TMS320C6711 DSP işlemci İle GMSK Modem Uygulaması

Transkript

1 TMS320C6711 DSP işlemci İle GMSK Modem Uygulaması Sevil Çelikler 1,2 Sıtkı Öztürk 1 1 Elektronik ve Haerleşme Mühendisliği Bölümü Mühendislik Fakültesi Kocaeli Üniversitesi, İzmit, Kocaeli 2 Tüitak-UEKAE,P.K:74 Geze, Kocaeli e-posta: [email protected] e-posta: [email protected] Anahtar sözcükler:gmsk,dsp,modülatör,demodülatör,tms320c6711 ABSTRACT In communication systems, a major requirement is to transmit the data at high rate using the limited resources of hardware and channel andwidth. Another requirement of the receiver is to estimate symol timing so that symol decisions may e made relialy at the instant of smallest inter-symol interference to get very low it error rate. Though there exist various analog techniques for synchronization and detection, advances in digital signal processors (DSP) have prompted the development of algorithms that use an all-digital realization. This project focuses on an implementation of a GMSK modem using a TMS320C6711 DSP, which operates on asynchronous samples from a free running A/D converter. 1. GİRİŞ Haerleşme sistemlerinde ana ihtiyaç, ant sınırlı kanallarda düşük ant genişliği kullanan ve alıcı tarafta optimal semol kararını vererek semol tahmini yapan modülasyon ve demodülasyon teknikleri kullanmaktır. Sayısal işaret işlemcilerin güçlü hesaplama özellikleri ve yüksek hızda geliştirme yapmaları ile irlikte ugün artık, sayısal haerleşme alanında artan ir ilgi görmektedir. Tamamı sayısal olan tasarımlarla modem uygulamaları, analog devrelerin azalmasına ve DSP nin hesaplama yükü ve analog-sayısal çeviricilerin yükü artmaktadır. Bu makale de Gaussian Minimum Shift Keying (GMSK) tekniği kullanılarak, Dect (Digital Enhanced Cordless Telecommunications) sistemlerde ve GSM sisteminde kullanılan modülasyon ve demodülasyon işleminin sayısal işaret işlemci çözümü hedeflendi. Bu çalışma pratik olarak TMS320C6711 üzerinde gerçek zamanlı GMSK alıcı ve verici uygulaması ve GMSK modülasyon tekniğinin diğer modülasyon tipleri ile karşılaştırılması yapılmıştır. 1.1 Simgelerarası Karışma ( ISI ) Sınırlı ir ant genişliğine sahip ir haerleşme kanalı üzerinden iletim yapıldığında, haerleşme kanalı iletilen işaretin frekans spektrumunu sınırlandırmaktadır. İşaretin frekans spektrumunun sınırlandırılması sonucunda, zaman uzayında dare şeklinde yayılma meydana gelmektedir. Dare şeklinin zaman uzayında yayılması sonucunda dare, kendisine ayrılan it zaman diliminin dışına ve dolayısıyla komşu darelerin zaman dilimlerinin içersine taşmaktadır. Bu durum simgelerarası karışma (Inter Symol Interference ISI) olarak isimlendirilir. İletilen dare işaretleri kendi zaman dilimlerinden komşu zaman dilimlerine taştığı durumda, komşu zaman dilimindeki semollerin doğru olarak algılanma olasılığı azalmakta ve unun sonucunda iletim performansı düşmektedir. Optimal performans için, alıcıya gelen işaretlerin yeniden elde edilmesi için, ISI nın düşük olduğu anda örneklenmelidir. Bu, işaretin ant genişliği azaltılması açısından istenerek yapılan ISI değeri GMSK için kritik ir değerdir. 1.2 Semol Eş Zamanlama Alıcıda, işaretin doğru olarak alınailmesi için zamanlama ilgisi elde edilerek verici ile eş zamanlama sağlanmalı ve u sayede her ir semolün doğru zaman aralığında çözümlenmesi gerçekleştirilmelidir. Alıcıda elirlenmesi gereken ilk parametre semol veya örnekleme frekansıdır. Alıcıda semol periyodunun kestirilmesi gerekmektedir. Bu sayede alıcıda örneklerin doğru zamanlama ile alınması sağlanailmektedir. İletim hızı alıcıda ilinmesine rağmen, sistemde kullanılan osilatör elemanlarının elirsizlikleri nedeniyle küçük de olsa sürüklenmeler meydana gelmektedir ve u nedenle alıcıda küçük sapmalar oluşmaktadır. Sistemin çalışmasına etki etmemesi için alıcı ile verici

