通用通信信號(hào)發(fā)生器中的MSK設(shè)計(jì)

1 引言
    通信信號(hào)發(fā)生器是電磁環(huán)境仿真與模擬、通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，也是通信與通信對(duì)抗系統(tǒng)研究的基本要素。通信信號(hào)發(fā)生器通常是由硬件電路組合而成，存在硬件規(guī)模大、資金投入多、不易擴(kuò)展等缺點(diǎn)。而“軟件無(wú)線電”中，硬件電路提供基本的信號(hào)通路，無(wú)線電系統(tǒng)的收發(fā)功能可通過(guò)軟件編程設(shè)置實(shí)現(xiàn)，還可通過(guò)改動(dòng)部分的軟件和硬件電路擴(kuò)展系統(tǒng)功能。因此，借鑒“軟件無(wú)線電”的思想設(shè)計(jì)信號(hào)發(fā)生器是“通用性”的關(guān)鍵。在通信信號(hào)發(fā)生器中，基本硬件電路產(chǎn)生的最小頻移鍵控(Minimun Shift Keying，簡(jiǎn)稱MSK)信號(hào)，是產(chǎn)生后續(xù)高斯濾波最小移鍵控(Gaussiian Filtered MinimumShift Keying．簡(jiǎn)稱GMSK)等信號(hào)的基礎(chǔ)。因此，探討了基于正交調(diào)制法產(chǎn)生的MSK調(diào)制信號(hào)，可為通信信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生數(shù)字通信信號(hào)提供借鑒。

2 基于正交調(diào)制法產(chǎn)生的MSK信號(hào)
2．1 正交調(diào)制法原理
    理想情況下，運(yùn)用“軟件無(wú)線電”的思想，計(jì)算機(jī)運(yùn)算產(chǎn)生任意通信信號(hào)的采樣值，該采樣值通過(guò)D／A轉(zhuǎn)換后生成所需的任意調(diào)制通信信號(hào)。但是，通信信號(hào)帶寬較大時(shí)，直接產(chǎn)生射頻信號(hào)不僅需要大量數(shù)據(jù)，而且對(duì)硬件性能要求較高。由于大量數(shù)據(jù)是來(lái)自于載頻信號(hào)的采樣，而基帶信號(hào)的采樣數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于載頻信號(hào)采樣數(shù)據(jù)，通過(guò)軟件運(yùn)算將表征基帶信號(hào)的一些特征生成為采樣值，再通過(guò)D／A轉(zhuǎn)換與載頻信號(hào)結(jié)合產(chǎn)生所需的已調(diào)制的通信信號(hào)，避免大量數(shù)據(jù)處理。
    正交調(diào)制法是，對(duì)于任意調(diào)制的窄帶通信信號(hào)可表示為：

   
式中，幅度r(t)和相位θ(t)表征基帶信號(hào)特征。
    將式(1)展開可得：

   
    令I(lǐng)(t)=r(t)cosθ(t)，Q(t)=r(t)sinθ(t)，由式(2)看出，只要傳遞I(t)和Q(t)兩項(xiàng)函數(shù)，就能以較低數(shù)據(jù)傳輸速率傳遞基帶信號(hào)。I(t)和Q(t)兩項(xiàng)與載頻信號(hào)正交相乘生成任意調(diào)制信號(hào)。
2．2 MSK概述閉
    MSK是一種特殊的連續(xù)相位的頻移鍵控(Frequency—
Shift Keying，簡(jiǎn)稱FSK)，其最大頻移為比特率的1／4。即就是，MSK是調(diào)制系數(shù)為0．5的連續(xù)相位的FSK。MSK已調(diào)波在任一碼元內(nèi)發(fā)送的頻率由相鄰2個(gè)碼元共同決定。當(dāng)相鄰2個(gè)碼元數(shù)據(jù)相同時(shí)發(fā)送f1，當(dāng)2個(gè)碼元數(shù)據(jù)不同時(shí)發(fā)送f2，則：

