基于DDS的抗碼間串?dāng)_濾波MSK調(diào)制器設(shè)計(jì)

劉　青

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司20所，西安 710068)

基于DDS的抗碼間串?dāng)_濾波MSK調(diào)制器設(shè)計(jì)

劉青

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司20所，西安 710068)

摘要：提出了一種基于直接數(shù)字合成(DDS)技術(shù)的抗碼間串?dāng)_濾波最小頻移鍵位(MSK)調(diào)制器的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方案。經(jīng)過(guò)仿真及實(shí)踐證明，此方案可以有效提高M(jìn)SK信號(hào)的頻帶利用率、消除因?yàn)V波帶來(lái)的碼間串?dāng)_，同時(shí)降低了硬件實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度并且提高了信號(hào)調(diào)制的精確度。

關(guān)鍵詞：最小頻移鍵位；成形濾波器；抗碼間干擾；直接數(shù)字合成

0引言

最小頻移鍵位(MSK)調(diào)制具有相位連續(xù)、包絡(luò)恒定、頻譜利用率高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代通信系統(tǒng)中。跳頻通信作為一種重要的抗干擾通信手段，在數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。而隨著跳頻技術(shù)向更高的跳頻速率和更窄的調(diào)制帶寬發(fā)展，MSK調(diào)制越來(lái)越難滿足高速跳頻技術(shù)對(duì)信號(hào)頻譜的要求[1]。

因此，頻帶利用率更高的調(diào)制技術(shù)也成為數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。高斯濾波MSK(GMSK)調(diào)制方式擁有更集中的功率譜密度和更小的臨道干擾，但是其具有碼間串?dāng)_的體制缺點(diǎn)對(duì)于連續(xù)波跳頻通信影響很大[2]。

本文設(shè)計(jì)了一種基于成形濾波的MSK調(diào)制器，可以有效提高M(jìn)SK信號(hào)的頻譜利用率，并且沒(méi)有碼間串?dāng)_。同時(shí)采用直接數(shù)字合成(DDS)技術(shù)實(shí)現(xiàn)濾波MSK信號(hào)調(diào)制，降低了硬件實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度并且提高了信號(hào)調(diào)制的穩(wěn)定度。

1MSK信號(hào)調(diào)制原理

MSK信號(hào)是一種相位連續(xù)、包絡(luò)恒定并且占用帶寬最小的二進(jìn)制正交二進(jìn)制頻移鍵控(2FSK)信號(hào)，MSK信號(hào)的第K個(gè)碼元可以表示為：

(1)

式中：wc=2πfc，為載波角載頻；ak=±1,為輸入碼元信息(當(dāng)輸入碼元為“1”，ak=+1；當(dāng)輸入碼元為“0”時(shí)，ak=-1)；Ts為碼元寬度；φk為第k個(gè)碼元的初始相位，它在第1個(gè)碼元寬度中是不變的，公式(1)可以改寫為：

(2)

根據(jù)MSK信號(hào)的基本原理，可知MSK信號(hào)滿足以下3個(gè)特點(diǎn):

(1) 當(dāng)ak=+1時(shí)對(duì)應(yīng)頻率f1，當(dāng)ak=-1時(shí)對(duì)應(yīng)頻率f0；

(2) 當(dāng)ak由-1到+1或者由+1到-1時(shí)，信號(hào)的相位連續(xù);

(3) 調(diào)制指數(shù)為0.5。

基于上述3個(gè)特點(diǎn)，可以按圖1所示的方法進(jìn)行MSK調(diào)制器設(shè)計(jì)[3]。

圖1　數(shù)字頻率合成法生成MSK信號(hào)原理框圖

在圖1中，當(dāng)ak為+1時(shí)，控制器對(duì)頻率為f0的正弦序列取值，并每取一個(gè)值做一次相位累加;當(dāng)外來(lái)的數(shù)字信息為-1時(shí)，控制器對(duì)頻率為f1的正弦序列取值，并每取一個(gè)值做一次相位累加。對(duì)于第1個(gè)碼元，信號(hào)的初相位按零度開始，以后的每個(gè)碼元，信號(hào)的初始相位按前一個(gè)碼元的末了相位計(jì)算。最后，再把得到的序列送給數(shù)/模轉(zhuǎn)化器，就可以得到MSK信號(hào)。

2成形濾波器設(shè)計(jì)

由于MSK信號(hào)頻譜并不能滿足高速跳頻通信對(duì)頻譜的要求，因此需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波成形，現(xiàn)在大多數(shù)采用Gauss濾波器。但對(duì)于連續(xù)脈沖跳頻通信工作方式，采用Gauss濾波器后，會(huì)使得連續(xù)脈沖之間出現(xiàn)碼間干擾，造成部分信息丟失。

因此本文設(shè)計(jì)了一種對(duì)輸入基帶碼元波形采用非線性濾波的方法進(jìn)行成形[4]，即用分段合成波形的方法來(lái)解決碼間干擾問(wèn)題。經(jīng)濾波后產(chǎn)生的波形由±se，±s04種波形合成，se，so定義如下(其中Ts為碼元寬度)：

(3)

se，so的波形如圖2所示。

圖2　se,so的圖形

(4)

(5)

(6)

(7)

