基于DDS的抗碼間串擾濾波MSK調制器設計

劉　青

(中國電子科技集團公司20所，西安 710068)

基于DDS的抗碼間串擾濾波MSK調制器設計

劉青

(中國電子科技集團公司20所，西安 710068)

摘要：提出了一種基于直接數字合成(DDS)技術的抗碼間串擾濾波最小頻移鍵位(MSK)調制器的設計及實現方案。經過仿真及實踐證明，此方案可以有效提高MSK信號的頻帶利用率、消除因濾波帶來的碼間串擾，同時降低了硬件實現的復雜度并且提高了信號調制的精確度。

關鍵詞：最小頻移鍵位；成形濾波器；抗碼間干擾；直接數字合成

0引言

最小頻移鍵位(MSK)調制具有相位連續、包絡恒定、頻譜利用率高等特點，被廣泛應用于現代通信系統中。跳頻通信作為一種重要的抗干擾通信手段，在數據鏈系統中發揮著越來越重要的作用。而隨著跳頻技術向更高的跳頻速率和更窄的調制帶寬發展，MSK調制越來越難滿足高速跳頻技術對信號頻譜的要求[1]。

因此，頻帶利用率更高的調制技術也成為數據鏈通信系統研究的熱點問題。高斯濾波MSK(GMSK)調制方式擁有更集中的功率譜密度和更小的臨道干擾，但是其具有碼間串擾的體制缺點對于連續波跳頻通信影響很大[2]。

本文設計了一種基于成形濾波的MSK調制器，可以有效提高MSK信號的頻譜利用率，并且沒有碼間串擾。同時采用直接數字合成(DDS)技術實現濾波MSK信號調制，降低了硬件實現的復雜度并且提高了信號調制的穩定度。

1MSK信號調制原理

MSK信號是一種相位連續、包絡恒定并且占用帶寬最小的二進制正交二進制頻移鍵控(2FSK)信號，MSK信號的第K個碼元可以表示為：

(1)

式中：wc=2πfc，為載波角載頻；ak=±1,為輸入碼元信息(當輸入碼元為“1”，ak=+1；當輸入碼元為“0”時，ak=-1)；Ts為碼元寬度；φk為第k個碼元的初始相位，它在第1個碼元寬度中是不變的，公式(1)可以改寫為：

(2)

根據MSK信號的基本原理，可知MSK信號滿足以下3個特點:

(1) 當ak=+1時對應頻率f1，當ak=-1時對應頻率f0；

(2) 當ak由-1到+1或者由+1到-1時，信號的相位連續;

(3) 調制指數為0.5。

基于上述3個特點，可以按圖1所示的方法進行MSK調制器設計[3]。

圖1　數字頻率合成法生成MSK信號原理框圖

在圖1中，當ak為+1時，控制器對頻率為f0的正弦序列取值，并每取一個值做一次相位累加;當外來的數字信息為-1時，控制器對頻率為f1的正弦序列取值，并每取一個值做一次相位累加。對于第1個碼元，信號的初相位按零度開始，以后的每個碼元，信號的初始相位按前一個碼元的末了相位計算。最后，再把得到的序列送給數/模轉化器，就可以得到MSK信號。

2成形濾波器設計

由于MSK信號頻譜并不能滿足高速跳頻通信對頻譜的要求，因此需要對信號進行濾波成形，現在大多數采用Gauss濾波器。但對于連續脈沖跳頻通信工作方式，采用Gauss濾波器后，會使得連續脈沖之間出現碼間干擾，造成部分信息丟失。

因此本文設計了一種對輸入基帶碼元波形采用非線性濾波的方法進行成形[4]，即用分段合成波形的方法來解決碼間干擾問題。經濾波后產生的波形由±se，±s04種波形合成，se，so定義如下(其中Ts為碼元寬度)：

(3)

se，so的波形如圖2所示。

圖2　se,so的圖形

(4)

(5)

(6)

(7)

式中:XI,n為當前比特;XI,n-1為前一比特。

只需要根據輸入的前后碼元關系來確定下一時刻的編碼輸出，這樣得到的信號波形每脈沖是獨立的，不會出現碼間干擾。同時可以通過對初始碼元和結尾碼元的處理，使其始于零點并終于零點，保證信號連續變化，使得頻譜具有滾降快的優良特性。

