全数字MSK调制解调器的设计与实现

分类号UDC密级编号工学硕士学位论文全数字MSK调制解调器的设计与实现硕士研究生陆智超指导教师赵旦峰教授学位级别工学硕士学科、专业信号与信息处理所在单位哈尔滨工程大学论文提交日期2010年3月论文答辩日期2010年3月学位授予单位哈尔滨工程大学CLASSIFIEDINDEXUDCADISSERTATIONFORTHEDEGREEOFMENGDESIGNANDIMPLEMENTOFALLDIGITALMSKMODULATORANDDEMODULATORCANDIDATELUZHICHAOSUPERVISORZHAODANFENGACADEMICDEGREEAPPLIEDFORMASTEROFENGINEERINGSPECIALTYSIGNALANDINFORMATIONPROCESSINGDATEOFSUBMISSIONMARCH，2010JDATEOFORALEXAMINATIONMARCH，2010UNIVERSITYHARBINENGINEERINGUNIVERSITY帅07洲6川8叫舢8“IIIIMY哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者签字砧蔼强匙日期舀矿。年岁月77日L哈尔滨工程大学学位论文授权使用声明本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。本论文时在授予学位后即可口在授予学位12个月后口解密后由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。作者签字拐累K毽。日期矽7年乡月7日导师签字LP每多R0R一II哈尔滨工程大学硕士学位论文摘要MSK调制方式凭借相位连续、包络恒定、带宽窄等特点广泛应用于各种通信系统中。在MSK调制技术中，宽带高速率的MSK调制技术已经比较成熟，可以大规模的应用在短波频段。但窄带低速率的MSK调制技术还不完善，在硬件实现上还有很多困难没有解决，因此，本论文重点针对窄带低速率的MSK调制与解调进行研究。本文首先重点针对MSK调制解调原理进行了研究，并对各种调制方法的性能进行了仿真，根据仿真结果，确定用频率直接合成的方法实现MSK调制。接着详细的研究了MSK解调器的几种解调算法，针对解调性能和硬件的可实现性等问题，对几种解调算法进行了分析比较，并对各种解调算法的性能进行了仿真。最后分析了影响MSK解调器性能的因素载波同步、位同步、帧同步。在解调算法确定的条件下，详细的研究了载波同步、位同步、帧同步的算法，并在现有载波同步算法的基础上给出了一种改进的算法。在调制解调器的硬件设计上，采用了DSP和FPGA相结合的全数字化处理方式，使数据的采集、运算、合成全部实现了数字化。数字化的平台也使调制解调器具有很强的灵活性和扩展性。在实际硬件完成后，本文还做作了一些辅助测量设备，在这些设备的帮助下，对整个系统的性能进行了测试，并对各项测试的数据进行了分析和比较。关键词MSK；载波同步；位同步帧同步，T，ABSTRACTMSKISANEXCELLENTDIGITALMODULATIONSCHEMEWHICHHASCONTINUOUSPHASE，CONSTANTENVELOPEANDNARROWBAND，ANDCANBEWIDELYUSEDINAVARIETYOFCOMMUNICATIONSYSTEMSINTHEMSKMODULATIONTECHNOLOGY，BROADBANDHIGHSPEEDRATEOFMSKMODULATIONTECHNIQUEISRELATIVELYMATURE，ANDLARGESCALEAPPLICATIONCANBEFOUNDINTHESHORTWAVEFREQUENCYBANDBUTTHENARROWBANDLOWRATEOFMSKMODULATIONTECHNIQUEISNOTPERFECT，THEHARDWAREIMPLEMENTATIONISNOTRESOLVEDBECAUSEOFSOMANYDIFFICULTIES，THEREFORE，THISRESEARCHMAINLYFOCUSESONLOWRATENARROWBANDMSKMODULATIONANDDEMODULATIONINTHEPAPERFIRSTLY，THEPRINCIPLEOFMSKMODULATIONANDDEMODULATIONISSTUDIED，ANDAVARIETYOFMODULATIONMETHODSARESIMULATEDACCORDINGTOSIMULATIONRESULTS，THEFREQUENCYOFDIRECTSYNTHESISMETHODISDETERMINEDTOACHIEVETHEMODULATIONSECONDLY，SEVERALDEMODULATIONALGORITHMSARESTUDIEDCONSIDERINGTHEPERFORMANCEOFDEMODULATIONANDIMPLEMENTOFHARDWARE，WESIMULATEANDCOMPARESEVERALDEMODULATIONALGORITHMSLASTLY，THEEFFECTOFCARRIERSYNCHRONIZATIONBITSYNCHRONIZATION，FRAMESYNCHRONIZATIONONTHEPERFORMANCEOFTHEMODULATIONISSTUDIEDCARRIERSYNCHRONIZATION，BITSYNCHRONIZATIONANDFRAMESYNCHRONIZATIONALGORITHMARESTUDIEDUNDERTHECONDITIONOFTHEDEMODULATIONALGORITHM，ANDANIMPROVEDALGORITHMISGIVENBASEDONTHEEXISTINGCARRIERSYNCHRONIZATIONALGORITHMINTHEMODEMHARDWAREDESIGN，DSPANDFPGAUSINGACOMBINATIONOFA11DIGITALAPPROACHTODATACOLLECTION，COMPUTING，SYNTHETICALLDIGITALLYDIGITALPLATFORMALSOMAKESTHEMODEMHASASTRONGFLEXIBILITYANDSCALABILITYINADDITION，SOMEAUXILIARYMEASURINGEQUIPMENTSAREALSOMADE，一一哈尔滨T程大学硕十学位论文AFTERCOMPLETIONOFHARDWARETHEPERFORMANCEOFTHEWHOLESYSTEMISTESTEDANDTHETESTDATUMAREANALYZEDANDCOMPAREDBYTHEEQUIPMENTSKEYWORDSMSK；CARRIERSYNCHRONIZATION；BITSYNCHRONOUS；LAMESYNCHRONIZATION7；J11数字通信系统的概述112连续相位调制技术213课题的背景及其意义314课题的内容315论文的章节安排5第2章MSK信号调制解调的原理721MSK信号的基本原理及其特点7211MSK信号的基本原理7212MSK信号的特点10213MSK信号的功率谱1022MSK信号的调制原理1123MSK信号的解调原理15231MSK信号相干解调法15232MSK信号正交差分解调法19233软件无线电方式的MSK信号解调21234MSK信号的非相干解调2324本章小结23第3章MSK调制解调器的硬件实现2431MSK调制电路的硬件实现方法2432MSK解调电路的硬件实现方法29321滤波器的设计30322载波同步电路的设计33323位同步电路的设计4L324帧同步电路的设计42；V44本章小结53结论54参考文献56攻读硕士期间发表论文和取得的科研成果6L致谢62附录A63附录B64附录C65哈尔滨工程大学硕士学位论文第1章绪论的概述有效的信息，信息可以是符号、图形或者汉字。这些信息虽然表示形式不同，但是他们都可以转换成电信号。如何把这些电信号准确、安全的传递到目标点一直是通信系统中的难点。第一个在这个难点上做出贡献的是波波夫和雷布金，他们在1896年俄国物理化学协会的年会上，首先使用他们自己制作的无线电收发信机，做了用无线电传送莫尔斯电码的表演，从此揭开无线通信领域。随着时间的积累和通信技术的不段发展，无线通信在调制方式、信道编码、信源加密等方面都实现了数字化，新一代的数字化通信体制基本建立起来。一套完整的数字化通信系统主要包括信源、编码、调制、信道、解调、解码等。其具体通信系统框图如图11所示图11数字通信系统图11中，信源是指把消息转换成电信号的设备，例如话筒、传感器等。信源编码的主要部分是压缩编码，它可以减小数字信号的的冗余度，提高数字信号的有效性。信道编码的目的是提高信号传输的可靠性。它是在经过信源编码的信号中增加一些校验的字符，以求在解码时自动发现或纠正传输中的错误。调制的主要目的是使经过编码的信号特性与信道特性相适应，使信号经过调制后能够顺利的通过信道传输。通信系统中的信道有多。1一哈尔滨程大学硕士学位论文种，按照信道的传输特性区分，信道分为高斯信道、衰落信道等。信道对数字通信影响主要有两个方面一方面是信道传输特性对数字通信的影响；另一方面是进入信道的外部噪声对数字通信的影响。同步电路的主要作用是保证发送端和接收端数据的同步，主要影响数字通信系统的误码率。发送端和接收端之间需要有共同的时钟标准，以便在接收端准确知道接收到的数据中每个符号的起止位置，从而同步地进行接收数据。解调、信道解码、信源解码则是调制、信道编码、信源编码的逆过程。衡量一个通信系统性能的基本因素是系统的有效性和可靠性。有效性是指信道传输信息的速度快慢，可靠性则是指信道传输信息的准确程度。为了提高有效性，需要提高传输速率，但是可靠性随之下降。提高可靠性，可以采用信道编码，但是信道编码增加冗余，有效性又随之下降。因此，有效性和可靠性本身就是相互矛盾的，但是也可以互相交换。我们可以用降低有效性来提高可靠性，也可以用降低可靠性来提高有效性【L】。12连续相位调制技术连续相位调制技术在现在通信技术中被广泛应用商业、军事、气象、民航等领域。