基于FPGA的MSK调制器设计与实现Word文档格式.doc
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ThisarticleintroducedtheadvantageofMSK,andanalyzedtheimplementationprinciple.theproposedahigh-preformanceMSKdigitalmodulator’simplementationmethodbasedonFPGA;
Thesystemisdiviedintoserial/parallelconversion、differentialencoding、NCO、phaseshifter、multiplicationcircuitandadderusingTop-to-Downdesign;
AndachievedthespecificdesignofeachmodulebyschematicandVHDL;
ThesimulationandexperimentofFPGAdesignweregivenwithQuartusII.Resultshows,theMSKmodulatorbasedonFPGA,simpleindesign,convenienttomodifyordebug,anditoperatesstable.
Keywords:
MSK,FPGA,DifferentialEncoding.NCO
0引言
在QPSK调制技术中，假定每个符号的包络都是矩形，已调信号的包络是恒定的，此时无论基带信号还是已调信号其频谱都是无限的。
但是实际的信道总是有一定的带宽的，因此在发送QPSK信号时通常要通过带通滤波器进行限带。
限带后的信号已经不能再保持包络恒定，相邻符号间发生相移时，限带后包络会明显变小，甚至出现包络为0的现象。
这种现象在非线性信道中是不希望出现的，虽然经过非线性放大器能够减弱包络起伏，但是这样却使信号的频谱扩展，其旁瓣会干扰邻近频道的信号，造成限带时的带通滤波器失去作用。
正是为了解决这个问题，我们引入了在非线性限带信道中使用的恒包络调制方法———最小移频键控（MSK）调制技术。
[1]
1实现原理[2]
MSK就是一种能产生恒定包络、连续相位信号的调制方式。
它是二进制连续相位移频键控（CPFSK）的一种特殊情况，即调制指数（移频系数）h=0.5，相位在码元转换时刻是连续的。
MSK信号可表示为：
（1）其中：
（2）
式中，为附加相位函数，假设初始相位为；
为载波角频率；
为码元间隔；
为频偏；
为第k个码元中的相位常数；
为第k个码元数据；
取值为±
1。
这表明，MSK信号的相位是分段线性变化的，同时在码元转换时刻相位仍是连续的，所以有：
（3）或者：
（4）
由式
（1）和（4）可得：
（5）
由式（5）和MSK相位网格图可看出，为截矩，其值为π的整数倍，利用三角等式并注意到，有（6）根据以上分析，可以得出MSK调制器的框图如图1所示。
图1MSK调制器方框图
Fig.1TheMSKprinciple
2主要模块的FPGA实现
2.1串/并转换的实现
顺序输入的二进制信息经过串/并变换器，变换成速率减半的双比特序列，可采用两个D触发器来实现，其原理如图2所示。
其中DFFinst和DFFinst3构成一个两位移位寄存器，将串行输入信号变成并行输出信号；
DFFinst4和NOTinst8构成二分频器，实现速率减半；
DFFinst1和DFFinst2为锁存器，使信号同步输出。
图5为串/并变换器S_P的仿真结果，其中AB为变换后的双比特码元。
由图可以看出，当输入DataAB为01010101时，在延时约80ns后，输出DataA为0000，DataB为1111。
[3]
图 2 串/并转换原理图
Fig.2Theseries-parallelconversionprinciple
图 3 串/并转换仿真波形图
Fig.3Thesimulationdiagramofseries-parallelconversion
2．2差分编码器的实现[4]
差分编码器的功能就是实现绝对码变换为相对码，在相码中，1、0分别用相邻码元电平是否发生跳变来表示。
若用相邻电平发生跳变来表示码元1，则称为传号差分码，记做NRZ码。
绝对码-相对码之间的关系为：
（7）。
采用VHDL设计的主体代码如下[5]：
process（clk,datain_a,datain_b）
begin
ifclk'
eventandclk='
1'
then
ifstart='
0'
thenq<
=0;
a<
='
;
b<
elsifq<
=0thenq<
=1;
=axordatain_a;
dataout_a<
=bxordatain_b;
dataout_b<
elsifq=3thenq<
elseq<
=q+1;
endif;
endif;
endprocess;
endbehav;
经编译后生成元件，其波形仿真图如图4所示，由图可以得到：
当start为低电平时，两路输出信号都为0；
当start信号为高电平时，对输入信号（datain_a）有：
datain_a=011111111001，此时dataout_a=010101010001，对输入信号（datain_b）有：
datain_b=011110111101，此时Dataout_b=010100101001，由此可以得出，元件QDSP_PL实现了由绝对码到相对码的变换。
图4绝对码到相对码变换仿真图
Fig.4Thesimulationdiagramofabsolutecodechangetorelative
2.3NCO的实现
2.3.1NCO的实现原理
数控振荡器在数字中频中相对来说是比较复杂的，也是决定数字中频性能的主要因素之一，NCO的目标是产生一个理想的正弦波或余弦波，如式
（1）:
（n=0,1,2……）（8）
式中，为本地振荡频率；
为输入信号的采样频率。
正弦波样本可以用实时计算的方法产生，但这只适用于信号采样频率很低的情况。
在超高速的信号采样频率的情况下，NCO实时计算的方法是不可能实现的，此时，NCO产生正弦波样本的最有效、最简便的方法就是查表法，即事先根据不同正弦波相位计算好相应的正弦值，并按相位角度作为地址存储相应的正弦值数据，工作时，在每输入一个信号采样样本时，NCO就增加一个的相位增量，然后，按照相位累加角度作为地址，取出该地址上的数值并输出到数字混频器，与信号样本相乘，其原理框图如图5所示[6]。
