基于單片機(jī)的全數(shù)字化MSK調(diào)制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)?

霍君君 王永斌 劉 華 劉 桐

（海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033）

基于單片機(jī)的全數(shù)字化MSK調(diào)制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)?

霍君君 王永斌 劉 華 劉 桐

（海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033）

針對(duì)長(zhǎng)波通信MSK調(diào)制器小型化的問(wèn)題，分析了MSK調(diào)制的基本原理；根據(jù)MSK調(diào)制的特點(diǎn)，分析了傳輸數(shù)據(jù)與連續(xù)相位碼元波形之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，設(shè)計(jì)了一種基于調(diào)用碼元波形樣值數(shù)據(jù)的MSK信號(hào)數(shù)字化調(diào)制方法；利用Matlab對(duì)此調(diào)制方法建模仿真，以ARMCortex-M7微控制器為核心，結(jié)合外擴(kuò)的SDRAM芯片和DAC902芯片等數(shù)字芯片搭建MSK調(diào)制的硬件平臺(tái)，驗(yàn)證其可行性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明此方法降低了MSK調(diào)制器的復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)了小型化的全數(shù)字化MSK調(diào)制。

MSK調(diào)制；微控制器；相位連續(xù)；小型化

ClassNum ber TP311

1 引言

隨著通信技術(shù)迅速發(fā)展，傳統(tǒng)通信系統(tǒng)的容量已經(jīng)越來(lái)越不能滿足當(dāng)前用戶的要求。在可用頻帶資源緊張的情況下，如何在較小的頻寬實(shí)現(xiàn)較高的頻帶利用率，從而解決頻率資源短缺的問(wèn)題顯得至關(guān)重要［1～3］。

電磁波在甚低頻（VLF）段具有很強(qiáng)的繞射和穿透能力，傳播衰減較小，通常用來(lái)進(jìn)行超遠(yuǎn)程通信。但是由于甚低頻頻帶較窄，因此一般采用連續(xù)相位調(diào)制即MSK調(diào)制，其具有包絡(luò)恒定、占用相對(duì)較窄的帶寬和相干解調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于長(zhǎng)波通信系統(tǒng)中［4～6］。

通常調(diào)制信號(hào)的帶寬和信號(hào)的相位是否連續(xù)有著直接的關(guān)系［7］，因此研究連續(xù)相位的全數(shù)字化MSK調(diào)制就很有必要。

2 系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)

全數(shù)字化MSK調(diào)制器基于ARMCortex-M7微控制器的STM32F7核心板、SDRAM芯片和DAC902芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)SD存儲(chǔ)卡中的數(shù)據(jù)信息的任意基帶頻率的MSK調(diào)制。ARMCortex-M7微控制器根據(jù)預(yù)先設(shè)定的參數(shù)，產(chǎn)生并存儲(chǔ)經(jīng)MSK調(diào)制后的波形樣值數(shù)據(jù)。SD卡用于用戶存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息，以備ARMCortex-M7微控制器調(diào)用。微控制器調(diào)用二進(jìn)制碼元序列，通過(guò)判別規(guī)則輸出對(duì)應(yīng)的波形樣值數(shù)據(jù)，然后輸入DAC902芯片完成數(shù)模轉(zhuǎn)換。全數(shù)字化MSK調(diào)制器系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 全數(shù)字化MSK調(diào)制器系統(tǒng)組成框圖

3 軟件設(shè)計(jì)

MSK是一種包絡(luò)恒定、相位連續(xù)、且?guī)捵钚〔⑶覈?yán)格正交的2FSK信號(hào)，由于帶寬利用率較高，因此適合甚低頻通信［8～10］。

一般將MSK信號(hào)用下面表達(dá)式表示

式（1）中，fc為載波頻率，Ts為碼元寬度，ak為第k個(gè)碼元相位常數(shù)，相位常數(shù)φk，θ(t)為附加相位常數(shù)，表示MSK信號(hào)的總相位減去隨時(shí)間線性增長(zhǎng)的載波相位而得到的剩余值。其中第k個(gè)碼元的相位θ(t)不僅和當(dāng)前輸入ak有關(guān)，而且和前一碼元的相位φk-1及ak-1有關(guān)，所以MSK信號(hào)的前后碼元之間存在相關(guān)性。在用相干法接收時(shí)，可以假設(shè)的初始參考值等于0。此時(shí)，由式（1）可知

