摘要：提出了一種基于FPGA 的數(shù)字MSK 調制解調器設計方法，應用VHDL 語言進行了模塊設計和時序仿真。硬件部分在Altera 公司 EP2C15AF256C8N FPGA 上實現(xiàn)。結果表明，數(shù)字MSK調制解調器具有相位連續(xù)，頻帶利用率高的優(yōu)點。
數(shù)字調制解調器在點對點的數(shù)據(jù)傳輸中得到了廣泛的應用。通常的二進制數(shù)字調制解調器是建立在模擬載波上的，在電路實現(xiàn)時需要模擬信號源，這會給全數(shù)字應用場合帶來不方便。本文分析了MSK（最小頻移鍵控）數(shù)字調制信號特征，提出一種全數(shù)字固定數(shù)據(jù)速率MSK調制解調器的設計方法，應用VHDL 語言進行了模塊設計和時序仿真。硬件部分在Altera公司 EP2C15AF256C8N FPGA 上實現(xiàn)了MSK 數(shù)字調制解調器，并在常州市科技攻關項目：糧庫儲糧安全網(wǎng)絡智能監(jiān)測系統(tǒng)的嵌入式測控部分應用。實測表明，數(shù)字MSK 調制解調器具有包絡恒定，相位連續(xù)，頻帶利用率高的優(yōu)點。并且在FPGA 上實現(xiàn)時設計效率高，可與其他模塊共用片上資源，對于全數(shù)字系統(tǒng)中的短距離數(shù)據(jù)通信是較好的解決方案。
1 數(shù)字MSK 調制的載波頻率與相位常數(shù)
最小頻移鍵控MSK ( Minimum Frequency Shift Keying ) 是二進制連續(xù)相位FSK 的一種特殊形式。有時也稱為快速頻移鍵控(FFSK)。MSK 調制方式能以最小的調制指數(shù)(0.5)獲得正交信號， 同時MSK 比2PSK 的數(shù)據(jù)傳輸速率高，且在帶外的頻譜分量要比2PSK 衰減更快。
MSK 調制必須同時滿足調制指數(shù)0.5 和相位連續(xù)條件，由MSK 信號表示可知，為了使調制指數(shù)為0.5，MSK 信號的兩個頻率應分別為：
對于固定數(shù)據(jù)速率的數(shù)字MSK 調制，應用上式可以計算出對應“0”、“1”信號的載波頻率。系統(tǒng)設計傳輸數(shù)據(jù)速率R =2400bps，選擇波形系數(shù)n = 9，中心載頻fc=5400Hz，計算可得f0=6000Hz，f1=4800Hz，調制指數(shù)h = R / (f0-f1) =0.5。
MSK 信號的相位連續(xù)是由對相位常數(shù)φk的選擇保證的。若取初始相位為零，則φk = 0 或±π k = 0，1，2，…
上式反映了MSK 信號前后碼元區(qū)間的約束關系。MSK 信號在第k 個碼元的相位常數(shù)不僅與當前碼元的取值有關，而且還與前一個碼元的取值及相位常數(shù)有關。在數(shù)字載波的情況下，上述條件等同于根據(jù)前*元的相位，選擇當前碼元的相位是同相或反相，以保證數(shù)字MSK信號的相位連續(xù)。
2 數(shù)字MSK 調制解調器FPGA 模塊實現(xiàn)
用FPGA 實現(xiàn)的MSK 調制器模塊如圖1 所示。
圖中預分頻器和“0”、“1”碼分頻器組成載波發(fā)生器，在輸入碼序列同步信號的控制下分別產(chǎn)生“0”碼和“1”碼的數(shù)字載波。為了方便設計與調整，預分頻器設置2 級分頻電路，分頻系數(shù)分別為D1 和D2，從分頻效率考慮，D1 和D2 的乘積應為總分頻系數(shù)的最大公共因子。
“0”碼和“1”碼分頻器的分頻系數(shù)C1、C2 的設置必須滿足調制指數(shù)0.5 的條件。輸入調制信號數(shù)字序列控制2 選1 多路選擇器，選出對應輸入碼流中“0”、“1”碼元的數(shù)字載波。
相位檢測模塊與第二級2 選1 多路選擇器、碼長分頻器和反相器組成連續(xù)相位形成電路。在前面確定“0”、“1”碼元的數(shù)字載波時，每個碼元的載波周期數(shù)也隨之確定， 其中“0”、“1”數(shù)字載波相位差固定為180°，因此可以簡單地用0、1 來表示2 個載波相位。在相位檢測模塊中，碼長分頻器作為1bit 延時的時鐘信號，輸入數(shù)字信號延遲*元信號D-1 與前次產(chǎn)生的2 選1 選擇器控制信號S 比較，得到前*元結束時的相位Q-1，其結果如表1 所示。
對于不同的前次相位Q-1 值，按照相位連續(xù)的原則，得到當前碼元的相位選擇S 值，控制2選1 多路選擇器輸出前后碼元載波相位連續(xù)的MSK 已調信號。數(shù)字MSK 信號的FPGA 解調模塊如圖2 所示。
