基于單片機的全數字化MSK調制器設計與實現?

霍君君 王永斌 劉 華 劉 桐

（海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033）

基于單片機的全數字化MSK調制器設計與實現?

霍君君 王永斌 劉 華 劉 桐

（海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033）

針對長波通信MSK調制器小型化的問題，分析了MSK調制的基本原理；根據MSK調制的特點，分析了傳輸數據與連續相位碼元波形之間的對應關系，設計了一種基于調用碼元波形樣值數據的MSK信號數字化調制方法；利用Matlab對此調制方法建模仿真，以ARMCortex-M7微控制器為核心，結合外擴的SDRAM芯片和DAC902芯片等數字芯片搭建MSK調制的硬件平臺，驗證其可行性。實驗結果表明此方法降低了MSK調制器的復雜度，實現了小型化的全數字化MSK調制。

MSK調制；微控制器；相位連續；小型化

ClassNum ber TP311

1 引言

隨著通信技術迅速發展，傳統通信系統的容量已經越來越不能滿足當前用戶的要求。在可用頻帶資源緊張的情況下，如何在較小的頻寬實現較高的頻帶利用率，從而解決頻率資源短缺的問題顯得至關重要［1～3］。

電磁波在甚低頻（VLF）段具有很強的繞射和穿透能力，傳播衰減較小，通常用來進行超遠程通信。但是由于甚低頻頻帶較窄，因此一般采用連續相位調制即MSK調制，其具有包絡恒定、占用相對較窄的帶寬和相干解調等優點，被廣泛地應用于長波通信系統中［4～6］。

通常調制信號的帶寬和信號的相位是否連續有著直接的關系［7］，因此研究連續相位的全數字化MSK調制就很有必要。

2 系統功能與結構

全數字化MSK調制器基于ARMCortex-M7微控制器的STM32F7核心板、SDRAM芯片和DAC902芯片，實現對SD存儲卡中的數據信息的任意基帶頻率的MSK調制。ARMCortex-M7微控制器根據預先設定的參數，產生并存儲經MSK調制后的波形樣值數據。SD卡用于用戶存儲數據信息，以備ARMCortex-M7微控制器調用。微控制器調用二進制碼元序列，通過判別規則輸出對應的波形樣值數據，然后輸入DAC902芯片完成數模轉換。全數字化MSK調制器系統組成框圖如圖1所示。

圖1 全數字化MSK調制器系統組成框圖

3 軟件設計

MSK是一種包絡恒定、相位連續、且帶寬最小并且嚴格正交的2FSK信號，由于帶寬利用率較高，因此適合甚低頻通信［8～10］。

一般將MSK信號用下面表達式表示

式（1）中，fc為載波頻率，Ts為碼元寬度，ak為第k個碼元相位常數，相位常數φk，θ(t)為附加相位常數，表示MSK信號的總相位減去隨時間線性增長的載波相位而得到的剩余值。其中第k個碼元的相位θ(t)不僅和當前輸入ak有關，而且和前一碼元的相位φk-1及ak-1有關，所以MSK信號的前后碼元之間存在相關性。在用相干法接收時，可以假設的初始參考值等于0。此時，由式（1）可知

φk=0或 π(mod 2π)

當輸入碼元為1時，ak=+1，碼元頻率 f1等于fc+1/（4Ts）；當碼元輸入為0時，ak=-1，碼元頻率f0等于fc-1/（4 Ts）。因此f1和f0的差等于1/（2 Ts）。MSK信號每個碼元持續時間Ts內包含的波形周期數必須是1/4載波周期的整數倍［11］。

故有：

當n=1，m=4時，對于比特“1”和“0”，一個碼元持續時間分別有2.25個和1.75個正弦波周期。波形相位連續的一般條件是前一碼元末尾的總相位等于后一碼元開始時的總相位。在碼元持續時間內第k個碼元的附加相位，變化（akπ）/2，即變化±π/2。故每經過一個碼元的持續時間，MSK碼元的附加相位就會改變±π/2；若ak=+1，則第k個碼元的附加相位就會增加π/2；若ak=-1，則第k個碼元的附加相位就會減小π/2。假設數據序列為ak=+1，+1，-1，-1，+1，+1，+1，-1，則相位常數 φk與ak的關系如表1所示。

表1 MSK信號φk與ak的關系

當輸入碼元為+1時，控制器對 f1正弦序列取值，并做一次相位累加；當輸入碼元為-1時，控制器對 f2正弦序列取值，并做一次相位累減。對于第一個碼元，信號的初相位按零度開始，每個碼元信號的初始相位按前一個碼元的末相位計算。對于 f1和 f2正弦序列可根據圖2所示的正交調制方法編程產生［12］。

