基于軟件無線電思想的MSK解調(diào)算法?

張文鐸

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

1 引言

1992年提出的軟件無線電概念，經(jīng)過十多年的發(fā)展，已不僅僅應用在軍事通信上，而是進入到民用通信，雷達，電子戰(zhàn)、工程，甚至電視廣播等各個領(lǐng)域。軟件無線電的核心思想，是對從天線上感應到的射頻模擬信號直接數(shù)字化，并將其轉(zhuǎn)換成適合于處理的數(shù)據(jù)流，通過計算機軟件算法來完成各種功能，因此具有出色的可擴展性和對應用環(huán)境的超強適應性。與軟件無線電同時迅速發(fā)展的還有可并行運算的邏輯芯片F(xiàn)PGA，其靈活的動態(tài)重新配置和較強的實時信號處理功能的迅速發(fā)展為軟件無線電的思想提供了支撐。通過動態(tài)重新配置FPGA，我們可以建立信號解調(diào)的多種算法構(gòu)架。來完成不同調(diào)制方式的功能，符合軟件無線電的想法。因此本設(shè)計中使用Altera的FPGA完成了MSK數(shù)字調(diào)制解調(diào)和其他復雜算法。該芯片有多個系列，片上LVDS總線最高速率可以到達1.25Gbps，該芯片集成有106500LE，896個18×18乘法器，16個全局時鐘網(wǎng)絡(luò)，88個等級LVDS通道，完全可以滿足對各種中頻信號的實時處理。MSK即為最小頻移健鍵控，是低頻通信中比較常見的一種調(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，同時又由于包絡(luò)恒定，允許用非線性幅度飽和器件放大，降低了對信道線性度的要求，因此MSK調(diào)制廣泛應用于無線移動通信的數(shù)據(jù)傳輸。本文所進行解調(diào)的信號選擇MSK。具有一定的代表性，解調(diào)思想同樣可以應用到其他解調(diào)方式中。

2 MSK解調(diào)原理

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

調(diào)制后的MSK信號可表示為式（1）的形式。

接收信號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：

此時的信號相當于調(diào)制端經(jīng)過加權(quán)后的信號。差分解調(diào)方案如圖1所示。

此信號分成兩路，一路不處理，另一路信號先經(jīng)過延時Tb。經(jīng)過延時后的信號可以表示為

然后兩路信號相乘得

至此通過式（7）對虛部進行判決即可進行0碼和1碼的判斷，將調(diào)制信息進行還原，完成整個解調(diào)過程。

3 改進型MSK解調(diào)原理

本文根據(jù)軟件無線電相關(guān)思想進行解調(diào)算法改進，軟件無線電幾乎所有功能都是用軟件來實現(xiàn)，改進的解調(diào)解調(diào)算法也采用數(shù)字相干解調(diào)的方法。在移動通信過程中，接收到的信號會嚴重的衰落，提取的載波質(zhì)量達不到要求，尤其是在多普勒效應等引起的頻偏環(huán)境下會更差，正交解調(diào)法可以在不同程度上克服這些弱點，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)制信號去控制載波的某一個參數(shù)，使這個參數(shù)按照調(diào)制信號的規(guī)律隨之變化。以正弦型信號作為載波的調(diào)制稱為連續(xù)波調(diào)制［2］，對于連續(xù)波調(diào)制，已調(diào)信號的數(shù)字表達式為

這就是同相和正交兩個分量，其中幅值可以表示為

利用相位差分計算瞬時頻率，即 f(n)=φ(n)-φ(n-1)時，要進行除法和反正切運算，這對于數(shù)字芯片來說是較復雜的，可用微分的思想方法來計算瞬時頻率 f(n)：

至此只用乘減運算即可計算出 f(n)，計算比較簡便。在計算出瞬時頻率后 f(n)，對 f(n)抽樣判決，既可恢復出碼元。

4 驗證系統(tǒng)設(shè)計

驗證通信系統(tǒng)分為發(fā)送端和接收端，發(fā)送端進行碼元發(fā)送，接收端進行接收。簡易通信系統(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型磁芯進行完成。FPGA生成MSK調(diào)制信號數(shù)據(jù)流，通過DA轉(zhuǎn)化成模擬信號，再通過濾波器進行濾波，之后在E型磁芯上形成向外輻射的磁場，對信號進行發(fā)送。FPGA采用CYCLONEIV系列，型號為EP4CE15F17C8，封裝為表貼256-LBGA，核電壓1.25V。速度級別為8，邏輯門數(shù)為15408個，存儲空間為516096位。內(nèi)置4個鎖相環(huán)，具有260個9×9位的乘法器，200個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1.5W，比較適合通信行業(yè)的小型應用中。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AD對E型磁芯上通過磁力線接收MSK調(diào)制信號進行采樣，再經(jīng)過衰減電路進行衰減，衰減為合適的電壓幅度，將采樣點送入FPGA進行解調(diào)。FPGA采用與發(fā)送端相同的型號的EP4CE15F17C8作為解調(diào)算法的平臺。AD芯片采用AD9280，最大采樣率為32MSPS的8位高速采樣芯片。

5 實驗及波形

簡易系統(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MSK信號進行測量，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1二進制碼，一共32位二進制碼進行發(fā)送。基帶速率可從從50Hz變化至75Hz。當載波頻率達到最低的16K左右時，波形失真較嚴重，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，可以達到較好的傳輸效果。實驗結(jié)果截圖如圖3～6。

6 結(jié)語

根據(jù)MSK信號0碼和1碼波形正交的特點，提出一種基于于軟件無線電的MSK信號數(shù)字化解調(diào)方法。該方法通過對每個碼元周期內(nèi)的采樣值，針對1碼和0碼的載波頻率進行運算，計算出對應的頻率信息，從而判斷恢復出數(shù)字基帶信號。簡化了解調(diào)過程，減少了解調(diào)過程中的計算量，同時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。