通用通信信號發(fā)生器中的MSK設(shè)計

時間：2009-03-16 10:08:28

關(guān)鍵字：通信信號信號發(fā)生器 BSP MSK調(diào)制

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[導(dǎo)讀]通用通信信號發(fā)生器是通信系統(tǒng)設(shè)計、仿真和電磁環(huán)境模擬的重要要素。借鑒“軟件無線電”的設(shè)計思想，將硬件設(shè)計與電路軟件編程相結(jié)合，給出了MSK調(diào)制設(shè)計方案。其中，硬件設(shè)計電路產(chǎn)生的最小頻移鍵控MSK信號是后續(xù)GMSK等信號產(chǎn)生的基礎(chǔ)。介紹基于正交調(diào)制的MSK調(diào)制信號設(shè)計，并利用SystemView軟件進行仿真，從而為通用通信信號發(fā)生器的設(shè)計提供借鑒。

1 引言
通信信號發(fā)生器是電磁環(huán)境仿真與模擬、通信系統(tǒng)設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)，也是通信與通信對抗系統(tǒng)研究的基本要素。通信信號發(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、不易擴展等缺點。而“軟件無線電”中，硬件電路提供基本的信號通路，無線電系統(tǒng)的收發(fā)功能可通過軟件編程設(shè)置實現(xiàn)，還可通過改動部分的軟件和硬件電路擴展系統(tǒng)功能。因此，借鑒“軟件無線電”的思想設(shè)計信號發(fā)生器是“通用性”的關(guān)鍵。在通信信號發(fā)生器中，基本硬件電路產(chǎn)生的最小頻移鍵控(Minimun Shift Keying，簡稱MSK)信號，是產(chǎn)生后續(xù)高斯濾波最小移鍵控(Gaussiian Filtered MinimumShift Keying．簡稱GMSK)等信號的基礎(chǔ)。因此，探討了基于正交調(diào)制法產(chǎn)生的MSK調(diào)制信號，可為通信信號發(fā)生器產(chǎn)生數(shù)字通信信號提供借鑒。

2 基于正交調(diào)制法產(chǎn)生的MSK信號
2．1 正交調(diào)制法原理
理想情況下，運用“軟件無線電”的思想，計算機運算產(chǎn)生任意通信信號的采樣值，該采樣值通過D／A轉(zhuǎn)換后生成所需的任意調(diào)制通信信號。但是，通信信號帶寬較大時，直接產(chǎn)生射頻信號不僅需要大量數(shù)據(jù)，而且對硬件性能要求較高。由于大量數(shù)據(jù)是來自于載頻信號的采樣，而基帶信號的采樣數(shù)據(jù)遠遠小于載頻信號采樣數(shù)據(jù)，通過軟件運算將表征基帶信號的一些特征生成為采樣值，再通過D／A轉(zhuǎn)換與載頻信號結(jié)合產(chǎn)生所需的已調(diào)制的通信信號，避免大量數(shù)據(jù)處理。
正交調(diào)制法是，對于任意調(diào)制的窄帶通信信號可表示為：

式中，幅度r(t)和相位θ(t)表征基帶信號特征。
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)兩項函數(shù)，就能以較低數(shù)據(jù)傳輸速率傳遞基帶信號。I(t)和Q(t)兩項與載頻信號正交相乘生成任意調(diào)制信號。
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個碼元共同決定。當相鄰2個碼元數(shù)據(jù)相同時發(fā)送f1，當2個碼元數(shù)據(jù)不同時發(fā)送f2，則：

式中，k為正整數(shù)，t0為碼元寬度。
    因此，MSK信號功率譜密度相對集中，頻帶利用率高；頻帶較寬，信道有效性高，在跳頻擴頻通信中增加跳頻點；并具有恒包絡(luò)特性，經(jīng)過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)和同步電路簡單?；谏鲜鎏攸c，MSK可廣泛應(yīng)用于移動通信系統(tǒng)。
2．3 通用通信信號發(fā)生器中MSK信號發(fā)生原理
    通用通信信號發(fā)生器利用正交調(diào)制法產(chǎn)生MSK調(diào)制信號，由式(2)可知，MSK信號采用正交調(diào)制方式：

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

3 通信信號發(fā)生器的MSK調(diào)制信號設(shè)計
    通用通信信號發(fā)生器中，借鑒了“軟件無線電”的設(shè)計思路，硬件電路設(shè)計系統(tǒng)提供信號通路。信號發(fā)生器軟件系統(tǒng)包括信號源庫和調(diào)制樣式庫。該軟件系統(tǒng)與硬件控制相結(jié)合，通過信號源和調(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，產(chǎn)生真實調(diào)制信號。
    根據(jù)這一設(shè)計思想，MSK調(diào)制硬件設(shè)計與其他窄帶通信信號設(shè)計是通用的。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。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，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調(diào)制到射頻。因此，利用AD9761和AD8346構(gòu)成了通用信號發(fā)生器的中頻調(diào)制的基本框架。
    由軟件定義MSK信號的調(diào)制參數(shù)Tb，通過運算產(chǎn)生式(4)中的ancos(πt／2Tb)和bnsin(πt/2Tb)兩項作為基帶I、Q串行數(shù)據(jù)。AD976l在控制數(shù)據(jù)的作用下接收計算機生成的基帶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。AD976l產(chǎn)生的I、Q的模擬信號經(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饋送入的本振信號正交相乘，最后將正交相乘后的兩路信號合成為調(diào)制在本振頻率上的已調(diào)通信信號，從VOUT端輸出MSK信號。
    為了減少額外的輸入信號損失，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輸入，基本無電壓損失。

4 仿真驗證
為驗證該系統(tǒng)設(shè)計的合理性，對通用通信信號發(fā)生器的MSK調(diào)制設(shè)計進行仿真。選用美國ELANIX公司的動態(tài)系統(tǒng)設(shè)計、仿真和分析的可視化設(shè)計環(huán)境SystemView軟件。該軟件是從系統(tǒng)級的高度為設(shè)計者提供良好的計算機輔助設(shè)計和功能仿真的工具。
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)。通過設(shè)置系統(tǒng)的運行時間和軟件系統(tǒng)采樣率等仿真參數(shù)進行仿真，其仿真結(jié)果如圖3、圖4所示。圖3是仿真驗證中輸入的數(shù)字信號；圖4是輸入信號被MSK正交調(diào)制后的波形。

由仿真結(jié)果可見，對應(yīng)圖3中的二進制輸入信號，圖4中已調(diào)波在任一碼元內(nèi)發(fā)送的頻率由相鄰2個碼元共同決定。當圖3中的相鄰2個碼元數(shù)據(jù)相同時，圖4中的仿真波形頻率為f1；當圖3中2個碼元數(shù)據(jù)不同時，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)生的信號符合MSK調(diào)制信號的特征要求，說明MSK調(diào)制系統(tǒng)設(shè)計可行。在通用通信信號發(fā)生器中，可利用基本硬件設(shè)計產(chǎn)生MSK信號，擴展信號的產(chǎn)生能力。

5 結(jié)語
MSK調(diào)制是移動通信系統(tǒng)設(shè)計和電磁環(huán)境模擬的重要技術(shù)環(huán)節(jié)，對通用通信信號發(fā)生器中其他數(shù)字調(diào)制信號的生成具有重要意義。通用通信信號發(fā)生器的MSK調(diào)制的實現(xiàn)借鑒了“軟件無線電”的設(shè)計思想，整個系統(tǒng)避免大量硬件電路設(shè)計，為綜合運用“軟件無線電”設(shè)計思想設(shè)計提供借鑒。同時，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)計發(fā)展的方向。