基于FPGA的MSK調(diào)制解調(diào)器設(shè)計與應(yīng)用

計和時序仿真。硬件部分在Altera 公司 EP2C15AF256C8N FPGA 上實(shí)現(xiàn)。結(jié)果表明，數(shù)字MSK
調(diào)制解調(diào)器具有相位連續(xù)，頻帶利用率高的優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：現(xiàn)場可編程邏輯陣列，最小頻移鍵控，調(diào)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(diào)制解調(diào)器在點(diǎn)對點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸中得到了廣泛的應(yīng)用。通常的二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制解調(diào)
器是建立在模擬載波上的，在電路實(shí)現(xiàn)時需要模擬信號源，這會給全數(shù)字應(yīng)用場合帶來不方
便。本文分析了MSK（最小頻移鍵控）數(shù)字調(diào)制信號特征，提出一種全數(shù)字固定數(shù)據(jù)速率MSK
調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計方法，應(yīng)用VHDL 語言進(jìn)行了模塊設(shè)計和時序仿真。硬件部分在Altera
公司 EP2C15AF256C8N FPGA 上實(shí)現(xiàn)了MSK 數(shù)字調(diào)制解調(diào)器，并在常州市科技攻關(guān)項目：糧
庫儲糧安全網(wǎng)絡(luò)智能監(jiān)測系統(tǒng)的嵌入式測控部分應(yīng)用。實(shí)測表明，數(shù)字MSK 調(diào)制解調(diào)器具有
包絡(luò)恒定，相位連續(xù)，頻帶利用率高的優(yōu)點(diǎn)。并且在FPGA 上實(shí)現(xiàn)時設(shè)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(jù)通信是較好的解決方案。
1 數(shù)字MSK 調(diào)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(jìn)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(diào)制方式能以最小的調(diào)制指數(shù)(0.5)獲
得正交信號， 同時MSK 比2PSK 的數(shù)據(jù)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(luò)連續(xù)相位頻率調(diào)制，其信號的表示式為

MSK 調(diào)制必須同時滿足調(diào)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(diào)
制指數(shù)為0.5，MSK 信號的兩個頻率應(yīng)分別為：

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

圖1 MSK 調(diào)制器模塊
圖中預(yù)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(chǎn)生“0”碼和“1”碼的數(shù)字載波。為了方便設(shè)計與調(diào)整，預(yù)分頻器設(shè)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(yīng)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(shè)置必須滿足調(diào)制指數(shù)0.5 的條件。輸入調(diào)制
信號數(shù)字序列控制2 選1 多路選擇器，選出對應(yīng)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(chǎn)生的2 選1 選擇器控制信號S 比較，得到前一碼元結(jié)束時的相位Q-1，其結(jié)果如表1 所示。

圖2 MSK 解調(diào)器模塊