基于DSP的数字MSK系统研究.doc

毕业论文基于DSP的数字MSK系统研究目录摘要.Abstract 引言.第1章序论，. 1.1本论文的内容. 1.2本论文的意义.第2章MSK概述和原理. 2. 1 MSK调制方式概述 2.2最小频移键控(MSK)二 2. 2. 1 MSK原理. 2. 2. 2 MSK调制的特点. 第3章MSK的数字化的调制、同步、解调方法 3.1调制 3.1.1相位叠加法. 3.1 .2直接数字频率合成方法(DDS) 3.2频偏、位同步、帧同步算法 3.2.1频偏估计和位定时.， 3.2.2帧同步.“ 3.3解调算法.，第4章基于DSP的MSK通信系统 4. 1 DSP芯片的结构特点 4.2 TMS320VC5402的基本结构. 4. 3 MSK数字系统的实现方案 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4 4.3.5 4.3.6第5章结论致谢.参考文献 摘要MSK是一种在无线通信中很有吸引力的数字调制方式，目前在短波、微波和卫星通信中均被采用。随着超大规模集成电路(VLSI)技术和计算机技术的飞速发展，数字信号处理(DSP)技术在通信领域中已有了广泛的应用。本论文研究并实现了基于DSP的全数字MSK发送与接收系统。本文分析并仿真了基于直接数字频率合成原理的MSK全数字调制的方法;分析并仿真了基于差分基带相位傅立叶变换的载波频偏和位定时算法;独立完成了DSP目标板的设计与调试，最后在该电路板上对MSK的数字化调制、同步、解调算法进行了研究和实验，最终得到的结果如下:.实现了信号的MSK数字化调制。本文在独立设计的DSP系统上进行了调制实验。通过改变程序中的参数，成功实现了多种速率的数据发送。2.实现了MSK信号的数字化接收。接收工作包括数据的读入、载波频偏估计、位同步、帧同步、解调。本文所研究的内容适应当前科学技术的发展与更新，具有一定的实用价值。本文所提出的实现数字化调制、同步和解调的方法，仍然是当前通信领域中先进的技术，具有一定的理论和实践意义;在本研究中开发的DSP目标板可为实验室的后续研究提供实用的研究平台。关键词:MSK9 SP，直接数字频率合成，同步，解调 AbstractAs one technique of digital communications MSK is very attractive in mobile radioenvironment. Along with the rapid development of VLSI technology and computertechnology, DSP has been used widely in communications areas. In this paper, a fullydigital MSK transmitter and receiver based on DSP are studied and implemented.An analysis and simulation is achieved which is about the method of a fully digitalMSK modulation based on DDS, and the symbol timing algorithm of carrier frequencyoffset based on Fourier transform of the sequence of differential phases. The design anddebug of a DSP target board is finished. Based on the target board the fully digital MSKmodulation, synchronization and demodulation algorithms are successfully tested, withsatisfactory result.The digital modulation, synchronization and demodulation method put forward inthis paper is relatively new, achieving a:practicality.platform forhighThe DSPboard designedin the research can be used as the hardwareDSP development subjectin the Lab.Key words: MSK, DSP, Direct digital frequency synthesis, Synchronization,Demodulation. 