完整基于FPGA和CMX589A的GMSK調(diào)制器設計與實現(xiàn)

1、PAGE PAGE 51電子信息工程系課程設計課程名稱： 基于matlab通信系統(tǒng)課程設計 題目名稱： 基于matlab對信號的調(diào)制與解調(diào)的仿真 學生姓名： 羅弢 學 號： 2630840215 系（分院）： 電子信息工程 專 業(yè)： 通信技術 指導教師： 胡曼青 2009年 5月制課程設計任務書1 課程名稱 2 課程性質(zhì) 3 適用年級 級4 適用專業(yè) 專業(yè)5 設計項目 6 指導老師 （職稱 ）7 設計目的8 設計要求9 課程設計的進度安排10 參考書目任務書下達時間 2009年4月15日課程設計主要階段進度表（僅供參考，內(nèi)容手寫）序號主要階段、內(nèi)容時間（天）備注1復習信號與系統(tǒng)及通信原理102

2、學習MATLAB的基本操作203學習simulink構建系統(tǒng)仿真154學習用MATLAB語言編寫簡單程序105確定實驗報告題目，收集相關資料106用matlab做你仿真，得到仿真結果。157寫實驗報告10指導教師： 胡曼青 時間：2009.5課程設計教學檢查記錄表課程設計名稱 設計周數(shù) 檢查日期 課程設計指導教師 進行方式：集中分散.地點 檢 查 項 目檢 查 結 果好一般不理想差課程設計選題適當程度學生數(shù)與指導教師數(shù)配比（15名學生/教師 好； =20名/教師 一般； =30名學生/教師不理想；40名學生/教師 差）指導教師到位情況學生課程設計完成進度及質(zhì)量對學生課程設計日常管理（出勤考核）

3、措施及執(zhí)行情況綜合意見： 檢查人 目錄摘要6第一章 引言7第二章 GMSK調(diào)制的基本原理92.1 gmsk信號產(chǎn)生gmsk調(diào)制原理92.2 gmsk在雙模中的實現(xiàn)愿望92.3 gmsk算法描述12第三章 matlab仿真實現(xiàn)流程13第四章 matlab仿真結果及驗證14第五章 系統(tǒng)硬件設計155.1 高斯濾波器模塊設計165.2 調(diào)制指數(shù)為0.5的fm發(fā)射機設計165.3 單擊片控制器設計17第六章 系統(tǒng)軟件設計186.1 單擊片軟件設計186.2 調(diào)制器系統(tǒng)實現(xiàn)18第七章 系統(tǒng)軟件仿真及測試217.1 軟件仿真217.2 系統(tǒng)測試與分析21第八章 gmsk調(diào)制的fpga實現(xiàn)228.1 傳統(tǒng)實

4、現(xiàn)方法228.2 全數(shù)字實現(xiàn)方法23第九章性能分析25第十章 結語26第十一章 參考文獻27致謝28摘 要 GMSK（高斯最小移頻鍵控）信號優(yōu)良的頻譜特性在跳頻通信中有廣闊的應用前景。本文分析了GMSK調(diào)制器的設計理論，給出了一種全數(shù)字實現(xiàn)結構并在FPGA上加以實現(xiàn)。仿真結果表明，這種數(shù)字實現(xiàn)結構產(chǎn)生的GMSK基帶信號具有良好的功率譜及眼圖，同時能夠有效避免兩條支路信號幅度及正交載波相位失衡。【關鍵詞】GMSK；DDS；FM調(diào)制器；FPGA 【Abstract】 GMSK is a spectrum-efficient modulation signal used widely in the

5、FH communication system. In this paper, the design theory of GMSK modulator is analyzed and an improved digital implementation structure is obtained. Then this structure is implemented on FPGA. Simulation result show that GMSK signal generated by the digital implementation structure has nice PSD and

6、 eye pattern. Also, the effect of quadrature phase error and amplitude imbalance is avoided.【Keywords】GMSK；Digital Modulation；Digital Implementation；FPGA。關鍵詞：GMSK；DDS；FM調(diào)制器；FPGA第一章 引 言本文介紹了 HYPERLINK /keyword/%CB%AB%C4%A3 t _blank 雙模系統(tǒng)中的一種關鍵的調(diào)制技術 HYPERLINK /keyword/GMSK t _blank GMSK調(diào)制。從GMSK調(diào)制原理和實現(xiàn)原

7、理兩方面介紹了調(diào)制方法；對GMSK調(diào)制的算法進行描述，并利用該算法進行了MATLAB仿真。本文提出了在調(diào)制中選擇窗函數(shù)是一種新型的選擇改進方法圖形比較逐點逼近法，其仿真結果驗證了該調(diào)制算法符合理論要求，能有效實現(xiàn)雙模中的 HYPERLINK /keyword/GSM t _blank GSM調(diào)制部分。重要的是它能很好的與TD-SCDMA系統(tǒng)進行兼容。 HYPERLINK /keyword/%D2%C6%B6%AF%CD%A8%D0%C5 t _blank 移動通信的發(fā)展經(jīng)歷了第一代模擬系統(tǒng)，第二代數(shù)字系統(tǒng)，正在向第三代 HYPERLINK /keyword/%B6%E0%C3%BD%CC%E5

8、 t _blank 多媒體系統(tǒng)發(fā)展。面臨 HYPERLINK /keyword/3G t _blank 3G系統(tǒng)商用在即，如何做到向下兼容GSM系統(tǒng)是我們目前面臨的一大問題。初期的雙模系統(tǒng)可以做到這一點，而TD-SCDMA系統(tǒng)與GSM系統(tǒng)兼容的雙模系統(tǒng)則具有更大的發(fā)展?jié)摿?。在雙模系統(tǒng)中， HYPERLINK /keyword/%CD%F8%C2%E7 t _blank 網(wǎng)絡端是關鍵，物理層對高層的支持也是至關重要。作為物理層的核心基帶信號處理是關鍵，而GMSK調(diào)制技術在整個雙模系統(tǒng)中也起到至關重要的作用。好的GMSK調(diào)制算法將是確保信號正確處理的關鍵。 由于GMSK調(diào)制方式具有很好的功率頻譜特

