通用通信信號發生器中的MSK設計 - 全文

1 引言

　　通信信號發生器是電磁環境仿真與模擬、通信系統設計中的重要環節，也是通信與通信對抗系統研究的基本要素。通信信號發生器通常是由硬件電路組合而成，存在硬件規模大、資金投入多、不易擴展等缺點。而“軟件無線電”中，硬件電路提供基本的信號通路，無線電系統的收發功能可通過軟件編程設置實現，還可通過改動部分的軟件和硬件電路擴展系統功能。因此，借鑒“軟件無線電”的思想設計信號發生器是“通用性”的關鍵。在通信信號發生器中，基本硬件電路產生的最小頻移鍵控(Minimun Shift Keying，簡稱MSK)信號，是產生后續高斯濾波最小移鍵控(Gaussiian Filtered MinimumShift Keying．簡稱GMSK)等信號的基礎。因此，探討了基于正交調制法產生的MSK調制信號，可為通信信號發生器產生數字通信信號提供借鑒。

　　2 基于正交調制法產生的MSK信號

　　2．1 正交調制法原理

　　理想情況下，運用“軟件無線電”的思想，計算機運算產生任意通信信號的采樣值，該采樣值通過D／A轉換后生成所需的任意調制通信信號。但是，通信信號帶寬較大時，直接產生射頻信號不僅需要大量數據，而且對硬件性能要求較高。由于大量數據是來自于載頻信號的采樣，而基帶信號的采樣數據遠遠小于載頻信號采樣數據，通過軟件運算將表征基帶信號的一些特征生成為采樣值，再通過D／A轉換與載頻信號結合產生所需的已調制的通信信號，避免大量數據處理。

　　正交調制法是，對于任意調制的窄帶通信信號可表示為：

　　式中，幅度r(t)和相位θ(t)表征基帶信號特征。

　　將式(1)展開可得：

　　令I(t)=r(t)cosθ(t)，Q(t)=r(t)sinθ(t)，由式(2)看出，只要傳遞I(t)和Q(t)兩項函數，就能以較低數據傳輸速率傳遞基帶信號。I(t)和Q(t)兩項與載頻信號正交相乘生成任意調制信號。

　　2．2 MSK概述閉

　　MSK是一種特殊的連續相位的頻移鍵控(Frequency—Shift Keying，簡稱FSK)，其最大頻移為比特率的1／4。即就是，MSK是調制系數為0．5的連續相位的FSK。MSK已調波在任*元內發送的頻率由相鄰2個碼元共同決定。當相鄰2個碼元數據相同時發送f1，當2個碼元數據不同時發送f2，則：

　　式中，k為正整數，t0為碼元寬度。

　　因此，MSK信號功率譜密度相對集中，頻帶利用率高；頻帶較寬，信道有效性高，在跳頻擴頻通信中增加跳頻點；并具有恒包絡特性，經過限幅后旁瓣電平仍然迅速滾降，適用于功率受限而非線性放大的應用；MSK調制的誤碼率與數字系統中最佳的PSK調相近，具有高可靠性；解調和同步電路簡單。基于上述特點，MSK可廣泛應用于移動通信系統。

　　2．3 通用通信信號發生器中MSK信號發生原理

　　通用通信信號發生器利用正交調制法產生MSK調制信號，由式(2)可知，MSK信號采用正交調制方式：

　　式中，an和bn分別為輸入二進制數據的奇、偶序列，Tb為數據比特持續時間，kTb≤t≤(k+1Tb)。

　　由式(4)可知，MSK信號的相位具有連續調制特性。利用正交調制法產生MSK信號，其原理框圖如圖1所示。

　　3 通信信號發生器的MSK調制信號設計

　　通用通信信號發生器中，借鑒了“軟件無線電”的設計思路，硬件電路設計系統提供信號通路。信號發生器軟件系統包括信號源庫和調制樣式庫。該軟件系統與硬件控制相結合，通過信號源和調制樣式的不同組合、更改定義不同的調制參數的調制信號，產生真實調制信號。