第一章在现代通信中，随着大容量和远距离数字通信技术的发展，出现了一些新的问题，主要是信道的带宽限制和非线性对传输信号的影响。幅度变化的数字信号通过信道会使己滤除的带外频率分量恢复，发生频谱扩展现象。在这种情况下，传统的数字调制方式已不能满足应用的需求，需要采用新的数字调制方式以减小信道对所传信号的影响，以便在有限的带宽资源条件下获得更高的传输速率。这些技术的研究，主要是围绕充分节省频谱和高效率的利用频带展开的。为适用移动通信用的25kliz信道带宽，提出了各种窄带数字调制方式。l前已在数字蜂窝移动通信系统中得到广一泛应用的有:正交相移键控(QPSK),正交调幅(QAM)、最小移频键控(MSK),高斯最小移频键控(GMSK)等方式。MSK是在无线通信环境中很有吸引力的一种调制方式。它具有快速高频滚降的频谱特性，旁瓣很小，因而频带利用率高，可以在单位频带内实现较高的数据比特速率。此外MSK的恒包络特征可以使便宜而有效的高频器件得到使用，因为幅相转换响应在一定程度上被抑制了。本论文开发了用DSP技术实现MSK调制解调的软件和硬件系统。 MSK调制传统的实现方案是:将输入数据差分编码后进行串并变换，然后每个支路一与振荡器产生的特定频率进行一系列的混频，最后两个支路合成后经过带通滤波器得到MSK信号【1l;本文提出了一种用DSP软件实现的一种全数字调制方案。该方案采用了直接数字频率合成(Direct digital frequency synthesis，简称DDS)的方法。 DDS技术是一种把一系列数字量形式的信号通过DAC转换成模拟量形式的信号的合成技术。目前使用最)“泛的一种DDS方式是利用高速存储器作查寻表，然后通过高速DA-产生己经用数字形式存入的正弦波。DSP出来的信号是离散的二进制数 l字信号，DAC转换后得到低频率模拟MSK信号，但是因为其输入是离散的，所以输出混有很多锯齿波，经过低通滤波器把这些高频成分滤掉之后得到模拟的MSK信号，然后经过射频模块混频至特定的载波频率，再送到天线发射出去。这种方法便于用DSP软件实现，可以方便的改变己调信号的参数如数据传输速率等。便于配置和系统功能更新和维护。 MSK的解调方法有很多种，性能最好的一种方法是图0-2中描述的最佳接收机。如果把MSK看成是正交2FSK，用2FSK方法进行相干解调，并每隔兀时刻做出判决，则与最佳接收时相比性能要下降3dB。如果把MSK看成正交2FSK，可以采用鉴频的方法来进行非相干解调，但是其误码性能要与正交2FSK相干解调时相比还要下降约3. 6dB21。由于MSK在实现调制时是有记忆的(为了保持相位连续)，因此也可以采用差分解调的方法。MSK输入数据输出 图0-2 MSK最佳接收机 根据DSP的特点，最终设计出来的接收机的结构图如图0-3所示。虚框里面的功能都要由DSI软件实现。采用差分解调的方法。 在移动通信中，由于电台载体的快速移动，接收信号中存在较大的多普勒频移，这给接收检测时位同步带来了一定困难。因此如何准确、快速进行多普勒频移校正和位定时信号的捕获与跟踪成为正确检测信号的关键所在。频偏不仅仅是由一f多普勒频移引起的，它还可能由本地载波与信号载波频率的偏差引起。在位同步之前需要对频率偏移进行估计，然后对一该误差进行补偿，刁能有效的进行位定时误差的估计，继而接收端就能以较低的错误概率恢复出数字信息。 另外一个重要的实际问题是同步。通信系统中的同步又可分为载波同步、在通信系统中同步具有相当重要的地位。位同步、帧同步、网同步几大类。因为消息是一串连续的信号码元序列，解调时须知道每个码元的起止时刻。数字通信中的消息数字流总是用若干码元组成一个“字”，又用若干“字”组成一“句”。因此，在接收这些数字流时，同样也必须知道这些“字”、“句”的起止时刻，确定“字”、“句”的起止时刻的过程被称为群同步或帧同步。因为本系统采用差分解调，所以不需要知道载波的初始相位。载波与接收到的信号相乘是在DSP里面软件实现的，载波也是用直接数字频率合成法生成的，频率可以精确的控制，所以载波同步在本系统中不需要考虑。本系统还未构建成任何形式的通信网，所以网同步也不需要考虑。需要实现的只是位同步和帧同步。 许多时钟恢复的算法都使用了闭环技术31 41 S1。但是他们的方案都有获取同步时间长和有挂起现象的缺点。Ralf Mehlan提出了一种可以同时估计频偏和符号定时误差估计的全数字前馈型MSK接收机模型61。他利用的是和t41一样的非线性特征。