9、性，較優(yōu)的誤碼性能，能夠滿足移動通信環(huán)境下對鄰道干擾的嚴格要求，因此成為GSM、ETS HiperLANl以及GPRS等系統(tǒng)的標準調(diào)制方式。 目前GMSK調(diào)制技術主要有兩種實現(xiàn)方法，一種是利用GMSK ASIC專用芯片來完成，典型的產(chǎn)品如FX589或CMX909配合MC2833或FX019來實現(xiàn)GMSK調(diào)制。這種實現(xiàn)方法的特點是實現(xiàn)簡單、基帶信號速率可控，但調(diào)制載波頻率固定，沒有可擴展性。另外一種方法是利用軟件無線電思想采用正交調(diào)制的方法在FPGA和DSP平臺上實現(xiàn)。其中又包括兩種實現(xiàn)手段，一種是采用直接分解將單個脈沖的高斯濾波器響應積分分成暫態(tài)部分和穩(wěn)態(tài)部分，通過累加相位信息來實現(xiàn)；另一種采

10、用頻率軌跡合成，通過采樣把高斯濾波器矩形脈沖響應基本軌跡存入ROM作為查找表，然后通過FM調(diào)制實現(xiàn)。這種利用軟件無線電思想實現(xiàn)GMSK調(diào)制的方法具有調(diào)制參數(shù)可變的優(yōu)點，但由于軟件設計中涉及到高斯低通濾波、相位積分和三角函數(shù)運算，所以調(diào)制器參數(shù)更改困難、實現(xiàn)復雜。綜上所述，本文提出一種基于CMX589A和FPGA的GMSK調(diào)制器設計方案。與傳統(tǒng)實現(xiàn)方法比較具有實現(xiàn)簡單、調(diào)制參數(shù)方便可控和軟件剪裁容易等特點，適合于CDPD、無中心站等多種通信系統(tǒng)，具有重要現(xiàn)實意義。跳頻通信作為一種重要的抗干擾通信手段，在軍事領域廣泛應用。如何利用跳頻技術傳輸高速數(shù)據(jù)已成為軍事通信研究的熱點問題。由于高速數(shù)據(jù)需占用

11、更寬的帶寬，所以在調(diào)制制式上需要一種具有高頻譜效率的調(diào)制方案。而GMSK具有恒包絡、相位連續(xù)的特點，其已調(diào)信號功率譜主瓣窄且?guī)馑p快，對鄰道的干擾小，頻譜效率較高1。因此GMSK調(diào)制在實現(xiàn)跳頻通信中的高速數(shù)據(jù)傳輸上應用廣泛2。工程上GMSK調(diào)制器的實現(xiàn)方式很多34，包括直接VCO調(diào)制法、PLL鎖相調(diào)制法和波形存儲正交調(diào)制法。波形存儲正交調(diào)制法由于易于硬件實現(xiàn)，實際應用較多，但是這種模擬正交調(diào)制法因存在支路信號幅度及正交載波相位的不平衡性，影響了已調(diào)信號的性能，而采用全數(shù)字的實現(xiàn)方式則可有效地避免這些問題。本文介紹了GMSK調(diào)制的基本原理，分析了傳統(tǒng)GMSK調(diào)制實現(xiàn)方式的優(yōu)劣，同時結合項目應用

12、，對波形存儲正交調(diào)制法的實現(xiàn)結構進行了數(shù)字化改進，并在FPGA上加以實現(xiàn)。理論分析、計算機仿真和工程實現(xiàn)都證明了這種數(shù)字實現(xiàn)結構產(chǎn)生的GMSK基帶信號在高速數(shù)據(jù)傳輸中具有優(yōu)良的性能。第二章 GMSK調(diào)制的基本原理2.1 GMSK信號產(chǎn)一、GMSK調(diào)制原理GSM系統(tǒng)采用高斯最小頻移鍵控（GMSK）調(diào)制技術，調(diào)制信號具有恒定包絡的特性，因而GSM終端的RF前端電路的線性要求較低。GSM使用一種稱作0.3 GMSK的數(shù)字調(diào)制方式，0.3表示高斯濾波器帶寬與比特率之比，GMSK是一種特殊的數(shù)字FM調(diào)制方式。給RF載波頻率加上或者減去67.708kHz表示1和0。使用兩個頻率表示1和0的調(diào)制技術記作FS

13、K（頻移鍵控）。在GSM中，數(shù)據(jù)速率選為270.833 kbit/s，正好是RF頻率偏移的4倍，這樣作可以把調(diào)制頻譜降到最低并提高信道效率。比特率正好是頻率偏移4倍的FSK調(diào)制稱作MSK（最小頻移鍵控）。在GSM中，使用高斯預調(diào)制濾波器進一步減小調(diào)制頻譜?？梢越档皖l率轉(zhuǎn)換速度，否則快速的頻率轉(zhuǎn)換將導致向相鄰信道輻射能量。0.3GMSK不是相位調(diào)制（也就是說不是像QPSK那樣由絕對相位狀態(tài)攜帶信息）。它是由頻率的偏移，或者說是相位的變化攜帶信息。GMSK可以通過I/Q圖表示。如果沒有高斯濾波器，當傳送一連串恒定的1時，MSK信號將保持在高于載波中心頻率67.708kHz的狀態(tài)。如果將載波中心頻率