通过改变频率控制字，可以改变相位累加器的累加值，从而改变寻址的步进，实现不同的频率输出。
图5NCO原理框图
Fig5.NCOprinciplediagram
2.3.2相位累加器的FPGA实现[6]
相位累加器由N位加法器与N位寄存器级联构成。
每来一个时钟fc，加法器将频率控制字K与寄存器输出的累加相位数据相加，再把相加后的结果送至寄存器的数据输入端。
相位累加器输出的数据就是合成信号的相位，当相位累加器累加到最大值时会产生一次溢出，完成一个周期的动作。
溢出频率就是NCO输出的信号频率。
可用VHDL语言实现相位累加器的设计，其主要代码如下：
architectureartofsum88is
signaltemp:
std_logic_vector（7downto0）;
begin
process（clk,en,reset）is
begin
ifreset='
then
temp<
="
00000000"
else
ifclk'
ifen='
temp<
=temp+k;
endif;
endif;
endif;
out1<
=temp;
endprocess;
endart;
8位相位累加器的仿真波形如图6所示。
由波形图可以看出，当k=08时，在每一个有效脉冲的作用下，输出的数值比前一个输出的数值大8；
当k=09时，输出的数值比前一个输出的数值大9；
结果证明，该程序实现了相位的累加。
图68位相位累加器的仿真波形如图
Fig·
6 Thediagramshowingthestimulatedwaveof8bitPhase-Accumulator
2.3.3正弦ROM表的FPGA实现
用相位累加器输出的数据作为波形存储器的取样地址，完成相位序列（相位码）向幅度序列（幅度码）的转换。
这里用ROM构造一个查找表。
N位的寻址ROM相当于把一个周期的正弦波形信号离散成具有2N个幅值的序列，若波形ROM有D位数据位，则2N个幅值以D位二进制数值固化在FPGA的ROM中，按照给定地址的不同可以输出相应相位的正弦信号的幅度编码。
本文ROM表采用64个采样点。
其波形仿真如图室7所示，从图中可以看出，地址位从00H变化到20H时，输出信号值从FFH变到00H，正好为正弦波的四分之一个周期，结果证明：
通过查询该ROM表，可以生成不同频率的正弦波。
图7 正弦波形的仿真图
7 Thediagramshowingaquarterofthestimulatedsinwave
把上述各部分所生的symbol在QuartusII7.２提供的BlockDiagram/SchematicFile中用GraphicEditor编辑连接起来，就形成了图1的虚线所示的部分，编译后进行整体模块仿真，经过器件编程，可将整体模块程序烧写到合适的FPGA芯片中，再配以相应的D/A器件及其它外围电路，调试后即完成设计。
3结束语
用FPGA来实现MSK信号调制器，电路简单，设计灵活，便于修改和调试，可靠性高。
特别是对数控振荡器的设计，正弦函数的ROM表格，直接采用VHDL的CASE语句实现，避免了调用ROM块，降低了系统的设计规模，减少了系统对逻辑资料的需求；
另外，Altera公司的QuartusII7.２应用软件具有较强大的开放性和综合性，它可以利用其它各种EDA资源以及先进的设计方法，使其功能更加完善和强大。
它可以实现从简单的接口电路设计到复杂的状态机，甚至“Sys-temonChip”。
它的可编程特性带来了电路设计的灵活性，缩短了产品的“TimeToMarket”。
参考文献
[1]吉利萍MSK调制技术研究[J]计算机工程应用技术2009.18（4919-4920）
JILi-pingResearchofMSKModulationTechnology[J]Computerapplicationtechnology2009.18（4919-4920）
[2]王兴亮达新宇林家薇王瑜数字通信原理与技术[M]西安西安电子科技大学出版社2002.7（180-181）
WangXingliangDaXinyuLinJiaweiWangYuPrincipleandtechnologyofdigitalcommunication[M]
Xi’anXi'
anElectronicandScienceUniversitypress2002.7（180-181）
[3]周维龙，姚晓玲。
基于FPGA的QPSK调制器的设计与实现[J]湖南冶金职业技术学院学报
2008.4（99-101）
ZhouWeilong,YaoXiaoling.DesignandRealizationofQPSKModulationBasedonFPGA[J]JournalofHuanMetallurgicalProfessionalTechnologyCollege2008.4（99-101）
[4]刘国华,李二喜.基于FPGA的QDPSK调制器的设计与实现[J]电子设计工程2011.19（22-25）
LiuGuohuaLi-Er’xi。
DesignandRealizationofQDPSKModulationBasedonFPGA[J]ElectronicDesignEngineering2011.19（22-25）
[5]段吉海，黄智伟。
基于CPLD/FPGA的数字通信系统建模与设计[M]北京电子工业出版社2006.5（228-229）
DuanJihai,HuangZhiwei.TheModelingandDesignofDigitalCommunicationSystemBasedonCPLD/FPGA[M]BeiJinPublishingHouseofElectronicsIndustry2006.5（228-229）
[6]杨威,左月明,刘洋等利用FPGA实现DDS信号发生器的研究[J]山西农业大学学报（自然科学版）2007.27（3）（329-332）
YANGWeietTheResearchonUsingFPGAtoRealizeDDSSignalGenerator[J]SHANXIAGRICUNIV（NaturalScienceEdition）2007.27（3）（329-332）
作者简介：
1，谢丽君，1973年出生，女，长沙，本科，讲师、高级技师，目前主要研究方向为电工电子和电气控制。
2，谭立志，1971年7月出生，男，株洲，硕士，目前主要研究方向为电路与系统。
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