该方法在计算效率上需要提高。它使用的导言长度为64比特，在f71中被减少为42比特。本文选定的是f81中提出的算法，它可以同时对频偏和符号定时误差进行估计。效果可以与61相当但是计算很有效率。位同步捕获时间短且固定，不存在挂起现象，因为该算法是建立在对差分相位信号进行数据处理的基础上的，所以可以实现与差分解调法的无缝结合，即在完成频偏估计和位定时之后，立刻就可以对数据进行判决，而不需要额外的计算量。 通信作为社会的基本设施和神经中枢，已经影响到了社会的方方面面，渗透到了人们生活的边边角角。通信事业的发展也正以前所未有的深度和速度影响着人类社会的进步和演化。以信息为主导地位的信息化社会已经初见端倪。移动通信是现代通信技术中不可缺少的部分。通信的发展日新月异，由于数字通信方式相对与模拟通信方式有着很多优点，如抗干扰能力强，无噪声积累、通信质量高;便于加密处理而且保密强度高;数字信号便于直接与计算机接口，形成智能网;有高度的灵活性和通用性;设备便于集成化、微型化，所以在通信应用中数字通信已经逐步取代了模拟通信，成为通信领域的主要方式，移动通信已经进入全新的数字通信时代。 数字信号处理器(DSP )是经过优化后用于处理实时信号的微处理器。DSP的有效的体系结构使它可以达到实时的要求。在DSP中专门设置了乘法累加器结构，从硬件上实现了乘法和累加器的并行工作，可在单指令周期内完成一次乘法并对乘积求和运算。而乘加运算正是数字信号处理运算中最常遇到的运算方式。DSP还采用了时间上重叠的流水线结构。近年来DSP发展态势迅猛，已经广泛应用于很多领域。随着超大规模集成电路WLSD技术和计算机技术的飞速发展，数字信号处理(DSP)技术在通信领域中已有了广泛的应用。特别是在软件无线电收发机中，运用DSP技术可方便地对频段、调制解调方式、滤波器特性等进行编程控制，极大地提高了通信设备的性能和设计的灵活性。不难看出，DSP技术在通信设备中的应用必将发挥日益广泛的深刻的作用。本论文的内容 本论文讨论了各种MSK数字化调制、同步以及解调方法，介绍了它们的原理，比较了它们的性能，用计算机仿真了它们的性能，结合本系统的实际特点和性能要求，从中选取了最合适的方法。独立完成了lisp目标板的设计与调试，最后在该电路板上对MSK的数字化调制、同步、解调算法进行了研究和实验。 DSP(数字信号处理)技术正日益广泛地应用于现代通信的各个领域。本设计采用的处理器是当前通信领域流行的DSP处理器C54x系列的TMS320VC5402(简称C5402)，该处理器是TI公司生产的。MSK的发送方工作和接收方的工作都是用DSP来实现的。独立完成了一块DSP的目标板(Target Board)，该板是按照软件无线电的思想设计的，是一个基本的软件无线电系统。该电路板上既有数模转换器也有模数转换器，所以它既可作为MSK发送方，完成数据的组装、调制和发送，也可以作为MSK接收方，完成数据的同步和解调。只需要下载不同的程序到电路板上，便可以实现不同的功能。 我做的工作主要是: 1.查阅各种芯片的资料，选定合适的外围芯片。 2.用Protel设计出硬件电路板。设计完成之后交付厂家进行制作。 3.分析MSK各种调制、解调、同步方法，并用MATLAB和C语言在计算机 上进行仿真，分析其性能，并探讨在DSP上实现的可行性。有两个适合于 DSP实现MSK的调制算法，一个是直接数字频率合成法，一个是相位叠加 法。解调算法有四种，它们分别是差分检测法f81、谱估计法、差分检波法川、 相关检测法191。最后确定的解调方法是差分相位法。经过分析和实验发现结 合巴克码进行相关检测法91的同步运算量太大，不适合于DSP实现。f81中提 到了一种可以同时独立进行频偏估计和位同步，性能优良，计算效率高， 该方法最终被本文采用。帧同步方案采用的是13位巴克码插入到帧数据的 开始，属于外同步的一种。 4.根据选定的算法，编制了两个DSP程序，一个完成数据的MSK调制和多 速率发送，另外一个完成MSK信号的混频、滤波、同步和解调。 发送方和接收方软件均通过了DSP现场运行测试。说明硬件设计和软件设计都是正确的。发送试验所用的数据源是在DSP的RAM里存好的数据，接收试验所用的数据源是计算机硬盘上存储的磁盘文件。实验表明所选的发送算法是可行的，成功的实现了MSK的调制发送。接收算法也是成功的，在事先不知道从何处开始同步的情况下成功的把数据文件的数据解调出来。接收程序可以很好的完成MSK信 s号的混频、滤波帧结构接收数据、位同步、频偏估计并纠正、，达到了要求。