CN112804174B - 可变码率和调制指数的gfsk数字调制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可变码率和调制指数的GFSK数字调制装置，其包括：时钟生成模块，用于生成GFSK调制的工作时钟；高斯滤波器模块，用于信息比特的滤波整形；调制指数合成模块，用于调整GFSK指定的频率间隔；直接数字频率合成模块，用于根据高斯滤波器模块输出的实时频率控制字，生成相应频率的GFSK数字调制信号。本发明具有结构简单、成本低、应用范围广等优点。

Description

可变码率和调制指数的GFSK数字调制装置
技术领域
本发明主要涉及到通信技术领域，特指一种可变码率和调制指数的GFSK数字调制装置。
背景技术
GFSK(Gauss frequency shift keying，高斯频移键控)调制是一种连续相位的频移键控调制技术，它对发送的基带二进制信号首先进行高斯低通滤波，然后将滤波后的信号进行载波调制。GFSK调制有容易实现、包络恒定、功率谱集中、抗干扰能力强、抑制带外辐射、压缩信号功率等优点，这使得其在低数据速率和低成本的无线音视频传输系统和现代通信设备(蓝牙)中有很大需求。
GFSK调制有两种实现方式：模拟调制和数字调制。模拟调制精确度低、成本高，且在使用不同工艺制造时需要重新设计电路。数字调制从基带信息比特到被调信号产生，都是用数字电路实现，精度可控，成本低，调试方便。
有从业者提出中国专利CN107995137，该技术方案描述了一种GFSK基带信号数字调制产生方法，通过查找存储的数据表代替高斯滤波、积分、求正余弦值等逻辑运算，简化设计和减小逻辑面积。其核心思想是根据所述调制指数、采样频率、有效截止范围和相位计算公式，计算各个相位值，并计算各个相位值对应的正弦值和余弦值，将各个相位值对应的正弦值和余弦值添加到所述数据表，根据所属数据表进行GFSK调制。
然而，数字基带电路的数据传输速率可能是变化的(如数据传输速率要求在1kbps-500kbps)，这时，根据专利CN107995137技术方案中的方法计算的数据表就不能适应这种需求。为了适应变化的数据传输速率，可能需要设计多张数据表，浪费了存储资源，使电路结构更加复杂。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、成本低、应用范围广的可变码率和调制指数的GFSK数字调制装置。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种可变码率和调制指数的GFSK数字调制装置，其包括：
时钟生成模块，用于生成GFSK调制的工作时钟；
高斯滤波器模块，用于信息比特的滤波整形；
调制指数合成模块，用于调整GFSK指定的频率间隔；
直接数字频率合成模块，用于根据高斯滤波器模块输出的实时频率控制字，生成相应频率的GFSK数字调制信号。
作为本发明的进一步改进：所述工作时钟根据与信息速率的倍数关系实时可调。
作为本发明的进一步改进：所述高斯滤波器模块的滤波器系数由matlab中gaussdesign函数生成。
作为本发明的进一步改进：所述时钟生成模块包括时钟频率控制字寄存器、累加器、累加寄存器；其中，所述时钟频率控制字寄存器用于保存转化后的时钟频率控制字，并将其传送到累加器，在外部高速时钟的驱动下，进行累加操作；所述累加器的结果传送到累加寄存器进行保存，以便在下一时钟取出，用于和时钟频率控制字相加，在经过多个高速时钟运行后，累加器会产生溢出，将溢出位作为产生的工作时钟。
作为本发明的进一步改进：所述高斯滤波器模块包括系数寄存器、延迟寄存器、乘法器和加法器；其中，系数寄存器用于保存matlab生成的高斯滤波器系数，所述高斯滤波器系数通过与后续直接数字频率合成模块的联系进行了转换，变为含有直接数字频率合成模块频率控制字信息的定点数；所述延迟寄存器用于对信息符号采样点的寄存；所述乘法器用于高斯滤波器系数和对应延迟信息符号采样点相乘，其相乘结果传送到加法器；所述加法器将不同系数和延迟采样点的相乘结果进行相加，得到最终的信息比特成型滤波结果。
