一種基于FPGA的MSK信號調制方法的設計與仿真

侯銀濤 羅永健 姜平

(西安通信學院，陜西西安710106)

1.引言

當今社會已步入信息時代，在各種信息技術中信息的傳輸和通信起到支撐作用。而對于信息的傳輸，數字通信已成為重要手段。因此信號的調制方式也由模擬方式持續、廣泛地向數字方式轉化。最小頻移鍵控調制(MSK)具有恒定包絡、連續相位的特點，其功率譜特性主瓣窄，帶外輻射小，對鄰近頻道干擾小，抗干擾能力強，廣泛應用于無線移動通信中的數據傳輸。當前MSK的調制有很多方法。如基于集成芯片(CMX469A)的調制方法，可以以CMX469A芯片為調制解調芯片，以AT90S2313為控制器來設計MSK的調制電路。這種設計結構簡單，穩定性好，便于與收發信機互連，屬于中低速數據傳輸。還有基于DDS器件AD9845和FPGA的MSK調制方法。這種設計方法易于實現且精度高。本文依據MSK信號基本原理，給出了一種基于FPGA的MSK的調制方法。

2.基本理論

MSK(M inimum Shift Keying)是指頻移指數為0.5的二元頻移鍵控。用基帶數字信號控制載波頻率，稱為數字調頻，又稱頻移鍵控。傳出1碼時，發送1個頻率f1，傳出0碼時發送另一個頻率f2，稱為二元頻移鍵控。頻移指數h為0.5，相位連續的二元頻移鍵控稱為最小頻移鍵控，這是因為它的二個頻移差是最小的正交頻移差。

MSK信號的表達式為：利用三角恒等式將式(1)改寫為：

由式(2)可得：

式中a(t)——是輸入的二元碼序列。

令H(t)=a(t)πt/2T+φ(T)為附加相位函數，S(t)的特性：(1)包絡是恒定的；(2)在一個比特寬度T內，頻移指數為0.5；(3)在兩個二元碼的交接處，相位是連續的；(4)在一個比特寬度內，a(t)取+1或-1。

MSK信號和普通2FSK信號傳信頻率f1和f2，在一個碼元周期間的相位累加嚴格地相差180。即在一個碼元寬度內，“0”信號和“1”信號恰好相差二分之一周。一般頻移鍵控的兩個信號(頻率分別為f1f2)具有一下相關系數：

MSK信號是一種正交調制信號，其信號波形的相關系數等于零，因此，對MSK信號而言，這個公式后面的兩項必須等于零。第一項等于零的條件就是2π(f1－f2)Tb=Kπ(K=1，2，3…)，令k等于其最小值1，則這時候f1－f2=1/2 Tb，h=(f1－f2)Tb=0.5，這正是MSK信號所要求的頻率間隔。第二項等于零的條件是4πfcTb=nπ(n=1，2，3…)即

式(5)說明MSK信號在每一個碼元周期內，必須包含四分之一載波周期的整倍數。由此可得：

式中n為整數，m=1，2，3，4。

相應地，f1，f2分別為

由以上f1和f2關系，在仿真的過程中，取N為1，m為3，這樣，f2=1/2 Tb而f1=0.5/Tb，就可得到MSK信號。

3.MSK調制方法的設計

MSK信號調制方框圖，如圖1所示。

圖1 MSK信號調制方框圖

由MSK信號調制方框圖可知：調制的核心部分包括分頻器，二選一選通開關等。圖1的兩個分頻器分別產生兩路數字載波信號；二選一選通開關的作用是：以基帶信號為控制信號，當基帶信號為“0”時，選通載波f1；當基帶信號為“1”時，選通載波f2。從選通開關輸出的信號就是MSK信號。圖中沒有包含模擬部分，調制信號為數字信號。