   
式中，k為正整數(shù)，t0為碼元寬度。
    因此，MSK信號(hào)功率譜密度相對(duì)集中，頻帶利用率高；頻帶較寬，信道有效性高，在跳頻擴(kuò)頻通信中增加跳頻點(diǎn)；并具有恒包絡(luò)特性，經(jīng)過(guò)限幅后旁瓣電平仍然迅速滾降，適用于功率受限而非線性放大的應(yīng)用；MSK調(diào)制的誤碼率與數(shù)字系統(tǒng)中最佳的PSK調(diào)相近，具有高可靠性；解調(diào)和同步電路簡(jiǎn)單。基于上述特點(diǎn)，MSK可廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信系統(tǒng)。
2．3 通用通信信號(hào)發(fā)生器中MSK信號(hào)發(fā)生原理
    通用通信信號(hào)發(fā)生器利用正交調(diào)制法產(chǎn)生MSK調(diào)制信號(hào)，由式(2)可知，MSK信號(hào)采用正交調(diào)制方式：

   
式中，an和bn分別為輸入二進(jìn)制數(shù)據(jù)的奇、偶序列，Tb為數(shù)據(jù)比特持續(xù)時(shí)間，kTb≤t≤(k+1Tb)。
    由式(4)可知，MSK信號(hào)的相位具有連續(xù)調(diào)制特性。利用正交調(diào)制法產(chǎn)生MSK信號(hào)，其原理框圖如圖1所示。

3 通信信號(hào)發(fā)生器的MSK調(diào)制信號(hào)設(shè)計(jì)
    通用通信信號(hào)發(fā)生器中，借鑒了“軟件無(wú)線電”的設(shè)計(jì)思路，硬件電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)提供信號(hào)通路。信號(hào)發(fā)生器軟件系統(tǒng)包括信號(hào)源庫(kù)和調(diào)制樣式庫(kù)。該軟件系統(tǒng)與硬件控制相結(jié)合，通過(guò)信號(hào)源和調(diào)制樣式的不同組合、更改定義不同的調(diào)制參數(shù)的調(diào)制信號(hào)，產(chǎn)生真實(shí)調(diào)制信號(hào)。
    根據(jù)這一設(shè)計(jì)思想，MSK調(diào)制硬件設(shè)計(jì)與其他窄帶通信信號(hào)設(shè)計(jì)是通用的。圖2為中頻調(diào)制電路。圖2中，選用雙通道發(fā)送D／A轉(zhuǎn)換器AD9761和正交調(diào)制器件AD8346共同產(chǎn)生MSK調(diào)制信號(hào)。其中，AD976l是一款lO bit，40 MS／s的D／A轉(zhuǎn)換器，精度和速度可滿足產(chǎn)生一般窄帶通信信號(hào)的要求。而AD8346是一款高性能的硅半導(dǎo)體射頻器件，可以用于0．8～2．5 GHz的射頻正交調(diào)制。AD8346可調(diào)制的基帶信號(hào)帶寬為DC～70 MHz。并由單端2．7~5．5 V供電。靜態(tài)工作狀態(tài)下電流值為45 mA；休眠狀態(tài)下電流僅為1μA。因此，AD8346具有高精度，在1.9 GHz時(shí)，正交誤差l°rms，I／Q幅度平衡僅為0．2 dB。其具有的優(yōu)秀相位精度和幅度平衡特性可直接將信號(hào)調(diào)制到射頻。因此，利用AD9761和AD8346構(gòu)成了通用信號(hào)發(fā)生器的中頻調(diào)制的基本框架。
    由軟件定義MSK信號(hào)的調(diào)制參數(shù)Tb，通過(guò)運(yùn)算產(chǎn)生式(4)中的ancos(πt／2Tb)和bnsin(πt/2Tb)兩項(xiàng)作為基帶I、Q串行數(shù)據(jù)。AD976l在控制數(shù)據(jù)的作用下接收計(jì)算機(jī)生成的基帶I、Q串行數(shù)據(jù)，并在其內(nèi)部分離I、Q數(shù)據(jù)，經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換后分別產(chǎn)生I、Q的模擬信號(hào)。AD976l產(chǎn)生的I、Q的模擬信號(hào)經(jīng)由電阻和電容構(gòu)成的交流耦合電路后送入正交調(diào)制器AD8346，并與LOIP、LOIN饋送入的本振信號(hào)正交相乘，最后將正交相乘后的兩路信號(hào)合成為調(diào)制在本振頻率上的已調(diào)通信信號(hào)，從VOUT端輸出MSK信號(hào)。
    為了減少額外的輸入信號(hào)損失，直流偏置電路應(yīng)盡可能保證I通道和Q通道輸入信號(hào)彼此一致，圖2中，偏置電路的設(shè)置使每通道的偏置電壓約1.2 V。為此，使用243Ω電阻其精度為0．1％或更高。交流耦合和偏置電路可使AD8346從AD976l獲取2 V的峰一峰值的差分信號(hào)輸入，基本無(wú)電壓損失。

