基于FPGA 的MSK 調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘要：提出了一種基于FPGA 的數(shù)字MSK 調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)方法，應(yīng)用VHDL 語言進(jìn)行了模塊設(shè)計(jì)和時(shí)序仿真。硬件部分在Altera 公司 EP2C15AF256C8N FPGA 上實(shí)現(xiàn)。結(jié)果表明，數(shù)字MSK調(diào)制解調(diào)器具有相位連續(xù)，頻帶利用率高的優(yōu)點(diǎn)。

數(shù)字調(diào)制解調(diào)器在點(diǎn)對點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸中得到了廣泛的應(yīng)用。通常的二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制解調(diào)器是建立在模擬載波上的，在電路實(shí)現(xiàn)時(shí)需要模擬信號源，這會給全數(shù)字應(yīng)用場合帶來不方便。本文分析了MSK（最小頻移鍵控）數(shù)字調(diào)制信號特征，提出一種全數(shù)字固定數(shù)據(jù)速率MSK調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計(jì)方法，應(yīng)用VHDL 語言進(jìn)行了模塊設(shè)計(jì)和時(shí)序仿真。硬件部分在Altera公司 EP2C15AF256C8N FPGA 上實(shí)現(xiàn)了MSK 數(shù)字調(diào)制解調(diào)器，并在常州市科技攻關(guān)項(xiàng)目：糧庫儲糧安全網(wǎng)絡(luò)智能監(jiān)測系統(tǒng)的嵌入式測控部分應(yīng)用。實(shí)測表明，數(shù)字MSK 調(diào)制解調(diào)器具有包絡(luò)恒定，相位連續(xù)，頻帶利用率高的優(yōu)點(diǎn)。并且在FPGA 上實(shí)現(xiàn)時(shí)設(shè)計(jì)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(diào)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(jìn)制連續(xù)相位FSK 的一種特殊形式。有時(shí)也稱為快速頻移鍵控(FFSK)。MSK 調(diào)制方式能以最小的調(diào)制指數(shù)(0.5)獲得正交信號， 同時(shí)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(diào)制必須同時(shí)滿足調(diào)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(diào)制指數(shù)為0.5，MSK 信號的兩個(gè)頻率應(yīng)分別為：

對于固定數(shù)據(jù)速率的數(shù)字MSK 調(diào)制，應(yīng)用上式可以計(jì)算出對應(yīng)“0”、“1”信號的載波頻率。系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)算可得f0=6000Hz，f1=4800Hz，調(diào)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(guān)系。MSK 信號在第k 個(gè)碼元的相位常數(shù)不僅與當(dāng)前碼元的取值有關(guān)，而且還與前一個(gè)碼元的取值及相位常數(shù)有關(guān)。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(dāng)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(diào)制解調(diào)器FPGA 模塊實(shí)現(xiàn)

用FPGA 實(shí)現(xiàn)的MSK 調(diào)制器模塊如圖1 所示。

圖中預(yù)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(shè)計(jì)與調(diào)整，預(yù)分頻器設(shè)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(yīng)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(shè)置必須滿足調(diào)制指數(shù)0.5 的條件。輸入調(diào)制信號數(shù)字序列控制2 選1 多路選擇器，選出對應(yīng)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(shí)，每個(gè)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(gè)載波相位。在相位檢測模塊中，碼長分頻器作為1bit 延時(shí)的時(shí)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(jié)束時(shí)的相位Q-1，其結(jié)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(dāng)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(diào)信號。數(shù)字MSK 信號的FPGA 解調(diào)模塊如圖2 所示。

數(shù)字MSK 信號的解調(diào)是由碼元同步和碼序列檢測二部分實(shí)現(xiàn)的。預(yù)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(shí)與輸入信號比較，并由同步碼長計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)長度等于碼元長度時(shí)輸出同步信號。進(jìn)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(jìn)行檢測并輸出解調(diào)數(shù)字序列。解調(diào)模塊中的預(yù)分頻器和“1”碼分頻器和在半雙工通信方式中可與調(diào)制模塊合用以減少目標(biāo)器件片上資源的占用。

MSK 調(diào)制/解調(diào)器的FPGA 模塊中，計(jì)數(shù)器、分頻器和多路選擇器用VHDL 程序可以簡單實(shí)現(xiàn)，碼元序列檢測器的部分VHDL 結(jié)構(gòu)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(diào)制/解調(diào)器模塊在Altera 公司FPGA：EP2C15AF256C8N 上實(shí)現(xiàn)。EP2C15 是Altera 公司基于90nm 工藝的第二代Cyclone 器件（CycloneⅡ），片內(nèi)集成14，448 邏輯單元（LE），240Kb 嵌入式RAM 塊，26 個(gè)18×18 乘法器，4 個(gè)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(lǐng)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(diào)制/接解調(diào)器的時(shí)序仿真結(jié)果。

由圖中可見，數(shù)字基帶調(diào)制信號MODDATA 經(jīng)過MSK 調(diào)制器被調(diào)制到高頻數(shù)字載波上，形成MSK 已調(diào)信號MSKMOD，其中“0”碼為2.5 個(gè)載波周期，“1”碼為2 個(gè)載波周期，調(diào)制指數(shù)為0.5，同時(shí)載波相位連續(xù)。MSKDEMOD 為接收端MSK 解調(diào)后的信號，除了傳輸時(shí)延，解調(diào)信號完全恢復(fù)了發(fā)送端數(shù)字基帶調(diào)制信號。

3 結(jié)論

MSK 調(diào)制具有載波相位連續(xù)，頻帶利用率高的優(yōu)點(diǎn)，在通常的應(yīng)用中需要專用集成電路構(gòu)成調(diào)制/解調(diào)電路?；谟布枋稣Z言用FPGA 實(shí)現(xiàn)MSK 調(diào)制/解調(diào)器，可充分利用FPGA片內(nèi)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(jì)性和可靠性，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。本文作者創(chuàng)新點(diǎn)在于提出了一種保證調(diào)制指數(shù)為0.5 同時(shí)載波相位連續(xù)的數(shù)字MSK 信號的設(shè)計(jì)方法，用VHDL 語言設(shè)計(jì)了調(diào)制/解調(diào)模塊并在FPGA 器件上實(shí)現(xiàn)。

[1].D1 datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/D1+_2060593.html.
[2].1bit datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/1bit+_2178090.html.
[3].EP2C15AF256C8N datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/EP2C15AF256C8N+_2527947.html.