14、作為固定相位基準，67.708kHz的信號將導致相位的穩(wěn)步增加，相位將以每秒67，708次的速率進行360度旋轉(zhuǎn)。在一個比特周期內(nèi)（1/270.833 kHz），相位將在I/Q圖中移動四分之一圓周，即90度的位置。數(shù)據(jù)1可以看作相位增加90度，兩個1使相位增加180度，三個1是270度，依此類推。數(shù)據(jù)0表示在相反方向上相同的相位變化。2.2 GMSK在雙模中的實現(xiàn)原理GMSK調(diào)制包括以下兩個部分：差分編碼、調(diào)制。由于復接輸出的數(shù)據(jù)序列是由0，1序列組成的二進制數(shù)據(jù)序列。GMSK調(diào)制之前，需要先進行差分編碼，然后將歸零信號（RTZ）轉(zhuǎn)化為不歸零序列（NRZ），即：其中d0，1，a-1，1分別代表

15、差分編碼的輸入和輸出序列，d-1=1，GMSK調(diào)制是由MSK（最小頻移鍵控）衍生出的一種調(diào)制方式，它們均為CPFSK（連續(xù)相位移頻鍵控）調(diào)制方式。GMSK調(diào)制就是將MSK信號的相位更好地平滑，使其頻率譜寬度進一步縮小，從而減小導致BER上升的符號間干擾（ISI）。GMSK信號可以采用不同的方式產(chǎn)生，圖1示出GMSK基帶調(diào)制實現(xiàn)框圖。圖1GMSK基帶調(diào)制實現(xiàn)其中，B表示3dB帶寬，GSM系統(tǒng)中高斯函數(shù)的歸一化帶寬BTb取值為0.3。理想高斯函數(shù)在時間上具有無限長，即t-，。為了信號處理方便，將信號截短為L長，過采樣OSR和時間長度L就決定了鐘型高斯脈沖沖擊函數(shù)的采樣數(shù)。一般說來，L的取值大于3。

16、為了使頻率沖擊函數(shù)具有因果性，將其移位LTb/2。截短頻率沖擊函數(shù)表示為：原理如圖1。圖1 GMSK信號產(chǎn)生原理高斯濾波器的傳輸函數(shù)和沖激響應分別為(2-1)(2-2)式中，參數(shù)與的3 dB基帶帶寬有關，即。為了方便GMSK的解調(diào)，需要對輸入數(shù)據(jù)進行差分預編碼。設輸入數(shù)據(jù)為，將差分編碼之后的雙極性不歸零數(shù)據(jù)通過高斯低通濾波器，則高斯濾波器的輸出為(2-3)式中為碼元周期，為高斯濾波器的矩形脈沖響應。把加于VCO（壓控振蕩器），經(jīng)調(diào)頻后的GMSK信號為(2-4)式中，相位路徑(2-5)可見，GMSK實現(xiàn)時可采用正交相位調(diào)制。由于的取值范圍為，它是物理不可實現(xiàn)的，因此在工程中均需要對進行截短或近似

17、?？梢宰C明，則對進行截短處理，截短長度為，即(2-6)經(jīng)計算，對于，當時，有。因而，在具體計算時，取的截短長度為，具有足夠的精度。 2.3GMSK算法描述1.對待調(diào)制數(shù)據(jù)的本數(shù)據(jù)與輸入的上一數(shù)據(jù)作異或作為本數(shù)據(jù)的輸出數(shù)據(jù)。2.對上步中輸出的數(shù)據(jù)進行差分得到只有1，-1的差分數(shù)cos據(jù)a(n)。3.根據(jù)沖擊函數(shù)選擇合適的窗函數(shù)對該沖擊函數(shù)h（t）進行加窗處理，得到相應的濾波成型函數(shù)g（t）。加窗時窗函數(shù)的選擇要根據(jù)實際情況，利用圖形比較逼近法來選擇適合于雙模系統(tǒng)的窗函數(shù)。4.利用2步中得到的差分數(shù)據(jù)a（n）與3步中得到的成型濾波函數(shù)g（t）進行相乘并乘上相位，得到。5.利用4步中得到的數(shù)據(jù)求出s

18、in，cos，即I，Q數(shù)據(jù)。第三章 MATLAB仿真實現(xiàn)流程如圖2為GMSK調(diào)制實現(xiàn)流程，流程中可以看出，隨機數(shù)據(jù)經(jīng)過復用之后產(chǎn)生的訓練序列進行差分編碼，GMSK調(diào)制，最終再產(chǎn)生相位函數(shù)；這樣基帶信號經(jīng)過了發(fā)送端的處理最終產(chǎn)生I，Q載波信號。圖2GMSK調(diào)制實現(xiàn)流程其中功能函數(shù)diff_enc.m完成復接輸出的比特序列的差分編碼，將0，1序列轉(zhuǎn)化成-1，1序列；功能函數(shù)gmsk_mod.m生成頻率沖擊函數(shù)g（t），g（t）可以通過一個高斯函數(shù)和矩形脈沖進行卷積得到；功能函數(shù)ph_g.m通過對g（t）的加權累加，從而得到相位函數(shù)q，最終形成相應的同相分量I和正交分量Q程序gmsk_mod.m和p

19、h_g.m的執(zhí)行過程示于圖3圖3流程中各功能模塊執(zhí)行結果圖3a）中的矩形函數(shù)V（t）與圖3b）中的高斯函數(shù)進行卷積形成圖3c）中所示的g函數(shù)；通過ph_g.m生成圖3d）中的q函數(shù)第四章 MATLAB仿真結果及驗證圖4示出MATLAB時域仿真輸出結果圖。圖的產(chǎn)生是在輸入隨機數(shù)據(jù)時輸出了I，Q數(shù)據(jù)，基帶輸出的I、Q兩路數(shù)據(jù)波形如圖4。圖4I、Q輸出數(shù)據(jù)波形從圖中可以看到輸出的圖形在形狀上有些相似，由此可以更進一步驗證到：滿足I2+Q2=1。很顯然，這一結論正好符合預期目標：I2+Q2=sin2+cos2=1。因而，可以驗證，在雙模系統(tǒng)中的這一GMSK調(diào)制技術符合標準，其算法與實現(xiàn)完全正確。第五章

