基于数字 MSK 调制的通信系统设计与实现 Design and Implement of Communication Systems Based on Digital MSK Modulator and Demodulator 摘要：本文在文献 [ 2] 提出一种数字MSK调制解调模型基础上,将数字MSK调制技术应用到双 工复接通信系统中。采用状态机的方式实现编帧和解帧，在编帧中插入帧头、特殊标志位， 解帧过程去掉帧头和帧特殊标志位。用Verilog HDL语言进行模块设计与时序仿真，并在FPGA 硬件上实现本设计。设计结果表明基于数字MSK调制的双工复接通信系统在实际应用上是 可行的。 关键字：数字最小频移键控；硬件描述语言；双工；编帧 Abstract: The paper [ 2] puts forward a new model for digital MSK modu1ation and demodulation based on with a digital carrier, this paper applies the digital MSK modulation technology to the full duplex multiplexing communication system. It implements encapsulation and recovers the data from encapsulation in the deframer using state machine, inserting synchronization flags and special flags in the process of encapsulation. Then taking out the flags in the deframer. It carries through module design with Verilog HDL and timing simulation, and achieves in the FPGA hardware. The design results of digital MSK modulation technology indicates that the full duplex multiplexing communication systems is feasible in actual application. Keywords: digital MSK modulation; Verilog HDL; duplex; encapsulation 引言 最小频移键控(MSK)一种改进的调制方式，调制指数为0.5，包络恒定、相位连续、频 带利用率高、功率谱紧凑，且频谱滚将快，产生带外干扰小，抗干扰性能好，因此在军用和 民用通信领域中均获得了广泛的应用。目前，FPGA是应用最广泛的现场可编程ASIC器件， 具有规模大、集成度高、可靠性高等优点，小型化、通用化和模块化已成为通信产品的发展 趋势，采用FPGA全数字化方法实现通信系统的设计，将会大大提高开发效率，缩短了开发 周期。文献 [ 2] 提出一种采用数字载波的MSK调制方式，可称之为数字MSK调制。在此基础上， 本文给出一种基于数字MSK调制的双工复接通信系统。通过理论推导以及用Verilog HDL的 编程设计与时序仿真，并在两块DE2开发板上下载进行硬件测试，来验证本系统设计的可行 性。 1 MSK 调制原理与建模设计 MSK调制是一种能够产生恒定包络、连续相位信号的调制，是2FSK调制的一种特殊情况， 它具有正交信号的最小频差，在相邻信号交界处相位保持连续 [1] 。MSK调制信号的表达式： y MSK(t)  A cos[    c t 2 u t T k   k ] b kT b   t ( k  1) T b （1） 上式中， ku 表示第k个码元信息，取值为 1 ， k 表示第k个码元的相位常数 [1] 。 由正交条件知两载波频率分别为 cf  1 4 Tb 和 cf  1 4 Tb 。‘0’信号和‘1’信号在一个码 元时间内恰好相差。相位常数 k 在码元转换时刻保持相位连续，其相位约束条件如下： 广西研究生教育创新项目（2007105950810m15），广西科学基金（桂科基 0575096） 1, 1    k k  k ( 2 ) u u k   u u k  1   k k     1  k  , 若初始相位为零，则 k 取值为0或。由式(1)可推出其正交表达式为 [1] ： 

y M S K(t)  A c o s (  k ) c o s (  2 T b t ) c o s (  c t )  u k c o s (  k ) s in (  2 T b t ) s in (  c t ) (3 ) 数字MSK调制可以数字电路中一些简单的模块如分频，计数，非门，多路选择器等构 成。文献 [ 2] 中的数字MSK调制器模块引入了一个特殊的相位计模块，用它来控制已调信号 的相位连续性；MSK解调器根据其调制器模块，采用比较器和特殊关系的计数器来实现。 数字载波MSK调制几乎具有模拟MSK的全部优点，且通过解调能恢复出原来的基带信号， 构成一个完整的数字MSK调制解调系统。 全双工是指接收与发送采用两个相互独立的信道,可同时进行,互不干扰 [1] 。在数字通信 中，为了扩大传输容量，常需要把若干低速数据码流按一定的格式合并成为高速速据码流。 本设计中采用一种帧结构，使用时分复用的原理完成4路共32位数据的编帧和解帧 [3] ，基于 MSK数字调制的单工复接如下图1所示。 4 路数据 编帧 MSK 调制 信道 传输 MSK 解调 解帧 4 路数据 图1 通信系统的模型 2 编帧设计及其仿真 数据在网络上是以很小的称为帧（Frame）的单位传输的，帧由几部分组成，如帧头、 帧数据等 [1] ，不同的部分执行不同的功能。在实时应用中，对帧格式的编帧和解帧涉及到的 主要问题和要解决的主要参数指标是：编帧和解帧的速度、同步等。在接收端为了帧同步， 这就需要在输出的串行数码流中适当插入一些比特：同步字、特征字。在发送端将编帧后的 数据进行发送，以便在接收端可以验证信息传输的正确性，即对输入的串行数据进行编码为 某种固定的帧格式。设计要完成的就是在接收端对接收到的以一定帧格式编码的数据流进行 解码，还原出原数据，以原来的发送速度和顺序解出。本设计中帧结构框图如图2所示。 7 bit 9 bit 9 bit 9 bit 9 bit SYS A0 B0 A1 B1 A2 B2 A3 B3 1 0 1 1 0 1 0 8 bit A3 .• • • • • • • • 8 bit 图 2 帧结构图 图 2 中 SYS：1011010 为 7 位帧头标志位；每一帧包含有 4 个数据块 B1～B4， 每个数 据块之前由 1bit 的标志位引导，4 组共计 32 位数据。特征标志位 A1～A4 排列顺序为 1010， 为 4 个特殊标志位数据，共有 4 bit 数据；一帧数据共有 4*8+4+7=43 bits 数据。 SEND 模块实现帧的发送，主要用状态机来实现，分为三个状态：发送帧头、发送标志 位、发送数据，根据帧结构的发送需要。用 Verilog HDL [ 4] 编写相应的程序在 Quartus II 5.1 编译通过后生成的状态转移图如图 3 所示。 由状态转移图可以看出该模块的工作流程为：首先发送帧头标志位，即 1011010 的二进 制序列；发送帧头标志位后接着状态跳转到发送帧特殊标志位；发送一位标志位开始发送数 据，发送完一个 8 bit 数据块后，又跳转到发送帧特殊标志位状态；直到发送完一帧的 43 bit 数据后，跳转到发送帧头状态，整个数据发送就是一个不断循环的过程。 