式中:XI,n為當(dāng)前比特;XI,n-1為前一比特。

只需要根據(jù)輸入的前后碼元關(guān)系來(lái)確定下一時(shí)刻的編碼輸出，這樣得到的信號(hào)波形每脈沖是獨(dú)立的，不會(huì)出現(xiàn)碼間干擾。同時(shí)可以通過(guò)對(duì)初始碼元和結(jié)尾碼元的處理，使其始于零點(diǎn)并終于零點(diǎn)，保證信號(hào)連續(xù)變化，使得頻譜具有滾降快的優(yōu)良特性。

濾波后的信號(hào)波形示意圖如圖3所示。

圖3　濾波后的基帶碼元波形

3基于DDS的濾波MSK調(diào)制器實(shí)現(xiàn)

采用直接數(shù)字頻率合成法的MSK調(diào)制器可以用一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)芯片和一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是在FPGA內(nèi)部存儲(chǔ)正弦序列的點(diǎn)數(shù)很有限。如果要實(shí)現(xiàn)高精度和頻率較高的MSK信號(hào)，就要選用大容量和高時(shí)鐘頻率的FPGA。因此，本文選擇的是專用的DDS芯片，3.5 GHz采樣率的AD9914,一個(gè)芯片即可完成MSK調(diào)制、跳頻、數(shù)模轉(zhuǎn)換功能。

AD9914的并行數(shù)據(jù)端口時(shí)鐘速率為內(nèi)核工作速率的1/24，為了便于時(shí)鐘域轉(zhuǎn)換，設(shè)定DDS的工作頻率為3.36 GHz(即并口140 MHz)。DDS的頻率控制字為32 bit，所以在3.36 GHz采樣率情況下，DDS的頻率輸出精度為0.78 Hz，完全滿足高速跳頻通信系統(tǒng)的要求。

FPGA將濾波后的基帶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成頻率控制字(FTW)給AD9914，控制DDS進(jìn)行頻率調(diào)制，得到濾波的MSK信號(hào)。頻率控制字和濾波后數(shù)據(jù)之間的關(guān)系為：

FTW1.25MHz·x+FTWf0

(8)

式中：fb為基帶碼元速率;fs=3 360MHz;N=32;x∈(-1,+1);f0為跳頻頻點(diǎn)中心頻率。

同時(shí)，為了滿足譜特性，使得信號(hào)不發(fā)生跳變，需在截止期開始和結(jié)尾處對(duì)信號(hào)幅度進(jìn)行控制,使其緩變歸零。所以對(duì)AD9914的控制需要在頻率和幅度上同時(shí)進(jìn)行，將頻率字和幅度字復(fù)合形成140 Msps數(shù)據(jù)流傳輸給AD9914。其實(shí)現(xiàn)流程圖如圖4所示。

圖4　濾波MSK調(diào)制器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

4仿真驗(yàn)證

(1) 選用Matlab仿真軟件對(duì)MSK信號(hào)、GMSK信號(hào)、濾波MSK的頻譜進(jìn)行了仿真比較，結(jié)果如圖5所示。濾波MSK信號(hào)頻譜明顯優(yōu)于MSK信號(hào)頻譜，并且在f0±10 MHz以外優(yōu)于GMSK頻譜。

圖5　MSK、GMSK、濾波MSK頻譜比較

(2) 同時(shí)通過(guò)Simulink軟件對(duì)擴(kuò)頻調(diào)制的濾波MSK信號(hào)和GMSK進(jìn)行了調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)仿真，其結(jié)果如圖6所示。濾波MSK信號(hào)誤碼性能要優(yōu)于GMSK約0.4 dB。

圖6　GMSK和濾波MSK性能比較

5結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)仿真及實(shí)踐證明，本文提出的基于成形濾

波的MSK調(diào)制器設(shè)計(jì)方法可以大幅提高M(jìn)SK信號(hào)的頻帶利用率，消除因?yàn)V波帶來(lái)的碼間串?dāng)_。同時(shí)采用直接數(shù)字頻率合成生成濾波MSK信號(hào)的實(shí)

現(xiàn)方案有效降低了硬件實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，并且提高了信號(hào)調(diào)制的精確度。

參考文獻(xiàn)

[1]Liu Kefei,Yang Dongkai,Wu Jiang.Simulink implement of frequency-hopping communication system[J].Journal of System Simulation,2009,21(24):7969-7973.

[2]樊昌信，曹麗娜.通信原理[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2009.

[3]唐良偉.MSK數(shù)字調(diào)制解調(diào)及其實(shí)現(xiàn)技術(shù)研究[D].成都:電子科技大學(xué),2007.

[4]王頂，劉智朋.基帶成形濾波器的數(shù)字設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2012,20(13):95-97.

Design of Anti-ISI Filtering MSK Modulator Based on DDS

LIU Qing

(The 20th Research Institute of CETC,Xi’an 710068,China)

Abstract:This paper proposes a design and realization scheme of anti-inter symbol interference (ISI) filtering minimum shift keying (MSK) modulator based on direct digital synthesis (DDS).The simulation and practice proves that this scheme can effectively improve the frequency band utilization rate of MSK signal and eliminate the ISI due to filtering,at the same time reduce the complexity of hardware implementation and improve the precision of signal modulation.

Key words:minimum shift keying；shaping filter；anti-ISI；direct digital synthesis

收稿日期:2015-04-24

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.03.030

中圖分類號(hào)：TN975

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：CN32-1413(2015)03-0110-04