基于FPGA和CMX589A的GMSK调制器设计与实现

作者：关明辉，聂伟 北京化工大学

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。根据GMSK调制的特点，提出 亍一种以FPGA和CMX589A为硬件裁体的GMSK调制器的设计方案，并给出了方案的具体实现，包括系统结构、利用CMX589A实现的高斯滤波器、 FPGA实现的调制指数为O．5的FM调制器以及控制器。对系统功能和性能测试结果表明，指标符合设计要求，工作稳定可靠。
关键词：GMSK；DDS；FM调制器；FPGA

l 引 言
    由于GMSK调制方式具有很好的功率频谱特性，较优的误码性能，能够满足移动通信环境下对邻道干扰的严格要求，因此成为GSM、ETS HiperLANl以及GPRS等系统的标准调制方式。
    目前GMSK调制技术主要有两种实现方法，一种是利用GMSK ASIC专用芯片来完成，典型的产品如FX589或CMX909配合MC2833或FX019来实现GMSK调制。这种实现方法的特点是实现简单、基带信 号速率可控，但调制载波频率固定，没有可扩展性。另外一种方法是利用软件无线电思想采用正交调制的方法在FPGA和DSP平台上实现。其中又包括两种实现 手段，一种是采用直接分解将单个脉冲的高斯滤波器响应积分分成暂态部分和稳态部分，通过累加相位信息来实现；另一种采用频率轨迹合成，通过采样把高斯滤波 器矩形脉冲响应基本轨迹存入ROM作为查找表，然后通过FM调制实现。这种利用软件无线电思想实现GMSK调制的方法具有调制参数可变的优点，但由于软件 设计中涉及到高斯低通滤波、相位积分和三角函数运算，所以调制器参数更改困难、实现复杂。综上所述，本文提出一种基于CMX589A和FPGA的GMSK 调制器设计方案。与传统实现方法比较具有实现简单、调制参数方便可控和软件剪裁容易等特点，适合于CDPD、无中心站等多种通信系统，具有重要现实意义。

2 系统硬件设计
    系统的硬件主要包括三部分：单片机控制器及其外围扩展键盘和液晶显示模块、高斯滤波器模块，以及FPGA调制器模块，系统硬件结构图如图1所示。

  系统工作过程如下：系统加电后，FPGA完成初始化，LCD界面提示用户输入控制信息，同时系统输出固定频率的正弦载波，表明系统正常工作；用户通过控制 菜单的提示，从键盘输入控制信息(例如基带信号的码元速率，高斯滤波器的系统参数，BT值以及调制器的载波频率等)；控制信息通过主控制器发送给高斯滤波 模块及调制器模块；FPGA调制器模块根据接收到A／D转换器的输入信号的幅度值控制频率字从而完成对于基带信号的调制。
2．1 高斯滤波器模块设计
    高斯滤波器模块采用CML公司生产的CMX589A专用集成芯片，具有较宽的基带信号接收速率。在本设计中，为CMX589A提供两种频率的外部晶振，分 别为25．576 MHz和8．192 MHz，通过跳线控制。CMX589A的控制引脚与单片机的P2口相连来控制滤波器的参数，其中ClkDivA、ClkDivB与外部时钟配合共同决定高 斯滤波器的基带码元速率，设置如表1所示。BT引脚控制高斯滤波器的系统带宽，当设置为"l"时，系统BT值为O．5；当设置为"O"时，BT值为 O．3。高斯滤波器的工作过程为：首先根据不同系统的需要来设置滤波器的基带码元速率和带宽BT值，然后在Tx Data引脚接入需要调制的基带码元信号，同时给Tx Enable置高电平，通过TxOut就可以接收到高斯滤波基带信号。

2．2 调制指数为O．5的FM发射机设计
    调频发射机由FPGA配合A／D、D／A来实现。FPGA选用Cyclone系列EPlC6Q240C8，它是采用SRAM工艺制造的混合低电压FPGA 芯片。A／D采用TI公司生产的8位模数转换器TLC5510，D／A则采用10位数模转换器THS5651A，用以完成高速率数据转换。调频发射机的系 统时钟为20 MHz，同时提供给D／A THS565lA作为转换时钟。A／D转换时钟由FPGA提供，系统时钟经过分频提供给A／D转换器1 MHz的工作时钟。同时单片机的P3口通过2 b的频率控制位与1 b的"使能"控制位与FPGA相连来控制调制器的4种中心频率，分别为20 kHz，200 kHz，2 MHz和20 MHz，中心频率设置如表2所示。当载波的中心频率设置为20 MHz的时候，系统工作时钟需要通过FPGA内部的PLL倍频实现。

2．3 单片机控制器设计
    控制器采用AT89C51单片机，外扩LCD，4*4矩阵键盘，并通过接口与单片机的P0和P1相连，单片机的P2口与高斯滤波器的控制线相连，P3口与FPGA相连控制发射机的中心频率。
    键盘处理及LCD显示模块：利用键盘实现人机接口，该模块包括键盘的扫描、去抖、连击以及功能键的信号处理。用户根据需要来调整系统参数，并通过与LCD显示器的结合来显示当前调制信号的各种参数，从而使系统更具可操作性。
    功能参数设置模块：此模块负责处理键盘的输入数据，根据用户指令选择相应的系统参数(例如基带信号的码元速率、FM调制器的中心频率等)。表3表示在高斯滤波器模块工作时钟为8．192 MHz时，单片机控制滤波器系统参数设置。