魏志瑾，王 園

基于FPGA的16倍采樣MSK調(diào)制設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

魏志瑾1，王 園2

（1 中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068；2 中電科星河北斗技術(shù)（西安）有限公司，西安 710068）

隨著對通信與信號處理算法的研究，合適有效的調(diào)制算法能夠保證發(fā)射信號的質(zhì)量，進(jìn)一步提高通信系統(tǒng)的工作性能和指標(biāo)。介紹了MSK調(diào)制原理，設(shè)計(jì)了一種16倍采樣最小頻移鍵控（MSK）調(diào)制的方法，并在Xilinx的現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）上實(shí)現(xiàn)了該設(shè)計(jì)，利用Vivado Simulation仿真了調(diào)制過程，通過大量測試以及與Matlab計(jì)算結(jié)果作對比，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的正確性，為通信信號的有效傳輸提供了保證。

最小頻移鍵控；調(diào)制；現(xiàn)場可編程門陣列；通信算法

0 引言

通信和信號處理算法是現(xiàn)代通信技術(shù)發(fā)展過程中重要的研究領(lǐng)域，合適有效的信號處理算法可以大大降低運(yùn)算量，彌補(bǔ)硬件資源不足的缺陷，提升通信信號的發(fā)射質(zhì)量和接收靈敏度，提高整個通信系統(tǒng)的工作性能和指標(biāo)[6]。在各種信號處理算法中，調(diào)制解調(diào)算法的地位舉足輕重。用數(shù)字基帶信號去控制正弦型載波的載頻，通過正弦載波調(diào)制為帶通型頻帶信號，即為頻移鍵控（Frequency Shift Keying，F(xiàn)SK）[7]。FSK調(diào)制方式雖然目前已有廣泛應(yīng)用，但其頻帶利用率低、相鄰碼元相位不連續(xù)、傳輸包絡(luò)不穩(wěn)定等缺陷導(dǎo)致誤碼率性能較差[4]。最小頻移鍵控（Minimum Shift Keying，MSK）是FSK的改進(jìn)，具有包絡(luò)恒定、相位連續(xù)、頻譜滾降快、帶外抑制較高且功率譜占用率較小的特點(diǎn)，它克服了FSK、相移鍵控（Phase Shift Keying，PSK）、正交振幅調(diào)制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）等調(diào)制方式因相位突變而影響已調(diào)信號高頻分量衰減的缺點(diǎn)，符合現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和研究方向，具有很強(qiáng)的研究價值[5]，在通信領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。

隨著國內(nèi)外芯片設(shè)計(jì)水平的提高，現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）芯片的資源、性能等都有很大的提升，利用FPGA來實(shí)現(xiàn)通信及信號處理波形算法，具有較高的可靠性，可以縮短系統(tǒng)的研發(fā)周期，提高系統(tǒng)的集成度，降低產(chǎn)品成本，具有不可替代的優(yōu)勢[8]。本文提出一種基于FPGA的16倍采樣MSK調(diào)制設(shè)計(jì)方法，并通過FPGA的實(shí)現(xiàn)，將實(shí)現(xiàn)結(jié)果與Matlab仿真結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的正確性。對于一個通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，應(yīng)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時同步對設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真分析。采用FPGA以全數(shù)字化方法實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵模塊是一種切實(shí)有效的方法，利用Xilinx公司推出的Vivado平臺可將系統(tǒng)仿真和數(shù)字開發(fā)結(jié)合起來，大大提高了系統(tǒng)的開發(fā)效率[9]。

1 MSK調(diào)制原理及設(shè)計(jì)

MSK調(diào)制又稱快速頻移鍵控（Fast Frequency Shift Keying，F(xiàn)FSK），它是FSK調(diào)制的一種改進(jìn)形式。MSK調(diào)制能以最小的調(diào)制指數(shù)（=0.5）獲得正交信號，“快速”指的是對于給定的頻帶，它能比PSK傳送更高的比特速率[3]。在同等帶寬和信噪比的條件下，它比常規(guī)的FSK和二進(jìn)制相移鍵控（Binary Phase Shift Keying，BPSK）能以更快的速率傳輸信息[10]。

假設(shè)MSK的信號表達(dá)式如式（1）所示[1]

令

將式（2）代入式（3）得出

MSK信號的表達(dá)式可以展開如式（5）所示

圖1 MSK調(diào)制框圖

在本文中，開發(fā)環(huán)境選擇Vivado2019.2，芯片選擇Xilinx的xc7vx690tffg1761-2，該芯片資源豐富、容量較大、穩(wěn)定性較好，屬于Xilinx7系列高端芯片。在FPGA中實(shí)現(xiàn)MSK基帶調(diào)制，主要的步驟是：