20、 系統(tǒng)硬件設計系統(tǒng)的硬件主要包括三部分：單片機控制器及其外圍擴展鍵盤和液晶顯示模塊、高斯濾波器模塊，以及FPGA調(diào)制器模塊，系統(tǒng)硬件結構圖如圖1所示。 系統(tǒng)工作過程如下：系統(tǒng)加電后，F(xiàn)PGA完成初始化，LCD界面提示用戶輸入控制信息，同時系統(tǒng)輸出固定頻率的正弦載波，表明系統(tǒng)正常工作；用戶通過控制菜單的提示，從鍵盤輸入控制信息(例如基帶信號的碼元速率，高斯濾波器的系統(tǒng)參數(shù)，BT值以及調(diào)制器的載波頻率等)；控制信息通過主控制器發(fā)送給高斯濾波模塊及調(diào)制器模塊；FPGA調(diào)制器模塊根據(jù)接收到AD轉(zhuǎn)換器的輸入信號的幅度值控制頻率字從而完成對于基帶信號的調(diào)制。51高斯濾波器模塊設計 高斯濾波器模塊采用CML

21、公司生產(chǎn)的CMX589A專用集成芯片，具有較寬的基帶信號接收速率。在本設計中，為CMX589A提供兩種頻率的外部晶振，分別為25576 MHz和8192 MHz，通過跳線控制。CMX589A的控制引腳與單片機的P2口相連來控制濾波器的參數(shù)，其中ClkDivA、ClkDivB與外部時鐘配合共同決定高斯濾波器的基帶碼元速率，設置如表1所示。BT引腳控制高斯濾波器的系統(tǒng)帶寬，當設置為“l(fā)”時，系統(tǒng)BT值為O5；當設置為“O”時，BT值為O3。高斯濾波器的工作過程為：首先根據(jù)不同系統(tǒng)的需要來設置濾波器的基帶碼元速率和帶寬BT值，然后在Tx Data引腳接入需要調(diào)制的基帶碼元信號，同時給Tx Enabl

22、e置高電平，通過TxOut就可以接收到高斯濾波基帶信號。 52 調(diào)制指數(shù)為O5的FM發(fā)射機設計 調(diào)頻發(fā)射機由FPGA配合AD、DA來實現(xiàn)。FPGA選用Cyclone系列EPlC6Q240C8，它是采用SRAM工藝制造的混合低電壓FPGA芯片。AD采用TI公司生產(chǎn)的8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC5510，DA則采用10位數(shù)模轉(zhuǎn)換器THS5651A，用以完成高速率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。調(diào)頻發(fā)射機的系統(tǒng)時鐘為20 MHz，同時提供給DA THS565lA作為轉(zhuǎn)換時鐘。AD轉(zhuǎn)換時鐘由FPGA提供，系統(tǒng)時鐘經(jīng)過分頻提供給AD轉(zhuǎn)換器1 MHz的工作時鐘。同時單片機的P3口通過2 b的頻率控制位與1 b的“使能”控制位與FPGA

23、相連來控制調(diào)制器的4種中心頻率，分別為20 kHz，200 kHz，2 MHz和20 MHz，中心頻率設置如表2所示。當載波的中心頻率設置為20 MHz的時候，系統(tǒng)工作時鐘需要通過FPGA內(nèi)部的PLL倍頻實現(xiàn)。53單片機控制器設計 控制器采用AT89C51單片機，外擴LCD，4*4矩陣鍵盤，并通過接口與單片機的P0和P1相連，單片機的P2口與高斯濾波器的控制線相連，P3口與FPGA相連控制發(fā)射機的中心頻率。 鍵盤處理及LCD顯示模塊：利用鍵盤實現(xiàn)人機接口，該模塊包括鍵盤的掃描、去抖、連擊以及功能鍵的信號處理。用戶根據(jù)需要來調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，并通過與LCD顯示器的結合來顯示當前調(diào)制信號的各種參數(shù)，從

24、而使系統(tǒng)更具可操作性。 功能參數(shù)設置模塊：此模塊負責處理鍵盤的輸入數(shù)據(jù)，根據(jù)用戶指令選擇相應的系統(tǒng)參數(shù)(例如基帶信號的碼元速率、FM調(diào)制器的中心頻率等)。表3表示在高斯濾波器模塊工作時鐘為8192 MHz時，單片機控制濾波器系統(tǒng)參數(shù)設置。 第六章 系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)的軟件編程主要包括兩部分：單片機控制模塊和FPGA實現(xiàn)調(diào)制指數(shù)為O5的FM調(diào)制器模塊。系統(tǒng)的軟件流程圖如圖2所示。 61 單片機軟件設計 控制模塊主要包括擴展矩陣鍵盤、LCD液晶顯示、調(diào)制器參數(shù)控制。 單片機控制器的系統(tǒng)工作過程如下： 單片機初始化，LCD顯示開始菜單，包括“高斯濾波器參數(shù)設置”和“FM調(diào)制器參數(shù)設置”兩個選項； 進入

25、“高斯濾波器參數(shù)設置”子菜單，包括“系統(tǒng)帶寬設置”和“基帶碼元速率設置”，分別可以設置2種不同的濾波器帶寬和8種基帶碼元速率，單片機根據(jù)系統(tǒng)設置在P2端口輸出控制信息； 進入“調(diào)制器參數(shù)設置”的子菜單以設置“調(diào)制載波的中心頻率”，可以設定四種不同的載波中心頻率，并通過單片機P3口控制FPGA的調(diào)制載波的中心頻率。 62 調(diào)制器的系統(tǒng)實現(xiàn) FM調(diào)制器采用DDS思想在FPGA平臺上實現(xiàn)。DDS(Direct Digital Frequency Synthesizer，直接數(shù)字頻率合成)是一種新型的頻率合成技術，具有較高的頻率分辨率，可以實現(xiàn)快速的頻率切換。DDS系統(tǒng)主要由系統(tǒng)時鐘源、相位累加器、正

