張文鐸

（北京圣非凡電子系統(tǒng)技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司 北京 100044）

1 引言

1992年提出的軟件無(wú)線電概念，經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展，已不僅僅應(yīng)用在軍事通信上，而是進(jìn)入到民用通信，雷達(dá)，電子戰(zhàn)、工程，甚至電視廣播等各個(gè)領(lǐng)域。軟件無(wú)線電的核心思想，是對(duì)從天線上感應(yīng)到的射頻模擬信號(hào)直接數(shù)字化，并將其轉(zhuǎn)換成適合于處理的數(shù)據(jù)流，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件算法來(lái)完成各種功能，因此具有出色的可擴(kuò)展性和對(duì)應(yīng)用環(huán)境的超強(qiáng)適應(yīng)性。與軟件無(wú)線電同時(shí)迅速發(fā)展的還有可并行運(yùn)算的邏輯芯片F(xiàn)PGA，其靈活的動(dòng)態(tài)重新配置和較強(qiáng)的實(shí)時(shí)信號(hào)處理功能的迅速發(fā)展為軟件無(wú)線電的思想提供了支撐。通過(guò)動(dòng)態(tài)重新配置FPGA，我們可以建立信號(hào)解調(diào)的多種算法構(gòu)架。來(lái)完成不同調(diào)制方式的功能，符合軟件無(wú)線電的想法。因此本設(shè)計(jì)中使用Altera的FPGA完成了MSK數(shù)字調(diào)制解調(diào)和其他復(fù)雜算法。該芯片有多個(gè)系列，片上LVDS總線最高速率可以到達(dá)1.25Gbps，該芯片集成有106500LE，896個(gè)18×18乘法器，16個(gè)全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)，88個(gè)等級(jí)LVDS通道，完全可以滿足對(duì)各種中頻信號(hào)的實(shí)時(shí)處理。MSK即為最小頻移健鍵控，是低頻通信中比較常見(jiàn)的一種調(diào)制方式，也稱作快速頻移鍵控（FFSK）。由于其具有連續(xù)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(diǎn)，同時(shí)又由于包絡(luò)恒定，允許用非線性幅度飽和器件放大，降低了對(duì)信道線性度的要求，因此MSK調(diào)制廣泛應(yīng)用于無(wú)線移動(dòng)通信的數(shù)據(jù)傳輸。本文所進(jìn)行解調(diào)的信號(hào)選擇MSK。具有一定的代表性，解調(diào)思想同樣可以應(yīng)用到其他解調(diào)方式中。

2 MSK解調(diào)原理

在MSK信號(hào)的解調(diào)過(guò)程中常采用相干解調(diào)，即輸入一路和載頻信號(hào)相干的參考信號(hào)和載頻相乘，再通過(guò)濾波器將高頻信號(hào)濾除，得到原始信號(hào)的方法。在實(shí)際中也是相干解調(diào)的效果優(yōu)于非相干解調(diào)［1］。具體的解調(diào)原理推導(dǎo)如下：

調(diào)制后的MSK信號(hào)可表示為式（1）的形式。

接收信號(hào)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(hào)：

此時(shí)的信號(hào)相當(dāng)于調(diào)制端經(jīng)過(guò)加權(quán)后的信號(hào)。差分解調(diào)方案如圖1所示。

此信號(hào)分成兩路，一路不處理，另一路信號(hào)先經(jīng)過(guò)延時(shí)Tb。經(jīng)過(guò)延時(shí)后的信號(hào)可以表示為

然后兩路信號(hào)相乘得

至此通過(guò)式（7）對(duì)虛部進(jìn)行判決即可進(jìn)行0碼和1碼的判斷，將調(diào)制信息進(jìn)行還原，完成整個(gè)解調(diào)過(guò)程。

3 改進(jìn)型MSK解調(diào)原理

本文根據(jù)軟件無(wú)線電相關(guān)思想進(jìn)行解調(diào)算法改進(jìn)，軟件無(wú)線電幾乎所有功能都是用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，改進(jìn)的解調(diào)解調(diào)算法也采用數(shù)字相干解調(diào)的方法。在移動(dòng)通信過(guò)程中，接收到的信號(hào)會(huì)嚴(yán)重的衰落，提取的載波質(zhì)量達(dá)不到要求，尤其是在多普勒效應(yīng)等引起的頻偏環(huán)境下會(huì)更差，正交解調(diào)法可以在不同程度上克服這些弱點(diǎn)，因此，本文的解調(diào)方法依然采用正交解調(diào)法。雖然調(diào)制的樣式有很多不同，但所有調(diào)制都是用調(diào)制信號(hào)去控制載波的某一個(gè)參數(shù)，使這個(gè)參數(shù)按照調(diào)制信號(hào)的規(guī)律隨之變化。以正弦型信號(hào)作為載波的調(diào)制稱為連續(xù)波調(diào)制［2］，對(duì)于連續(xù)波調(diào)制，已調(diào)信號(hào)的數(shù)字表達(dá)式為