综上所述， 帧同步、解调工作，能够按照既定的本设计基本完成了预定的任务。.2本论文的意义 本文的意义在于采用了当前通信领域中先进的数字技术来实现MSK数字化调制、同步和解调，它基于DSP来完成各种功能，是一种“软件”实现方法。具有较大的灵活性: 1.多功能。它可以在同一个硬件平台上，改变软件中的某个参数或是进行软件的升级便能够完成不同的功能。本文的MSK发送和接收实验均是在同一个硬件电路板上进行的。 2.具有可开发性。在同一系统中，对软件进行修改便可以实现不同方式的发送与接收。 3.可靠性高。因为数字系统只有两个电平“0、+1;，受周围环境温度以及噪声的影响小，而模拟系统中的各元器件都有一定的温度系数，且电平连续变化，易受影响。 4.易于实现模块化，因为数字部件有高度的规范性。 当今通信技术的发展正由模拟方式持续、广泛地向数字方式转换。随着数字化潮流的不断扩展，DSP也应运而生，并不断地发展、成熟。数字信号处理器是经过优化后用于处理实时信号的微处理器。DSP的有效的体系结构使它可以达到实时的要求。DSP最基本的特征是: 1.能够在一个指令周期内实现一次或多次乘法累加(MAC)运算。DSP集成了 多个乘法累加运算单元，可以进行并行乘法累加运算。 2.能够在一个指令周期内完成对存储器的多次读取。DSP集成了多个片内总 线和多端口片内存储器。 3.为了加快处理器中的运算，在DS l，中集成了多个地址产生单元，以支持循 环寻址和位翻转寻址。 4.处理器中的运算大多是重复的运算，为了方便使用，大部分DSP都支持这 种重复运算，而不用额外编写重复运算的指令。 5.大部分DSP都提供多个串行或并行工/0接口，以及特别I/0接口来处理特 殊的数据，以降低成本和提高输出/输入性能。 由于DSP的特点，在现今数字化的时代，它己经被广泛的应用。在高速的调制解调器中，DSP是主要元件;而对信号进行复杂的信号处理，也必须采用处理能力强的DSP。数字无线通信领域中的手机和通信基础设施是DSP最大的应用部门，是DSP的大众市场。在Internet的发展进程中，DSP功不可没。随着近几年来Internet的爆炸式增长，对拓展带宽和提高数据传输速率提出了越来越高的要求，因此，各种能够提供更大传输能力的新技术应运而生，例如:有线电缆传输技术、直播卫星技术和非对称数字用户线(ADSL)技术等，而这些技术都必须建立在高性能DSP的基础之上，还须借助DSP技术才得以迅速发展。其中，ADSL最有希望成为继56KModem之后，成为新的最为流行的热门通信产品。在DSL, VoIP, CableModem,InternetAudio, 3G、数码相机和马达控制等领域，DSP都大有用武之地。 由此可见，本文所做的DSP的开发工作和数字信息处理技术的研究适应当前科学技术的发展与更新的需要，具有一定的实用价值。由于现代通信技术的快速更新、迅猛发展，已经提出比MSK更先进的调制方式以便于适应高速传输数据的需要。但本文所提出的基于DSP的数字化实现MSK的方法，仍然是较先进的技术，并具有一定的理论和实践意义。第2章MSK概述和原理2. 1 MSK调制方式概述 MSK是数字调制技术的一种。数字调制是数字信号转换为与信道特性相匹配的波形的过程。调制过程就是输入数据控制(键控)载波的幅度、频率和相位。 MSK属于恒包络数字调制技术。现代数字调制技术的研究，主要是围绕着充分的节省频谱和高效率地利用可用频带这个中心而展开的。随着通信容量的迅速增加，致使射频频谱非常拥挤，这就要求必须控制射频输出信号的频谱。但是由于现代通信系统中非线性器件的存在，引入了频谱扩展，抵消了发送端中频或基带滤波器对减小带外衰减所做的贡献101。这是因为器件的非线性具有幅相转换(AM/PM)效应，会使己经滤除的带外份量几乎又都被恢复出来了。为了适应这类信道的特点，必须设法寻找一些新的调制方式，要求它所产生的己调信号，经过发端带限后，虽然仍旧通过非线性器件，但是，非线性器件输出信号只产生很小的频谱扩展， 为了适应这类信道的特性，己调信号须有以下两个特点: 1.包络恒定或包络起伏很小 由于信道中具有非线性的输入输出特性，所以己调波包络不能起伏，即不能用包络来携带信息，需要采用频移键控(FSK)或相移键控(PSK)来传递信息。 2.具有最小功率谱占用率 己调波要具有快速高频滚降的频谱特性，要求旁瓣必须很小，这种信号经过带限滤波之后，只要让主瓣无失真通过，由于旁瓣功率很小，所以滤波器的输出信号 (即非线性器件的输入信号)的包络起伏就会很小，大大减小了AM/PM效应，继而频谱扩展的现象也会随之而减小。由于己调波具有快速高频滚降的频谱特性，使信号能量大部分集中在一定的带宽内，因此提高了频带的利用率。 根据这些要求，人们在实践中创造了各式各样的调制方式，我们称之为现代恒包络数字调制技术。