基于DDS的抗码间串扰滤波MSK调制器设计

刘　青

(中国电子科技集团公司20所，西安 710068)

基于DDS的抗码间串扰滤波MSK调制器设计

刘青

(中国电子科技集团公司20所，西安 710068)

摘要：提出了一种基于直接数字合成(DDS)技术的抗码间串扰滤波最小频移键位(MSK)调制器的设计及实现方案。经过仿真及实践证明，此方案可以有效提高MSK信号的频带利用率、消除因滤波带来的码间串扰，同时降低了硬件实现的复杂度并且提高了信号调制的精确度。

关键词：最小频移键位；成形滤波器；抗码间干扰；直接数字合成

0引言

最小频移键位(MSK)调制具有相位连续、包络恒定、频谱利用率高等特点，被广泛应用于现代通信系统中。跳频通信作为一种重要的抗干扰通信手段，在数据链系统中发挥着越来越重要的作用。而随着跳频技术向更高的跳频速率和更窄的调制带宽发展，MSK调制越来越难满足高速跳频技术对信号频谱的要求[1]。

因此，频带利用率更高的调制技术也成为数据链通信系统研究的热点问题。高斯滤波MSK(GMSK)调制方式拥有更集中的功率谱密度和更小的临道干扰，但是其具有码间串扰的体制缺点对于连续波跳频通信影响很大[2]。

本文设计了一种基于成形滤波的MSK调制器，可以有效提高MSK信号的频谱利用率，并且没有码间串扰。同时采用直接数字合成(DDS)技术实现滤波MSK信号调制，降低了硬件实现的复杂度并且提高了信号调制的稳定度。

1MSK信号调制原理

MSK信号是一种相位连续、包络恒定并且占用带宽最小的二进制正交二进制频移键控(2FSK)信号，MSK信号的第K个码元可以表示为：

(1)

式中：wc=2πfc，为载波角载频；ak=±1,为输入码元信息(当输入码元为“1”，ak=+1；当输入码元为“0”时，ak=-1)；Ts为码元宽度；φk为第k个码元的初始相位，它在第1个码元宽度中是不变的，公式(1)可以改写为：

(2)

根据MSK信号的基本原理，可知MSK信号满足以下3个特点:

(1) 当ak=+1时对应频率f1，当ak=-1时对应频率f0；

(2) 当ak由-1到+1或者由+1到-1时，信号的相位连续;

(3) 调制指数为0.5。

基于上述3个特点，可以按图1所示的方法进行MSK调制器设计[3]。

图1　数字频率合成法生成MSK信号原理框图

在图1中，当ak为+1时，控制器对频率为f0的正弦序列取值，并每取一个值做一次相位累加;当外来的数字信息为-1时，控制器对频率为f1的正弦序列取值，并每取一个值做一次相位累加。对于第1个码元，信号的初相位按零度开始，以后的每个码元，信号的初始相位按前一个码元的末了相位计算。最后，再把得到的序列送给数/模转化器，就可以得到MSK信号。

2成形滤波器设计

由于MSK信号频谱并不能满足高速跳频通信对频谱的要求，因此需要对信号进行滤波成形，现在大多数采用Gauss滤波器。但对于连续脉冲跳频通信工作方式，采用Gauss滤波器后，会使得连续脉冲之间出现码间干扰，造成部分信息丢失。

因此本文设计了一种对输入基带码元波形采用非线性滤波的方法进行成形[4]，即用分段合成波形的方法来解决码间干扰问题。经滤波后产生的波形由±se，±s04种波形合成，se，so定义如下(其中Ts为码元宽度)：

(3)

se，so的波形如图2所示。

图2　se,so的图形

(4)

(5)

(6)

(7)

式中:XI,n为当前比特;XI,n-1为前一比特。

只需要根据输入的前后码元关系来确定下一时刻的编码输出，这样得到的信号波形每脉冲是独立的，不会出现码间干扰。同时可以通过对初始码元和结尾码元的处理，使其始于零点并终于零点，保证信号连续变化，使得频谱具有滚降快的优良特性。

