GMSK調(diào)制器在電力線通信中的實(shí)現(xiàn)

陳亮 張超 沈兵

（海軍工程大學(xué)，湖北武漢 430033）

0 引言

電力線通信（Power Line Communication，簡稱PLC）技術(shù)是利用配電網(wǎng)輸電線路作為信號的傳輸信道，使用載波方式傳輸高速數(shù)據(jù)、話音、圖像等多媒體業(yè)務(wù)信號的一種通信方式。利用電力線可以傳輸遠(yuǎn)程保護(hù)信號等數(shù)字信息，且電力線機(jī)械強(qiáng)度高，可靠性好，作為通信信道不需要額外的線路敷設(shè)，因此PLC具有較高的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，在電力系統(tǒng)控制、繼電保護(hù)和智能家居中有著廣泛的應(yīng)用前景。但是電力線不同于普通數(shù)據(jù)通信線路，當(dāng)其作為數(shù)據(jù)傳輸信道時，線路上有許多不可預(yù)測的噪聲和干擾源，隨著負(fù)載的投入和切除，電力線特性也在不斷的發(fā)生變化[2]。因此，電力線通信系統(tǒng)的信息調(diào)制技術(shù)也日漸成為研究的熱點(diǎn)。

近年來，電力線通信系統(tǒng)采用的調(diào)制技術(shù)主要是 OFDM（正交頻分復(fù)用）、GMSK及常規(guī)的QPSK（相移鍵控）、FSK（頻移鍵控）等。連續(xù)相位調(diào)制技術(shù)是未來調(diào)制解調(diào)技術(shù)的發(fā)展趨勢，GMSK就是一種典型的連續(xù)相位調(diào)制方式。GMSK具有恒包絡(luò)、相位連續(xù)的特點(diǎn)，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[3]。因此GMSK信號在有鄰道干擾和非線性功率放大器的系統(tǒng)中具有很好的性能，很適合于電力線信道[2]。工程上GMSK調(diào)制器的實(shí)現(xiàn)方式很多[5]，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(shí)現(xiàn)，實(shí)際應(yīng)用較多，但是傳統(tǒng)的正交調(diào)制法采用的是 DAC之后的模擬信號進(jìn)行混頻，存在I/Q支路信號幅度及正交載波相位的不平衡問題，影響已調(diào)信號的性能，而采用全數(shù)字的實(shí)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(shí)現(xiàn)方式的優(yōu)劣，同時結(jié)合工程實(shí)際，對波形存儲正交調(diào)制法的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)字化設(shè)計，并在FPGA上加以實(shí)現(xiàn)。理論分析和計算機(jī)仿真都證明了這種數(shù)字實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的GMSK信號在電力線通信系統(tǒng)傳輸中具有優(yōu)良的性能。

1 GMSK調(diào)制的基本原理

GMSK信號產(chǎn)生原理如圖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(yīng)分別為

式中，參數(shù)α與HG（f）的3 dB基帶帶寬B有關(guān)，即

為了方便GMSK的解調(diào)，需要對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行差分預(yù)編碼。設(shè)輸入數(shù)據(jù)為di∈｛0,1｝，將差分編碼之后的雙極性不歸零數(shù)據(jù)αi通過高斯低通濾波器，則高斯濾波器的輸出為

式中Tb為碼元周期，g（t）為高斯濾波器的矩形脈沖響應(yīng)。把X（t）加于 VCO（壓控振蕩器），經(jīng)調(diào)頻后的GMSK信號為

式中ωc為混頻頻率，相位路徑

由（4）式可見，GMSK實(shí)現(xiàn)時可采用正交相位調(diào)制。由于g（t）的取值范圍為（-∞,∞），它是物理不可實(shí)現(xiàn)的，因此在工程中均需要對g（t）進(jìn)行截短或近似。

經(jīng)計算，對于BTb=0.3，當(dāng)N=2時，有

因而，在具體計算Φ（t）時，取g（t）的截短長度為5Tb，具有足夠的精度。

2 GMSK調(diào)制的硬件實(shí)現(xiàn)

2.1 傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法

在目前的工程應(yīng)用上，最簡單的方法如圖 1所示，即用基帶高斯脈沖序列直接調(diào)制 VCO的頻率。這種實(shí)現(xiàn)方式的結(jié)構(gòu)簡單，但是調(diào)制器受VCO頻率穩(wěn)定性的影響大，難以保證GMSK信號的性能。另一種實(shí)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(shù)的采用解決了頻率穩(wěn)定性的問題，但BPSK（二進(jìn)制相移鍵控）移相器存在相位突變，為使碼元轉(zhuǎn)換點(diǎn)的相位連續(xù)且沒有尖角，鎖相環(huán)的傳遞函數(shù)應(yīng)具有良好的平滑性能和快速響應(yīng)能力，這增加了硬件實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜程度，因而實(shí)際應(yīng)用有一定局限[7]。