1）用Matlab生成16倍采樣的載波.coe文件，將載波coe提前緩存至本地ROM中；

2）根據(jù)輸入數(shù)據(jù)及輸入數(shù)據(jù)使能對數(shù)據(jù)頭補(bǔ)0，進(jìn)行緩存后，串并轉(zhuǎn)換為/兩路數(shù)據(jù)；

3）進(jìn)行16倍復(fù)制過采樣，然后與對應(yīng)的載波相乘；

4）將乘完后的路前16個點(diǎn)的數(shù)據(jù)和后16個點(diǎn)的數(shù)據(jù)扔掉，最后路與路數(shù)據(jù)對齊輸出即可得到調(diào)制后的MSK數(shù)據(jù)。舉個例子，假設(shè)需要調(diào)制的原始bit為10 011 011，則其MSK調(diào)制過程如圖2所示。

圖2 MSK調(diào)制過程實(shí)現(xiàn)圖

2 MSK調(diào)制的時序仿真與驗(yàn)證

在本文中，對MSK調(diào)制的FPGA實(shí)現(xiàn)用Vivado2019.2自帶的Simulation仿真工具進(jìn)行仿真，設(shè)計(jì)原始bit如表1所示，經(jīng)過MSK調(diào)制后的和兩路數(shù)據(jù)如圖3和圖4所示。

表1 原始bit序列

圖3 序列1的MSK調(diào)制仿真圖

圖4 序列2的MSK調(diào)制仿真圖

隨機(jī)設(shè)置了2組原始bit序列進(jìn)行MSK調(diào)制，圖3和圖4的仿真結(jié)果表明序列1和序列2的MSK調(diào)制正確。為進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，用Matlab產(chǎn)生大量隨機(jī)數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，將Matlab計(jì)算出的仿真結(jié)果與FPGA實(shí)現(xiàn)的仿真結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果如 圖5所示。data1（―――）為Matlab計(jì)算的隨機(jī)序列MSK調(diào)制數(shù)據(jù)，data2（―*―）為同一組序列在FPGA上實(shí)現(xiàn)的仿真數(shù)據(jù)，從圖5中可以看出兩組調(diào)制結(jié)果完全吻合，表明了FPGA實(shí)現(xiàn)的MSK調(diào)制結(jié)果無誤，充分驗(yàn)證了本次MSK調(diào)制設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的正確性。

圖5 隨機(jī)序列Matlab仿真結(jié)果與FPGA實(shí)現(xiàn)結(jié)果對比圖

3 結(jié)語

MSK調(diào)制算法相較于其他調(diào)制算法，具有相位連續(xù)、恒包絡(luò)、功率譜密度集中、碼元波形嚴(yán)格正交等特性，在通信系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。本文對MSK調(diào)制的原理及其具體實(shí)現(xiàn)過程作了深入研究，并基于一片Xilinx的FPGA（型號xc7vx690tffg1761-2）設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了16倍采樣的MSK調(diào)制，經(jīng)過大量的仿真測試，以及將同一隨機(jī)序列的Matlab仿真結(jié)果和FPGA實(shí)現(xiàn)結(jié)果作對比，驗(yàn)證了MSK調(diào)制設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的正確性。本次設(shè)計(jì)應(yīng)用后，經(jīng)過了仿真測試、上板調(diào)試和系統(tǒng)聯(lián)試，結(jié)果符合系統(tǒng)指標(biāo)要求。

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Design and Implementation of 16 Times Sampling MSK Modulation Based on FPGA

WEI Zhijin, WANG Yuan

With the research of communication and signal processing algorithms, suitable and effective modulation algorithms can ensure the quality of transmitted signals, and further improve the performance and indicators of communication systems. The principle of Minimum Shift Keying (MSK) modulation is introduced, a method of 16 times sampling MSK modulation is designed, and the design on Xilinx Field Programmable Gate Array (FPGA) is implemented. Vivado Simulation is used to simulate the modulation process, through a lot of tests and Matlab. The correctness of the design and implementation is verified by comparison of the calculation results, which provides a guarantee for the effective transmission of communication signals.

Minimum Shift Keying; Modulation; Field Programmable Gate Array; Communication Algorithm

TN47

A

1674-7976-(2023)-03-211-05

2022-09-05。

魏志瑾（1991.12—），陜西漢中人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)鏈通信技術(shù)研究、FPGA信號處理算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。