目前，随着集成电路技术和计算机技术的发展数字化通信方式已经取代了模拟的通信方式，数字化调制比模拟的调制有许多优点，如抗干扰方面强，没有噪声累加，设备便于集成化和微型化等。随着经济的发展，人们对通信系统的需求越来越来多。通信系统也由原来的单一点对点传输，逐渐发展成大容量高速的网络通信体制。通信系统的增多，通信的频率资源就显得相对紧张。如何能在现有频率资源的条件下实现大容量的通信是现在通信考虑的主要问题。根据通信系统的基本特点，人们在实践中相继研发出很多种通信的调制方式。主要包括振幅键控ASK、移频键控FSK、移相键控PSK。其中连续相位调制技术就是移频键控的一种特殊形式。连续相位调制技术主要具有相位连续、包络恒定、频谱利用率高等优点。2哈尔滨工程大学硕十学位论文连续相位调制主要包括最小移频键控MSK、平滑调频TFM、高斯下的最小移频键控GMSK等。MSK是一种新的调制方式，它也可以看成是调制指数等于05的CPFSK，它也具有很多优点，尤其在频率拥挤的信道上更可以看出MSK调制方式相对其他调制方式的优点。GMSK也是MSK调制中的一种，只是在信息没有调制前增加了一个高斯滤波，使调制后的信号相位更加平滑。GMSK调制方式现在已经广泛的应用在第二代移动通信网络中。在现在通信中，节约频率资源越来越重要。解决频率资源短缺问题的一个主要办法就是采用先进的调制方式。哪种调制方式占用的频率资源少，主要看调制信号的带宽。调制信号的带宽宽与窄又和信号的相位是否连续有着直接的关系，因此连续相位调制技术是未来通信的主要发展趋势【21。13课题的背景及其意义由于电磁波在甚低频VLF段具有超强的绕射能力和穿透能力，因此把这个频段用作超远程的通信。在这个频率资源非常有限频段上通信一般采用连续相位调制。在连续相位调制中，MSK调制方式是其中的一种最常用的二进制调制方式。MSK调制具备相位连续、包络恒定、频谱利用率高优点广泛的应用在各种通信系统中。在MSK调制技术中，宽带高速率的MSK调制技术已经比较成熟，可以大规模的应用在短波以上的频段。但窄带低速率的MSK调制技术还不完善，在硬件实现上还有很多困难没有解决，因此，本论文重点针对窄带低速率的MSK调制与解调进行研究，并设计与实现一种性能良好的MSK调制解调器。14课题的内容本课题的主要内容是研究一种数字的MSK调制解调方法，运用FPGA、DSP等数字芯片搭建一个硬件平台。在这个硬件平台上以软件思想完成调制、解调、同步算法。具体内容如下哈尔滨T程大学硕士学位论文1MSK调制MSK调制方法有很多种，最常见的有正交调制法、模拟调频法、数字频率直接合成法DDS法【31等。其中正交调制法是PSK调制的一种推广，首先将数据进行差分编码、串并转换，然后每一路分别再乘以加权函数COSRT2T和SINQRT2T、载波COSA,T和SINCA,T，最后两路相加求和就可以得到了一个完整的MSK信号。模拟调频法是采用调频调制器实现的。将信息1、0所产生的频偏L4TB和一I4TB调制在载波频率为她的载波上。数字频率直接合成法DDS是以FPGA、DSP或者专用的DDS芯片为载体的一种通过软件编程实现的调制方法。这种方法实现的MSK信号具有杂散度低、包络恒定性好等优点，调制器的参数也比较容易设置，因此此方法也是无线通信领域中研究的热点方法之一，在未来的移动通信、船用通信等领域都有很大的发展空剐41。2MSK解调MSK解调方法从大的方向上分为两种，一种是相干解调，另一种是非相干解调。相干解调的误码率比非相干解调的误码率低，但相干解调的系统比非相干解调系统复杂。相干解调的方法是将接收到的MSK信号分为两路，每一路分别先乘以由载波同步电路得到载波信号，然后再经过积分清洗滤掉载波，对得到的信号进行抽样判决，最后再把判决得到的两路数字信号合成一路信号进行差分译码。非相干解调的方法是将MSK信号看成FSK信号用鉴频的方法进行解调。MSK信号在实现调制时是有记忆的为了保持相位连续，两点之间的基带相位差与这两点之间传输的信息有关，因此也可以采用正交差分解调的方法，其误码性能介于差分解调PSK和相干解调PSK之间【引。3同步电路同步电路主要分为载波同步、位同步、帧同步等。载波同步电路主要是完成MSK解调时载波的同步。具体同步方法主要有外同步法和自同步法两种。外同步法需要增加额外的开销，使系统传输的数据降低，同步的时4哈尔滨工程大学硕七学位论文间相对自同步法较长。自同步法主要采用锁相环电路实现，它具有同步时间短、电路简单的等优点被广泛的应用在现在通信系统中【61。位同步电路主要是完成准确的抽样判决，具体的电路一般是采用数字锁相环电路实现【71。帧同步电路主要是完成在数据流中准确找到一帧数据的开始。具体帧同步电路采用M序列实现。因为M序列具有很好的自相关性，因此，可以把调制端数据的帧头做成一个M序列，在解调端把解调出的数据和帧同步电路中RN序列做一个相关运算帧同步电路中的M序列和数据帧头的M序列为同一个M序列，相关运算后的波形是一定周期的脉冲波，脉冲点的位置就是两个M序列完全重合的位置，也就是一帧数据的起始位置，这样用这种方法就可以做到帧同步峭J。