作为本发明的进一步改进：所述调制指数合成模块包括调制指数寄存器和乘法器，所述调制指数寄存器用于接收配置的调制指数，所述调制指数寄存器与乘法器相连；所述乘法器将调制指数和高斯滤波器模块的结果进行相乘，完成指定调制指数的变换，变换结果去除浮点数转换为定点数的倍数关系后，输出到下一模块作为频率控制使用。
作为本发明的进一步改进：所述直接数字频率合成模块包括累加器、累加寄存器及波形查找表，所述累加器用于接收调制指数合成模块输出的频率控制字，并进行累加，累加结果存储到累加寄存器；所述累加寄存器将结果作为查询地址输送到波形查找表，进行相位和幅度的波形变换。
作为本发明的进一步改进：还包括预处理模块，将完成信息符号上采样后的采样点输出到高斯滤波器模块，然后经过调制指数合成模块和直接数字频率合成模块，完成GFSK数字基带信号的调制生成。
作为本发明的进一步改进：所述高斯滤波器模块中滤波参数对信息码率和采样速率的倍数关系，通过需要传输的信息码率计算出工作时钟频率，然后转化为时钟频率控制字。
作为本发明的进一步改进：所述调制指数合成模块用于对所述高斯滤波器模块的输出结果进行指定频率间隔的调整，调制指数用于控制GFSK调制时生成的两个频率之间的间隔，与信息码率相关；调制指数在设定之后将其配置到调制指数寄存器。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的可变码率和调制指数的GFSK数字调制装置，结构简单、成本低、应用范围广，其通过时钟生成模块产生灵活可变的工作时钟，满足了高斯滤波器中要求的信息码率与采样速率的倍数关系，实现可变信息码率的功能。并且，通过调制指数合成模块，将高斯滤波器的输出结果进行指定调制指数的变换，实现可变调制指数的功能。也就是说，根据本发明的方法采用一组高斯滤波器参数，即可适应多种信息码率和调制指数的GFSK数字调制，节省了硬件资源，满足了更多场景下的应用需求，并且工程实现简单，降低工程实现成本。
附图说明
图1是本发明装置的结构原理示意图。
图2是本发明在具体应用实施例中时钟生成模块的结构原理示意图。
图3是本发明在具体应用实施例中高斯滤波器模块的结构原理示意图。
图4是本发明在具体应用实施例中调制指数合成模块的结构原理示意图。
图5是本发明在具体应用实施例中DDS模块的结构原理示意图。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，本发明的一种可变码率和调制指数的GFSK数字调制装置，其包括：
时钟生成模块11，用于生成GFSK调制的工作时钟；所述工作时钟可以根据与信息速率的倍数关系实时可调；
高斯滤波器模块12，用于信息比特的滤波整形；其中，滤波器系数由matlab中gaussdesign函数生成；信息比特在经过高斯滤波器模块12后，每一个符号会扩展到其它符号内，使当前符号的波形变得更加平滑，避免了高频信息的产生，减小的频谱占用的带宽。
调制指数合成模块13，用于调整GFSK指定的频率间隔；所述调制指数合成模块13中的调制指数可以根据实际要求实时可配置；
直接数字频率合成模块14(DDS模块)，用于根据高斯滤波器模块12输出的实时频率控制字，生成相应频率的GFSK数字调制信号。
在具体应用实例中，所述时钟生成模块11包括时钟频率控制字寄存器、累加器、累加寄存器；其中，所述时钟频率控制字寄存器用于保存转化后的时钟频率控制字，并将其传送到累加器，在外部高速时钟的驱动下，进行累加操作。累加器的结果需传送到累加寄存器进行保存，以便在下一时钟取出，用于和时钟频率控制字相加，在经过多个高速时钟运行后，累加器会产生溢出，将溢出位作为产生的工作时钟。
在具体应用实例中，根据所述高斯滤波器模块12中滤波参数对信息码率和采样速率的倍数关系，可以通过需要传输的信息码率计算出工作时钟频率，然后转化为时钟频率控制字。
在具体应用实例中，所述高斯滤波器模块12包括系数寄存器、延迟寄存器、乘法器和加法器；其中，系数寄存器用于保存matlab生成的高斯滤波器系数，该系数通过与后续DDS模块的联系进行了转换，变为含有DDS模块频率控制字信息的定点数；所述延迟寄存器用于对信息符号采样点的寄存，延迟的单位时间是一个工作时钟，所述延迟寄存器的深度与高斯滤波器系数相关，所述延迟寄存器深度越深，延迟时间越长；所述乘法器用于高斯滤波器系数和对应延迟信息符号采样点相乘，其相乘结果传送到加法器；所述加法器将不同系数和延迟采样点的相乘结果进行相加，得到最终的信息比特成型滤波结果。