圖2 PLL型GMSK調(diào)制器

實(shí)際應(yīng)用較多的實(shí)現(xiàn)方法是波形存儲正交調(diào)制法[8]。由公式（4）可知，在計算Ф（t）后，即可算出 GMSK信號。在時刻t，Ф（t）只與輸入數(shù)據(jù)和g（t）有關(guān)，而g（t）只取決于其截短長度，因此Ф（t）的狀態(tài)是有限的，這樣由Ф（t）形成的 cosФ（t）和sinФ（t）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 cosФ（t）和 sinФ（t）離散化，制成表，儲存在 ROM中，根據(jù)輸入的二進(jìn)制數(shù)據(jù)查找波形存儲表獲得基帶I/Q信號，再分別經(jīng)數(shù)模變換（DAC）、低通濾波后進(jìn)行混頻。調(diào)制器的原理結(jié)構(gòu)如圖3所示。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是利用數(shù)字技術(shù)可以產(chǎn)生具有任何響應(yīng)特性的基帶脈沖波形和已調(diào)信號，缺點(diǎn)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I/Q支路信號幅度及正交載波相位不平衡。在輸入數(shù)據(jù)｛di｝為隨機(jī)序列的情況下，會導(dǎo)致已調(diào)信號包絡(luò)起伏。限幅前其功率譜不受影響，而限幅后的功率譜有擴(kuò)展現(xiàn)象[8]。所以，在工程實(shí)現(xiàn)上必須盡量避免這一問題。

2.2 全數(shù)字實(shí)現(xiàn)方法

隨著數(shù)字器件的發(fā)展特別是DDS（數(shù)字頻率合成）技術(shù)的廣泛應(yīng)用，在查找波形存儲表獲得基帶I/Q數(shù)字信號以后不經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換而直接進(jìn)行DDS數(shù)字混頻，就能避免因?yàn)槟M濾波而產(chǎn)生的I/Q支路信號幅度失衡。這樣的I/Q數(shù)字信號經(jīng)過低通濾波器（LPF）抑止高頻分量后，再通過DDS進(jìn)行數(shù)字混頻，就能夠得到 GMSK數(shù)字已調(diào)信號。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(shí)現(xiàn)GMSK調(diào)制器，就能有效避免I/Q兩條支路信號幅度及正交載波相位失衡。

FPGA包含豐富的IP core資源，其中就有正弦余弦查找表和 DDS，因此我們在硬件上選擇FPGA來全數(shù)字實(shí)現(xiàn)GMSK調(diào)制器，如圖4所示。通過將相位路徑Ф（t）離散化，存儲在圖中的相位路徑表中，由輸入的二進(jìn)制數(shù)據(jù)查找相位路徑表獲得相位路徑Ф（t），正弦余弦查找表計算出相應(yīng)的cosФ（t）及sinФ（t），這樣就得到了基帶I/Q信號。經(jīng)過內(nèi)插并抑止高頻分量后，再進(jìn)行數(shù)字混頻，最后就能得到GMSK數(shù)字已調(diào)信號。

圖3 波形存儲正交調(diào)制法原理框圖

圖4 基于FPGA的改進(jìn)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)

圖5 FPGA實(shí)現(xiàn)后的頂層RTL原理圖

按照圖4所示結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)GMSK數(shù)字調(diào)制器，我們在Xilinx公司的xc2v6000-4芯片上進(jìn)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(jìn)制貝努利序列，碼元寬度為Tb（1/Tb=2.4 kbit/s），g（t）的截短長度為5Tb，BTb=0.3，Ф（t）的抽樣速率fs=8fb（fb=1/Tb=2.4 kbit/s ），量化電平Q=10bit/抽樣。圖5為FPGA平臺上實(shí)現(xiàn)的頂層RTL（寄存器傳輸級邏輯）原理圖。

該 GMSK數(shù)字調(diào)制器的最高時鐘頻率達(dá)到202.8 MHz，對FPGA資源占用分別為：4輸入查找表（即 LUT）71個，Slices 293 個，BlockRAMs 1個。

3 仿真及結(jié)果分析

圖6 GMSK基帶已調(diào)信號功率譜密度及仿真眼圖，

因?yàn)?GMSK信號的功率譜密度可看為將基帶波形I（t）或Q（t）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(jìn)行處理，這里采用Welch法對GMSK基帶信號進(jìn)行功率譜估計[8]。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。可以看出，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3 dB帶寬為2.88 kHz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，能夠滿足電力線通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>

[1] Rastislav Roka, Modelling of transmission channels over the low-voltage power distribution network.Journal of electrical enginnering, Vol.56, No.9-10,2005, 1-9.

[2] 耿煊等, 低壓電力線通信的信道特性分析及模型研究, 電力系統(tǒng)通信. 2004, 4: 43-54.

[3] 陳萍等編著. 現(xiàn)代通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的計算機(jī)仿真. 國防工業(yè)出版社, 2003. 4: 243-254.

[4] 郭梯云等. 數(shù)字移動通信. 人民郵電出版社. 1996.

[5] M.Mouly and M.B. Pautet. The GSM system for mobile communications. Palaiseau, 1992.

[6] 羅來源, 肖先賜. 基于線性近似的GMSK信號調(diào)制.信號處理, 2002, 18（4）: 363-364.

[7] 張德純,王興亮 主編. 現(xiàn)代通信理論與技術(shù)導(dǎo)論.西安: 西安電子科技大學(xué)出版社, 2004, 10: 109-114.

[8] 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(xué)學(xué)報, 1994, 17（4）:20-25.

[9] 朱衛(wèi)華, 黃鄉(xiāng)佩, 盧桂榮. 基于FPGA的高精度數(shù)字移相低頻正弦波發(fā)生器設(shè)計[J]. 微計算機(jī)信息 ,2005, （07）.