4硬件电路硬件电路主要采用可编程的数字芯片完成，具体芯片采用DSP、FPGA或者一些专用的DDS芯片完成。DSP芯片采用的是TI公司的TMS320VC5416，这款芯片是TI公司的54系YUDSP芯片之一，内部具有120KBRAM存储空间、主频最高可以设置到160MHZ。FPGA采用ALTERA公司EPML0K20芯片，这款芯片是ALTERA公司的LOK系列FPGA之一，它具有应用简单，使用方便等优点被广泛应用。DDS芯片采用ADI公司AD9854芯片，这款芯片内部集成了好几种现有的调制方式，女NASK、FSK、PSK、FM等。AD9854芯片在外围增加一个简单的控制器就可以实现各种调制功能，在现有的调制基础上稍加修改就可以实现MSK调制。15论文的章节安排论文基于具体项目，首先针对MSK调制、解调原理进行分析；然后研究并分析MSK调制、解调、同步算法，并做出实际的硬件电路；最后通过计算机、辅助板、白噪声信道模拟器对实际做出来的调制、解调、同步电路进行测量，测出具体信噪比下的误码率。其具体工作安排如下第1章，介绍课题研究的背景及意义，MSK数字调制、解调的发展现哈尔滨工程大学硕士学位论文状，以及调制、解调在数字通信系统的位置和作用。第2章，介绍MSK调制的基本原理，研究MSK信号的特点及一种正交实现MSK信号的方法，并对这方法进行理论的分析和仿真。接着研究MSK解调算法及其各种改进算法，针对MSK解调算法的性能和硬件可实现性进行分析比较，并对各种解调算法进行仿真。第3章，在详细的研究了MSK调制、解调算法的基础上，进行实际硬件电路设计，并对影响系统误码率的几种同步电路，既载波同步、位同步、帧同步电路进行详细的研究和分析。最终根据各种方案的仿真结果，实现MSK调制解调器的硬件电路。第4章，在实际硬件完成后，制作一些辅助测量设备。在辅助设备的帮助下，对整个系统进行了测试，并对各项测试指标进行分析和比较。6哈尔滨工程大学硕十学位论文第2章MSK信号调制解调的原理MSKMINIMUMSHIFTKEYING为最小频移键控，属于CPFSK的一种，当然也属于CPM的一种。但因其调制指数最小，在每个码元持续时间瓦内，频移恰好引起N2相移变化，故称这种调制方式为最小频移键控调制。最小移频键控又称快速移频键控FFSK。这里“最小”指的是能以最小的调制指数即05获得正交信号；而“快速”指的是对于给定的频带内，它能比PSK传送更高的比特速率。它产生的是一种包络恒定、相位连续信号。下面对MSK调制、解调原理及其特点进行详细的介绍。21MSK信号的基本原理及其特点211MSK信号的基本原理MSK信号既是一种FSK信号又是相位连续的FSK信号，即CPFSK信号的一种特例。它数学表达式为一COS卜薏F纯J，肛1E鲻K_1、2、3、21，COS吐F007，臼F等，吼，K1、2、3、22彩。载波角频率，瓦码元持续的时间，MSK信号中C瓦，瓦码元宽度，仇第K个符号的相位常数，它在1皿，S圮中保持不变，A。第K个符号的信息，能取值为1，口F附加相位函数，它是MSK信号的总相位减去随时间线性增长的载波相位而得到的剩余值。首先我们看一下附加相位函数矽F。口O鲁F吼23厶I式子23为一直线方程，XAK2Z为斜率，仇为截距。由于T的取值范哈尔滨T程大学硕士学位论文围为一L皿T七疋，在每个时间段里都为直线，另外AT只能取值1，所以在全部时间轴上口O为分段函数。在任何一个符号周期内口O的变化量总是7R2，当吼1时，口O增大万2；当AT一1时，秒O减小刀2。我们再来看一下相位常数仇。由于仇是第K个符号的相位，它在每个时间段里的取值都是不同的，所以应该分析一下不同时间段的仇之间的关系。MSK信号是相位连续信号，从它的波形上看，是连续没有间断点的。因此在第K1个符号第K个符号间隔的时间点上总的相位关系有啡，写笋F纯一LQF等F仇，F七一1瓦24纯诹2K1AK_IAK20兰刀AK_I2A吼K25前后码元不同，K一1为偶数还是不会变的若设整个调制信号的第一个符号的相位常数仍0这时MSK信号的初始相位为PO0，则苁O或者万，模为2万。假设数据序列为1，一1，一1，1，T1，1，下表给出了相位常数仇与A。的关系表。表21MSK信号仇和A。之间的关系表KL23456吼11一L111仇0万7一2万一2万一2万仇模2万O万刀O0O图21表示的是表21中数据序列的MSK信号相位轨迹。下面我们在来看看MSK信号对载波的约束关系。由2一1式可知，当A。1时，信号的频率为石去卜考仁6，当A。一L时，信号的频率为五去哦一秀P7，哈尔滨T程大学硕士学位论文田此口J得频翠1日J隔力TZ一六瓦128根据调制指数定义得HAF民05。对于一般移频键控信号，两个信号波形的相关系数为P黜筹P9，其中六昙210为中心载波频率，MSK为一种J下交调制，其信号波形的相关系数应该等于零。因此，对于MSK信号来说，上式子29应为零，也就是式子29右边两项均应为零。第一项等于零的条件是2万以一六皿七万211令K取最小值1，则石一得Z一六击212这正是MSK信号所要求的最小频率间隔。第二项等于零的条件是4矾C7“213Z百N，万1214这说明，MSK信号一个符号周期的时间必须是四62载波周期的整倍数。