26、弦波查找表、DA轉(zhuǎn)換器和低通補償濾波器組成，系統(tǒng)結構如圖3所示。其中相位累加器是DDS系統(tǒng)的核心，它由N位加法器和N位相位寄存器組成。每來一位參考時鐘脈沖，N位加法器將頻率控制字和累積器的相位輸出相加，把相加的結果送到相位寄存器的輸入端。相位寄存器一方面將輸出的相位數(shù)據(jù)反饋到加法器的輸入端，以使加法器繼續(xù)在時鐘脈沖的作用下繼續(xù)與頻率控制字相加，另一方面又將輸出的相位數(shù)據(jù)又作為波形存儲表的地址輸入。波形存儲表把輸入的地址相位信息映射成波形數(shù)據(jù)，最后經(jīng)過DAC和低通濾波器得到模擬信號。 本設計采用20 MHz外部晶振作為時鐘源，系統(tǒng)采用40位相位累加器，故頻率字也取40位，所以系統(tǒng)的頻率分辨率如下

27、式所示： FM調(diào)制器完成幅度到頻率的轉(zhuǎn)換是系統(tǒng)設計的關鍵。例如設定基帶信號的速率為8 kHz，載波的中心頻率為200 kHz(fword=“10995116277”)，為了實現(xiàn)調(diào)制指數(shù)為05的FM調(diào)制器，F(xiàn)M調(diào)制器的頻率差為4 kHz。FPGA根據(jù)8位AD轉(zhuǎn)換器輸入的信號幅度值選擇相應的頻率字，從而控制輸出信號的頻率完成調(diào)頻功能。載波的中心頻率對應的AD轉(zhuǎn)換器中心幅值a in=“10000 0000”；當AD轉(zhuǎn)換器輸入為O V(即a in=“0000 0000”)時，對應的調(diào)制信號的輸出頻率為198 kHz(fword=“10885165114”)；當AD轉(zhuǎn)換器的輸入為滿刻度2 V(ain=“

28、1111 1111”)時，調(diào)制輸出頻率為202 kHz(fword=“11105067440”)。把頻率從198 kHz到202 kHz等分成255份，把相應的頻率轉(zhuǎn)換成40位頻率字，則AD轉(zhuǎn)換器的256個幅值與256個頻率字一一對應。在每一個系統(tǒng)時鐘周期，頻率控制字與40位的相位累加器的值相加結果存入相位累加器。由于選用的ROM查找表的地址線為10位，所以取相位累加器的高10位作為正弦查找表的地址。正弦查找表利用Cyclone內(nèi)部的ROM模塊完成查找表的設計，字長為10位，與所選用的DAC的數(shù)據(jù)位數(shù)相匹配 系統(tǒng)輸入信號的幅度與頻率字轉(zhuǎn)換的核心代碼如下： 其中，f_mid為調(diào)制信號的中心頻率，

29、fm_frerom為AD輸入的信號幅度值與頻偏之間的映射關系，系統(tǒng)根據(jù)接收到信號的幅度值相應改變調(diào)制信號的頻偏從而完成調(diào)制功能。 第七章.系統(tǒng)軟件仿真及測試71 軟件仿真 本設計利用EDA工具Quartus6O完成調(diào)制器軟件編程，通過編譯環(huán)境進行軟件仿真如圖4所示，其中clk為系統(tǒng)晶振時鐘，addr40為相位累加器，a_in為AD的轉(zhuǎn)換器的8位輸出信號，fword為系統(tǒng)頻率字，fout為波表輸出的調(diào)制信號幅度值。72 系統(tǒng)測試與分析 系統(tǒng)測試通過IFR2399A頻譜儀來完成系統(tǒng)的硬件測試。圖5表示在相同的硬件平臺上實現(xiàn)MSK調(diào)制的頻譜圖，圖6表示GMSK調(diào)制的頻譜圖。對比兩個圖可以發(fā)現(xiàn)，由于加

30、入了高斯濾波器，GMSK的頻譜更加緊湊，帶外衰減也要快于MSK。同時由測試結果可以看出，中頻載波為200 kHz，主瓣寬度以及衰減狀況等與理論分析結果相符。第八章 gmsk調(diào)制的fpga實現(xiàn)8.1傳統(tǒng)的實現(xiàn)方法在工程實現(xiàn)上，最簡單的方法是用基帶高斯脈沖序列直接調(diào)制VCO的頻率，如圖1所示。這種實現(xiàn)方式的結構較簡單，但是VCO頻率的穩(wěn)定性較差，難以保證GMSK信號的性能。另一種實現(xiàn)方法是采用鎖相環(huán)的PLL型調(diào)制器，如圖2所示。鎖相技術的采用解決了頻率穩(wěn)定性的問題，但為了平滑BPSK移相器的相位突變，使得碼元轉(zhuǎn)換點的相位連續(xù)且沒有尖角，鎖相環(huán)的傳遞函數(shù)應具有良好的平滑性能和快速響應能力，這增加了實

31、現(xiàn)的復雜程度，因而實際應用有一定局限5。圖2 PLL型GMSK調(diào)制器實際應用較多的實現(xiàn)方法是波形存儲正交調(diào)制法6。由公式 GOTOBUTTON ZEqnNum808820 * MERGEFORMAT REF ZEqnNum808820 ! * MERGEFORMAT (4)可知，在計算后，即可算出GMSK信號。在時刻，只與輸入數(shù)據(jù)和有關，而只取決于其截短長度，因此的狀態(tài)是有限的，這樣由形成的和也只有有限個波形。波形存儲正交調(diào)制法的基本思想就是將及離散化，制成表，儲存在ROM中，根據(jù)輸入的二進制數(shù)據(jù)查找波形存儲表獲得基帶信號，再分別經(jīng)數(shù)模變換（DAC）、低通濾波后進行混頻。調(diào)制器的原理結構如圖3

