研究成果发表——MSK通信系统方案与设计

文号t57997

2613

24002013/06/26电子技术 IP:广东

额，由WORD复制有问题，看不了图，详细图请看附件文档

一.目标
    本文目标为万户3号设计一套通信系统（数字部分），要求实现数据传输，测距等功能。
由于本人水平有限，初始设计时是一步一步学起，有些幼稚的设计及错误在所难免，技术高的朋友会觉得我做的是玩具，没难度，望大家谅解。
二.对关键器件或实现方式的选择
以下几点是方案选择的原因，由于篇幅有限，未作方案对比，只是简略说明，专业名词请参考相关书籍或论文。
1．调制方式
调制方式是通信系统最关键的地方，本文选择了MSK（最小频移键控）。MSK对于QPSK等调制方式，频谱效率不算突出，常用于信道质量较好，需要大容量传输的情况。但是考虑万户3的工作方式，猜测信道质量会极为恶化，因此选择了抗干扰能力较强的MSK。
2．主要调制指标
    链路速率8M至100K可变，模拟带宽16M（最大估计），系统可以选择发送序列码进行连续测量位置，或者加入信息的序列码以实现传送信息。上变频到1.2GHZ，因此不能直接使用DDS方式产生MSK，要使用IQ调制合成MSK，本文主要研究如何产生IQ调制波形。发送格式可变，内置CRC。
3．主要数字处理器
    对于要产生MSK调制波形，一般CPU无法做到，STM32中断响应最快也是10US级，远远不够产生足够带宽的基带信号。因此这里选择了FPGA（可编程逻辑），这个和CPU技术形式完全不同，是其工作方式可以完全胜任此设计。具体器件是EP2C8Q208，本文搭建了一个开发平台，用于开发相关MSK技术。
4．DAC
    选用了AD9708DAC模块，用于初期快速实验。产品使用DAC904,165M,14bit。
三．MSK原理（粗略带过）
    XXXXK理论
MSK信号是一种相位连续，包络恒定并且占用最小带宽的二进制正交FSK信号，如下图

    XXXXK数字化IQ调制方式
    （1）.由上图可知使用DDS方式可以直接产生MSK波形，但是这样的波形直接用于上变频会产生镜像，这个是极难消除且有害的。
    （2）.为了避免镜像产生，要使用IQ方式调制出MSK波形。
    通俗说，IQ方式是两个正交分量，也即是设
SIN（A+B+C）=D
这里A,B设为IQ分量，C为载波，D为已调MSK。可以很简单的看出，当C不变，AB极性任一改变时，D就会改变，就是这样产生了纯正的已调波形，而不会出现镜像，同样可以知道，AB单独改变才能使相位连续，而AB改变的速率为码元速率的一半。
更详细的理论表明，可以通过以下方法实现调制

图中输入数据序列为ak，它经过差分编码后变成序列bk。差分编码可以通过以下电路实现

图3

序列bk经过串并转换，第偶个数据由上支路输出，第奇个数据由下支路输出。这两路数据再和正余弦波相乘，就能合成MSK信号。
相信大家看到这里已经非常头晕，我的“简略”带过也要结束，下面进入仿真环节。
四．MATLAB仿真
如上图，可以用SLINK拼出下面的框图（这软件真的是好东西）

输入码元

I路信号

Q路信号

对应的基带模拟信号

再与载波相乘

看上去波形极为混乱，但将这两路相加，神奇的事情发生了

混乱中加出了MSK波形。

功率谱，你懂的

至此，MSK信号的MATLAB仿真完成，整个仿真表明设计的数字MSK信号产生方法是可行有效的。根据上图，使用FPGA实现数字MSK基带发生器需要包含以下几个模块：
A．  时钟管理：产生全局时钟，用以驱动电路；
B．  串并转换：对输入数据进行串并转换，转换后的IQ数据速率为原数据的一半；
C．  正弦信号发生器：用以产生模拟IQ信号
D．  I，Q数据分配器：对串并转换后的数据分配到正确的IQ两路上去
E．  DA转换器：把FPGA产生的数字化模拟IQ信号转化为现实的模拟IQ信号
五．编程及实物
    编程其实没有什么好描述的，编译出来的东西如下，示波器还是蹭猴哥的，伤不起泪奔。。。。

至此，发射机的数字部分已经完成，配合模拟部分和传感器数据就可以实现发送序列码或者数据链的功能。
程序如下，大家可以拿回去研究改装，本人编程风格比较烂，开始的时候编程问题多多，不过现在好多了。