基于FPGA的MSK調制器設計與實現

摘要：介紹了MSK信號的優點，并分析了其實現原理，提出一種MSK高性能數字調制器的FPGA實現方案；采用自頂向下的設計思想，將系統分成串／并變換器、差分編碼器、數控振蕩器、移相器、乘法電路和加法電路等6大模塊，重點論述了串／并變換、差分編碼、數控振蕩器的實現，用原理圖輸入、VHDL語言設計相結合的多種設計方法，分別實現了各模塊的具體設計，并給出了其在QuartusII環境下的仿真結果。結果表明，基于FPGA的MSK調制器，設計簡單，便于修改和調試，性能穩定。
關鍵詞：MSK；FPGA；差分編碼器；數控振蕩器

在QPSK調制技術中，假定每個符號的包絡都是矩形，已調信號的包絡是恒定的，此時無論基帶信號還是已調信號其頻譜都是無限的。但是實際的信道總是有一定的帶寬的，因此在發送QIXSK信號時通常要通過帶通濾波器進行限帶。限帶后的信號已經不能再保持包絡恒定，相鄰符號間發生相移時，限帶后包絡會明顯變小，甚至出現包絡為0的現象。這種現象在非線性信道中是不希望出現的，雖然經過非線性放大器能夠減弱包絡起伏，但是這樣卻使信號的頻譜擴展，其旁瓣會干擾鄰近頻道的信號，造成限帶時的帶通濾波器失去作用。
正是為了解決這個問題，我們引入了在非線性限帶信道中使用的恒包絡調制方法——最小移頻鍵控(MSK)調制技術。

1 實現原理
MSK就是一種能產生恒定包絡、連續相位信號的調制方式。它是二進制連續相位移頻鍵控(CPFSK)的一種特殊情況，即調制指數(移頻系數)h=0．5，相位在碼元轉換時刻是連續的。MSK信號可表示為：

式中，φk(t)為附加相位函數，假設初始相位為φk(0)；ωc為載波角頻率；Ts為碼元間隔；為頻偏；φk為第k個碼元中的相位常數；ak為第k個碼元數據；ak取值為±1。這表明，MSK信號的相位是分段線性變化的，同時在碼元轉換時刻相位仍是連續的，所以有：

由式(5)和MSK相位網格圖可看出，φk為截矩，其值為π的整數倍，利用三角等式并注意到sinφk=0，有：

根據以上分析，可以得出MSK調制器的框圖如圖1所示。