fpga的msk调制解调器的设计
摘 要最小频移键控（MSK）调制制度，因其具有恒包络、连续相位、频谱衰减迅速等特点，在微波通信等带宽受限场合取得了较为广泛的应用。在MSK调制传统实现中，常采用模拟正交调制法，需要众多外围电路，手段也不够灵活。数字技术，尤其是数字集成电路技术的发展，使得信号数字实现的优势逐渐显现。因此，采用数字技术实现MSK调制解调，存在着现实意义。本文主要基于FPGA实现了MSK信号调制解调，大体上分为调制、载波提取、解调三大部分。主要研究了MSK调制解调器数字实现过程中涉及的关键技术，完成数字实现的具体设计。为了简化设计，采用直接频率合成技术实现信号调制。为了提取相干载波，采用锁相环技术实现载波同步。为了适应噪声环境，降低信噪比要求，采用基于平方环提取载波的相干解调技术实现信号解调。经过仿真测试，该系统能够实现对MSK信号的调制、载波同步、解调，实现了调制解调器的基本功能，满足设计的要求。本设计为基于FPGA硬件平台实现MSK信号调制解调提供了参考方案。
目录
摘 要 I
ABSTRACT II
目录 III
第一章 绪论 1
1.1课题介绍 1
1.2总体方案 1
1.3研究内容及意义 2
第二章 数字调制技术 3
2.1 常见现代数字调制技术对比 3
2.2 恒包络调制技术 4
2.3 MSK数字调制技术分析 5
2.4 MSK解调技术 9
第三章 MSK数字调制器设计 11
3.1 MSK数字调制的MATLAB仿真 11
3.2 MSK数字调制器的FPGA设计 12
3.2.1 差分编码技术 12
3.2.2 DDS技术在数字实现中的应用 14
3.3 MSK数字调制器的FPGA仿真 15
3.3.1 数字制器的参数设计 15
3.3.2 数字调制的FPGA仿真 16
第四章 数字载波同步技术 19
4.1 锁相环技术简介 19
4.2 锁相环数字化分析 21
4.2.1 数字化鉴相器 21
4.2.2 数字化
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环路滤波器 22
4.2.3 数字化控制振荡器 22
4.2.4 数字锁相环动态方程 23
4.2.5 关键设计参数 24
4.3 数字滤波器的设计 25
4.3.1 FIR滤波器简介 25
4.3.2 最优FIR滤波器设计方法 26
4.4 基于平方环的载波提取原理 27
4.4.1 平方环提取载波原理 27
4.4.2 改进型平方环原理 27
4.5 平方环的FPGA设计 28
4.5.1 基础参数的设置 28
4.5.2 数字乘法器的设计 29
4.5.3 数字低通滤波器的设计 29
4.5.4 数字环路滤波器的设计 31
4.5.5 直接频率合成器的设计 31
4.6 平方环的FPGA仿真 32
第五章 MSK相干解调器设计 35
5.1 MSK相干解调原理介绍 35
5.2 MSK解调的MATLA仿真 37
5.3 MSK相干解调器的FPGA设计 37
5.3.1 脉冲成形模块的设计 37
5.3.2 解调信号低通滤波器的设计 38
5.4 MSK相干解调器的FPGA仿真 39
5.5 联合调试验证 40
第六章 总结与展望 43
参考文献 45
致 谢 47
附 录 49
英文原文 49
中文翻译 63
本科期间荣誉 75
第一章 绪论
1.1课题介绍
通信技术在与计算机技术、数字信号处理技术相融合后，发生了翻天覆地的变化。经过近一个世纪发展，通信技术主要经过的三个阶段[1]：初级通信阶段，以莫尔斯电报为代表；近现代通信阶段，从香农信息论开始；现代通信阶段，以光纤为核心的综合数字业务网为代表。
数字通信技术作为现代通信技术的重要组成部分，也随着技术的进步得到了迅猛的发展。数字通信相比于模拟通信而言，有着很多独特的优势[2]：1、由于传输的是“0”，“1”序列，信号恢复时只要求识别是两种状态中的哪一个，并不需要恢复精确的原始传输波形，因而具有与较强的抗噪声能力，同时在远程传输场合，通过判决再生，能够实现噪声不累积；2、数字信号具有较强的灵活性，易于用数字信号处理技术，实现对信号的精确处理[3]；3、数字信号传输普遍使用大规模集成器件实现，这使得数字设备得以小型化，易于携带。