φk=0或 π(mod 2π)

當(dāng)輸入碼元為1時(shí)，ak=+1，碼元頻率 f1等于fc+1/（4Ts）；當(dāng)碼元輸入為0時(shí)，ak=-1，碼元頻率f0等于fc-1/（4 Ts）。因此f1和f0的差等于1/（2 Ts）。MSK信號(hào)每個(gè)碼元持續(xù)時(shí)間Ts內(nèi)包含的波形周期數(shù)必須是1/4載波周期的整數(shù)倍［11］。

故有：

當(dāng)n=1，m=4時(shí)，對(duì)于比特“1”和“0”，一個(gè)碼元持續(xù)時(shí)間分別有2.25個(gè)和1.75個(gè)正弦波周期。波形相位連續(xù)的一般條件是前一碼元末尾的總相位等于后一碼元開始時(shí)的總相位。在碼元持續(xù)時(shí)間內(nèi)第k個(gè)碼元的附加相位，變化（akπ）/2，即變化±π/2。故每經(jīng)過(guò)一個(gè)碼元的持續(xù)時(shí)間，MSK碼元的附加相位就會(huì)改變±π/2；若ak=+1，則第k個(gè)碼元的附加相位就會(huì)增加π/2；若ak=-1，則第k個(gè)碼元的附加相位就會(huì)減小π/2。假設(shè)數(shù)據(jù)序列為ak=+1，+1，-1，-1，+1，+1，+1，-1，則相位常數(shù) φk與ak的關(guān)系如表1所示。

表1 MSK信號(hào)φk與ak的關(guān)系

當(dāng)輸入碼元為+1時(shí)，控制器對(duì) f1正弦序列取值，并做一次相位累加；當(dāng)輸入碼元為-1時(shí)，控制器對(duì) f2正弦序列取值，并做一次相位累減。對(duì)于第一個(gè)碼元，信號(hào)的初相位按零度開始，每個(gè)碼元信號(hào)的初始相位按前一個(gè)碼元的末相位計(jì)算。對(duì)于 f1和 f2正弦序列可根據(jù)圖2所示的正交調(diào)制方法編程產(chǎn)生［12］。

圖2 MSK正交調(diào)制框圖

4 全數(shù)字化MSK調(diào)制器的硬件實(shí)現(xiàn)

4.1 硬件電路

硬件電路主要采用可編程的數(shù)字芯片完成，具體芯片采用STM32F7核心板、SDRAM芯片和DAC芯片完成。STM32F7核心板采用的是自帶雙精度硬件浮點(diǎn)單元（DFFPU）STM32F76x，整個(gè)芯片的容量為32M字節(jié)。DAC芯片采用DAC902，這款芯片是高性能轉(zhuǎn)換器，能提供12位分辨率的高速度模擬轉(zhuǎn)換器，擁有很高的無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR），同時(shí)它低功耗的特點(diǎn)多應(yīng)用在便攜式和電池供應(yīng)系統(tǒng)中［13］。

圖3 硬件電路

4.2 MSK信號(hào)的產(chǎn)生

根據(jù)MSK信號(hào)的基本原理，當(dāng)n=1，m=4時(shí)其滿足以下兩個(gè)特點(diǎn)：

1）數(shù)據(jù)+1對(duì)應(yīng)一個(gè)頻率，四種碼元，如圖4的前四種波形，數(shù)據(jù)-1對(duì)應(yīng)一個(gè)頻率，四種碼元如圖4的后四種波形。

