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GMSK调制算法在 picoArray开发平台上的实现研究
覃真，彭涛 啜钢
北京邮电大学无线信号处理与网络实验室，北京（100876）
摘 要：本文主要讲述在新一代并行处理芯片 picoArray上实现GSM系统中所使用的GMSK
调制方式及其性能分析。首先简要介绍 picoArray芯片的体系结构、开发流程及其优势，接
着主要介绍如何在 picoArray芯片上实现 GMSK调制算法，然后给出 GMSK调制的部分性
能，最后对基于 picoArray芯片开发移动通信系统的前景进行展望。
关键词：PicoChip，picoArray，MSK，GMSK
1. 引言
picoArray[1] 是一种多核数字信号处理芯片（DSP），它引入了一种全新的芯片体系结构，
由大量相互独立小芯片以阵列形式组成的，是一种大规模并行的、多重指令多重数据
(MIMD) 架构，该架构是由获得专利的 picoBus 内连技术连接在一起的多种类型的处理单元
构成的。picoArray 解决方案将已获得专利的多处理器阵列芯片与强大成熟的软件开发工具
套件和参考设计进行了完美结合，极大降低了无线通讯设备的成本和功耗，加速了上市时间，
并且实现了“软件无线电”这一战略目标。
picoArray 的最大创新在于其互连结构以及与工具链进行集成的方式，路由编程是在设
计时进行的，因此所有资源均是静态分配的且具有确定性。各个处理器均可互相链接（即不
仅仅是最近邻的），它可支持复杂的架构（扇入、扇出、交换等）。该结构具有极高的带宽
(Tbps)，并且支持 TDM 接入机制，因此多个信号可共享一个分段，从而实现极为高效的应
用，这些都是是通过工具支持的，编程人员仅将精力集中到设计任务上，无需考虑互连和布
局问题，因为这些工作均由编译器自动完成。
2. picoArray 结构以及主要特点
图 1 简单表示了 picoArray 总体体系结构图（详见参考文献[2]）
图 1 picoArray 体系结构图
图中 P（Processor）代表各个小的处理器，一般称为阵列单元 AE（Array Element），这
些处理器以阵列形式排列，通过总线（picoBus）相互连接起来，每一个 AE 与两条总线相
连，总线之间通过交换矩阵来协调，这样任何 AE 之间都可以很方便的通信，图中不同颜色
的线条代表了不同的信号线，实际中每一个 picoArray 所包含的 AE 多达 322（PC102）个，
这些 AE 可以并行处理，互不干扰，独立的完成自己的任务。IPI 为 picoChip 之间的接口，
不同的 picoChip 可以通过 IPI 接口级联起来以完成更为复杂的系统功能。
相比传统的 DSP 处理芯片，picochip 并行处理芯片具有以下特点：
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1) 处理单元之间相对独立，并行处理
2) picoChip 提供了巨大的总线带宽
3) picoArray 易于编程，具有强大的开发环境
4) 编译时静态分配资源
除了以上特点，PicoArray 还具有用于密集计算的数据路径操作（例如滤波、快速傅立
叶变换、路径度量计算和关联）的大量处理资源，但同时它还具有大量处理更为复杂的现代
无线系统控制操作的通用 MIPS，这种系统必须能够快速适应信道状况和服务需求。
PicoArray 独特的架构和程序设计风格意味着所有这些能力都可以用于现实的设计中，而不
是仅限用于试验台—MIPS 和通信带宽的利用率一般都超过 90%。
因此，与传统的 DSP 相比，picoArray 的性能远远更高，效率也远远更高。
3. 基于 picoArray 芯片的 GMSK 调制算法实现以及性能分析
GMSK 调制算法原理以及硬件实现
GMSK 调制(Gaussian Minimum Shift-Keying) [3]是实现 GSM 基站系统发射部分数字上
变频(DUC)的关键技术之一。基带信号经过 GMSK 调制后得到中频信号，再经射频发射。
GMSK 信号比 MSK 信号具有更窄的带宽，以满足移动通信中对带外辐射的严格要求。协议
中定义了 GMSK 调制方式，图 2 给出了 GMSK 调制原理图：
图 2 GMSK 调制原理图
关于 GMSK 调制算法有多种(详见参考文献[4])：直接调制，PLL 调制，波形正交存储
调制，近似线性模型调制等，这里我们不再一一赘述。在综合考虑以后，采用了波形正交存
储调制算法来实现，具体算法如下：
