{nT}}_x\right)h({\mathrm{mT}}_y-{\mathrm{nT}}_x)---\left(1\right)$

其中y(mT_y)为经过Farrow滤波器输出码元序列的第m个采样间隔，x(nT_x)为输入码元序列的n个采样间隔，h(mT_y-nT_x)为滤波器加权系数，T_x为输入信号采样间隔，对应的输入信号采样率f_x＝1/T_x，m和n分别代表输出信号和输入信号的时间分量，T_y为输出信号的采样间隔。设mT_y＝(k_m+Δ_m)T_x,0≤Δ_m＜1，k_m为输出信号采样间隔是输入信号采样间隔的整数倍。令k＝k_m-n，简化并改写公式(2)为

$y\left(m\right)=\underset{k=-I_1}{\overset{I_2}{\Σ}}x(k_m-k)h(k+{\mathrm{\Δ}}_m)---\left(2\right)$

用N阶拉格朗日多项式逼近h(k+Δ_m)，如下：

$h(k+{\mathrm{\Δ}}_m)=\underset{\mathrm{\τ}=0}{\overset{N}{\Σ}}{c}_{\mathrm{\τ}}\left(k\right){{\mathrm{\Δ}}_m}^{\mathrm{\τ}}---\left(3\right)$

将(4)式代入(3)式，并化简后为：

$y\left(m\right)=\underset{\mathrm{\τ}=0}{\overset{N}{\Σ}}v\left(\mathrm{\τ}\right){{\mathrm{\Δ}}_m}^{\mathrm{\τ}}---\left(4\right)$

其中x(k_m-k)一般为因果信号，假设信号长度为M+1，在实际应用中，一般使用四阶插值滤波器能取得很好的逼近精度，即信号长度为M+1＝4，阶数为N+1＝4，I₁＝0,I₂＝3,利用Hoener法则，可提高运算效率。Hoener法则表达式如下，

y(m)＝((v(3)*Δ_m+v(2))*Δ_m+v(1))*Δ_m+v(0)(5)

其中y(m)为经过Farrow滤波器输出第m个码元序列，Δ_m为第m个输出信号采样间隔除以输入信号采样间隔的小数部分，v(3)、v(2)、v(1)、v(0)为Farrow滤波器的4阶多项式，每阶结构系数为：

从上可以看出，Farrow滤波器结构系数固定，使用时只需改变分数延时值Δ_m，可实现任意分数的数据率转换，是一种灵活、高效的结构。

参阅图5。载波调制模块的载波频率控制字K_f在系统时钟F_s的驱动下进行积分累加，用所得累加值通过地址映射分别寻址查寻正弦表和余弦表，得到相互正交的载波余弦分量cos[W_C(n)]和载波正弦分量sin[W_C(n)]，并将经过Farrow滤波器进行采样率转换后的基带I路与载波的cos[W_C(n)]信号相乘，将另一路基带Q路与载波sin[W_C(n)]相乘，两路信号的乘积再相加，输出带通GMSK信号。其中，载波控制字K_f＝f_c*2³²/F_S，f_c为载波频率，F_s为系统时钟，cos[W_C(n)]、sin[W_C(n)]分别代表载波频率通过DDS产生的余弦分量和正弦分量，W_c为载波角频率，n为时间分量。

为了说明可变符号速率的GMSK波形产生流程，结合硬件实现并且不失一般性，以中频信号频率f_c＝70MHz，系统的采样时钟F_S＝280MHz，GMSK信号的符号速率R_c为1Msps或5Msps为例，给出其具体处理步骤如下：

控制单元配置参数命令包括GMSK的符号速率R_c为1Msps、信息是否添加预编码以及注入数据内容等参数，并将参数命令下发给各个模块。信息处理模块根据控制单元下发调制参数，在采样时钟F_S＝280MHz条件下，产生符号速率R_c为1Msps的信息数据。预编码模块根据控制单元下发参数对产生的信息数据进行预编码处理。经过预编码模块处理后的数据送入成形滤波模块，将编码后数据先进行内插上采，将输出的数据送入FIR滤波器，其中滤波器的成形滤波系数g(t)是在MATLAB工具中对根升余弦函数进行计算得到的，成形滤波系数其中 $Q\left(t\right)=\underset{t}{\overset{\mathrm{\∞}}{\∫}}\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}}{e}^{-{\mathrm{\τ}}^2/2}d\mathrm{\τ},$ T_b为符号周期，L为滤波器冲激响应长度,B为成形滤波器的3dB带宽，FIR滤波器是非递归型滤波器的简称，又叫有限长单位冲激响应滤波器。信号经过内插7倍后的符号周期为1/7Msps，BT_b＝0.25，L＝4，通过g(t)计算公式可知，信号的符号速率R_c与成形滤波器系数g(t)值成线性关系，在MATLAB中计算的符号速率为1Ksps，当改变信号的符号速率，只需在滤波器后面乘以相应增益即可，这里输入FTR滤波器的信号符号速率经内插后为7Msps，所以需在滤波器外面乘以7Msps/1Ksps的增益。该滤波器包括28级移位寄存器D，每级寄存器对应滤波器系数g(t)和输入每级寄存器的信号相乘后进行累加，其结果就是经过成形滤波器的输出。多级内插模块根据成形滤波模块输出的符号速率，选择对应的内插级数；增益补偿模块基于多级内插模块选择对应的增益补偿并进行低通滤波。MSK调制模块将增益补偿后的调制信号进行积分累加并输出相位值，再根据相位值查ROM表，得到相互正交的I、Q基带信号。其中FPGA中的ROM表的深度为8192，幅度变化值为±2¹⁵，调制度h＝0.5。Farrow滤波模块完成输入信号的符号速率转换成系统的采样频率F_s，该模块可完成调制信号的任意符号速率转换到系统的采样频率。载波调制模块将通过Farrow滤波模块后的两路基带信号与载波通过DDS产生的余弦分量cos[W_C(n)]和正弦分量sin[W_C(n)]进行正交调制，输出带通GMSK调制信号。数模转换D/A模块将产生的GMSK数字信号变换成模拟信号输出。产生符号速率R_c为5MHz的GMSK信号，重复循环。