數(shù)字MSK 信號的解調是由碼元同步和碼序列檢測二部分實現(xiàn)的。預分頻器、“1”碼分頻器和同步檢測模塊組成碼元同步電路，通過對輸入信號中的“1”碼檢測建立碼元同步。在同步檢測模塊中，“1”碼分頻器的同相和反相碼同時與輸入信號比較，并由同步碼長計數(shù)器計數(shù)，當計數(shù)長度等于碼元長度時輸出同步信號。進入碼元同步狀態(tài)后，在碼長分頻器輸出的碼元同步信號控制下，碼序列檢測器對輸入信號中的“1”碼（同相及反相碼）進行檢測并輸出解調數(shù)字序列。解調模塊中的預分頻器和“1”碼分頻器和在半雙工通信方式中可與調制模塊合用以減少目標器件片上資源的占用。
MSK 調制/解調器的FPGA 模塊中，計數(shù)器、分頻器和多路選擇器用VHDL 程序可以簡單實現(xiàn)，碼元序列檢測器的部分VHDL 結構描述如下：
architecture behav of codesdect is
signal m : integer range 0 to 3;
signal sdata : std_logic_vector(2 downto 0);
begin
cdata<= wavenum;
process(clk,clr)
begin
if clr='1' then m<=0;
elsif clk'event and clk='1' then
case m is
when 0 => if datain = cdata (2) then m<=1; else m <= 0 ; end if;
…
when 2 => if datain = cdata (0) then m<=3; else m <= 0 ; end if;
when thers => m <= 0;
end case;
end if;
end process;
process(m)
begin
if m=3 then outputt<='1';
else outputt<='0';
end if;
end process;
end behav;
數(shù)字MSK 調制/解調器模塊在Altera 公司FPGA：EP2C15AF256C8N 上實現(xiàn)。EP2C15 是Altera 公司基于90nm 工藝的第二代Cyclone 器件（CycloneⅡ），片內集成14，448 邏輯單元（LE），240Kb 嵌入式RAM 塊，26 個18×18 乘法器，4 個鎖相環(huán)（PLL），具有高速差分I/O能力，在音視頻多媒體、汽車電子、通信及工業(yè)控制領域等有廣泛的適用性，是一款高性能低成本器件。圖3 是MSK 調制/接解調器的時序仿真結果。
由圖中可見，數(shù)字基帶調制信號MODDATA 經(jīng)過MSK 調制器被調制到高頻數(shù)字載波上，形成MSK 已調信號MSKMOD，其中“0”碼為2.5 個載波周期，“1”碼為2 個載波周期，調制指數(shù)為0.5，同時載波相位連續(xù)。MSKDEMOD 為接收端MSK 解調后的信號，除了傳輸時延，解調信號完全恢復了發(fā)送端數(shù)字基帶調制信號。
3 結論
MSK 調制具有載波相位連續(xù)，頻帶利用率高的優(yōu)點，在通常的應用中需要專用集成電路構成調制/解調電路。基于硬件描述語言用FPGA 實現(xiàn)MSK 調制/解調器，可充分利用FPGA片內資源，使數(shù)據(jù)采集測量控制與傳輸集中于單一芯片，有利于提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性和可靠性，具有一定的應用價值。本文作者創(chuàng)新點在于提出了一種保證調制指數(shù)為0.5 同時載波相位連續(xù)的數(shù)字MSK 信號的設計方法，用VHDL 語言設計了調制/解調模塊并在FPGA 器件上實現(xiàn)。
參考文獻:
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[2].1bit datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/1bit+_2178090.html.
[3].EP2C15AF256C8N datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/EP2C15AF256C8N+_2527947.html.
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