這就是同相和正交兩個(gè)分量，其中幅值可以表示為

利用相位差分計(jì)算瞬時(shí)頻率，即 f(n)=φ(n)-φ(n-1)時(shí)，要進(jìn)行除法和反正切運(yùn)算，這對(duì)于數(shù)字芯片來(lái)說(shuō)是較復(fù)雜的，可用微分的思想方法來(lái)計(jì)算瞬時(shí)頻率 f(n)：

至此只用乘減運(yùn)算即可計(jì)算出 f(n)，計(jì)算比較簡(jiǎn)便。在計(jì)算出瞬時(shí)頻率后 f(n)，對(duì) f(n)抽樣判決，既可恢復(fù)出碼元。

4 驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)

驗(yàn)證通信系統(tǒng)分為發(fā)送端和接收端，發(fā)送端進(jìn)行碼元發(fā)送，接收端進(jìn)行接收。簡(jiǎn)易通信系統(tǒng)的組成如圖2。

發(fā)送端在硬件電路的設(shè)計(jì)上采用控制芯片F(xiàn)PGA、數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DA和濾波器和E型磁芯進(jìn)行完成。FPGA生成MSK調(diào)制信號(hào)數(shù)據(jù)流，通過(guò)DA轉(zhuǎn)化成模擬信號(hào)，再通過(guò)濾波器進(jìn)行濾波，之后在E型磁芯上形成向外輻射的磁場(chǎng)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行發(fā)送。FPGA采用CYCLONEIV系列，型號(hào)為EP4CE15F17C8，封裝為表貼256-LBGA，核電壓1.25V。速度級(jí)別為8，邏輯門數(shù)為15408個(gè)，存儲(chǔ)空間為516096位。內(nèi)置4個(gè)鎖相環(huán)，具有260個(gè)9×9位的乘法器，200個(gè)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(guò)1.5W，比較適合通信行業(yè)的小型應(yīng)用中。D/A采用AD公司的AD9708，AD9708為8位、125MSPSD/A轉(zhuǎn)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(nèi)外都有平穩(wěn)的頻繁特性，具有較好的濾波效果。E型磁芯則采用PC40材質(zhì)的EE65型磁芯。

接收端同樣采用FPGA芯片作為解調(diào)的核心，通過(guò)AD對(duì)E型磁芯上通過(guò)磁力線接收MSK調(diào)制信號(hào)進(jìn)行采樣，再經(jīng)過(guò)衰減電路進(jìn)行衰減，衰減為合適的電壓幅度，將采樣點(diǎn)送入FPGA進(jìn)行解調(diào)。FPGA采用與發(fā)送端相同的型號(hào)的EP4CE15F17C8作為解調(diào)算法的平臺(tái)。AD芯片采用AD9280，最大采樣率為32MSPS的8位高速采樣芯片。

5 實(shí)驗(yàn)及波形

簡(jiǎn)易系統(tǒng)發(fā)送不同載波頻率的MSK調(diào)制波，發(fā)送方式為間歇性發(fā)送。接收端對(duì)MSK信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，發(fā)送端和接收端的E型磁鐵相距3cm。發(fā)送原始信息為8位數(shù)字，將8位數(shù)字分別轉(zhuǎn)化成4位0或1二進(jìn)制碼，一共32位二進(jìn)制碼進(jìn)行發(fā)送?；鶐俾士蓮膹?0Hz變化至75Hz。當(dāng)載波頻率達(dá)到最低的16K左右時(shí)，波形失真較嚴(yán)重，但依然可將波形解調(diào)，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(qū)間內(nèi)，均能正確還原數(shù)字信息，可以達(dá)到較好的傳輸效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果截圖如圖3～6。

6 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)MSK信號(hào)0碼和1碼波形正交的特點(diǎn)，提出一種基于于軟件無(wú)線電的MSK信號(hào)數(shù)字化解調(diào)方法。該方法通過(guò)對(duì)每個(gè)碼元周期內(nèi)的采樣值，針對(duì)1碼和0碼的載波頻率進(jìn)行運(yùn)算，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的頻率信息，從而判斷恢復(fù)出數(shù)字基帶信號(hào)。簡(jiǎn)化了解調(diào)過(guò)程，減少了解調(diào)過(guò)程中的計(jì)算量，同時(shí)大幅度減少了外圍硬件，省去了本振和濾波器等環(huán)節(jié)，減少了模擬電路被干擾的可能。且結(jié)果表明該方法的抗干擾性能比傳統(tǒng)相干解調(diào)方法有明顯改進(jìn)。