一种基于软件无线电思想的GMSK调制设计

张 骞，邵宝杭

（解放军体育进修学院 广东 广州 510500）

当前，通信设备研制的各阶段和对电磁环境的研究中越来越离不开仿真的手段。其中，对通信设备的半实物仿真在软件运算的基础上，在仿真的环节中应用了部分真实的物理器件。这种“硬件+软件”的模式提供了真实的通信信号，大大提高了仿真的可信度，因而在通信设备研制和电磁环境研究中具有不可替代的作用。在通信设备半实物仿真设计中，如何利用基本“通用”的硬件框架，来仿真不同通信体制、调制方式、调制参数的通信信号，并且在这一通用的硬件框架下可以通过软件模块的组合来扩充通信信号的种类是设计的重点。

软件无线电作为无线电技术的发展方向，其核心思想就是通过软件编程实现各种功能，减少对具体硬件电路的依赖，以达到最大的灵活性和开放性。理想的软件无线电技术是直接在射频端进行A/D、D/A处理，但由于器件性能的限制，目前必须在中频进行A/D、D/A处理，以降低对射频前端器件的要求[1]。这些思想可适用于通信设备半实物仿真GMSK的设计中。

1 通信设备半实物仿真器的硬件结构

通信设备半实物仿真器的构成[2]原理框图如图1所示。

图1 仿真器的构成原理框图Fig.1 Constitution block diagram of the emulator

为生成多种调制样式的通信信号，同时避免大量的电路堆积而构成仿真器的硬件系统的设计方式，仿真器采用了“软件无线电”的设计思想，由软件生成各类通信信号的信号源数据，构成信号源库，这些数据在计算机的控制下通过固定的硬件电路产生各类调制信号，从而实现系统的“通用性”和“可扩展性”。

从功能实现上，图1中的中频放大和混频及高放技术较成熟。设计的关键是软件生成信号源数据和硬件实现中频调制。中频调制部分硬件结构框图如图2所示。

根据图2设计的调制模块局部电路如图3所示。

2 GMSK调制的设计

图2 中频调制部分硬件结构框图Fig.2 IF modulation part of the hardware block diagram

GMSK是在MSK基础上发展起来的一种数字调制方式，具有恒包络、相位连续的特点。GMSK已调信号功率谱主瓣窄，带外衰减快，对邻道的干扰小，频谱效率较高。目前，GMSK调制是GSM移动通信标准和TETRA集群通信标准中所规定的调制方式，在无线通信中得到了广泛应用。

在通信设备半实物仿真中，GMSK调制通过软件把输入的双极性不归零码（NRZ）经高斯滤波器滤波后再进行MSK调制实现。GMSK调制中先将数据流通过一个高斯滤波器进行预调制滤波，再进行频率调制，使调制信号在交越零点不但相位连续，而且平滑过渡，在相同数据传输速率时具有较窄的频率间隔。因此GMSK调制信号比MSK信号具有更窄的带宽，可以满足移动通信中对带外辐射的严格要求。

图3 调制模块局部电路Fig.3 Part of the modulation module circuit

2.1 GMSK调制的设计

GMSK调制的功能组成框图如图4所示。

图4 GMSK调制的功能组成框图Fig.4 Functional block diagram of the GMSK modulation

图4中，输入的NRZ序列通过高斯滤波后的输出由软件编制的查找表获取，经累加器实现积分器功能后，获得积分相位信号，再通过CORDIC算法获得基带I、Q正交分量值，调整为串行格式后输出至中频调制硬件电路。

2.2 高斯滤波器输出查找表的设计

高斯滤波器的传输函数和冲激响应分别为

由（1）、（2）可知，宽度为 Tb的矩形脉冲通过高斯滤波器后，响应为

（3）式是理想状态下，高斯滤波器的脉冲响应。在实际系统中要对 g（t）截短。 设截短长度为（2N+1）Tb，则截短后

在设计中，用5Tb截短近似表示单个脉冲通过高斯滤波器的响应，即N=2。

假设对输入的NRZ码进行M点采样，则单个码元经过滤波后，输出5 M个样点值。每个样点值的高斯滤波器冲击响应可由软件运算生成。设带宽Bb、码元传输速率Rb、采样速率fs，则生成冲击响应系数的Matlab程序为：

将软件生成的冲击响应系数存入5M位的数组，构成冲击响应系数查找表，输入的数据与查找表进行卷积运算后，就得到滤波器输出的数据。

2.3 CORDIC算法

CORDIC算法将目标旋转角分解为一组预定单元旋转角的加权和，用这组预先规定的基本角度的线性组合逼近，用于计算运算函数的循环迭代。通过CORDIC算法运算，可以获得高斯滤波器输出的相位积分信号中I、Q正交分量。

用Matlab编写的CORDIC算法部分代码如下：

3 M atlab仿真结果

利用Matlab仿真[5-6]的I、Q分量如图5所示。仿真结果表明，软件生成了I、Q分量，可传递给通用的硬件通路。

图5 I、Q 分量Fig.5 I，Q components

4 结 论

通信设备半实物仿真器设计中借鉴了 “软件无线电”的思想，找到通信信号的“通用”表达形式和用硬件搭建“通用型”的信号流通通路尤为重要。正交调制法是解决通信信号“通用”形式的较好方法。通过仿真可见，在已有的仿真器硬件框架下，可以运用正交调制法产生GMSK信号。仿真器中，信号的实时性运算要求不高，高斯滤波器的实现可以通过事前运算产生通信信号的信号源数据，存储在硬盘上，在产生信号时将信号源数据发送到硬件调制电路板上即可，所以可以通过软件来实现高斯滤波器和CORDIC算法的功能。

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