2 arasındaki semol oranı eş zamanlamasının sürekli olarak sağlanması gerekmektedir. Eş zamanlama için alıcıda semol fazının da elirlenmesi gerekir. Semol fazında eş zamanlama sağlanarak semol zaman dilimi içerisinde örneklemenin yapılacağı en iyi zaman anı elirlenmektedir. Bu nedenle sayısal haerleşmede, eş zamanlama için farklı yöntemler ulunmaktadır. Bunlar; Taşıyıcı eş zamanlaması içeren, elirli ir kod kelimesi içeren eş zamanlama, Çerçeve eş zamanlaması, Saat eş zamanlaması, olailir. Bazı makalelerde, saat yada semol eş zamanlamasına dayalı çalışmalar yayımlanmıştır ve zamanlamayı elde etme performansı için çeşitli algoritmalar amaçlanmıştır [4]. Geçmişte azı algoritmalar, örnekleme frekansını veya zamanlama hatasını azaltmak için geri eslemeli veya ileri eslemeli A/D çeviricinin fazını referans almışlardır [4]. Bu çalışmada yaygın olarak kullanılan Gardner eş zamanlama yöntemi kullanımı hedeflenmiştir. Floyd Gardner, senkron BPSK/QPSK için zamanlama hatasını ulmak için asit ir algoritma önermiştir [4]. Gardner ın Algoritması, her ir semol için iki örnek gerektirir. Fakat algoritma zamanlama hatasını hesaplamak için yalnızca üç örneğin toplamını kullanır. Gardner eş zamanlama yaklaşımında zamanlama hatası ipolar / ünipolar işaret için, e ( ). n = yn yn 2 yn 1 olarak hesaplanmakta ve u hataya göre örnekleme zamanları düzeltilmektedir. yn ile y n 2 örnekleri arasında Tc, örnekleme periyodu kadar, yn ile y n 1 örnekleri arasında T c 2 kadar periyot farkı ulunmaktadır. Gardner yöntemi yaklaşık olarak %40 ile %60 arasında fazlalık ant genişliğine sahip Nyguist dareleri kullanan doğrusal modülasyon sistemleri için kullanılailmektedir [5]. Gardner eş zamanlama yaklaşımı yüksek SNR (Signal-to-Noise Ratio) iletimlerinde daha iyi aşarım sağlamaktadır [5]. İlave taşıyıcı kullanan modülasyon sistemlerinde, Gardner yaklaşımı ile semol zamanlama ilgisinin geri elde edilmesi işlemi, taşıyıcı fazının elde edilmesinden ağımsız olarak gerçekleştirileilmekte ve u sayede taşıyıcı kaymalarına karşı dayanıklılık sağlamaktadır. Bu durumda semol zamanlama döngüsü önce kilitlenerek taşıyıcının geri elde edilmesi işlemini kolaylaştırailmektedir [5]. 2. Gauss Minimum Kaydırmalı Anahtarlama (GMSK) Modülasyonu GMSK (Gaussian Minimum Shifting Keying), sayısal iletişimde ant genişliğini optimize eden ir ikili iletişim metodudur. MSK (Minimum Shift Keying) modülasyonunda sinüssel dare içimlendirme kullanılarak işaret daha düzgün hale getirilmekte, fakat semol geçişlerinde faz sürekli olmasına karşın frekanstaki süreksizlik devam etmektedir. Gauss dare içimlendirmesi kullanılarak zaman uzayında daha düzgün ir işaret elde edilmektedir. Aynı zamanda, işaretin frekans spektrumunda ana ant genişliği daraltılailmekte ve frekans spektrumunda daha düşük genlikte yan antlar elde edilmektedir. Gauss dare içimlendirilmesinin kullanıldığı MSK modülasyonuna GMSK modülasyonu olarak adlandırılır. GMSK modülasyonunda ilgi işareti Gauss süzgecinden geçirilir. Filtrenin transfer fonksiyonunu gauss dağılımı içiminde tasarlanır. Gauss filtresinden geçirilmesi sayesinde işaret semolleri arasındaki geçişin düzgünleştirilmesi sağlanır ve u işlemin sonucunda