32、所示。這種方法的優(yōu)點是利用數(shù)字技術可以產(chǎn)生具有任何響應特性的基帶脈沖波形和已調(diào)信號，缺點是兩條支路的基帶信號的振幅誤差以及支路上載波的正交相位誤差和幅度誤差均會引起已調(diào)輸出信號的振幅波動和相位誤差，即所謂的支路信號幅度及正交載波相位不平衡。在輸入數(shù)據(jù)為隨機序列的情況下，會導致已調(diào)信號包絡起伏。限幅前其功率譜不受影響，而限幅后的功率譜有擴展現(xiàn)象6。所以，在工程實現(xiàn)上必須盡量避免這一問題。圖3 波形存儲正交調(diào)制法原理框圖8.2 全數(shù)字實現(xiàn)方法如果在查找波形存儲表獲得基帶信號以后不做DAC，就能避免因為模擬濾波而產(chǎn)生的支路信號幅度失衡。這樣的數(shù)字信號經(jīng)過低通濾波器（LPF）抑止高頻分量后，再通過DD

33、S（數(shù)字頻率合成器）進行數(shù)字混頻，就能夠得到GMSK數(shù)字已調(diào)信號。因為DDS完全可以保證載波相位的正交性，因此在采樣精度允許的范圍內(nèi)，數(shù)字化實現(xiàn)GMSK調(diào)制器，就能有效避免兩條支路信號幅度及正交載波相位失衡。圖4 基于FPGA的改進實現(xiàn)結構在作者從事的項目中，整個系統(tǒng)工作在短波段，硬件上完全可以由FPGA來實現(xiàn)這樣的GMSK數(shù)字調(diào)制器，如圖4所示。FPGA包含豐富的IP core資源，其中就有正弦余弦查找表和DDS，可以為硬件實現(xiàn)帶來極大的便利。將相位路徑離散化，存儲在圖中的相位路徑表中，由輸入的二進制數(shù)據(jù)查找相位路徑表獲得相位路徑，正弦余弦查找表計算出相應的及，這樣就得到了基帶信號。經(jīng)過內(nèi)插

34、并抑止高頻分量后，再進行數(shù)字混頻，最后就能得到GMSK數(shù)字已調(diào)信號。按照圖4所示結構實現(xiàn)GMSK數(shù)字調(diào)制器，我們在Xilinx公司的xc2v6000-4芯片上進行了測試與仿真，測試采用的開發(fā)環(huán)境為ISE6.3_01i，綜合工具選用Synplify Pro v7.6，仿真工具為Modelsim 5.8b。選取輸入碼元序列為二進制貝努利序列，碼元寬度為，的截短長度為，的抽樣速率，量化電平。圖5為FPGA平臺上實現(xiàn)的頂層RTL(寄存器傳輸級邏輯)原理圖。圖5 FPGA實現(xiàn)后的頂層RTL原理圖該GMSK數(shù)字調(diào)制器的最高時鐘頻率達到202.8 MHz，對FPGA資源占用分別為：4輸入查找表（即LUT）7

35、1個，Slices 293 個，BlockRAMs 1個。第九章 性能分析因為GMSK信號的功率譜密度可看為將基帶波形或的功率譜搬移到載頻上，所以求GMSK信號功率譜只需計算基帶信號功率譜即可。用MATLAB對FPGA時序仿真后所得的數(shù)據(jù)進行處理，這里采用Welch法對GMSK基帶信號進行功率譜估計7。如圖6所示，曲線（a）表示圖4中正弦余弦查找表輸出端的譜估計圖?？梢钥闯?，曲線（a）存在著由于抽樣造成的副瓣，影響了功率譜性能。因此必須加低通濾波器來抑止高頻分量。選用3dB帶寬為2.88KHz的32階數(shù)字低通濾波器，使得基帶已調(diào)信號經(jīng)低通濾波后的功率譜如圖6的曲線（b）所示。由仿真得到的功率譜

36、和眼圖可以證明，這種GMSK數(shù)字調(diào)制器產(chǎn)生的基帶已調(diào)信號具有良好的功率譜特性，完全能夠?qū)嵱?。圖6 GMSK基帶已調(diào)信號功率譜密度及仿真眼圖第十章 結語本文實現(xiàn)了一種基于CMX589A和FPGA的GMSK調(diào)制器。系統(tǒng)采用了主從式的結構，主控機由單片機實現(xiàn)對于GMSK調(diào)制器系統(tǒng)參數(shù)的控制，CMX589A模塊完成基帶信號高斯濾波，F(xiàn)M調(diào)制器采用直接數(shù)字頻率合成技術(DDS)在FPGA硬件平臺上實現(xiàn)、系統(tǒng)最高輸出頻率為25 MHz。同時系統(tǒng)具有很寬的基帶信號數(shù)據(jù)和調(diào)制參數(shù)靈活可控等特點，并且克服了正交調(diào)制方案中嚴格正交載波產(chǎn)生困難的缺陷。測試結果表明，已調(diào)信號包絡恒定，頻譜滿足設計要求，適用于CDPD

37、，無中心站等多種通信系統(tǒng)。 本文對傳統(tǒng)的波形存儲正交調(diào)制法進行了改進，采用全數(shù)字的方法實現(xiàn)GMSK調(diào)制，有效的解決了傳統(tǒng)GMSK調(diào)制器I/Q支路信號幅度和正交載波相位失衡的問題，最大限度保證了GMSK信號的性能。仿真結果表明，得到的GMSK數(shù)字已調(diào)信號具有良好的功率譜和眼圖，完全符合實用要求，目前已經(jīng)應用在作者所從事的項目中。該項目系通信裝備改造項目。參考文獻1 陳萍 等編著. 現(xiàn)代通信實驗系統(tǒng)的計算機仿真. 國防工業(yè)出版社. 2003.4: 243-254.2 彭偉軍，宋文濤，羅漢文. GMSK在跳頻通信中的應用及其性能分析. 通信學報, 2000, Vol.21, No.11: 41-47