现代数字调制技术的发展方向是最小功率谱占有率的恒包络数 5字调制技术。现代数字调制技术的关键在于相位变化的连续性。MSK(最小频移键控)是移频键控FSK的一种改进形式。在二进制FSK方式中载波频率随着调制信号“1”或“0”而变，其相位通常是不连续的。所谓MSK方式，就是FSK信号的相位始终保持连续变化的一种特殊方式。可以看成是调制指数为0.5的一种CPFSK信号。2.2最小频移键控(MSK) MSK是一种在无线移动通信中很有吸引力的数字调制方式，因为它有以下两种主要的特点: 1.信号能量的99. 5%被限制在数据传输速率的1. 5倍的带宽内。谱密度随频率(远离信号带宽中心)倒数的四次幂而下降，而通常的离散相位FSK信号的谱密度却随频率倒数的平方下降1o。因此，MSK信号在带外产生的干扰非常小。这正是限带工作情况下所希望有的宝贵特点。 2.信号包络是恒定的，系统可以使用廉价高效的非线性器件。 从相位路径的角度来看，MSK属于线性连续相位路径数字调制，是连续相位频移键控(CPFSK)的一种特殊情况，有时也叫做最小频移键控(MSK) o MSK的“最小(Minimum)”二字指的是这种调制方式能以最小的调制指数(h=0.5)获得正交的调制信号。2.2. 1 MSK原理MSK波形有多种表示形式。下面是其中一种l11 :S(t)=A cos2威t+p(t)l(2.2-1)关.为载波频率，A为振幅，信号的功率E与A成正比，相位州t)携带了所有的信息。dk E士1。q(t)为相位平滑函数，它很大程度上决定了信号的形状继而影响到性能。q(t)为一个分段函数:当t s0时q(t) = 0，当t_LT时，q(t)二0.5。其中L可以被看作调制方法的记忆长度，它决定了每一个符号究竟影响到该符号以后的多少个符号间隔。实际上MSK属于连续相位调制(CPM)的一种，在CPM中L=1时被称作全响应调制，当L_2时被称作部分响应调制。MSK属于全响应调制，即 从MSK的表达式可以得知，MSK的相位是由两部分组成的，一部分是载波随时间连续增加的相位2磷t，另外一部分是携带信息的附加相位，它与原始数据息息相关，可以被称为基带相位。 MSK是一种正交调制，其信号波形的相关系数等于零，所以上式等号右侧的第一项和第二项均应为零。 1.当时间t为Tb的奇数倍时，即t=(2k+1)Tb时，式中的k为任意的整数，则帆O总是二/2的奇数倍。而当时间t为几的偶数倍时，即t=2kTb，则城O总是二/2的偶数倍。对余弦函数而言，它总是以2二为模的，所以当t=(2k+l)Tb时，(P(t)取值只有士rcl2(以2二为模)。当t=2kTb时，诚O取值只有0或二(以2二为模)。2.在任何一个码元内，其截距p*不是为0就是的整数倍。同样，由于余弦函数总以2为模，所以v*的取值只有0或n(以2n为模)。图2-2MSK可能的基带相位路径2. 2. 2 MSK调制的特点 由以上讨论可知，MSK信号具有如下特点: 1.恒定包络，允许用非线性幅度饱和器件放大。 2.连续相位，使得功率谱密度按.f -4速率降低。功率谱在主瓣以后衰减得较快。以载波相位为基准的信号相位，在一个码元内准确地线性变在一个码元期间内，信号应包括四分之一个载波周期的整数倍。4.码元转换时刻，信号的相位是连续的，或者说，信号的波形没有突变。码元转换可在瞬时幅度为零时发生，从而使调制器开关过程的波形失真最小。 5.频谱带宽窄，从而可允许带通滤波器带宽较窄。与QPSK相比，MSK具有较宽的主瓣，其第一个零点出现在f.一关= 0.75 f,处，而QPSK的第一个零点出现.5fh处。由于信号能量在0.75, fh之外下降很快，所以典型带宽取0.75f h即一可。由于I-述特点以及恒定包络特点，MSKMS信号在幅度和频带受限时能量损失不大，对E(/No性能的影响较小。 由于MSK具有上述特点，因此目前在短波、微波和卫星通信中均被采用。例如12，柯林斯无线公司为Datran系统6GHz数字微波线路研制的35t1-22MW设备就选用了MSK方式。贝尔电话实验室已研制出一种274Mb/sMSK调制器，并在20/30GHz卫星转发器实验板上进行了试验。 尽管MSK有很多突出的特点，然而在一些通信场合，对信号带外辐射功率的限制是十分严格的1121。比如，信号在邻近信道所辐射的功率和所需信道的信号功率相比，必须衰减70-80dB以上。MSK信号不能满足这样苛刻的要求，为此，人们除去探索频谱特性更加优越的调制方式外，也不断想在MSK的基础上，采取一些措施，加以改进，从而使己调信号既能保持包络恒定的特性，又能减小带外的辐射功率。