由于MSK的調制需要仿真，用VHDL語言編程實現，這就需要首先對MSK調制方框圖進行抽象建模。下面就是MSK調制電路的VHDL建模符號：

圖2 MSK信號調制VHDL建模符號

由VHDL建模符號可看出：調制輸入信號有：時鐘信號，start信號，基帶信號，輸出為：MSK信號，這使得MSK信號為矩形波調制，因為在FPGA中實現的所有信號均為數字信號。

4.MSK調制仿真的實現

根據上述設計方法可實現MSK調制，但是，由于數字調制是高頻的正弦波。且要求相位連續，這就要求對MSK的調制方法稍作改變。就是在MSK的輸出的矩形波，經過一個近似的數模轉換，將矩形波轉化為類正弦波。

實現這種轉換的方法是：對輸出的MSK信號進行抽樣，取多個離散的點，然后賦給它們相應的幅值，將這些幅值存入ROM內，ROM的地址為抽樣點的數值，當給出一個抽樣點，就能在ROM讀出一個幅值，若取更多值，輸出的MSK信號就會是正弦波，也就實現了最后的數模轉換。在仿真過程中，對FSK信號的每一個碼元取8個點，就可以實現數模轉換了。

首先對各個器件VHDL語言進行編程，包括：PL_MSK模塊，ROM模塊和ROM地址產生模塊(ms)等三部分；然后，對程序進行編譯得到相應的圖形文件。第三步就是，由第二步已經實現了三個器件的圖形文件(.gdf文件)，接下來先建立一個新的圖形文件并將它設為頂層文件，即(project)。調用這三個模塊，并將這三個圖形文件用線進行連接，如圖3所示。

第四步，對上面的圖形文件進行再次編譯，要先選擇一個器件，并對各個引腳進行定義，這時需要注意時鐘引腳的定義。定義時鐘引腳，就要對環境設置進行調整，選中“Assign”中“Global Project Logic Synthesis...”，就會彈出一個對話框。在該窗口里，將“Clock”前面方框中的“勾”去掉，就可以讓編譯器不將時鐘自動定義為全局時鐘變量。

圖3 MSK信號調制圖形文件

第五步，選中“MAX+Plus II”中“Waveform Editor”就可以建立一個波形文件(SCF文件)，再選中“Node”中“Enter Node Form SNF”彈出一對話框。選中所有信號，然后單擊＝〉按鈕，選擇好了所需信號，設定時間軸網格大小后，就可對start，x，clk進行賦值，在賦值完成后，保存該波形文件。

第六步，選中“Simulation”，進行仿真，仿真結果如圖4所示。

圖4 MSK調制信號仿真結果

圖4中y是MSK信號，r_out為進行數模轉換后的數字輸出；圖5為MSK調制仿真結果(放大圖)。由圖5可清楚看出，r_out為最終的MSK調制信號。

圖5 MSK調制仿真結果

5.結束語

本文在分析了依據MSK信號基本特征的基礎上，結合MSK調制原理，給出了一種基于FPGA的MSK信號調制方法，并在MAX+PLUS II采用VHDL語言編程實現了MSK信號調制方法的仿真，根據仿真結果，證明了MSK信號調制方法的正確性。在數據傳輸中采用MSK調制方式，對提高信道頻帶利用率，減小對鄰近頻道的干擾十分有利。這在當今頻譜資源日益緊張、頻道越來越擁擠的情況下是很有意義的。

[1] 晁冰.最小頻移鍵控系統實現技術的仿真研究[J].現代電子技術2002，20(11)：45-48.

[2] 吳建華.用DDS實現MSK的調制.遙控遙測[J].2002，20(05)：29-31.

[3] 李清鵬.基于MSK和FPGA的DSMSK的信號發生器.通信技術[J].2003，50(03)：25-28.

[4] 鄭松惠.一種新的數字調制方法——最小頻移鍵控(MSK).大眾科技[J].2004，30(04)：37-38.

[5] 王曉輝.基于DDS技術的MSK的調制.哈爾濱理工大學學報[J].2003，40(6)：16-20.