由此可得六2石N。I1215Z无击2字专亿，6，厶正一击字号P哈尔滨工程大学硕七学何论文由式子215、216、217可以说明MSK信号载波参数的选择是有一定限制的，不能任意选取F9】【M1。图21相位路径图212MSK信号的特点由以上数学推导可以得出，MSK信号具有以下特点1MSK信号是正交信号，包络恒定。2MSK信号的频率偏移严格地等于_L4T。，调制指数为O5。3以载波的相位为基准，MSK信号的相位在一个码元期间内准确地线性变化刀2。4一个码元时间内，信号中含有整数倍个四分之一载波周期。5在码元转换时刻信号的相位是连续的，信号的频谱的主瓣比较窄，旁瓣滚降速度快。213MSK信号的功率谱MSK信号的功率谱密度表示式为GC舻孚器浯LO哈尔滨工程大学硕学位论文其中彳。为载波信号的振幅，乃为码元的宽度，Z为载波1。图22是BPSK信号和MSK信号的频谱图，从图22中可以看出，在同样情况下，MSK信号具有以下的几个优点1MSK信号旁瓣滚降快，在远离中心频率处，BPSK以1厂2的规律下降，而MSK则以LLF4的规律下降，第一旁瓣峰比主瓣峰低约23DB，信号能量集中在频率较低处，若以99FL毪量集中程度为标准，MSK信号的频带宽度约为12T。L瓦，ZHZ图22PSK、MSK信号的功翠谱2MSK信号的功率谱比较紧凑，并且它的第一个零点是在O7SR,处，而BPSK的第一个零点是在1T,处。这表明MSK信号功率谱的主瓣所占的频带宽度比BPSK信号窄；在旁瓣上，MSK信号功率谱下降非常快。也就是说MSK信号的功率主要在主瓣内。因此，MSK调制方式比较适合在频率资源短缺的频段上通信，它对邻道的干扰也很小。22MSK信号的调制原理由MSK信号的表达式为O加为一一一一I甘刀；浜I程大字坝士字位论文蹦FCOS卜箦H纯卜1鞫鲰疋，218此式与式21稍有不同，将其按照三角公式分解得SMSKS_薏COSCO。TSIN一薏卜。，任再分懈得洲卜绲OOS旧卜绲啦切嘟呼牛级OOS旧忙啦恤220凼为唬得仇一等一1XA12吼。1警221Z【仇士万OKLAK设第一个符号的相位0这时初始相位为R,OO0，则有仇O或万濮2万这时有SIN吼0，另外由于吼1，得COSN2N瓦KTCOS2NIR2222瓦2Z7SINN讧VTTAKSIN“NT223Z1S从X公式继续化简为SMSK0COS心S署啷咄棚一S删嚼SIN咄224令IKCOSOK，QACOSOK，得SMSXTIKCOS爰COSOCTQK血矛SIN吖225我们知道A。、COS缈K的取值只能为1，、G的取值也只能是1。对于整个信息序列来说，IK、Q为二元序列。将，。代入Q，可得A。I。NF226112哈尔滨T程大学硕学位论文通过对225式的观察可得，可以通过两路正交调制得到MSK信号，但关键是厶、Q的获得。设吼的差分编码为B。，则有ATB女BKL227观察式子226、227可以知道，。、Q可由B。经过串并变换得到。第K个符号潍AK援IK陋28，第K41个符号J口T，2，TQK，229【ATLBKLBK表22MSK信号各个参数和A。关系表K123456789吼111111LL一1仇O万7“万万4万2刀5万5万仇模2刀O万万万万00万万IKLL一1一LL1L一1一L绕1111111L1BI111一L一111一L1P11一L一111111Q111一L一11L1L观察到前后两个式子都用到了B。，假设，。B，QBK，那么，只能有，MB，绕LBK，依此类推，IMB川，QK2BM，IMBM，QK，BK，一，这样我们知道将玩串并变换后每个码元的宽度变为了原来的两倍，还要将其中一路延时一个码元。具体表示关系可以通过下表说明。其中，吁000，B。L，P，Q为B。经串并变换的两路，其中一路延时一个码元。从表22中可以看出对应AL时，应有ALBOXBL，若将B0视为延时，应将I路延时。经过以上讨论可以得到MSK信号的调制框图为图23所示哈尔滨工程人学硕十学位论文号图23MSK正交调制框图我们设输入信息序列为A。，经过差分编码后得到B。，串并变换后得IK、OK，在经过两级调制后相加最后得MSK信号表达式为1TCOSP薏P3。，图24载波20KHZ的MSK信号仿真图在SYSTEMVIEW软件中，我们对图23进行仿真，可以得如图24所示的MSK信号和图25所示的MSK信号的频谱图。仿真时载波是20KHZ，信息速率是80BITS。由于载波太高仿真图24看不清晰，把载波调制200HZ，重新按图23进行仿真，得到如图26所示的MSK信号图【16】【191。14哈尔滨工程大学硕士学位论文图25载波20KHZ的MSK信号仿真频谱图图26载波200HZ的MSK信号仿真图23ASK信号的解调原理231MSK信号相干解调法为了得到较低的误码率，在实际制作MSK解调器时一般采用相干解调法。MSK的相干解调主要有两种方法，一种是相位相干解调法和另一种频率相干解调法，他们分别从相位和频率两个方面进行对MSK信号解调。下面详细介绍一下这两种解调方法的原理。1相位相干解调法MSK信号相当于一种正交相移键控信号，所以它可以采用图27所示的方法进行解调。由图27得，接收到的MSK信号先和载波提取电路提取哈尔滨工程大学硕七学位论文到的载波COSM。