第3章MSK的数字化的调制、同步、解调方法 MSK调制同步解调的方法一般是用模拟的方法，尤其是解调都是先用模拟的方法提取出载波，然后用这个同步的载波与接收到的MSK信号进行相关处理解调出数据，这些方法的优点是显而易见的，但在某些条件下，设计和实现却很困难。而随着高速的数字信号处理器(DSP)的出现，以及它广泛的应用和普及，使我们可以用它来更好地实现某种功能。而且数字信号处理技术的特点:精度高、灵活性大、可靠性强、容易大规模集成。因而可以方便、灵活的实现MSK调制与解调。 软件无线电是近年来随着微电子及计算机技术高速发展而产生的一种新的无线电技术，相对于传统的基于ASIC的无线技术，它具有许多优越性。软件无线电技术的核心概念是随着大规模集成电路技术的不断进步，芯片处理速度不断提高，而使得在DSP芯片或通用CPU芯片平台上利用软件来完成以前用ASIC实现的多种数字信号处理功能得以实现。由于软件所具有的灵活性、廉价等特点，在软件无线电通信系统中可以实现多种通信协议的兼容，便于通信技术升级，同时可以引入多种先进的动态调整技术，从而大大提高无线通信系统的功能和服务质量，有利于各种通信新标准的实施和兼容，使无线通信系统实现极大的灵活性和开放性。 软件无线电的核心是将宽带A/D和D/A变换器尽可能地靠近天线，而电台功能尽可能地采用软件进行定义。软件无线电把硬件作为无线通信的基本平台，对于无线通信功能尽可能用软件来实现。 综上所述，探索用软件手段来进行MSK信号的调制同步解调方法是很有可能的、也是必要的。3. 1调制 由于MSK信号的表示方式有多种，所以可以通过多种方法来实现MSK的调制，但是有的方法不适合用数字的方法来实现。接下来我们探讨以下两种方法:3.1.1相位叠加法二进制MSK信号的表示式可以写为:SMSK (t)=SMSK (KT+:)=A cos(co, (KT+:)+(P(t)，其中。为载波频率。帆K,约为已调波的相位与载波相位的差值，也就是前面讲的基带相位，它携带了所有的信息，而且是连续的。A为恒定的包络。(P。为初始相位，应为已知的。T为码元周期。:是相对于KT的时间偏移。d*二士1,为码元序列。k=0,1,2，K从式(3.1-2)可以清楚的看出相位的变化情况。在一个KT, (K + 1)T这一码元周期内，己调波与载波的相位差由两部分组成，第一部分是由d、以前所有的码元决定的。dk =-I，也就是空号频率的时候，在一个码元内的相位积累比载波频率在一个码元周期内的积累要少二，也就有是少四分之一周。这一性质是由传号频率、空号频率、载波频率以及码元速率的制约关系决定的。 如果在一个码元周期内采M个点，也就是说采样频率是码元速率的M倍。可以得到式子(3.1-1)和式(3.1-2)的离散形式:SMSK (K I)=其中 完成了这一步之后，从模数转换器输出的仍然是离散抽样点，需要通过一个平滑滤波器把高频成分滤掉，从平滑滤波器输出的信号即为MSK波形。 这种方法的优点是概念清楚，实现简单，占用存储器空间小，但是直接输出已调波的中心频率受DSP处理器的处理速度和数模转换器速度的限制。当然也可以使己调波中心频率比较低，甚至为零，在DSP后面加上数字上变频器(DUC)，数字上变频器利用插值滤波将基带信号转化为中频信号。也可以不要数字上变频器这一环节，把平滑滤波器的输出进行混频处理，也可以达到目的。 下图是该方法用计算机仿真的结果，原始数据为0, 0, 0, 1, 0, 1, 0. 0, 1,1。第二个波形为载波波形，第三个波形是调制后的波形。空号频率等于数据传输速率，传号速率等于1.5倍的数据速率。攀撬图3-1用相位叠加法生成的MSK波形图3. 1 .2直接数字频率合成方法(DDS) 1971年，美国学者J. Tierncy, C. M. Rader和B. Gold提出了以全数字技术，从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的频率合成原理。限于当时的技术和器件水平，它的性能指标尚不能与已有的技术相比，故未受到重视。近20年间，随着技术和器件水平的提高，一种新的频率合成技术直接数字频率合成(DDS)得到了飞速的发展，它以有别于其它频率合成方法的优越性能成为现代频率合成技术中的妓妓者。3.1.2.1直接数字频率合成的基本原理 DDS技术是一种把一系列数字量形式的信号通过DAC转换成模拟量形式的信号的合成技术。目前使用最广泛的一种DDS方式是利用高速存储器作查寻表，然后通过高速DAC产生己经用数字形式存入的正弦波。图3-2是DDS的一个基本原理图。 图3-2中的参考频率源为高稳定度的晶体振荡器，其输出用于提供DDS中各器件同步工作。相位累加器相位一幅度 1.