基于软件无线电思想的MSK解调算法∗

张文铎

（北京圣非凡电子系统技术开发有限公司 北京 100044）

1 引言

1992年提出的软件无线电概念，经过十多年的发展，已不仅仅应用在军事通信上，而是进入到民用通信，雷达，电子战、工程，甚至电视广播等各个领域。软件无线电的核心思想，是对从天线上感应到的射频模拟信号直接数字化，并将其转换成适合于处理的数据流，通过计算机软件算法来完成各种功能，因此具有出色的可扩展性和对应用环境的超强适应性。与软件无线电同时迅速发展的还有可并行运算的逻辑芯片FPGA，其灵活的动态重新配置和较强的实时信号处理功能的迅速发展为软件无线电的思想提供了支撑。通过动态重新配置FPGA，我们可以建立信号解调的多种算法构架。来完成不同调制方式的功能，符合软件无线电的想法。因此本设计中使用Altera的FPGA完成了MSK数字调制解调和其他复杂算法。该芯片有多个系列，片上LVDS总线最高速率可以到达1.25Gbps，该芯片集成有106500LE，896个18×18乘法器，16个全局时钟网络，88个等级LVDS通道，完全可以满足对各种中频信号的实时处理。MSK即为最小频移健键控，是低频通信中比较常见的一种调制方式，也称作快速频移键控（FFSK）。由于其具有连续的相位，功率谱紧凑、旁瓣滚降衰落快、频谱利用率高、带外抑制较高和抗干扰能力好等特点，同时又由于包络恒定，允许用非线性幅度饱和器件放大，降低了对信道线性度的要求，因此MSK调制广泛应用于无线移动通信的数据传输。本文所进行解调的信号选择MSK。具有一定的代表性，解调思想同样可以应用到其他解调方式中。

2 MSK解调原理

在MSK信号的解调过程中常采用相干解调，即输入一路和载频信号相干的参考信号和载频相乘，再通过滤波器将高频信号滤除，得到原始信号的方法。在实际中也是相干解调的效果优于非相干解调［1］。具体的解调原理推导如下：

调制后的MSK信号可表示为式（1）的形式。

接收信号分别与同相载波和正交载波相乘后，滤波后可以得到等效基带接收信号：

此时的信号相当于调制端经过加权后的信号。差分解调方案如图1所示。

此信号分成两路，一路不处理，另一路信号先经过延时Tb。经过延时后的信号可以表示为

然后两路信号相乘得

至此通过式（7）对虚部进行判决即可进行0码和1码的判断，将调制信息进行还原，完成整个解调过程。

3 改进型MSK解调原理

本文根据软件无线电相关思想进行解调算法改进，软件无线电几乎所有功能都是用软件来实现，改进的解调解调算法也采用数字相干解调的方法。在移动通信过程中，接收到的信号会严重的衰落，提取的载波质量达不到要求，尤其是在多普勒效应等引起的频偏环境下会更差，正交解调法可以在不同程度上克服这些弱点，因此，本文的解调方法依然采用正交解调法。虽然调制的样式有很多不同，但所有调制都是用调制信号去控制载波的某一个参数，使这个参数按照调制信号的规律随之变化。以正弦型信号作为载波的调制称为连续波调制［2］，对于连续波调制，已调信号的数字表达式为

这就是同相和正交两个分量，其中幅值可以表示为

利用相位差分计算瞬时频率，即 f(n)=φ(n)-φ(n-1)时，要进行除法和反正切运算，这对于数字芯片来说是较复杂的，可用微分的思想方法来计算瞬时频率 f(n)：

至此只用乘减运算即可计算出 f(n)，计算比较简便。在计算出瞬时频率后 f(n)，对 f(n)抽样判决，既可恢复出码元。

4 验证系统设计

验证通信系统分为发送端和接收端，发送端进行码元发送，接收端进行接收。简易通信系统的组成如图2。

发送端在硬件电路的设计上采用控制芯片FPGA、数模转换芯片DA和滤波器和E型磁芯进行完成。FPGA生成MSK调制信号数据流，通过DA转化成模拟信号，再通过滤波器进行滤波，之后在E型磁芯上形成向外辐射的磁场，对信号进行发送。FPGA采用CYCLONEIV系列，型号为EP4CE15F17C8，封装为表贴256-LBGA，核电压1.25V。速度级别为8，逻辑门数为15408个，存储空间为516096位。内置4个锁相环，具有260个9×9位的乘法器，200个18×18位的乘法器，是一款低功耗低成本的芯片，总功耗不超过1.5W，比较适合通信行业的小型应用中。D/A采用AD公司的AD9708，AD9708为8位、125MSPSD/A转换芯片。同样是一款高性能、低功耗并且具有小型封装的芯片。滤波器为7阶Butterworth滤波器，Butterworth滤波器相比于其他滤波器在通频带内外都有平稳的频繁特性，具有较好的滤波效果。E型磁芯则采用PC40材质的EE65型磁芯。

接收端同样采用FPGA芯片作为解调的核心，通过AD对E型磁芯上通过磁力线接收MSK调制信号进行采样，再经过衰减电路进行衰减，衰减为合适的电压幅度，将采样点送入FPGA进行解调。FPGA采用与发送端相同的型号的EP4CE15F17C8作为解调算法的平台。AD芯片采用AD9280，最大采样率为32MSPS的8位高速采样芯片。

5 实验及波形

简易系统发送不同载波频率的MSK调制波，发送方式为间歇性发送。接收端对MSK信号进行测量，发送端和接收端的E型磁铁相距3cm。发送原始信息为8位数字，将8位数字分别转化成4位0或1二进制码，一共32位二进制码进行发送。基带速率可从从50Hz变化至75Hz。当载波频率达到最低的16K左右时，波形失真较严重，但依然可将波形解调，随着载波频率变大，波形失真情况逐渐变轻，在16K～240K的载频变化区间内，均能正确还原数字信息，可以达到较好的传输效果。实验结果截图如图3～6。

6 结语

根据MSK信号0码和1码波形正交的特点，提出一种基于于软件无线电的MSK信号数字化解调方法。该方法通过对每个码元周期内的采样值，针对1码和0码的载波频率进行运算，计算出对应的频率信息，从而判断恢复出数字基带信号。简化了解调过程，减少了解调过程中的计算量，同时大幅度减少了外围硬件，省去了本振和滤波器等环节，减少了模拟电路被干扰的可能。且结果表明该方法的抗干扰性能比传统相干解调方法有明显改进。