T和SINOCT进行相乘，然后再进行低通滤波，滤波后的信号表达式为SM，SKFS。IN吐FC。IQ，差芝吼二纯一SIN哆R。232，扣署嚷圳专IN2叫爰吼训一鬈扣罟吼233K扣署敌234图27MSK信号相位相干解调法框图2频率相干解调法16I，QF气叫慨蚴、，R，一，J砌旦珥旦珥02TDH仇，LTJ_0，叫魄C7一RO硝旦珥吖H，S移眦弛仪QOD蹦毒哈尔滨T程大学硕士学位论文频率相干解调法的具体框图如图28所示，从图中可以看出频率相干解调法和相位相干解调法最大的不同就是所乘的载波不同，频率相干解调法乘以的载波是FLCOS叫秀棚235F2“COS铲争D236而相位相干解调法乘以的载波是厂COSA,D矛NF一SINCOD。由图28得KKTCOSCOLT一COS叫嚣鲰训COS铲矛扣2叫嚣纠】扣秀叫M237滤除高频分量后得巧J1C。SAK1C。S体238同理也可以得到砭虿1。S丢纠COS纯23917哈尔滨工程大学硕士学位论文砭母如若咖豸岬S纯240X坤OS薏COS薏删S吼241E母如器咖瓦XT咏242K即。S豸COS瓦7RT吼243XK，C。S吖C。S瓦IRT咏K圭C。S咄丢吼三COS略一薏酬22形争聃刚R1墨1刚P44，扣，丢叫】扣丢纠M一墨。百1COS薏叫扣瓦NT叫2扣薏刚COS矛245哈尔滨工程大学硕十学位论文K71IN号AK1H_S1IN秀叫H扣秀讪坂矛P46，观察式子242禾T1246、243禾11245可以得出图29的基本原理和图28基本一样，只是两个框图的所乘以的载波不同，这两种载波都是由各自的载波同步电路提供【201。图29频率相干解调法框图II232MSK信号正交差分解调法MSK信号止父差分解侗法是利I筒华调利茬分肼调捌绍合向广L网一柙解调方法，其具体框图如图210所示。由图210可以得到YICOS咿薏鲰训COS啡，扣2叫豸Q训_C1OS若鲰训247经过低通滤波器滤掉高频分量得誓扣丢Q训248同理也可以得到E寺I呸吼训249哈尔滨T程大学硕士学位论文饩为MSK信号的起始相位，一般从00开始，所以式子248FFI249变为X扣若Q25。E2扣秀吼251I和E经过延时瓦分别得到巧2J1C。S丢啪2_52E2扣寺啪椰253最后两路信号分别和另一路延时信号相乘后相减，M2石1SIN专哪一硼COS薏Q一百1C。S秀啪一驯SIN薏吼2扣轰吼吨椰L2“4AK254从上式子我们可以清楚的看出经过以上的运算可以得到原始的调制信息序列，但是这种解调方法对位同步电路要求非常严格，如果位同步不准确，将直接影响解调的误码率【。图210MSK信号正交差分解调法框图20哈尔滨工程大学硕士学位论文233软件无线电方式的MSK信号解调随着计算机技术和软件无线电技术的发展，用软件无线电的硬件平台也可以对MSK信号进行解调。它的基本解调原理是将模拟的MSK信号先经过摸数转换器转成数字信号，接着进行数字下边频，数字滤波，然后再将两路的数字信号送入DSP进行解调运算，总终输出原始的信息序列。其具体方案框图如图211所示在图210中摸数转换器精度和采样率都很高，在具体硬件电路中模数转换器的精度应该在14位以上、采样率应该是MSK信号载频的5倍以上。数字混频器、数字压控振荡器、FIR滤波器可用DSP器件实现。具体电路可以选择TI公司54X系列或者64X系列的DSP器件实现。后面的解调算法也可以用DSP器件实现，其基本解调原理如下所述。采样后的MSK信号表达式为咖艺4C。SI婢斋AM，Z以|255朋一LLJJJ式中，Z为码元持续时间；A。为输入码元，且AM一1，L。L。A少三三1256。M1M小M1聊万艺彻M一聊一LXM是为保证相位连续而加入的相位常数，一般为0。对MSK信号进行正交分解，得到同相分量和正交分量；同相分量墨加墨4咖训COS寺“以257正交分量，Z量49刀一朋SIN寺力L258按照式子259可以计算出信号的瞬时频率2L哈尔滨T程大学硕士学位论文胁如H”驴叫筹卜增。X拍ON叫1羔私以259图211软件无线电方式的MSK解调框图原始信息一一IT,在计算瞬时频率FN后，对FN抽样判决，即可恢复出原始的调制信息【Z引。图212MSK信号的各种解调算法误码率曲线丌11JLJJJ，JJJ叫1，T兀J，、DJJ1，1I寸率_IJ竹一一一三IL一L二一一三FL二一一三IL二一一一一一一J二一一一E二|L兰I一LI一Q三三二一一一三一一三二一一三二一一三一一一一，一一一一二一一一三一一三一一三【L一一三二一一二一一一一F士LLI王IT丁T幸I工十L士卜一TI_一三I|十TRTI工L上9LI_L一一一一II一一、一一一一三一唯一11一一一II|T一、一LL一一一三一_一一一一IJ、一一L一一一，_I二一一三二一一一一一_|一一一一一P一一三一一“，蠹一三一一一L，3一三一一、一、三二萃蔓土垒苇三、三一一三ILF矗一三二哈尔滨工程大学硕十学位论文在详细研究了上述几种MSK信号解调方案后，我们用MTALAB软件在假设完全同步的条件下，对各个解调框图进行了仿真，仿真后的误码率曲线如图212所示。仿真中信号的载波为20KHZ，信息速率为80BTIS。