濾波后的信號波形示意圖如圖3所示。

圖3　濾波后的基帶碼元波形

3基于DDS的濾波MSK調制器實現

采用直接數字頻率合成法的MSK調制器可以用一個現場可編程門陣列(FPGA)芯片和一個數模轉換器來實現，但是在FPGA內部存儲正弦序列的點數很有限。如果要實現高精度和頻率較高的MSK信號，就要選用大容量和高時鐘頻率的FPGA。因此，本文選擇的是專用的DDS芯片，3.5 GHz采樣率的AD9914,一個芯片即可完成MSK調制、跳頻、數模轉換功能。

AD9914的并行數據端口時鐘速率為內核工作速率的1/24，為了便于時鐘域轉換，設定DDS的工作頻率為3.36 GHz(即并口140 MHz)。DDS的頻率控制字為32 bit，所以在3.36 GHz采樣率情況下，DDS的頻率輸出精度為0.78 Hz，完全滿足高速跳頻通信系統的要求。

FPGA將濾波后的基帶數據轉換成頻率控制字(FTW)給AD9914，控制DDS進行頻率調制，得到濾波的MSK信號。頻率控制字和濾波后數據之間的關系為：

FTW1.25MHz·x+FTWf0

(8)

式中：fb為基帶碼元速率;fs=3 360MHz;N=32;x∈(-1,+1);f0為跳頻頻點中心頻率。

同時，為了滿足譜特性，使得信號不發生跳變，需在截止期開始和結尾處對信號幅度進行控制,使其緩變歸零。所以對AD9914的控制需要在頻率和幅度上同時進行，將頻率字和幅度字復合形成140 Msps數據流傳輸給AD9914。其實現流程圖如圖4所示。

圖4　濾波MSK調制器設計實現

4仿真驗證

(1) 選用Matlab仿真軟件對MSK信號、GMSK信號、濾波MSK的頻譜進行了仿真比較，結果如圖5所示。濾波MSK信號頻譜明顯優于MSK信號頻譜，并且在f0±10 MHz以外優于GMSK頻譜。

圖5　MSK、GMSK、濾波MSK頻譜比較

(2) 同時通過Simulink軟件對擴頻調制的濾波MSK信號和GMSK進行了調制解調系統仿真，其結果如圖6所示。濾波MSK信號誤碼性能要優于GMSK約0.4 dB。

圖6　GMSK和濾波MSK性能比較

5結束語

通過仿真及實踐證明，本文提出的基于成形濾

波的MSK調制器設計方法可以大幅提高MSK信號的頻帶利用率，消除因濾波帶來的碼間串擾。同時采用直接數字頻率合成生成濾波MSK信號的實

現方案有效降低了硬件實現的復雜度，并且提高了信號調制的精確度。

參考文獻

[1]Liu Kefei,Yang Dongkai,Wu Jiang.Simulink implement of frequency-hopping communication system[J].Journal of System Simulation,2009,21(24):7969-7973.

[2]樊昌信，曹麗娜.通信原理[M].北京:國防工業出版社,2009.

[3]唐良偉.MSK數字調制解調及其實現技術研究[D].成都:電子科技大學,2007.

[4]王頂，劉智朋.基帶成形濾波器的數字設計與實現[J].電子設計工程,2012,20(13):95-97.

Design of Anti-ISI Filtering MSK Modulator Based on DDS

LIU Qing

(The 20th Research Institute of CETC,Xi’an 710068,China)

Abstract:This paper proposes a design and realization scheme of anti-inter symbol interference (ISI) filtering minimum shift keying (MSK) modulator based on direct digital synthesis (DDS).The simulation and practice proves that this scheme can effectively improve the frequency band utilization rate of MSK signal and eliminate the ISI due to filtering,at the same time reduce the complexity of hardware implementation and improve the precision of signal modulation.

Key words:minimum shift keying；shaping filter；anti-ISI；direct digital synthesis

收稿日期:2015-04-24

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.03.030

中圖分類號：TN975

文獻標識碼：A

文章編號：CN32-1413(2015)03-0110-04