在具体应用实例中，所述调制指数合成模块13用于对所述高斯滤波器模块12的输出结果进行指定频率间隔的调整，调制指数用于控制GFSK调制时生成的两个频率之间的间隔，与信息码率相关；调制指数根据不同的应用需求进行设定，设定之后将其配置到调制指数寄存器。
在具体应用实例中，所述调制指数合成模块13包括调制指数寄存器和乘法器，所述调制指数寄存器用于接收配置的调制指数，由于调制指数是浮点数，可以先将其转换为定点数保存，调制指数寄存器与乘法器相连；所述乘法器将调制指数和高斯滤波器模块12的结果进行相乘，完成指定调制指数的变换，变换结果去除浮点数转换为定点数的倍数关系后，可输出到下一模块作为频率控制使用。
在具体应用实例中，所述直接数字频率合成模块14(DDS模块)用于接收变换后的频率控制字，按照该指定的频率控制字进行直接数字频率综合生成。由于GFSK信息符号是双极性不归零码，经高斯滤波器模块12滤波和调制指数合成后，频率控制字实际上是有正负的，这种正负实际上就是GFSK调制时产生的相位变化，直接使用该频率控制字进行DDS变换，即可输出GFSK基带信号。
在具体应用实例中，所述直接数字频率合成模块14(DDS模块)包括累加器、累加寄存器及波形查找表，所述累加器用于接收调制指数合成模块输出的频率控制字，并进行累加，累加结果存储到累加寄存器；所述累加寄存器将结果作为查询地址输送到波形查找表，进行相位和幅度的波形变换，其次，在下一个工作时钟，所述累加寄存器还将输出寄存结果到累加器，与新输入的频率控制字进行累加，以此循环。
可以理解，在具体应用实例中，本发明实施例还可以包括信息符号上采样等必要的预处理模块，将完成信息符号上采样后的采样点输出到高斯滤波器模块12，然后经过调制指数合成模块13和直接数字频率合成模块14(DDS模块)，完成GFSK数字基带信号的调制生成。
以下将结合具体应用，本发明对本方案的详细工作流程做进一步详细阐述。
由于高斯滤波器的实现需要确定的过采样率倍数，因此，一组固定的高斯滤波器系数决定了其工作时钟与信息比特传输码率的关系。以本发明中高斯滤波器采用的过采样率倍数8为例，当外部信息比特传输码率为10ksps时，高斯滤波器工作时钟为80KHz，当外部信息比特传输码率为20ksps时，高斯滤波器工作时钟为160KHz，即当信息比特码率改变时，高斯滤波器需要采用相应过采样率的工作时钟才能使其信息比特采样点与高斯滤波器系数适配。为了满足当信息比特码率改变时，还使用同一组高斯滤波器系数的需求，则需要设计实时可变的工作时钟。本发明实施例采用基于累加器溢出的时钟生成电路，如图2所示。
基于累加器溢出的时钟生成电路只包含一组累加器和一组寄存器，电路结构简单，消耗电路资源较少。时钟控制字是通过外部接口进行配置，在高速参考时钟作用下对时钟控制字进行累加，累加结果保存至寄存器。累加器的溢出位作为时钟输出，图2所得信号频率为数据传输码率的8倍。
时钟生成模块所得的时钟频率分辨率与累加器位数有关，如果累加器的位数为N，则时钟分辨率为fref/(2N)，fref为高速参考时钟，而累加器位数越高，所需要的时钟控制字位宽越大。本发明实施例中时钟频率控制字、累加器位宽、累加寄存器位宽设为N＝32位，时钟控制字计算公式如式(1)所示。
Figure BDA0002875370240000071
其中，fclk_o为输出的时钟频率，fref为高速参考时钟。
具体来说，当信息比特传输速率为10ksps时，按照8倍的过采样率作为工作时钟，则当前工作时钟应设为80KHz。设外部参考时钟为48MHz，则按照公式(1)计算得到的时钟频率控制字为7158279，将该值配置到时钟频率控制字寄存器，时钟生成模块即可在高速时钟驱动下生成所需的8倍过采样率时钟80KHz。
如图3所示，在本发明实施例中，所述高斯滤波器模块12接收信息比特采样点，对其进行成型滤波，然后输送到调制指数合成模块13。
高斯滤波器的理论脉冲响应函数如公式(2)所示。