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图 3 正交波形存储 GMSK 调制算法框图
将上面的正交波形存储算法在 picoArray 上具体实现如下:
图 4 GMSK 在 picoArray 上实现框图
下表给出了图 4 中的各个模块的描述：
表 1 GMSK 调制模块的功能描述
模块名称 输入 输出 功能描述
BsTxGMSKPreProcess
进过Datapath后的进入调制
模块的 0/1 比特流
当前调制比特在表中的
初始相对地址
对应相对地址需要乘上
的符号
计算当前调制比特的地址和符
号
BsTxGMSKModulation
地址和符号 根据上一个模块的得到的地
址和符号，在表中连续取出
Fs(96)个采样值作为当前调制
符号
查表求出调制符号然后对应乘
上符号，这样就求出一个调制比
特的 Fs 调制采样符号
GMSK 调制 picoArray 实现性能分析
根据协议中的规定，对于GMSK功率谱在 200KHz时需要达到－30dB，
在 picochip 上实现数据画出的功率谱在 200KHz 达到了－40dB，符合协议的要求。
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同时还仿真了调制数据的眼图，由眼图可以看出，只要我们在眼睛睁开的最大地方，直
接进行硬判决就可以解调 GMSK 信号。
图 5 GMSK 的功率普密度图 图 6 GMSK 调制信号眼图
4. 结论
picoArray 作为一种新型并行处理芯片，其方便的编程环境，强大的处理环境和低廉的
成本为移动通信系统基带的设计和实现提供了很好的平台。而且 picoArray 目前针对 UMTS
和 WiMAX 提供全面的、高质量的软件参考设计[1]。
GMSK 调制方式有着恒包络，连续相位，高频谱利用率，低旁瓣和抗衰落的优良特性。
因此 GMSK 在通信领域中有着广泛的应用，特别是作为当前主要的通信系统 GSM/GPRS 中
的指定调制方式。因此，GMSK 调制的设计好坏，将会直接关系到整个通信系统的性能。
本文通过 picoArray 实现的 GMSK 调制算法，各个方面都已经达到了协议的要求，甚至达到
了比协议要求更好的性能。
总之，picoArray 以其强大的处理能力和简单规划的编程环境，为通信系统的开发实现
提供了很好的平台。我相信，picoArray 在 3G/B3G 中，一定会发展其主要优势，开创自己
的时代。
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参考文献
［1］ picoChip Designs Ltd , PicoChipWhitePaper, 2003.
［2］ picoChip_library-SC, 2004.
［3］ 周炯磐,庞沁华,续大我等.通信原理.北京:北京邮电大学出版社.
［4］ 周文安,付秀花，王志辉等.无线通信原理.北京：电子工业出版社.
Research of GMSK Modulation Arithmetic Realized On
PicoArray Oeveloped Platform
Qin Zhen, Peng Tao, Chuo Gang
Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing (100876)
Abstract
This paper considers the GMSK modulation arithmetic and performance analysis on the newest parallel
processing chip-picoArray . GMSK is a spectrum efficient modulation scheme, and it is adopted as the
modulation standard of GSM first step we describe the structure ,develop flow and
advantage of the PicoArray .The second step we mainly give out the detail realization of GMSK
modulation arithmetic on picoArray. And the last we analyze the performance of GMSK and prospect
of PicoArray in the mobile systems in the future.
Keywords: picoArray、GMSK、WIMAX、DSP、FPGA