数字调制技术的出现，使得信息高速、高效传输成为了可能。为了应对不同的应用场合需要求，各种调制技术层出不穷，加快了信息传播的速度、推动了社会的进步。随着大容量、远距离数字通信技术的发展，信道中同时存在带限和非线性等特性[4]，而大容量通信，又使得频谱资源日益紧张，有限频谱的高效利用成为人们关注的重点。最小频移键控(MSK)，作为现代调制技术的一种，因其恒包络、连续相位、旁瓣衰减迅速等特点，使得它在卫星通信、移动通信等带宽受限的场合取得了广泛的应用[5]。
因此，本文针对最小频移键控，讨论其实现原理，并对调制解调器设计中，涉及到的关键技术进行详细讨论，最后，给出详细的仿真设计方案。
1.2总体方案
本课题的要求是给出MSK调制解调器的数字化实现方案。MSK调制器的数字实现，可以采用正交调制法到，而此时直接频率合成器(DDS)将需要工作在较高的频率，这对器件的要求较高，功耗也较大。根据MSK信号与一般连续相位频移键控(CPFSK)的关系，以及DDS连续相位的特性，可以采用和CPFSK相似的方式，直接产生调制信号。
解调器是本课题的重难点。MSK信号的解调，有诸如差分解调、相干解调等方式。差分解调优势在于快速、简单，但是误码性能不足。最小频移键控，作为调频的一种，根据数字最佳接收理论，最佳接收应该采用相干解调法。相干解调的难点在于载波的恢复，一般采用锁相环技术。锁相环在载波恢复的过程中，存在相位模糊问题 (倒工作现象)，为了应对相位模糊问题，一般需要先对基带信号进行差分编码，最后对解调信号进行差分解码即可得到原始基带信号。
根据上述对课题分析，提出的总体方案如图11所示。
图11 MSK调制解调器总体实现方案
根据图11，对总体实现方案进行简单的描述。对于MSK数字调制，采用DDS实现：先对信号进行差分编码，解决相干解调中载波恢复时的相位模糊问题；利用DDS的连续相位特性，完成MSK信号的数字化调制；对于MSK的解调，采用基于平方环载波提取的相干解调法；平方环载波提取是先对信号进行平方变换，经低通滤波器提取载波，进而形成位定时信息，对同相、正交支路的解调信号进行抽样判决[6]，最终两路信号经过并串、解码后输出，得到解调信号。
目录
摘 要 I
ABSTRACT II
目录 III
第一章 绪论 1
1.1课题介绍 1
1.2总体方案 1
1.3研究内容及意义 2
第二章 数字调制技术 3
2.1 常见现代数字调制技术对比 3
2.2 恒包络调制技术 4
2.3 MSK数字调制技术分析 5
2.4 MSK解调技术 9
第三章 MSK数字调制器设计 11
3.1 MSK数字调制的MATLAB仿真 11
3.2 MSK数字调制器的FPGA设计 12
3.2.1 差分编码技术 12
3.2.2 DDS技术在数字实现中的应用 14
3.3 MSK数字调制器的FPGA仿真 15
3.3.1 数字制器的参数设计 15
3.3.2 数字调制的FPGA仿真 16
第四章 数字载波同步技术 19
4.1 锁相环技术简介 19
4.2 锁相环数字化分析 21
4.2.1 数字化鉴相器 21
4.2.2 数字化
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环路滤波器 22
4.2.3 数字化控制振荡器 22
4.2.4 数字锁相环动态方程 23
4.2.5 关键设计参数 24
4.3 数字滤波器的设计 25
4.3.1 FIR滤波器简介 25
4.3.2 最优FIR滤波器设计方法 26
4.4 基于平方环的载波提取原理 27
4.4.1 平方环提取载波原理 27
4.4.2 改进型平方环原理 27
4.5 平方环的FPGA设计 28
4.5.1 基础参数的设置 28