本发明所述的可变符号速率的GMSK波形产生装置，其结构简单并且资源占用较少，有效地实现了可变符号速率的GMSK波形产生，本发明通过具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及设备；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种可变符号速率的GMSK信号发生器，包括控制单元、信息处理模块、预编码模块、成形滤波模块、多级内插模块、增益补偿模块、MSK调制模块、Farrow滤波模块、载波调制模块和数模转换D/A模块，其特征在于：控制单元对符号速率R_c、是否预编码以及注入数据内容参数进行配置并下发各个功能模块；信息处理模块和预编码模块根据控制单元下发调制参数，将生成的信息数据送入成形滤波模块进行基带成形处理；成形滤波之后信号的不同符号速率通过多级内插模块进行多级内插，增益补偿模块将多级内插模块输出信号根据选择的内插级数进行增益补偿和低通滤波；MSK调制模块将经过成形滤波模块输出信号进行积分累加，输出相位值，将依据相位值查ROM表获得相互正交的I、Q基带信号送入Farrow滤波模块进行符号速率到采样速率的分数转换；载波调制模块将经过Farrow滤波处理后的I、Q两路基带信号，分别与载波通过直接数字频率合成器DDS产生的余弦分量cos[W_C(n)]、正弦分量sin[W_C(n)]相乘后再相加，输出高斯最小频移键控GMSK调制信号，其中，W_c为载波角频率，n为时间分量。

2.如权利要求1所述的可变符号速率的GMSK信号发生器，其特征在于：预编码模块输入数据d_k为二进制码元序列0或1，与前一时刻数据d_k-1进行模2加运算，得到新的预编码数据a_k后进行NRZ编码，即输入信号a_k为0时，经NRZ编码后输出为-1；输入信号a_k为1时，经NRZ编码后输出为1，其中d_k为输入第k个二进制码元，d_k-1为输入第k-1个二进制码元，a_k为预编码后输出第k个码元。

3.如权利要求1所述的可变符号速率的GMSK信号发生器，其特征在于：控制单元通过信息处理模块顺次串联预编码模块、成形滤波模块、多级内插模块、增益补偿模块、MSK调制模块，MSK调制模块输出端两相并联的Farrow滤波模块串联载波调制模块和数模转换D/A模块。

4.如权利要求1所述的可变符号速率的GMSK信号产生器，其特征在于：数模转换D/A模块对载波调制模块输出的GMSK信号进行数模转换。

5.如权利要求1所述的可变符号速率的GMSK信号发生器，其特征在于：多级内插模块串联增益补偿模块，共同组成内插滤波单元，将不同符号速率的信号内插到相近的采样速率，并根据内插级数对信号增益进行相应补偿和低通滤波处理，消除镜像。

6.如权利要求1所述的可变符号速率的GMSK信号发生器，其特征在于：Farrow滤波模块将输入信号的符号速率转换成载波的采样率，并用如下转换公式转换：

其中，y(mT_y)为经过Farrow滤波器输出码元序列的第m个采样间隔，x(nT_x)为输入码元序列的n个采样间隔，h(mT_y-nT_x)为滤波器加权系数，T_x为输入信号采样间隔，对应的输入信号采样率f_x＝1/T_x，m和n分别代表输出信号和输入信号的时间分量，T_y为输出信号的采样间隔。

7.如权利要求1所述的可变符号速率的GMSK信号发生器，其特征在于：载波调制模块的载波频率控制字K_f在系统时钟F_s的驱动下进行积分累加，用所得累加值通过地址映射分别寻址查寻正弦表和余弦表，得到相互正交的载波余弦分量cos[W_C(n)]和载波正弦分量sin[W_C(n)]，并将经过Farrow滤波器进行采样率转换后的基带I路与载波的cos[W_C(n)]信号相乘，将另一路基带Q路与载波sin[W_C(n)]相乘，两路信号的乘积再相加，输出带通GMSK信号，其中，载波控制字K_f＝f_c*2³²/F_S，f_c为载波频率，F_s为系统时钟，cos[W_C(n)]、sin[W_C(n)]分别代表载波频率通过DDS产生的余弦分量和正弦分量，W_c为载波角频率，n为时间分量。

8.如权利要求1所述的可变符号速率的GMSK信号发生器，其特征在于：多级内插模块将成形滤波模块输出信号进行多级内插，该模块包括n个2阶内插滤波器，该模块根据输入信号的不同符号速率R_c，选择不同的滤波器个数n,输出相对接近的符号速率。

9.如权利要求1所述的可变符号速率的GMSK信号发生器，其特征在于：预编码模块处理后的数据送入成形滤波模块，将编码后数据先进行内插上采，将输出的数据送入非递归型滤波器FIR滤波器，其中滤波器的成形滤波系数g(t)是在MATLAB工具中对根升余弦函数进行计算得到的。

10.如权利要求9所述的可变符号速率的GMSK信号发生器，其特征在于：FIR滤波器包括28级移位寄存器D，每级寄存器对应滤波器系数g(t)和输入每级寄存器的信号相乘后进行累加，累加结果经过成形滤波器输出。