işaretin ant genişliğinin azaltılması sağlanır. Gauss filtrenin irim dare cevaı oldukça düzgün olduğundan, modüleli işaretin fazı, semol periyodu üzerinde sürekli değişir. GMSK 3dB ant genişliği dışında gücü küçüktür ve kalosuz haerleşme için istenen karakteristiği veren, sait ir zarfa sahiptir. Bant dışı gücü, Gauss ön modülasyon filtresinin keskin kesim frekansı ile oldukça astırılır. GMSK, kalosuz ve moil haerleşmede genel olarak kullanılan sayısal modülasyon tipidir. GMSK da, taşıyıcının fazı Gauss filtre ile filtrelenmiş işarete göre sürekli değiştirilir. GMSK nın geniş anlamda avantajları; oldukça dar ant genişliği, sait zarf modülasyonu ve faz uyumlu ve faz uyumsuz demodülasyon içinde uygun olmasıdır. Sait zarf, GMSK yı çevresel ozulmalardan daha az etkilenir olmasını sağlar ve u ozulma genlik modülasyonundakinden daha azdır. Kullanılan GSM sistemlerinde standart olarak BT. = 0, 3 oranlı GMSK, kalosuz sayısal iletimi sağlayan DECT sistemlerde ise standart olarak BT. = 0, 5 oranlı GMSK modülasyonu uygulanmaktadır. 2.1 GMSK İşaretinin Üretilmesi Şekil.1 de verilen lok yapı ile elde edilir. GMSK modülasyonu için ir it dizisi sıfıra dönüşsüz (NRZ) dizi olarak tasarlanmıştır ve ondan sonra Gaussian irim yanıtlı alçak geçiren filtreden geçirilir (Şekil 2). ISI nın miktarı, Gaussian iletim filtresinin ant genişliği, B ile it süresi T nin çarpımı B.T ye

3 Kanal I Cos( ) verilmekte ve Gauss daresi ile içimlendirilmiş işaretin matematiksel ifadesi ise; NRZ Veri Gauss Süzgeci h (t) 1 (.) dt T Kanal Q Cos2πf ct Sin( ) π 2 Şekil 1. GMSK Modülasyon Blok Yapısı GMSK i(t) t T 2 t+ T 2 g t) = Q(2π B ) Q(2πB ) (4) ( verilmektedir. Şekil 3.a da NRZ işaretinin Gauss daresi ile şekillendirildiğinde Şekil 3. de verilen işaret elde edilir. ağlıdır. Filtrenin çıkışında işaret taşıyıcı ile modüle edilir. GMSK işaretleşmesi için, demodülasyon MSK gii diferansiyel deteksiyon işleminden geçirilir. B.T çarpımının yüksek değeri için veri hızı düşük ancak ISI daha azdır. Düşük B.T, S/N oranı yüksek ve hata olasılığı düşük kanallarda tercih edilir. 350 Gaussian Pulse x 10-3 Şekil 2. Gauss Daresi GMSK da iletilen işaretin matematiksel ifadesi; 2E i( t) =. Cos(2π f t + ϕ( t, )) (1) T şeklinde ifade edilir. (1) ifadesinde faz üyüklüğü de; t ϕ( t, k ) = 2πh k. g( τ kt ) dτ c k (2) Şeklinde ifade edilmektedir. (2) ifadesindeki modülasyon indisi h ve modülasyonda kullanılan dare içimi g(t) ile ifade edileilmektedir. Bu ifade frekans modülasyonlu işaretin ifadesine enzemektedir. Uygulamada farklı modülasyon indislerinin kullanımı mümkün olmakla irlikte, genelde asit eş evreli demodülasyon kullanılailmesi için değeri tercih edilmektedir. h = 0.5 Şekil 2 de verilen Gauss dare içimlendirme süzgecinin impuls yanıtı matematiksel olarak; 2π 2 2( πbt ) h( t) =. B. e (3) Şekil TMS320C6711 DSP İşlemci ile GMSK Modem Uygulaması GMSK modem uygulaması, üzerinde TMS320C6711 işlemcisine sahip DSP aşlangıç kiti üzerinde yapılmıştır (Şekil 4). Alıcı ve verici algoritmaları için iki farklı kart kullanılmıştır. Devrenin verici olarak tasarlanan kısmında; veri, kit üzerindeki analog sayısal dönüştücü çıkışından alınır ve GMSK modülasyonu için DSP girişine uygulanır ve DSP çıkışından GMSK modülasyonlu işaret elde edilir. Devrenin alıcı olarak tasarlanan kısmında; verici çıkışındaki işareti diğer DSP girişine uygulanır ve DSP çıkışından veri tekrar elde edilir. Daha sonra veri sayısal analog dönüştürücüye uygulanarak analog ilgi işareti yeniden elde eder. Şekil 4. TMS320C6711 DSP Kiti Alıcıda, doğru veriyi yeniden elde edeilmek için zamanlama ilgisi, semol senkronizasyonu ile