图 3 发送模块状态转移图 在进行编译后，对其进行模拟仿真验证其功能正确与否，需要对比原始数据和编帧后的 输出数据。设原始数据流的前 8 bit 数据为 1000_1001 的二进制序列，如图 4 左图所示。从 图 4 左右图可以看出，输出数据与原始数据一致。这部分的原始数据对应图 1 中的数据块 B1，经过编帧以后输出帧的波形如图 4 所示，首先是发送帧头序列 1011010，接着发送第一 位标志位 A1，A1 的值为 1，A1 后边紧跟着的就是的一块待发送的数据 B1，B1 数据块应该 与原始数据序列的前 8 bit 一致，经过对比可知数据块 B1 与预先设置数据序列是完全一致的， 编帧正确。 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0 1 0 0 1 帧头 数据 B1 标志位 A1 3 解帧设计 图 4 原始数据序列和编帧数据序列 解帧主要是从已编帧结构中解帧出原始数据，即编帧的逆过程，就是从一帧中 43 个数 据里面恢复出原始的 32 个数据比特流。解帧过程需要去掉帧头和每个数据块前面的帧特殊 标志位。解帧模块主要采用状态机的编程方法，对输入的数据序列进行监测，首先监测帧头 1011010，以获得帧同步；帧头同步以后进行标志位删除，然后才接收块数据。解帧模块编 译通过后生成的状态转移图如图 5 所示。 由图 5 可以看出 detector 模块有９个状态转移图，其中 IDLE（默认状态）、A、B、C、 图 5 接收模块状态转移图 

D、E、为帧头检测状态，分别对应着帧头 7 个比特（1011010）数据，如处于 F 状态则意味 着已经同步，接收端可以接收数据；DATA 为接收数据，FLAG 检测帧特殊标志位。 4 硬件验证 将发送系统和接收系统连接，验证整个数据通信系统功能的正确性。将整个工程文件下 载到两块 DE2 开发板上，并用两根同轴电缆连接起来，进行测试，通过示波器观察得到相 应的波形图。图 6、7 为数码相机所拍摄的单路通信时的 MSK 调制后和解调出来的波形。 图 6 MSK 调制输出波形 图 7 MSK 解调输出波形 测试数据：从上面波形可以看出，解调输出与原来基带信号一致，示波器显示出来的波 形达到了预期效果。调制输出波形具有相位连续性，解调输出波形好，没有毛刺信号，波形 稳定，带外外干扰小，抗干扰性能好。如果增加发送数据的时钟频率，在同步的情况下可以 达到更高的传输速率，具有较广的速率调节范围。 5 结束语 本文作者创新点:本文将数字MSK调制应用到实际的通信系统中。采用状态机的思想进 行编帧和解帧，进行了模拟仿真，并在硬件上实现本设计，设计结果表明基于数字MSK调 制的双工复接通信系统在实际应用上是可行的，具有一定的应用价值。特别带宽利用少，节 约了宝贵的频带资源，复接可以增加通信容量，是值得研究的方向。 参考文献： [1] 曹志刚,钱亚生等.现代通信原理[M].北京:清华大学出版社,2004． [2] 段吉海,胡媛媛.基于VHDL的MSK调制解调器的建模与设计[J].微计算机信息,2006, 7-2,205-207. [3] 段吉海,黄智伟.基于CPLD/FPGA的数字通信建模与设计[M].北京:电子工业出版社. 2004. 105-204 [4] 江国强.EDA技术与应用[M].北京:电子工业出版社.2004. 105-157