通用通信信号发生器中的MSK设计

1 引言
    通信信号发生器是电磁环境仿真与模拟、通信系统设计中的重要环节，也是通信与通信对抗系统研究的基本要素。通信信号发生器通常是由硬件电路组合而成，存在硬件规模大、资金投入多、不易扩展等缺点。而“软件无线电”中，硬件电路提供基本的信号通路，无线电系统的收发功能可通过软件编程设置实现，还可通过改动部分的软件和硬件电路扩展系统功能。因此，借鉴“软件无线电”的思想设计信号发生器是“通用性”的关键。在通信信号发生器中，基本硬件电路产生的最小频移键控(Minimun Shift Keying，简称MSK)信号，是产生后续高斯滤波最小移键控(Gaussiian Filtered MinimumShift Keying．简称GMSK)等信号的基础。因此，探讨了基于正交调制法产生的MSK调制信号，可为通信信号发生器产生数字通信信号提供借鉴。

2 基于正交调制法产生的MSK信号
2．1 正交调制法原理
    理想情况下，运用“软件无线电”的思想，计算机运算产生任意通信信号的采样值，该采样值通过D／A转换后生成所需的任意调制通信信号。但是，通信信号带宽较大时，直接产生射频信号不仅需要大量数据，而且对硬件性能要求较高。由于大量数据是来自于载频信号的采样，而基带信号的采样数据远远小于载频信号采样数据，通过软件运算将表征基带信号的一些特征生成为采样值，再通过D／A转换与载频信号结合产生所需的已调制的通信信号，避免大量数据处理。
    正交调制法是，对于任意调制的窄带通信信号可表示为：

   
式中，幅度r(t)和相位θ(t)表征基带信号特征。
    将式(1)展开可得：

   
    令I(t)=r(t)cosθ(t)，Q(t)=r(t)sinθ(t)，由式(2)看出，只要传递I(t)和Q(t)两项函数，就能以较低数据传输速率传递基带信号。I(t)和Q(t)两项与载频信号正交相乘生成任意调制信号。
2．2 MSK概述闭
    MSK是一种特殊的连续相位的频移键控(Frequency—
Shift Keying，简称FSK)，其最大频移为比特率的1／4。即就是，MSK是调制系数为0．5的连续相位的FSK。MSK已调波在任一码元内发送的频率由相邻2个码元共同决定。当相邻2个码元数据相同时发送f1，当2个码元数据不同时发送f2，则：

   
式中，k为正整数，t0为码元宽度。
    因此，MSK信号功率谱密度相对集中，频带利用率高；频带较宽，信道有效性高，在跳频扩频通信中增加跳频点；并具有恒包络特性，经过限幅后旁瓣电平仍然迅速滚降，适用于功率受限而非线性放大的应用；MSK调制的误码率与数字系统中最佳的PSK调相近，具有高可靠性；解调和同步电路简单。基于上述特点，MSK可广泛应用于移动通信系统。
2．3 通用通信信号发生器中MSK信号发生原理
    通用通信信号发生器利用正交调制法产生MSK调制信号，由式(2)可知，MSK信号采用正交调制方式：

   
式中，an和bn分别为输入二进制数据的奇、偶序列，Tb为数据比特持续时间，kTb≤t≤(k+1Tb)。
    由式(4)可知，MSK信号的相位具有连续调制特性。利用正交调制法产生MSK信号，其原理框图如图1所示。

3 通信信号发生器的MSK调制信号设计
    通用通信信号发生器中，借鉴了“软件无线电”的设计思路，硬件电路设计系统提供信号通路。信号发生器软件系统包括信号源库和调制样式库。该软件系统与硬件控制相结合，通过信号源和调制样式的不同组合、更改定义不同的调制参数的调制信号，产生真实调制信号。
    根据这一设计思想，MSK调制硬件设计与其他窄带通信信号设计是通用的。图2为中频调制电路。图2中，选用双通道发送D／A转换器AD9761和正交调制器件AD8346共同产生MSK调制信号。其中，AD976l是一款lO bit，40 MS／s的D／A转换器，精度和速度可满足产生一般窄带通信信号的要求。而AD8346是一款高性能的硅半导体射频器件，可以用于0．8～2．5 GHz的射频正交调制。AD8346可调制的基带信号带宽为DC～70 MHz。并由单端2．7~5．5 V供电。静态工作状态下电流值为45 mA；休眠状态下电流仅为1μA。因此，AD8346具有高精度，在1.9 GHz时，正交误差l°rms，I／Q幅度平衡仅为0．2 dB。其具有的优秀相位精度和幅度平衡特性可直接将信号调制到射频。因此，利用AD9761和AD8346构成了通用信号发生器的中频调制的基本框架。
    由软件定义MSK信号的调制参数Tb，通过运算产生式(4)中的ancos(πt／2Tb)和bnsin(πt/2Tb)两项作为基带I、Q串行数据。AD976l在控制数据的作用下接收计算机生成的基带I、Q串行数据，并在其内部分离I、Q数据，经D／A转换后分别产生I、Q的模拟信号。AD976l产生的I、Q的模拟信号经由电阻和电容构成的交流耦合电路后送入正交调制器AD8346，并与LOIP、LOIN馈送入的本振信号正交相乘，最后将正交相乘后的两路信号合成为调制在本振频率上的已调通信信号，从VOUT端输出MSK信号。
    为了减少额外的输入信号损失，直流偏置电路应尽可能保证I通道和Q通道输入信号彼此一致，图2中，偏置电路的设置使每通道的偏置电压约1.2 V。为此，使用243Ω电阻其精度为0．1％或更高。交流耦合和偏置电路可使AD8346从AD976l获取2 V的峰一峰值的差分信号输入，基本无电压损失。

4 仿真验证
    为验证该系统设计的合理性，对通用通信信号发生器的MSK调制设计进行仿真。选用美国ELANIX公司的动态系统设计、仿真和分析的可视化设计环境SystemView软件。该软件是从系统级的高度为设计者提供良好的计算机辅助设计和功能仿真的工具。
    根据MSK正交调制原理框图，在SystemView上搭建MSK调制系统。通过设置系统的运行时间和软件系统采样率等仿真参数进行仿真，其仿真结果如图3、图4所示。图3是仿真验证中输入的数字信号；图4是输入信号被MSK正交调制后的波形。

    由仿真结果可见，对应图3中的二进制输入信号，图4中已调波在任一码元内发送的频率由相邻2个码元共同决定。当图3中的相邻2个码元数据相同时，图4中的仿真波形频率为f1；当图3中2个码元数据不同时，图4中的仿真波形频率f2，而且图4中的波形体现连续相位的特性，符合MSK调制波形的特征。
    由此可见，调制仿真系统产生的信号符合MSK调制信号的特征要求，说明MSK调制系统设计可行。在通用通信信号发生器中，可利用基本硬件设计产生MSK信号，扩展信号的产生能力。

5 结语
    MSK调制是移动通信系统设计和电磁环境模拟的重要技术环节，对通用通信信号发生器中其他数字调制信号的生成具有重要意义。通用通信信号发生器的MSK调制的实现借鉴了“软件无线电”的设计思想，整个系统避免大量硬件电路设计，为综合运用“软件无线电”设计思想设计提供借鉴。同时，这种以基本的硬件电路为基础，而以软件模块的叠加和更改作为系统的核心是今后系统设计发展的方向。