4 sağlanmaktadır. GMSK modem uygulamasında, genel ir lok devre olarak Şekil 5 de görülmektedir. Şekil 7. GMSK Demodülasyon Blok Yapısı Şekil 5. Gerçekleştirilen GMSK Modem lok devresi TMS320C6711 DSP işlemcisi, iki yönlü çok kanallı seri port (Multi Channel Buffered Serial Port McBSP ) a sahiptir. Bu seri portlar, kart üzerindeki analog/sayısal sayısal/analog dönüştürücüler ile doğrudan ağlantılıdır. McBSP, değişken ve yüksek hızlı ara yüz sağlar. Bunun yanında TDM yapısında veri alıp göndermeyi de sağlar. Modülasyon için veri alınır ve sonra modüle edilerek iletilmek üzere dönüştürücüye gönderilir. Alıcıda ise, dönüştürücü sait 8kHz örnekleme frekansı ile örnekleri alır ms de ir DSP ye kesme ile iletilir ve alınan veri demodüle işleminden geçirilerek ilgi işareti yeniden elde edilir. Şekil 6 de modüle ve demodüle edilmiş işaretler, Şekil 1 ise GMSK alıcının lok yapısı görülmektedir. Şekil 8 de ise gönderilen veri ile demodülasyon işlemi sonrasında elde edilen verinin hatasız olarak tekrardan elde edildiği görülmektedir. 3. SONUÇ Şekil 8 Örnek ir ilgi işareti için Gauss filtresinden geçirilmiş veri (Şekil 2 de görüldüğü gii ) ve GMSK modülasyon işaretleri Şekil 6 de gösterilmektedir. Şekil 9 da görüldüğü gii MSK ile karşılaştırıldığında GMSK modülasyonun daha düzgün ir işaret verdiği görülmektedir. Gönderilen işaretin ozulma olmadan alındığı görülmektedir. Zaman uzayında işaretin yüksek frekans ileşeni kayolmaktadır. GMSK tekniği ile sıradan dar antlı telsiz kanallarında onlarca kata varan kapasite artışı sağlayailiriz. Gauss filtresi, sayısal elektriksel sinyali şekillendirirken ISI oluşturur. Sistemin geri kalanında meydana gelecek hatalar, ISI hatasını arttırarak GMSK verimini düşürür. GMSK modülasyonun da, zaman uzayında daha düzgün ir işaret elde edilerek işaretin frekans spektrumunda ant genişliğinin azaldığı ve daha düşük genlikli yan antlar elde edildiği görülmektedir. Şekil 6 Bu uygulamada GMSK modülasyon ve demodülasyon işlemleri sayısal ir işlemci olan TMS320C6711 işlemcisi üzerinde tüm işlemler sayısal olarak gerçekleştirilmiştir. Sayısal teknikler ile, hata deteksiyonu ve düzeltmeler yapılarak son derece

5 düşük hata oranları ile aslına uygun işaret elde edileilir. [5] Renfors, M. Baic, D. Syncronisation in Digital Receivers, ICE Tutorial, 83050E/284 [6] Digital Communications Fundamentals and Applications (Second Edition) By Benard Sklar. Prentice Hall, 2 nd Edition,2002 [7] M. P. Chen. Detection improvement methods for a GMSK signal. Technical report,moile & Portale Radio Research Group, Virginia Tech, [8] Jeffery D. Laster, Roust GMSK Demodulation Using Demodulator Diversity and BER Estimation, Virginia Polytechnic Institute and State University, Electrical Engineering, 1997 Şekil 9. Güç Spektral Yoğunluk Şekil 9 da QPSK,MSK ve GMSK için normalize edilmiş spektral yoğunluk verilmiştir. [8] KAYNAKLAR [1] H. Harada, R. Prasad, Simulation and Software Radio for Moile Communications, Artech House, May 2002, ISBN [2] Richard Paul Lamert, A Real-Time DSP GMSK Modem with All-Digital Symol Synchronization, M.S. Thesis, Texas A&M University, May 1998 [3] Jeffery D. Laster, Roust GMSK Demodulation Using Demodulator Diversity and BER Estimation, March 1997, Blacksurg,Virginia [4] Floyd M. Gardner A BPSK/QPSK Timing Error Detector for Sampled Receivers, IEEE Transactions on Communications,vol.34.pp , May, 1986