4.5.2 数字乘法器的设计 29
4.5.3 数字低通滤波器的设计 29
4.5.4 数字环路滤波器的设计 31
4.5.5 直接频率合成器的设计 31
4.6 平方环的FPGA仿真 32
第五章 MSK相干解调器设计 35
5.1 MSK相干解调原理介绍 35
5.2 MSK解调的MATLA仿真 37
5.3 MSK相干解调器的FPGA设计 37
5.3.1 脉冲成形模块的设计 37
5.3.2 解调信号低通滤波器的设计 38
5.4 MSK相干解调器的FPGA仿真 39
5.5 联合调试验证 40
第六章 总结与展望 43
参考文献 45
致 谢 47
附 录 49
英文原文 49
中文翻译 63
本科期间荣誉 75
第一章 绪论
1.1课题介绍
通信技术在与计算机技术、数字信号处理技术相融合后，发生了翻天覆地的变化。经过近一个世纪发展，通信技术主要经过的三个阶段[1]：初级通信阶段，以莫尔斯电报为代表；近现代通信阶段，从香农信息论开始；现代通信阶段，以光纤为核心的综合数字业务网为代表。
数字通信技术作为现代通信技术的重要组成部分，也随着技术的进步得到了迅猛的发展。数字通信相比于模拟通信而言，有着很多独特的优势[2]：1、由于传输的是“0”，“1”序列，信号恢复时只要求识别是两种状态中的哪一个，并不需要恢复精确的原始传输波形，因而具有与较强的抗噪声能力，同时在远程传输场合，通过判决再生，能够实现噪声不累积；2、数字信号具有较强的灵活性，易于用数字信号处理技术，实现对信号的精确处理[3]；3、数字信号传输普遍使用大规模集成器件实现，这使得数字设备得以小型化，易于携带。
数字调制技术的出现，使得信息高速、高效传输成为了可能。为了应对不同的应用场合需要求，各种调制技术层出不穷，加快了信息传播的速度、推动了社会的进步。随着大容量、远距离数字通信技术的发展，信道中同时存在带限和非线性等特性[4]，而大容量通信，又使得频谱资源日益紧张，有限频谱的高效利用成为人们关注的重点。最小频移键控(MSK)，作为现代调制技术的一种，因其恒包络、连续相位、旁瓣衰减迅速等特点，使得它在卫星通信、移动通信等带宽受限的场合取得了广泛的应用[5]。
因此，本文针对最小频移键控，讨论其实现原理，并对调制解调器设计中，涉及到的关键技术进行详细讨论，最后，给出详细的仿真设计方案。
1.2总体方案
本课题的要求是给出MSK调制解调器的数字化实现方案。MSK调制器的数字实现，可以采用正交调制法到，而此时直接频率合成器(DDS)将需要工作在较高的频率，这对器件的要求较高，功耗也较大。根据MSK信号与一般连续相位频移键控(CPFSK)的关系，以及DDS连续相位的特性，可以采用和CPFSK相似的方式，直接产生调制信号。
解调器是本课题的重难点。MSK信号的解调，有诸如差分解调、相干解调等方式。差分解调优势在于快速、简单，但是误码性能不足。最小频移键控，作为调频的一种，根据数字最佳接收理论，最佳接收应该采用相干解调法。相干解调的难点在于载波的恢复，一般采用锁相环技术。锁相环在载波恢复的过程中，存在相位模糊问题 (倒工作现象)，为了应对相位模糊问题，一般需要先对基带信号进行差分编码，最后对解调信号进行差分解码即可得到原始基带信号。
根据上述对课题分析，提出的总体方案如图11所示。
图11 MSK调制解调器总体实现方案
根据图11，对总体实现方案进行简单的描述。对于MSK数字调制，采用DDS实现：先对信号进行差分编码，解决相干解调中载波恢复时的相位模糊问题；利用DDS的连续相位特性，完成MSK信号的数字化调制；对于MSK的解调，采用基于平方环载波提取的相干解调法；平方环载波提取是先对信号进行平方变换，经低通滤波器提取载波，进而形成位定时信息，对同相、正交支路的解调信号进行抽样判决[6]，最终两路信号经过并串、解码后输出，得到解调信号。
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