38、.3 郭梯云等. 數(shù)字移動通信. 人民郵電出版社. 1996.4 M.Mouly and M.B. Pautet “The GSM System for Mobile Communications” Palaiseau 1992.5 羅來源，肖先賜. 基于線性近似的GMSK信號調(diào)制. 信號處理, 2002, Vol.18, No.4: 363-364.6 張德純，王興亮 主編. 現(xiàn)代通信理論與技術導論. 西安電子科技大學出版社, 2004.10: 109-114.7 龐沁華，李衛(wèi)東，黃宇紅. 數(shù)字移動通信高斯最小移頻鍵控調(diào)制器. 北京郵電大學學報, 1994, Vol.17, No.4: 20

39、-25.8 朱衛(wèi)華,黃鄉(xiāng)佩,盧桂榮. HYPERLINK /grid20/detailref.aspx?filename=WJSJ200507043&dbname=CJFD2005&filetitle=%e5%9f%ba%e4%ba%8eFPGA%e7%9a%84%e9%ab%98%e7%b2%be%e5%ba%a6%e6%95%b0%e5%ad%97%e7%a7%bb%e7%9b%b8%e4%bd%8e%e9%a2%91%e6%ad%a3%e5%bc%a6%e6%b3%a2%e5%8f%91%e7%94%9f%e5%99%a8%e8%ae%be%e8%ae%a1 t _top 基于FPGA的

40、高精度數(shù)字移相低頻正弦波發(fā)生器設計J HYPERLINK /grid20/Navi/Bridge.aspx?DBCode=cjfd&LinkType=BaseLink&Field=BaseID&TableName=CJFDBASEINFO&NaviLink=%e5%be%ae%e8%ae%a1%e7%ae%97%e6%9c%ba%e4%bf%a1%e6%81%af&Value=WJSJ t _blank 微計算機信息 , HYPERLINK /grid20/Navi/Bridge.aspx?DBCode=cjfd&LinkType=IssueLink&Field=BaseID*year*iss

41、ue&TableName=CJFDYEARINFO&Value=WJSJ*2005*07&NaviLink=%e5%be%ae%e8%ae%a1%e7%ae%97%e6%9c%ba%e4%bf%a1%e6%81%af t _blank 2005,(07).附錄資料：MATLAB函數(shù)和命令的用法Binocdf二項式累積分布函數(shù)語法格式Y = binocdf(X,N,P)函數(shù)功能Y = binocdf(X,N,P) 計算X中每個X(i)的二項式累積分布函數(shù)，其中，N中對應的N(i)為試驗數(shù)，P中對應的P(i)為每次試驗成功的概率。Y, N, 和 P 的大小類型相同，可以是向量、矩陣或多維數(shù)組。輸入

42、的標量將擴展成一個數(shù)組，使其大小類型與其它輸入相一致。The values in N must all be positive integers, the values in X must lie on the interval 0,N, and the values in P must lie on the interval 0, 1.The binomial cdf for a given value x and a given pair of parameters n and p is The result, y, is the probability of observing up t

43、o x successes in n independent trials, where the probability of success in any given trial is p. The indicator function I(0,1,.,n)(i)ensures that x only adopts values of 0,1,.,n.示例若一個棒球隊在一個賽季要比賽162場，每場比賽取勝的機會是50-50，則該隊取勝超過100 場的概率為： 1-binocdf(100,162,0.5)ans = 0.0010433相關函數(shù) HYPERLINK jar:file:/C:/Pr

44、ogram%20Files/MATLAB/R2010a/help/toolbox/stats/help.jar%21/binofit.html binofit | HYPERLINK jar:file:/C:/Program%20Files/MATLAB/R2010a/help/toolbox/stats/help.jar%21/binoinv.html binoinv | HYPERLINK jar:file:/C:/Program%20Files/MATLAB/R2010a/help/toolbox/stats/help.jar%21/binopdf.html binopdf | HYPE

45、RLINK jar:file:/C:/Program%20Files/MATLAB/R2010a/help/toolbox/stats/help.jar%21/binornd.html binornd | HYPERLINK jar:file:/C:/Program%20Files/MATLAB/R2010a/help/toolbox/stats/help.jar%21/binostat.html binostat | HYPERLINK jar:file:/C:/Program%20Files/MATLAB/R2010a/help/toolbox/stats/help.jar%21/cdf.

46、html cdf附：二項式分布(binomial distribution )定義二項分布的概率密度函數(shù)為where k is the number of successes in n trials of a Bernoulli process with probability of success p.The binomial distribution is discrete, defined for integers k = 0, 1, 2, . n, where it is nonzero.背景The binomial distribution models the total numb

47、er of successes in repeated trials from an infinite population under the following conditions:Only two outcomes are possible on each of ntrials.The probability of success for each trial is constant.All trials are independent of each other.The binomial distribution is a generalization of the HYPERLIN

48、K jar:file:/C:/Program%20Files/MATLAB/R2010a/help/toolbox/stats/help.jar%21/brn2ivz-2.html Bernoulli distribution; it generalizes to the HYPERLINK jar:file:/C:/Program%20Files/MATLAB/R2010a/help/toolbox/stats/help.jar%21/brn2ivz-84.html multinomial distribution.參數(shù)Suppose you are collecting data from

49、 a widget manufacturing process, and you record the number of widgets within specification in each batch of100. You might be interested in the probability that an individual widget is within specification. Parameter estimation is the process of determining the parameter, p, of the binomial distribut

50、ion that fits this data best in some sense.One popular criterion of goodness is to maximize the likelihood function. The likelihood has the same form as the binomial pdf above. But for the pdf, the parameters (nandp) are known constants and the variable isx. The likelihood function reverses the role

