基于軟件無線電思想的MSK解調算法?

張文鐸

（北京圣非凡電子系統技術開發有限公司 北京 100044）

1 引言

1992年提出的軟件無線電概念，經過十多年的發展，已不僅僅應用在軍事通信上，而是進入到民用通信，雷達，電子戰、工程，甚至電視廣播等各個領域。軟件無線電的核心思想，是對從天線上感應到的射頻模擬信號直接數字化，并將其轉換成適合于處理的數據流，通過計算機軟件算法來完成各種功能，因此具有出色的可擴展性和對應用環境的超強適應性。與軟件無線電同時迅速發展的還有可并行運算的邏輯芯片FPGA，其靈活的動態重新配置和較強的實時信號處理功能的迅速發展為軟件無線電的思想提供了支撐。通過動態重新配置FPGA，我們可以建立信號解調的多種算法構架。來完成不同調制方式的功能，符合軟件無線電的想法。因此本設計中使用Altera的FPGA完成了MSK數字調制解調和其他復雜算法。該芯片有多個系列，片上LVDS總線最高速率可以到達1.25Gbps，該芯片集成有106500LE，896個18×18乘法器，16個全局時鐘網絡，88個等級LVDS通道，完全可以滿足對各種中頻信號的實時處理。MSK即為最小頻移健鍵控，是低頻通信中比較常見的一種調制方式，也稱作快速頻移鍵控（FFSK）。由于其具有連續的相位，功率譜緊湊、旁瓣滾降衰落快、頻譜利用率高、帶外抑制較高和抗干擾能力好等特點，同時又由于包絡恒定，允許用非線性幅度飽和器件放大，降低了對信道線性度的要求，因此MSK調制廣泛應用于無線移動通信的數據傳輸。本文所進行解調的信號選擇MSK。具有一定的代表性，解調思想同樣可以應用到其他解調方式中。

2 MSK解調原理

在MSK信號的解調過程中常采用相干解調，即輸入一路和載頻信號相干的參考信號和載頻相乘，再通過濾波器將高頻信號濾除，得到原始信號的方法。在實際中也是相干解調的效果優于非相干解調［1］。具體的解調原理推導如下：

調制后的MSK信號可表示為式（1）的形式。

接收信號分別與同相載波和正交載波相乘后，濾波后可以得到等效基帶接收信號：

此時的信號相當于調制端經過加權后的信號。差分解調方案如圖1所示。

此信號分成兩路，一路不處理，另一路信號先經過延時Tb。經過延時后的信號可以表示為

然后兩路信號相乘得

至此通過式（7）對虛部進行判決即可進行0碼和1碼的判斷，將調制信息進行還原，完成整個解調過程。

3 改進型MSK解調原理

本文根據軟件無線電相關思想進行解調算法改進，軟件無線電幾乎所有功能都是用軟件來實現，改進的解調解調算法也采用數字相干解調的方法。在移動通信過程中，接收到的信號會嚴重的衰落，提取的載波質量達不到要求，尤其是在多普勒效應等引起的頻偏環境下會更差，正交解調法可以在不同程度上克服這些弱點，因此，本文的解調方法依然采用正交解調法。雖然調制的樣式有很多不同，但所有調制都是用調制信號去控制載波的某一個參數，使這個參數按照調制信號的規律隨之變化。以正弦型信號作為載波的調制稱為連續波調制［2］，對于連續波調制，已調信號的數字表達式為

這就是同相和正交兩個分量，其中幅值可以表示為

利用相位差分計算瞬時頻率，即 f(n)=φ(n)-φ(n-1)時，要進行除法和反正切運算，這對于數字芯片來說是較復雜的，可用微分的思想方法來計算瞬時頻率 f(n)：

至此只用乘減運算即可計算出 f(n)，計算比較簡便。在計算出瞬時頻率后 f(n)，對 f(n)抽樣判決，既可恢復出碼元。

4 驗證系統設計

驗證通信系統分為發送端和接收端，發送端進行碼元發送，接收端進行接收。簡易通信系統的組成如圖2。

發送端在硬件電路的設計上采用控制芯片FPGA、數模轉換芯片DA和濾波器和E型磁芯進行完成。FPGA生成MSK調制信號數據流，通過DA轉化成模擬信號，再通過濾波器進行濾波，之后在E型磁芯上形成向外輻射的磁場，對信號進行發送。FPGA采用CYCLONEIV系列，型號為EP4CE15F17C8，封裝為表貼256-LBGA，核電壓1.25V。速度級別為8，邏輯門數為15408個，存儲空間為516096位。內置4個鎖相環，具有260個9×9位的乘法器，200個18×18位的乘法器，是一款低功耗低成本的芯片，總功耗不超過1.5W，比較適合通信行業的小型應用中。D/A采用AD公司的AD9708，AD9708為8位、125MSPSD/A轉換芯片。同樣是一款高性能、低功耗并且具有小型封裝的芯片。濾波器為7階Butterworth濾波器，Butterworth濾波器相比于其他濾波器在通頻帶內外都有平穩的頻繁特性，具有較好的濾波效果。E型磁芯則采用PC40材質的EE65型磁芯。

接收端同樣采用FPGA芯片作為解調的核心，通過AD對E型磁芯上通過磁力線接收MSK調制信號進行采樣，再經過衰減電路進行衰減，衰減為合適的電壓幅度，將采樣點送入FPGA進行解調。FPGA采用與發送端相同的型號的EP4CE15F17C8作為解調算法的平臺。AD芯片采用AD9280，最大采樣率為32MSPS的8位高速采樣芯片。

5 實驗及波形

簡易系統發送不同載波頻率的MSK調制波，發送方式為間歇性發送。接收端對MSK信號進行測量，發送端和接收端的E型磁鐵相距3cm。發送原始信息為8位數字，將8位數字分別轉化成4位0或1二進制碼，一共32位二進制碼進行發送。基帶速率可從從50Hz變化至75Hz。當載波頻率達到最低的16K左右時，波形失真較嚴重，但依然可將波形解調，隨著載波頻率變大，波形失真情況逐漸變輕，在16K～240K的載頻變化區間內，均能正確還原數字信息，可以達到較好的傳輸效果。實驗結果截圖如圖3～6。

6 結語

根據MSK信號0碼和1碼波形正交的特點，提出一種基于于軟件無線電的MSK信號數字化解調方法。該方法通過對每個碼元周期內的采樣值，針對1碼和0碼的載波頻率進行運算，計算出對應的頻率信息，從而判斷恢復出數字基帶信號。簡化了解調過程，減少了解調過程中的計算量，同時大幅度減少了外圍硬件，省去了本振和濾波器等環節，減少了模擬電路被干擾的可能。且結果表明該方法的抗干擾性能比傳統相干解調方法有明顯改進。