相位累加器部分 相位累加器由N位加法器与N位累加寄存器级联构成。每来一个时一钟脉冲，加法器将频率控制数据与累加寄存器输出的累加相位数据相加，把相加后的结果送至累加寄存器的数据输入端。累加寄存器将加法器在上一个时钟作用后所产生的新相位数据反馈到加法器的输入端，以使加法器在一一个时钟的作用下继续与频率控制数据相加。这样，相位累加器在参考时钟的作用下，进行线性相位累加，当相位累加器累加满量时就会产生一次溢出，完成一个周期性的动作，这个周期就是DDS合成信号的一个频率周期，累加器的溢出频率就是DDS输出的信号频率。 2.相位一幅度转换部分 用相位累加器输出的数据作为取样地址，对正弦波波形存储器进行相位一幅值转换，即可在给定的时间上确定输出的波形幅值。 3.数模转换部分 DAC将数字量形式的波形幅值转换成所要求合成频率的模拟量形式信号，低通滤波器用于衰减和滤除不需要的高频分量以便输出频谱纯净的正弦波信号。3. 1. 2. 2 DDS的性能特点 DDS在相对带宽、频率转换时间、相位连续性、正交输出、高分辨力以及集成化等一系列性能指标方面远远超过了传统频率合成技术所能达到的水平，为系统提供了优于模拟信号源的性能。 1.极快的频率切换速度 DDS是一个开环系统，无任何反馈环节，频率转换时间主要由LPF附加的时延来决定。2.极高的频率分辨率 3.低相位噪声和低漂移 DDS系统中合成信号的频率稳定度直接由参考源的频率稳定度决定，合成信号 的相位噪声与参考源的相位噪声相同。而在大多数DDS系统应用中，一般由固定 的晶振来产生基准频率，所以其相位噪声和漂移特性是极为优异的。4.连续的相位变化 同样因DDS是一个开环系统，故当一个转换频率的指令加在DDS的数据输入 端时，它会迅速合成所要求的频率信号，在输出信号上没有叠加任何电流脉冲，输 出变化是一个平稳的过渡过程，而且相位是连续变化的，这个特点也是DDS独有 的。5.在极宽的频带范围内输出幅度平坦的信号 奈奎斯特采样定理保证了在直到时钟频率一半的所有频率下，DAC都可以再现信号，即DDS频率的上限由合成器的最大时钟频率决定，理论上为最大时钟频率的一半。6.易于集成、易于调整 DDS，寸一，) L乎所有的部件都属于数字信号处理器件，除DAC和滤波器外，无需 任何调整，从而降低了成本，简化了生产设备。 随着这种频率合成技术的发展，其已广泛应用于通一讯、导航、雷达、遥控遥测、 电子对抗以及现代化的仪器仪表工业等领域。现代通信技术中调制方式越来越多， BPSK, QPSK, MSK都需要对载波进行精确的相位控制。而DDS的合成信号的相 位精度由相位累加器的位数和存储器大小决定。因此，在转换频率时，只要通过预 置相位累加器的初始值，即可精确地控制合成信号的相位，很容易实现各种数字调制方式。3.1.2.3直接数字频率合成的实现方法 相位一幅值转换部分可以用存放了一个周期的正弦波波形的存储器来实现。如果该存储器内存放了M个采样点，即把2二分成了M份，每份为2州，也就是说最小的相位增量(相位分辨率，用采样速率Fs去采样，相位增量为必。如果连续的把存储器里面的采样值输出， 如果每隔一个采样点输出一个采样点，即相位增量理论上一个周期内至少要采两次样，将来才可能恢复它。实际上在应用中由于噪声的干扰，可见提高只可以提高输出的最高频率，(3 .1一12)但是同时又会使频率分辨率下降。如果在提高采样频率的同时不想使频率分辨率下降，可以通过增加存储器的容量M来实现。在采样频率不变的情况下，提高输出频率分辨率的唯一途径是提高存储器容量。 在采样频率一定的条件下，可以通过控制两次连续采样之间的相位增量(不得大于2;c / 2.5)，来改变所得到离散波形序列的频率，经保持和滤波之后，可唯一地恢复出此频率的模拟信号。在实际中就是把一定频率的离散波形序列经D/A(数/模)转换，再经过低通滤波之后，便可得到频率纯净的模拟信号。3.1. 2. 4 MSK的数字化调制方法 由于MSK可以看做是连续相位频移键控(CPFSK)的特殊情况，即调制指数h = 0.5。所以可以用DDS来产生两个信号频率:传号频率和空号频率，只要在符号变化的时候保持相位连续，我们就可以得到MSK信号了。在实现的时候，为了保持相位连续需要在存储器内开辟区域，用做相位累加器，跟踪相位变化。每一次相位变化都要反应在这个累加器上。实际上，这个累加器中存储的是正弦表中的采样位置，最大值是M。如果相位累加器溢出了M，相当于相位累加到了2z，此时相位累加器要清零，以保证相位的连续性。 由式(2.2-6)可以得知传号频率F, ,空号频率F,和载波频率F,.都是码元速率四分之一的整数倍，而且二者的差是码元速率的二分之一。