滤波后的信号波形示意图如图3所示。

图3　滤波后的基带码元波形

3基于DDS的滤波MSK调制器实现

采用直接数字频率合成法的MSK调制器可以用一个现场可编程门阵列(FPGA)芯片和一个数模转换器来实现，但是在FPGA内部存储正弦序列的点数很有限。如果要实现高精度和频率较高的MSK信号，就要选用大容量和高时钟频率的FPGA。因此，本文选择的是专用的DDS芯片，3.5 GHz采样率的AD9914,一个芯片即可完成MSK调制、跳频、数模转换功能。

AD9914的并行数据端口时钟速率为内核工作速率的1/24，为了便于时钟域转换，设定DDS的工作频率为3.36 GHz(即并口140 MHz)。DDS的频率控制字为32 bit，所以在3.36 GHz采样率情况下，DDS的频率输出精度为0.78 Hz，完全满足高速跳频通信系统的要求。

FPGA将滤波后的基带数据转换成频率控制字(FTW)给AD9914，控制DDS进行频率调制，得到滤波的MSK信号。频率控制字和滤波后数据之间的关系为：

FTW1.25MHz·x+FTWf0

(8)

式中：fb为基带码元速率;fs=3 360MHz;N=32;x∈(-1,+1);f0为跳频频点中心频率。

同时，为了满足谱特性，使得信号不发生跳变，需在截止期开始和结尾处对信号幅度进行控制,使其缓变归零。所以对AD9914的控制需要在频率和幅度上同时进行，将频率字和幅度字复合形成140 Msps数据流传输给AD9914。其实现流程图如图4所示。

图4　滤波MSK调制器设计实现

4仿真验证

(1) 选用Matlab仿真软件对MSK信号、GMSK信号、滤波MSK的频谱进行了仿真比较，结果如图5所示。滤波MSK信号频谱明显优于MSK信号频谱，并且在f0±10 MHz以外优于GMSK频谱。

图5　MSK、GMSK、滤波MSK频谱比较

(2) 同时通过Simulink软件对扩频调制的滤波MSK信号和GMSK进行了调制解调系统仿真，其结果如图6所示。滤波MSK信号误码性能要优于GMSK约0.4 dB。

图6　GMSK和滤波MSK性能比较

5结束语

通过仿真及实践证明，本文提出的基于成形滤

波的MSK调制器设计方法可以大幅提高MSK信号的频带利用率，消除因滤波带来的码间串扰。同时采用直接数字频率合成生成滤波MSK信号的实

现方案有效降低了硬件实现的复杂度，并且提高了信号调制的精确度。

参考文献

[1]Liu Kefei,Yang Dongkai,Wu Jiang.Simulink implement of frequency-hopping communication system[J].Journal of System Simulation,2009,21(24):7969-7973.

[2]樊昌信，曹丽娜.通信原理[M].北京:国防工业出版社,2009.

[3]唐良伟.MSK数字调制解调及其实现技术研究[D].成都:电子科技大学,2007.

[4]王顶，刘智朋.基带成形滤波器的数字设计与实现[J].电子设计工程,2012,20(13):95-97.

Design of Anti-ISI Filtering MSK Modulator Based on DDS

LIU Qing

(The 20th Research Institute of CETC,Xi’an 710068,China)

Abstract:This paper proposes a design and realization scheme of anti-inter symbol interference (ISI) filtering minimum shift keying (MSK) modulator based on direct digital synthesis (DDS).The simulation and practice proves that this scheme can effectively improve the frequency band utilization rate of MSK signal and eliminate the ISI due to filtering,at the same time reduce the complexity of hardware implementation and improve the precision of signal modulation.

Key words:minimum shift keying；shaping filter；anti-ISI；direct digital synthesis

收稿日期:2015-04-24

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.03.030

中图分类号：TN975

文献标识码：A

文章编号：CN32-1413(2015)03-0110-04