51、s of the variables. Here, the sample values (the xs) are already observed. So they are the fixed constants. The variables are the unknown parameters. MLE involves calculating the value of p that give the highest likelihood given the particular set of data.The function HYPERLINK jar:file:/C:/Program%

52、20Files/MATLAB/R2010a/help/toolbox/stats/help.jar%21/binofit.html binofit returns the MLEs and confidence intervals for the parameters of the binomial distribution. Here is an example using random numbers from the binomial distribution with n=100 and p=0.9. r = binornd(100,0.9)r = 85 phat, pci = bin

53、ofit(r,100)phat = 0.85pci = 0.76469 0.91355The MLE for parameterp is0.8800, compared to the true value of0.9. The 95% confidence interval forp goes from 0.7998 to0.9364, which includes the true value. In this made-up example you know the true value ofp. In experimentation you do not.示例The following

54、commands generate a plot of the binomial pdf for n = 10 and p = 1/2.x = 0:10;y = binopdf(x,10,0.5);plot(x,y,+) 相關內(nèi)容 HYPERLINK jar:file:/C:/Program%20Files/MATLAB/R2010a/help/toolbox/stats/help.jar%21/bqt29ct.html l bqt290a-1 Discrete Distributions附：二項式分布（網(wǎng)上）定義若某事件概率為p，現(xiàn)重復試驗n次，該事件發(fā)生k次的概率為:P=C(k,n)pk(

55、1-p)(n-k)C(k,n)表示組合數(shù)，即從n個事物中拿出k個的方法數(shù)。二項分布的概念考慮只有兩種可能結果的隨機試驗，當成功的概率（）是恒定的，且各次試驗相互獨立，這種試驗在統(tǒng)計學上稱為貝努里試驗（Bernoullitrial）。如果進行n次貝努里試驗，取得成功次數(shù)為X（X=0,1,n）的概率可用下面的二項分布概率公式來描述：P=C(X,n) X(1-)(n-X)式中的n為獨立的貝努里試驗次數(shù)，為成功的概率，（1-）為失敗的 HYPERLINK /doc/5399415.html t _blank 概率，X為在n次貝努里試驗中出現(xiàn)成功的次數(shù)，C(X,n)表示在n次試驗中出現(xiàn)X的各種組合情況，

56、在此稱為二項系數(shù)（binomialcoefficient）。內(nèi)容簡介二項分布，伯努里分布：進行一系列試驗,如果1. 在每次試驗中只有兩種可能的結果,而且是互相對立的；2. 每次實驗是獨立的，與其它各次試驗結果無關；3. 結果事件發(fā)生的 HYPERLINK /doc/5399415.html t _blank 概率在整個系列試驗中保持不變，則這一系列試驗稱為伯努力試驗。在這試驗中，事件發(fā)生的次數(shù)為一 HYPERLINK /doc/2273201.html t _blank 隨機事件,它服從二次分布。二項分布可以用于可靠性試驗?？煽啃栽囼灣３Ｊ峭度雗個相同的式樣進行試驗T小時，而只允許k個式樣失敗

57、，應用二項分布可以得到通過試驗的概率。一個事件必然出現(xiàn)，就說它100%要出現(xiàn)。100%=1，所以100%出現(xiàn)的含義就是出現(xiàn)的概率P=1。即必然事件的出現(xiàn)概率為1。若擲一枚硬幣，正面向上的結果的概率為0.5。反面向上的結果的概率也是0.5。則出現(xiàn)正面向上事件或者反面向上事件的概率就是0.5+0.5=1，即二者必居其一。若擲兩次硬幣，由獨立事件的概率乘法定理那么兩次都是正面（反面）向上的概率是0.50.5=0.25。另外第一個是正第二個是反的出現(xiàn)概率也是0.50.5=0.25。同理第一個反第二個正的出現(xiàn)概率也是0.50.5=0.25。于是一正一反的概率是前面兩個情況的和，即0.25+0.25=20

58、.25=0.5。它們的合計值仍然是1。binopdf二項分布的概率密度函數(shù)語法格式Y = binopdf(X,N,P)函數(shù)功能Y = binopdf(X,N,P) 計算X中每個X(i)的概率密度函數(shù)，其中，N中對應的N(i)為試驗數(shù)，P中對應的P(i)為每次試驗成功的概率。Y, N, 和 P 的大小類型相同，可以是向量、矩陣或多維數(shù)組。輸入的標量將擴展成一個數(shù)組，使其大小類型與其它輸入相一致。N中的值必須是正整數(shù)，0 P 1 。對于給出的x和兩個參數(shù)n和p，二項分布概率密度函數(shù)為其中 q = 1 p。 y為n次獨立試驗中成功x次的概率，其中，每次試驗成功的概率為p。指示器函數(shù) I(0,1,.,

59、n)(x) 確保x 取值為 0, 1, ., n。 示例一個質(zhì)量檢查技術員一天能測試200塊電路板。假設有 2% 的電路板有缺陷，該技術員在一天的測試中沒有發(fā)現(xiàn)有缺陷的電路板的概率是多少？binopdf(0,200,0.02)ans =0.0176質(zhì)量檢查技術員一天中最大可能檢測出有缺陷的電路板是多少塊？defects=0:200;y = binopdf(defects,200,.02);x,i=max(y);defects(i) ans =4相關函數(shù) HYPERLINK jar:file:/D:/Program%20Files/MATLAB/help/toolbox/stats/help.j

60、ar%21/binocdf.html binocdf | HYPERLINK jar:file:/D:/Program%20Files/MATLAB/help/toolbox/stats/help.jar%21/binofit.html binofit | HYPERLINK jar:file:/D:/Program%20Files/MATLAB/help/toolbox/stats/help.jar%21/binoinv.html binoinv | HYPERLINK jar:file:/D:/Program%20Files/MATLAB/help/toolbox/stats/help.j