Figure BDA0002875370240000081
其中，Q(·)是Q函数，表达式如公式(3)所示。
Figure BDA0002875370240000082
通过频率调制产生连续相位的表达式如公式(4)所示。
Figure BDA0002875370240000083
其中h是调制指数，a[n]是信息比特采样点。
由于g(t)的取值范围是(-∞，∞)，它是物理不可实现的，因此在实际系统中均需要对g(t)进行截断或近似。本发明实施例中g(t)截取为3个符号长度。根据公式(2)和公式(3)可得到每个工作时钟下的相位变化，如公式5所示的表达式。
Figure BDA0002875370240000084
在设计高斯滤波器电路时，首先需要获得高斯滤波器系数，本发明实例中高斯滤波器系数是由matlab中gaussdesign函数获得，函数包含三个参数，分别是BT，SPS，SPAN。BT是高斯滤波器的一个重要参数，与抑制旁瓣的能力和码间干扰的严重程度有关，BT值越小，码间干扰越严重，但是对旁瓣的抑制能力越强，本发明实例中BT值取0.5。SPS是每个符号的采样点数，根据时钟生成模块11所述，本发明实例中SPS取8。SPAN是高斯滤波器截取的符号个数，本发明实例中取3。将设计的三个参数代入gaussdesign函数，便可以得到高斯滤波器的系数。
上述所得高斯滤波器系数需参考公式(5)进行转换，具体转换公式如式(6)所示。
Figure BDA0002875370240000091
其中，sps为每个信息符号的过采样倍数，ci是gaussdesign函数设计得到的高斯滤波器系数，216是将浮点数进行放大的倍数。
根据公式(6)转换后的高斯滤波器系数配置到高斯滤波器模块中的系数寄存器中，用于与过采样点数相乘，完成滤波成型功能。
如图4所示，在本发明实施例中，所述调制指数合成模块13接收高斯滤波器模块输出的滤波结果，然后与调制指数相乘，将相乘结果送到DDS模块。
调制指数是GFSK调制的频率偏移引入的一个变量，用来表示归一化频偏，定义如公式(7)所示。
Figure BDA0002875370240000092
调制指数还反映了一个比特时间内允许的相位变化量，本发明实例中调制指数取0.5，即表示一个码元符号内相位变化180度。
本发明实例中调制指数取0.5，是一个小数，因此需要转化为定点数，才能存储到调制指数寄存器，其转换如公式(8)所示。
H＝h·216 (8)
其中，h是设定的调制指数0.5，216是将浮点数放大的倍数。
高斯滤波器模块12输出的滤波结果与调制指数寄存器存储的调制指数相乘，相乘结果的最终放大倍数是216*216＝232，这个放大倍数与DDS模块中的累加器位宽有关，如果DDS模块中的累加器位宽小于32，则需要对相乘结果进行截位，将相乘结果的高累加器位宽数据传送到DDS模块；如果DDS14中的累加器位宽大于32，则需要对相乘结果进行扩展，将相乘结果末尾补足累加器位宽与32的差值。
如图5所示，在本发明实施例中，所述DDS模块接收调制指数合成模块输出的结果，将其作为频率控制字进行累加，并将累加结果作为查找表地址对波形查找表进行寻址，输出GFSK数字调制波形。
DDS技术原理是利用一个较高频率的时钟，通过控制相位累加俩产生输出信号的数字量化波形。
GFSK调制时需要对高斯滤波器输出的相位进行累加，然后将相位转换为正弦波幅度波形，这种处理过程与DDS技术的原理一致，因此，在本发明实施例中，通过将高斯滤波器系数、调制指数与DDS模块中频率控制字计算过程进行关联，即可实现累加相位到正弦波波形的转换。
具体来说，DDS模块的频率控制计算方法如公式(9)所示。
Figure BDA0002875370240000101
其中，fo是输出的频率，fc是工作时钟的频率，N是DDS模块中相位累加器的位宽。
公式(10)给出了高斯滤波器输出的相位与频率的关系。
Figure BDA0002875370240000102
将公式(9)与公式(10)相联，即可得出公式(11)，即
Figure BDA0002875370240000103
将公式(11)与公式(5)相联，即可得出公式(6)。公式(6)中不含调制指数h，是因为将调制指数单独作为一个模块，即调制指数合成模块13。