从仿真得到得误码率曲线看，MSK采用相干解调时，频率相干解调和相位相干解调的误码率基本一样。采用正交差分解调时误码率要比上两种方法性能差一些，但还是要比软件无线电方式的解调方法稍好一些【23彩】。234MSK信号的非相干解调除以上介绍的几种解调算法外，MSK信号还可以采用非相干解调的方法进行解调，其具体框图如213所示。MSK信号的调制指数较小，两个载频之间相差不大，将其看作2FSK采用一般鉴频器的方式进行解调，误码率性能不好，性能相对相干解调要差4DB左右。因此，对误码率要求比较苛刻时大多采用相干解调方式【261。图213MSK信号的非相干解调法框图除本论文介绍的解调方法外MSK还有很多解调方法，比如把MSK看成是正交的2FSK，用2FSK方法进行相干解调，性能与最佳接收时相比要下降3DB。把MSK看成是正交的2FSK时，采用鉴频器的方法进行非相干解调，但其误码性能与正交2FSK相干解调时相比还要下降约36DBL27L。24本章小结本章系统的概述了MSK信号的基本原理，详细研究了MSK信号频谱，并得出了几个结论。在了解了MSK信号基本原理的基础上深入的研究了MSK信号调制、解调原理和实现方法，并以图表的方式分析了各种调制、解调方法的性能。哈尔滨工程大学硕士学位论文第3章MSK调制解调器的硬件实现在现代通信中，随着大容量远距离数字通信技术的发展，通信中也出现了些新的问题。这些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己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。目前在现有通信系统中得到广泛应用的有正交相移键控QPSK、J下交调幅QAM、最小移频键控MSK、高斯最小移频键控GMSK等方式。这些调制技术的研究，主要考虑的是节省频率资源和高效率的利用频带。在这些调制方式中MSK是最好的一种调制方式，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传输较高的信息速率。31MSK调制电路的硬件实现方法MSK信号的一般表达式地FCOSCOT皖，】COSOKTCOSCO,TSINOKTSIN啡F31因为OK垆象F仇32将式子32代入式子31中可得纯为MSK信号的起始相位，一般从00开始24哈尔滨T程大学硕士学位论文啪COSS舞螂妒删S删N习咖QLKCOS薏COS旷QKSIN习SIN鳞，33上式即为MSK信号的正交表示形式。其同相分量为XJTCOS口OKCOS罟COSCOOT34ZS也称为1支路。其J下交分量为XQ，COSSIN罟SINCOCF35也称为Q支路，COSQRT2TS和SINTRT2TS称为加权函数。根据信号的流程我们可以按图23给出的MSK正交调制框图进行硬件设计，但是在实际硬件制作中这种方法实现的MSK调制器性能并不理想。首先，这种方法的乘法器太多，相乘时误差很大，实现准确相乘很难。其次，它需要两个振荡器，振荡器的频率不好控制。再次，从正弦到余弦需要做一个移相器，这个移相电路也难做，因此我们放弃正交调制的方法，改用数字频率直接合成的方法实现MSK调制。直接数字频率合成技术是一种新颖的频率合成技术。与正交调制相比，它的频率分辨率很高，频率变化几乎是瞬时的，不需要建立过程，并且很容易保证相位连续，更突出的是在基本的结构上稍加变化，就可直接生成FSK、PSK、FM等多种调制信号。由MSK信号的基本原理我们知道MSK信号满足以下三个特点1数据一1对应一个频率，数据1对应一个频率。2数据由1至LJL或者数据由L到1时信号的相位连续。3调制指数为O5。对于这三个特点，我们可以按图31所示的方法进行MSK调制器设计。在图31中，当外来的数字信息为L时，控制器对频率为F1正弦序列取值，并每取一个值做一次相位累加；当外来的数字信息为1时，控制器对频率哈尔滨T程大学硕士学何论文HI为F2正弦序列取值，并每取一个值做一次相位累加。对于第一个码元，信号的初相位按零度开始，以后的每个码元，信号的初始相位按前一个码元的末了相位计算。最后，再把得到的序列送给数模转化器，就可以得到MSK信号。对于频率为FL和F2的正弦序列可以用MTALAB软件编程得到，整个调制器也可以用一个FPGA芯片和一个数模转换器来实现，但是在FPGA内部存储正弦序列的点数很有限。如果要实现高精度和频率较高的MSK信号，就要选用大容量和高时钟频率的FPGA。因此，本课题选择的是专用的DDS芯片AD9854来实现的MSK调制，这个芯片内部集成了上述介绍的所有部件，它的内部具有12比特的数模转换器，和高分辨率的正余弦序列，完全可以满足MSK调制器的设计。图31数字频率合成方法产生MSK信号框图AD9854芯片工作原理是，利用一个较高频率的时钟，通过控制相位的累加来产生输出信号的数字化波形，其结构框图如图32所示。每个时钟周期内，存储在频率寄存器中的控制字都会和相位累加器中的数值累加一次，它的输出相位值会反映到正弦查找表中。查找表先将相位信息映射至对应的正弦波幅度上，然后再输出到数模转换器。为了输出一个特定的频率，哈尔滨T程大学硕士学位论文在频率寄存器中必须装入对应的相位增量。