4 仿真驗(yàn)證
    為驗(yàn)證該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性，對(duì)通用通信信號(hào)發(fā)生器的MSK調(diào)制設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真。選用美國(guó)ELANIX公司的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真和分析的可視化設(shè)計(jì)環(huán)境SystemView軟件。該軟件是從系統(tǒng)級(jí)的高度為設(shè)計(jì)者提供良好的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和功能仿真的工具。
    根據(jù)MSK正交調(diào)制原理框圖，在SystemView上搭建MSK調(diào)制系統(tǒng)。通過(guò)設(shè)置系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間和軟件系統(tǒng)采樣率等仿真參數(shù)進(jìn)行仿真，其仿真結(jié)果如圖3、圖4所示。圖3是仿真驗(yàn)證中輸入的數(shù)字信號(hào)；圖4是輸入信號(hào)被MSK正交調(diào)制后的波形。

    由仿真結(jié)果可見，對(duì)應(yīng)圖3中的二進(jìn)制輸入信號(hào)，圖4中已調(diào)波在任一碼元內(nèi)發(fā)送的頻率由相鄰2個(gè)碼元共同決定。當(dāng)圖3中的相鄰2個(gè)碼元數(shù)據(jù)相同時(shí)，圖4中的仿真波形頻率為f1；當(dāng)圖3中2個(gè)碼元數(shù)據(jù)不同時(shí)，圖4中的仿真波形頻率f2，而且圖4中的波形體現(xiàn)連續(xù)相位的特性，符合MSK調(diào)制波形的特征。
    由此可見，調(diào)制仿真系統(tǒng)產(chǎn)生的信號(hào)符合MSK調(diào)制信號(hào)的特征要求，說(shuō)明MSK調(diào)制系統(tǒng)設(shè)計(jì)可行。在通用通信信號(hào)發(fā)生器中，可利用基本硬件設(shè)計(jì)產(chǎn)生MSK信號(hào)，擴(kuò)展信號(hào)的產(chǎn)生能力。

5 結(jié)語(yǔ)
    MSK調(diào)制是移動(dòng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)和電磁環(huán)境模擬的重要技術(shù)環(huán)節(jié)，對(duì)通用通信信號(hào)發(fā)生器中其他數(shù)字調(diào)制信號(hào)的生成具有重要意義。通用通信信號(hào)發(fā)生器的MSK調(diào)制的實(shí)現(xiàn)借鑒了“軟件無(wú)線電”的設(shè)計(jì)思想，整個(gè)系統(tǒng)避免大量硬件電路設(shè)計(jì)，為綜合運(yùn)用“軟件無(wú)線電”設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)提供借鑒。同時(shí)，這種以基本的硬件電路為基礎(chǔ)，而以軟件模塊的疊加和更改作為系統(tǒng)的核心是今后系統(tǒng)設(shè)計(jì)發(fā)展的方向。