本发明实施例中DDS模块的累加器位宽为32，即N＝32，由于高斯滤波器系数和调制指数都是浮点数，都需要将其转为定点数，同时为了节省硬件资源，将232分解为216*216，高斯滤波器系数使用一个216作为放大系数，调制指数使用一个216作为放大系数，这样当不归零二进制码元符号采样点通过高斯滤波器模块12和调制指数合成模块13后，其输出结果即为DDS模块的频率控制字，DDS模块可直接对其进行累加，然后将累加结果作为查询表地址，对波形查找表寻址，输出对应频率的数字化波形。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种可变码率和调制指数的GFSK数字调制装置，其特征在于，包括：
时钟生成模块，用于生成GFSK调制的工作时钟；所述工作时钟根据与信息速率的倍数关系实时可调；
高斯滤波器模块，用于信息比特的滤波整形；
调制指数合成模块，用于调整GFSK指定的频率间隔；
直接数字频率合成模块，用于根据高斯滤波器模块输出的实时频率控制字，生成相应频率的GFSK数字调制信号；
所述调制指数合成模块包括调制指数寄存器和乘法器，所述调制指数寄存器用于接收配置的调制指数，所述调制指数寄存器与乘法器相连；所述乘法器将调制指数和高斯滤波器模块的结果进行相乘，完成指定调制指数的变换，变换结果去除浮点数转换为定点数的倍数关系后，输出到下一模块作为频率控制使用。
2.根据权利要求1所述的可变码率和调制指数的GFSK数字调制装置，其特征在于，所述高斯滤波器模块的滤波器系数由matlab中gaussdesign函数生成。
3.根据权利要求1-2中任意一项所述的可变码率和调制指数的GFSK数字调制装置，其特征在于，所述时钟生成模块包括时钟频率控制字寄存器、累加器、累加寄存器；其中，所述时钟频率控制字寄存器用于保存转化后的时钟频率控制字，并将其传送到累加器，在外部高速时钟的驱动下，进行累加操作；所述累加器的结果传送到累加寄存器进行保存，以便在下一时钟取出，用于和时钟频率控制字相加，在经过多个高速时钟运行后，累加器会产生溢出，将溢出位作为产生的工作时钟。
4.根据权利要求1-2中任意一项所述的可变码率和调制指数的GFSK数字调制装置，其特征在于，所述高斯滤波器模块包括系数寄存器、延迟寄存器、乘法器和加法器；其中，系数寄存器用于保存matlab生成的高斯滤波器系数，所述高斯滤波器系数通过与后续直接数字频率合成模块的联系进行了转换，变为含有直接数字频率合成模块频率控制字信息的定点数；所述延迟寄存器用于对信息符号采样点的寄存；所述乘法器用于高斯滤波器系数和对应延迟信息符号采样点相乘，其相乘结果传送到加法器；所述加法器将不同系数和延迟采样点的相乘结果进行相加，得到最终的信息比特成型滤波结果。
5.根据权利要求1-2中任意一项所述的可变码率和调制指数的GFSK数字调制装置，其特征在于，所述直接数字频率合成模块包括累加器、累加寄存器及波形查找表，所述累加器用于接收调制指数合成模块输出的频率控制字，并进行累加，累加结果存储到累加寄存器；所述累加寄存器将结果作为查询地址输送到波形查找表，进行相位和幅度的波形变换。
6.根据权利要求1-2中任意一项所述的可变码率和调制指数的GFSK数字调制装置，其特征在于，还包括预处理模块，将完成信息符号上采样后的采样点输出到高斯滤波器模块，然后经过调制指数合成模块和直接数字频率合成模块，完成GFSK数字基带信号的调制生成。
7.根据权利要求1-2中任意一项所述的可变码率和调制指数的GFSK数字调制装置，其特征在于，所述高斯滤波器模块中滤波参数对信息码率和采样速率的倍数关系，通过需要传输的信息码率计算出工作时钟频率，然后转化为时钟频率控制字。
8.根据权利要求1-2中任意一项所述的可变码率和调制指数的GFSK数字调制装置，其特征在于，所述调制指数合成模块用于对所述高斯滤波器模块的输出结果进行指定频率间隔的调整，调制指数用于控制GFSK调制时生成的两个频率之间的间隔，与信息码率相关；调制指数在设定之后将其配置到调制指数寄存器。
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