这就对DDS的频率分辨率提出了要求。 其中瓦，、k，均为正整数。如果存储器的容量M一定的时候，频率控制因子k越大，输出信号每一周期拥有的采样点数越少，离散波形序列经D/A(数/模)转换，再经过低通滤波之后，得到的模拟波形就越不好，所以频率控制因子要越小越好。要想kh、k，尽量小，nil、要尽量大，也就是要求F.i。是F,和F,最大公约数。 现在来讨论式子(2.2-6)0考虑n一I和n+1的最大公约数，经过计算，当n为奇数时，n一1和n+l的最大公约数为2，当n为偶数时，n一1和n+1的最大公约数为 231。即:-l n取奇数时，可以使汽Till、取的更大一些，进而可是使kh ,凡更小一些。n取奇数时意味着载波频率为码元速率四分之一的奇数倍，传号频率和空号频率均为码元速率四分之一的偶数倍，DDS的频率分辨率为凡;一:、二一尽。根据式子(3.1-13)和(3.1-14)得到传号频率和空号频率所用的频率控制因子分别是: 因为本文要实现多速率的数据传输，在发送方实现的方法是:根据码元速率来决定DDS的采样频率，在用DSP实现DDS的时候，数据从DSP里往外输出的速度实际上就是DDS的采样频率。每输出一个采样点，数模转换器就要将该值转换成模拟电平。二者的速率应该一致。在硬件设计中，用DSP的串行口输出帧同步时钟做为数模转换器的帧同步时钟，使得DSP发生发送中断的速度和DAC转换器转换速度一样。硬件具体连接请参照第4章有关内容。这是对数据序列1, 0, 1, 1运用直接数字频率合成法用DSP生成的离散序列。将此序列通过平滑滤波器便可以得到实际的调制模拟波形。3. 2频偏、位同步、帧同步算法 频率偏移和定时误差是在无线通信系统中经常会遇到的问题，它们会降低系统的性能。在以突发模式传输数据时一，找到一种快速而且稳健的算法来估计频偏和定时误差是很重要的，如果解调方式为相干解调时，载波相位的估计也是必要的。为了获取这些估计而需要的训练序列通常被称为导言。导言一般被放置在帧同步码的前面，通过对导言期间的数据进行处理得到频偏和定时误差的估计，然后对频率偏移和定时误差做补偿，就可以正确的解调数据。在导言的后面紧跟着的是帧同步码。通过检测帧同步码的存在可以确定一个数据帧的位置，实现帧同步。帧同步码后面为有效的数据。 司步对数字通信系统的的,m肩LG有着重要的影响。目前各种通信系统中存在着各种各样的同步方法，归纳起来有三种一般的方法: 1.使用统一的时间标准; 2.利用独立的同步信号; 3.采用由数据信号本身提取的定时信息的“自同步”。 在第一种方法中，收发各方都从属于一个标准的主控时钟源。这种方法常常用一于大的数据通信网中。在第二种方法中，一个特殊的同步信号或者己知频率的正弦波(导频)与数据信号一同传输，其传输方式有:(1)频分制。其中导频设置于数据信号功率谱密度的零点处，或者在多路并传系统中专门用一路传输同步信号;(2)时分制，同步信号插在数据流中间;(3)采用附加调制。不管哪一种方式，为了传输独立的同步信号都需要付出额外的功率和频带或者降低传信速率。本文选用的同步方法属于第三种。 位同步，又称码元(或比特)定时。实现位iJ步的方法基本上有两种:一种是外同步法，另一种是自同步法。外同步法就是在发送端除了发送有用的数字信息外，还专门传递同步信一号，到了接收端用窄带滤波器或者锁相环把滤波出来的信号作为同步之用，州司步法的缺点是占用了额外的带宽，也需耗用额外的功率。自同步法是发送端不专门向接收端传送同步信号，收端所需要的同步信号是从接收信号l一户或 25者解调后的数字基带信号中提取出来。本文采用的位同步是自同步法。 实现帧同步的方法可以分为两类:第一类方法是在发送的数字信号序列中插入帧同步脉冲或帧同步码作为帧的起始标志，这类方法称为外同步法;另一类方法是利用数字信号序列本身的特性来恢复帧同步信号，例如某些具有纠错能力的抗干扰编码具有这种特性，这种方法成为自同步法。一般在应用中帧同步使用较多的是外同步法。 本系统中在解调之前需要做的工作是频偏估计、位同步和帧同步。不需要进行载波相位估计的原因是采用的差分解调，只需要估计并纠正由于多普勒效应和本地载波的频率偏移。位同步的目的是确定比特的开始位置，以便确定最优判决点。帧同步的目的是确定一个帧的开始位置。 在理沦土，要联合估计频偏和符号定时，需要一个优化的标准，比如极大似然概率(ML)或者极大后验概率(MAP)，但是这样通常导致算法非常复杂，计算量很大而且不容易实现。如果有一种方法，并非最优的方法，但是它的性能也可以使人接受，而且如果这个方法也够稳健，又易于实现的话，这种方法在实际应用中肯定会受到人们的欢迎。差分检测就属于这样的一种方法。因