圖2 MSK正交調制框圖

4 全數字化MSK調制器的硬件實現

4.1 硬件電路

硬件電路主要采用可編程的數字芯片完成，具體芯片采用STM32F7核心板、SDRAM芯片和DAC芯片完成。STM32F7核心板采用的是自帶雙精度硬件浮點單元（DFFPU）STM32F76x，整個芯片的容量為32M字節。DAC芯片采用DAC902，這款芯片是高性能轉換器，能提供12位分辨率的高速度模擬轉換器，擁有很高的無雜散動態范圍（SFDR），同時它低功耗的特點多應用在便攜式和電池供應系統中［13］。

圖3 硬件電路

4.2 MSK信號的產生

根據MSK信號的基本原理，當n=1，m=4時其滿足以下兩個特點：

1）數據+1對應一個頻率，四種碼元，如圖4的前四種波形，數據-1對應一個頻率，四種碼元如圖4的后四種波形。

2）數據由-1到+1或者由+1到-1時信號的相位連續。

圖4 八種基本碼元波形圖

針對這兩個特點，按圖2給出的MSK正交調制框圖進行調制器設計，如圖4所示，當n=1，m=4時，若ak=1，則第k個碼元的波形有4種情況，標記為c0c1c2c3，對應附加相位改變為π/2，π，3π/2，0；若ak=-1，則第k個碼元的波形也有4種情況，標記為c4c5c6c7，對應附加相位改變為3π/2，π，π/2，0。根據圖2的正交調制方法采用軟件編程產生MSK信號的8種波形樣值數據。為了產生高精度的MSK信號，選用高時鐘頻率、自帶雙精度硬件浮點單元（DFFPU）的STM32F76x核心板，大容量的SDRAM芯片。

根據MSK調制的特點，在分析傳輸數據與相位連續的碼元波形之間的關系的基礎上，設計了數字頻率合成的MSK調制方式，如圖5所示，同時提出碼元選擇方法，如圖6所示。

圖5 數字頻率合成方法產生MSK信號框圖

圖6 碼元選擇方法

全數字化MSK調制中，每傳送一個碼元，附加相位就會進行一次累加，其相位值和下一個碼元共同決定下一個碼元要傳送的正弦序列，然后再輸出到數模轉換器，如圖7所示。

圖7 輸出特定頻率框圖

在MSK調制器的硬件電路搭建完成后，根據圖8所示的流程圖進行編程。

圖8 MSK調制器程序流程圖

5 MSK調制器的測試

測試的參數設置如下：載波為1kHz，采樣率為10 kHz，波特率為50bps，仿真得到的MSK信號波形，如圖9所示。同時MSK調制器的輸出波形，如圖10所示

由圖10可知，載波頻率為1kHz，采樣率為10kHz，每個點的延遲時間為10ms，與Matlab仿真得到的波形相比存在很多毛刺，但經相干解調得到的數據信號與原數據信號相同。

圖9 Matlab仿真波形圖

圖10 MSK信號波形圖

6 結語

本文通過分析了傳輸數據與連續相位碼元波形之間的對應關系，采用了一種基于調用碼元波形樣值數據的MSK信號的數字化調制方法，搭建MSK調制硬件仿真平臺，測試結果表明該方案降低了MSK調制器程序的復雜度，實現了小型全數字化MSK調制器。

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Design and Im p lementation of DigitalMSK Modulator Based on SCM

HUO Junjun WANG Yongbin LIU Hua LIU Tong
（College of Electronic Engineering，NavalUniversity of Engineering，Wuhan 430033）

According to the characteristic ofMSKmodulation，a MSKmodulationmethod based on the data of the calling code waveform digitalmodulation is designed after analyzing the relationship between data transmission and continuous phase codewaveform，Matlabmodeling and simulation are used to thismodulationmethod.Then hardware platform is built to verify its feasibility using the ARMCortex-M7microcontroller，the expansion of the SDRAMchip and DAC902 chip digitalMSKmodulation chip，the experimental results show that thismethod reduces the complexity ofMSKmodulator，which is to say thismethod can achieve all digitalMSKmodulation andminiaturization.

MSKmodulation，microcontroller，phase continuity，miniaturization

TP311

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.09.033

2017年3月11日，

2017年4月30日

霍君君，女，研究方向：無線通信。王永斌，男，教授，研究方向：無線通信。劉華，男，碩士研究生，研究方向：無線通信。劉桐，男，碩士研究生，研究方向：無線通信。