　　根據這一設計思想，MSK調制硬件設計與其他窄帶通信信號設計是通用的。圖2為中頻調制電路。圖2中，選用雙通道發送D／A轉換器 AD9761和正交調制器件AD8346共同產生MSK調制信號。其中，AD976l是一款lO bit，40 MS／s的D／A轉換器，精度和速度可滿足產生一般窄帶通信信號的要求。而AD8346是一款高性能的硅半導體射頻器件，可以用于0．8～2．5 GHz的射頻正交調制。AD8346可調制的基帶信號帶寬為DC～70 MHz。并由單端2．7~5．5 V供電。靜態工作狀態下電流值為45 mA；休眠狀態下電流僅為1μA。因此，AD8346具有高精度，在1.9 GHz時，正交誤差l°rms，I／Q幅度平衡僅為0．2 dB。其具有的優秀相位精度和幅度平衡特性可直接將信號調制到射頻。因此，利用AD9761和AD8346構成了通用信號發生器的中頻調制的基本框架。

　　由軟件定義MSK信號的調制參數Tb，通過運算產生式(4)中的ancos(πt／2Tb)和bnsin(πt/2Tb)兩項作為基帶I、Q串行數據。AD976l在控制數據的作用下接收計算機生成的基帶I、Q串行數據，并在其內部分離I、Q數據，經D／A轉換后分別產生I、Q的模擬信號。AD976l產生的I、Q的模擬信號經由電阻和電容構成的交流耦合電路后送入正交調制器AD8346，并與LOIP、LOIN饋送入的本振信號正交相乘，最后將正交相乘后的兩路信號合成為調制在本振頻率上的已調通信信號，從VOUT端輸出MSK信號。

　　為了減少額外的輸入信號損失，直流偏置電路應盡可能保證I通道和Q通道輸入信號彼此一致，圖2中，偏置電路的設置使每通道的偏置電壓約1.2 V。為此，使用243Ω電阻其精度為0．1％或更高。交流耦合和偏置電路可使AD8346從AD976l獲取2 V的峰一峰值的差分信號輸入，基本無電壓損失。

　　4 仿真驗證

　　為驗證該系統設計的合理性，對通用通信信號發生器的MSK調制設計進行仿真。選用美國ELANIX公司的動態系統設計、仿真和分析的可視化設計環境SystemView軟件。該軟件是從系統級的高度為設計者提供良好的計算機輔助設計和功能仿真的工具。

　　根據MSK正交調制原理框圖，在SystemView上搭建MSK調制系統。通過設置系統的運行時間和軟件系統采樣率等仿真參數進行仿真，其仿真結果如圖3、圖4所示。圖3是仿真驗證中輸入的數字信號；圖4是輸入信號被MSK正交調制后的波形。

　　由仿真結果可見，對應圖3中的二進制輸入信號，圖4中已調波在任*元內發送的頻率由相鄰2個碼元共同決定。當圖3中的相鄰2個碼元數據相同時，圖4中的仿真波形頻率為f1；當圖3中2個碼元數據不同時，圖4中的仿真波形頻率f2，而且圖4中的波形體現連續相位的特性，符合MSK調制波形的特征。

　　由此可見，調制仿真系統產生的信號符合MSK調制信號的特征要求，說明MSK調制系統設計可行。在通用通信信號發生器中，可利用基本硬件設計產生MSK信號，擴展信號的產生能力。

　　5 結語

　　MSK調制是移動通信系統設計和電磁環境模擬的重要技術環節，對通用通信信號發生器中其他數字調制信號的生成具有重要意義。通用通信信號發生器的MSK調制的實現借鑒了“軟件無線電”的設計思想，整個系統避免大量硬件電路設計，為綜合運用“軟件無線電”設計思想設計提供借鑒。同時，這種以基本的硬件電路為基礎，而以軟件模塊的疊加和更改作為系統的核心是今后系統設計發展的方向。

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