2）數(shù)據(jù)由-1到+1或者由+1到-1時(shí)信號(hào)的相位連續(xù)。

圖4 八種基本碼元波形圖

針對(duì)這兩個(gè)特點(diǎn)，按圖2給出的MSK正交調(diào)制框圖進(jìn)行調(diào)制器設(shè)計(jì)，如圖4所示，當(dāng)n=1，m=4時(shí)，若ak=1，則第k個(gè)碼元的波形有4種情況，標(biāo)記為c0c1c2c3，對(duì)應(yīng)附加相位改變?yōu)棣?2，π，3π/2，0；若ak=-1，則第k個(gè)碼元的波形也有4種情況，標(biāo)記為c4c5c6c7，對(duì)應(yīng)附加相位改變?yōu)?π/2，π，π/2，0。根據(jù)圖2的正交調(diào)制方法采用軟件編程產(chǎn)生MSK信號(hào)的8種波形樣值數(shù)據(jù)。為了產(chǎn)生高精度的MSK信號(hào)，選用高時(shí)鐘頻率、自帶雙精度硬件浮點(diǎn)單元（DFFPU）的STM32F76x核心板，大容量的SDRAM芯片。

根據(jù)MSK調(diào)制的特點(diǎn)，在分析傳輸數(shù)據(jù)與相位連續(xù)的碼元波形之間的關(guān)系的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了數(shù)字頻率合成的MSK調(diào)制方式，如圖5所示，同時(shí)提出碼元選擇方法，如圖6所示。

圖5 數(shù)字頻率合成方法產(chǎn)生MSK信號(hào)框圖

圖6 碼元選擇方法

全數(shù)字化MSK調(diào)制中，每傳送一個(gè)碼元，附加相位就會(huì)進(jìn)行一次累加，其相位值和下一個(gè)碼元共同決定下一個(gè)碼元要傳送的正弦序列，然后再輸出到數(shù)模轉(zhuǎn)換器，如圖7所示。

圖7 輸出特定頻率框圖

在MSK調(diào)制器的硬件電路搭建完成后，根據(jù)圖8所示的流程圖進(jìn)行編程。

圖8 MSK調(diào)制器程序流程圖

5 MSK調(diào)制器的測(cè)試

測(cè)試的參數(shù)設(shè)置如下：載波為1kHz，采樣率為10 kHz，波特率為50bps，仿真得到的MSK信號(hào)波形，如圖9所示。同時(shí)MSK調(diào)制器的輸出波形，如圖10所示

由圖10可知，載波頻率為1kHz，采樣率為10kHz，每個(gè)點(diǎn)的延遲時(shí)間為10ms，與Matlab仿真得到的波形相比存在很多毛刺，但經(jīng)相干解調(diào)得到的數(shù)據(jù)信號(hào)與原數(shù)據(jù)信號(hào)相同。

圖9 Matlab仿真波形圖

圖10 MSK信號(hào)波形圖

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)分析了傳輸數(shù)據(jù)與連續(xù)相位碼元波形之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，采用了一種基于調(diào)用碼元波形樣值數(shù)據(jù)的MSK信號(hào)的數(shù)字化調(diào)制方法，搭建MSK調(diào)制硬件仿真平臺(tái)，測(cè)試結(jié)果表明該方案降低了MSK調(diào)制器程序的復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)了小型全數(shù)字化MSK調(diào)制器。

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Design and Im p lementation of DigitalMSK Modulator Based on SCM

HUO Junjun WANG Yongbin LIU Hua LIU Tong
（College of Electronic Engineering，NavalUniversity of Engineering，Wuhan 430033）

According to the characteristic ofMSKmodulation，a MSKmodulationmethod based on the data of the calling code waveform digitalmodulation is designed after analyzing the relationship between data transmission and continuous phase codewaveform，Matlabmodeling and simulation are used to thismodulationmethod.Then hardware platform is built to verify its feasibility using the ARMCortex-M7microcontroller，the expansion of the SDRAMchip and DAC902 chip digitalMSKmodulation chip，the experimental results show that thismethod reduces the complexity ofMSKmodulator，which is to say thismethod can achieve all digitalMSKmodulation andminiaturization.

MSKmodulation，microcontroller，phase continuity，miniaturization

TP311

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.09.033

2017年3月11日，

2017年4月30日

霍君君，女，研究方向：無(wú)線通信。王永斌，男，教授，研究方向：無(wú)線通信。劉華，男，碩士研究生，研究方向：無(wú)線通信。劉桐，男，碩士研究生，研究方向：無(wú)線通信。