输出频率厂时，时钟CLK和相位增量够满足以下关系式，OUL每磐N35，一，Z其中，N是相位累加器的位数。虽然器件相位累加器的位数很多，但由于查找表的存储容量限制，只有一部分最高有效位的数值输入到正弦查找表，这个过程称为相位截断。较低有效位的舍去会造成相位信息的丢失并导致误差，不过误差对输出的影响很小。在正弦表查找过程中会出现幅度量化，固定位数的相位信息被转换为对应的正弦幅度。由于大多数的正弦值都是无限不循环小数，需要无穷位二进制效来表示，所以输出幅度必须被截断。通常截取为12比特，这与典型高速数模转化器的分辨率相吻合。量化的正弦波通过数模转换器转换为模拟的波形。图32AD9854芯片基本原理在MSK调制器的硬件设计上，是按图33所示的框图进行设计的。在图33中，主芯片选择的是美国ADI公司的AD9854TZ91芯片，这个芯片是一款非常好的DDS芯片，它的最高时钟频率可达300MHZ，支持PSK、FSK等多种调制方式；芯片的内部还集成了12比特的模数转换器；芯片的并行总线完全与标准工业微控制器相兼容。从AD9854所具备的资源和功能来看，用于它制作MSK信号调制器是完全可行的。MSK是FSK的一个特例，所以需要将AD9854设置为FSKT作模式，在该模式下正确的写入控制字给频率控制寄存器I和II。在设置好工作模式和频率后，用对应的基带信号控JFSK频率27哈尔滨工程大学硕十学位论文切换管脚。根据DDS的特性在切换频率时相位变化是瞬时的，新的输出频率相位累加点是前一频率相位累加点的终点，所以输出信号在频率切换处的相位是连续的。最后再把调制指数调到O5就可以在输出端得到MSK信号30331。图33中的控制器可以选用一般的8位工业控制器，在本课题中控制器选择的是AT89LV52单片机。在AD9854内部已经隐含了一个差分编码，如果不需要这个差分编码可以在外面增加一个预差分。对采用表达式21方式的MSK信号就可以不加预差分实现预差分可以在EPM7032中进行，如果不需要预差分这个芯片可以省略。后面的OP467是一个高速运放，以它为核心设计一个带通滤波器，来滤掉AD9854芯片输出信号的谐波。数模转化器输出的主要成分应该是正弦波，但由于采样波形转换，输出的信号中还会包含许多较高的谐波分量，所以需要恰当的选择时钟频率，并且用滤波器来滤掉这些高次谐波分量。滤波器的通带通常应小于或等于采样频率的一半【28L。在MSK调制器的硬件电路搭建完成后，按图34所示的程序框图进行编程，编程语言采用C语言，具体硬件实物见附录A。图33MSK调制器硬件框图哈尔滨工程大学硕士学位论文I开始II丫AD9854初始化上设置调制模式上设置频率控制字和相位控制字JRL结束I图34MSK调制器程序框图32MSK解调电路的硬件实现方法通过对MSK解调原理的深入研究，对各种解调方案性能的比较我们知道，要制作一个低误码率的MSK解调器，必须采用相干解调或者正交差分解调的方法。于是我们采用图28所示的方案进行实际MSK信号解调电路设计。在图28中我们详细的讨论了各个节点的数学表达式，根据这些表达式我们研究出具体MSK硬件电路解调框图如图35所示【34刁71，在图中控制器和两个DDS芯片主要完成的是载波同步电路，控制器我们选择的是FPGA芯片EPFL0K20。位同步和帧同步电路主要芯片是EPFL0K20和TMS320VC5416。29图35MSK信号解调器的硬件电路框图接收到得MSK信号首先要经过一个带通滤波器滤掉带外噪声，带通滤波器的带宽理论上应该等于MSK调制器的信息速率，但在实际制作时滤波器带宽一般都略大于MSK调制器的信息速率小于或者等于MSK调制器信息速率时容易造成码间干扰。321滤波器的设计在实际的电子系统中，外来的干扰信号多种多样，应当设法将其滤除或衰减到足够小的程度。滤波电路是一种能使有用频率信号通过，同时抑制无用频率信号的电路。在工程上，常用它来进行信号处理，数据传送或抑制干扰等。滤波器主要采用无源器件R、L和C组成，目前一般用集成运放、R、C组成，常称为有源滤波器。在实际的通信系统中滤波电路应用最多的是二阶有源滤波电路，最简单的二阶低通滤波电路如图36所示。30哈尔滨T程大学硕七学位论文CJFJFGNDGND图36二阶低通有源滤波电路这种滤波器是在普通的二阶滤波电路的基础上改进得到，冥中C1由晋通的接地改接在运放的输出端，形成正反馈。但是这种接法容易形成自激振荡，应选择合适的参数设计滤波器。这种改进后的滤波器在频率截止点附近幅频特性会更加陡峭。从图35的滤波电路可以看出通带电压放大倍数_1鲁36还可以根据各点的电压关系得叭D2玄瞰D37US2鬲1面S38半一M旷啪C一半O39由式子37、38、39得，舶器13JAW,SLCRSCR23102瓷2一P11旷志P92瓦13_13肛，314由上式可以看出Q值不同，F4；，值也不同，Q值愈大，I各愈大。而Q值的大J只决定于的大小。当2L，14；厂，在LLLLJ1五时A队，只有的三分之一。这说明那个接在运放输出的端的电容小V以OH瑶B151一2_去32哈尔滨工程人学硕十学位论文根据对频率范围的选择不同，滤波器可分为低通LPF