基于FPGA的MSK調制解調器設計與應用

計和時序仿真。硬件部分在Altera 公司 EP2C15AF256C8N FPGA 上實現(xiàn)。結果表明，數(shù)字MSK
調制解調器具有相位連續(xù)，頻帶利用率高的優(yōu)點。
關鍵詞：現(xiàn)場可編程邏輯陣列，最小頻移鍵控，調制，時序仿真

Abstract:A method for designing Minimum Frequency Shift Keying modulator and
demodulate is developed.The VHDL Models are designed and simulated，the results show
the MSK enjyos the characteristics of phase continuation and high band utilization.
Key words: FPGA,MSK,Modulator,Simulation
數(shù)字調制解調器在點對點的數(shù)據傳輸中得到了廣泛的應用。通常的二進制數(shù)字調制解調
器是建立在模擬載波上的，在電路實現(xiàn)時需要模擬信號源，這會給全數(shù)字應用場合帶來不方
便。本文分析了MSK（最小頻移鍵控）數(shù)字調制信號特征，提出一種全數(shù)字固定數(shù)據速率MSK
調制解調器的設計方法，應用VHDL 語言進行了模塊設計和時序仿真。硬件部分在Altera
公司 EP2C15AF256C8N FPGA 上實現(xiàn)了MSK 數(shù)字調制解調器，并在常州市科技攻關項目：糧
庫儲糧安全網絡智能監(jiān)測系統(tǒng)的嵌入式測控部分應用。實測表明，數(shù)字MSK 調制解調器具有
包絡恒定，相位連續(xù)，頻帶利用率高的優(yōu)點。并且在FPGA 上實現(xiàn)時設計效率高，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)據通信是較好的解決方案。
1 數(shù)字MSK 調制的載波頻率與相位常數(shù)
最小頻移鍵控MSK ( Minimum Frequency Shift Keying ) 是二進制連續(xù)相位FSK 的一
種特殊形式。有時也稱為快速頻移鍵控(FFSK)。MSK 調制方式能以最小的調制指數(shù)(0.5)獲
得正交信號， 同時MSK 比2PSK 的數(shù)據傳輸速率高，且在帶外的頻譜分量要比2PSK 衰減更
快。
MSK 是恒定包絡連續(xù)相位頻率調制，其信號的表示式為

MSK 調制必須同時滿足調制指數(shù)0.5 和相位連續(xù)條件，由MSK 信號表示可知，為了使調
制指數(shù)為0.5，MSK 信號的兩個頻率應分別為：

上式反映了MSK 信號前后碼元區(qū)間的約束關系。MSK 信號在第k 個碼元的相位常數(shù)不僅與當
前碼元的取值有關，而且還與前一個碼元的取值及相位常數(shù)有關。在數(shù)字載波的情況下，上
述條件等同于根據前一碼元的相位，選擇當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 調制解調器FPGA 模塊實現(xiàn)
用FPGA 實現(xiàn)的MSK 調制器模塊如圖1 所示。

圖1 MSK 調制器模塊
圖中預分頻器和“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
分別產生“0”碼和“1”碼的數(shù)字載波。為了方便設計與調整，預分頻器設置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 的設置必須滿足調制指數(shù)0.5 的條件。輸入調制
信號數(shù)字序列控制2 選1 多路選擇器，選出對應輸入碼流中“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，每個碼元的載波周期數(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 個載波相位。在相位
檢測模塊中，碼長分頻器作為1bit 延時的時鐘信號，輸入數(shù)字信號延遲一碼元信號D-1 與前
次產生的2 選1 選擇器控制信號S 比較，得到前一碼元結束時的相位Q-1，其結果如表1 所示。

圖2 MSK 解調器模塊