CN102594750B

CN102594750B - 产生中波段调制信号的方法

Info

Publication number: CN102594750B
Application number: CN201210035571.XA
Authority: CN
Inventors: 吴桂琴; 黄奇家; 郑振端
Original assignee: Fujian Xinghai Communication Technology Co Ltd
Current assignee: Fujian Xinghai Communication Technology Co Ltd
Priority date: 2012-02-15
Filing date: 2012-02-15
Publication date: 2016-06-15
Anticipated expiration: 2032-02-15
Also published as: CN102594750A

Abstract

本发明涉及一种产生中波段调制信号的方法。它包括频率控制字选择器、频率合成器1、FIR补偿滤波器和CIC滤波器I路、FIR补偿滤波器和CIC滤波器Q路、频率合成器2；所述频率控制字选择器与频率合成器1连接，所述FIR补偿滤波器和CIC滤波器I路的一端以及所述的FIR补偿滤波器和CIC滤波器Q路的一端分别与频率合成器1连接，所述FIR补偿滤波器和CIC滤波器I路的另一端以及所述FIR补偿滤波器和CIC滤波器Q路的另一端与频率合成器2连接。将最小频移键控调制信号应用在中波段，减少非线性产物的产生。最小频移键控(MSK)调制信号本身的频谱比较集中，主频突出，有利于提高信道频带利用率，减少邻道干扰。

Description

产生中波段调制信号的方法

技术领域

本发明涉及一种中波段产生调制信号的方法。

背景技术

目前中波段产生的调制信号是以模拟电路也即脉宽调制器的方式实现的，如图1脉宽调制器原理框图所示。脉宽调制器的作用是产生携带音频信息的脉宽调制信号(SPWM)去驱动调制功放。

脉宽调制的主要原理是利用音频正弦波对三角波进行调制，得到一个幅度相同、脉冲宽度变化的脉冲串，这个脉冲串的脉宽随着音频信号的变化而变化，因而它带有音频信息。目前正弦波的产生部分使用模拟电路来实现的，模拟电路实现方式体积大，速度慢，作为发射机信号源产生模块，对大信号大功率的抗干扰能力没有数字实现方式优越，在现有中波导航机中，大信号对小信号干扰的解决是设计中考虑的关键。模拟电路实现方式对元器件性能的精确选择要求也是极高的，过小电路工作不稳定，过大电路会浪费器件成本且效率降低，在能正常工作的前提下选择有一定余量参数的元器件是比较重要的，还有印制电路板(PCB)布局和焊接等等因素都会使模拟电路工作不稳定。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用软件无线电技术产生中波段调制信号的方法，提高了可编程性，缩小了中波段机器的体积，提高了数据的处理速度。

本发明的目的通过如下技术方案实现：它包括频率控制字选择器、频率合成器1、FIR补偿滤波器和CIC滤波器I路、FIR补偿滤波器和CIC滤波器Q路、频率合成器2；所述的频率控制字选择器与频率合成器1连接，所述的FIR补偿滤波器和CIC滤波器I路的一端以及所述的FIR补偿滤波器和CIC滤波器Q路的一端分别与频率合成器1连接，所述的FIR补偿滤波器和CIC滤波器I路的另一端以及所述的FIR补偿滤波器和CIC滤波器Q路的另一端与频率合成器2连接。

经串口输出的二进制码元0和1，首先输入频率控制字选择器进行频率控制字运算，根据频率合成器原理(市售的成品说明书中附有该公式)，由于最小频移键控信号(MSK)对应两个频率分别为码元0对应的频率合成器1(NCO)输出频率1和码元1对应的频率合成器1(NCO)输出频率2，根据上述公式计算频率控制字0和频率控制字1，鉴于频率合成器1(NCO)工作原理输出信号为两个频率的且相位连续的余弦波(同相分量)和正弦波(正交分量)，也即频率合成器1输出的两组基带信号，频率分别为1.2KHz和1.8KHz。将同相分量与梳状滤波补偿滤波器(CFIR)、梳状滤波器(CIC)I路进行内插低通滤波，将正交分量与经梳状滤波补偿滤波器(CFIR)、梳状滤波器(CIC)Q路进行内插低通滤波，分别滤除高频信号分量和寄生分量，经滤波I路与频率合成器2余弦信号相乘得到的信号，再减去经滤波Q路与频率合成器2正弦信号相乘的信号，这样就得到了中波段最小频移键控(MSK)调制信号。这里频率合成器2的频率变化范围在400KHz-640KHz。

本发明采用了软件无线电的方式产生中波调制信号。与现有模拟调制方式相比，本数字实现方式应用了软件无线电的概念，已构造了一个具有标准化、模块化、开放性的硬件平台，这样的平台可以将软件部分进行更新换代，填补了中波工作频段软件无线电技术的空白。软件无线电技术的好处在于让硬件平台尽可能的靠近天线，以充分实现数字化，提高可编程性，缩小了中波段机器的体积，以及提高了数据的处理速度。软件无线电技术实现方式在现代技术通信中占有重要地位，更是未来通信乃至未来无线电技术的主要发展方向。

目前的可编程逻辑门阵列(FPGA)器件的使用，对软件无线电系统的发展有着重要的作用，本发明就是在此硬件平台上实现的。本发明中包含了软件无线电系统中的重要数字调制技术--最小频移键控(MSK)，克服了一般频移键控信号相位不连续、频偏较大的等缺点，最小频移键控调制信号更加有利于在非线性特性的信道中传输，其功率谱特性主瓣窄、带外辐射小的优点，得到了广泛的应用，在中波段采用此调制方式，适合非线性调制功放，提高了机器的功率利用率。因此我们在本发明中选用了最小频移键控调制方式来实现中波段基带调制信号。

本发明的优点：

(1)将最小频移键控(MSK)调制信号应用在中波段，将其通过非线性功放放大传输，减少非线性产物的产生。这是一类恒定包络的调制信号，它的PAR(峰均比)～＝0dB，其在放大器上应用的要求比较低，因为其信号不会超过P1dR点而把放大器推入饱和区，所以可以使用非线性功放来实现，适用于非线性功放功率放大并高效利用其功率通信或导航。

(2)最小频移键控(MSK)调制信号本身的频谱比较集中，主频突出，也没有带外滋生频谱。完全有利于提高信道频带利用率，减少邻道干扰。根据最小频移键控调制信号(MSK)的第一旁瓣峰值比主瓣峰值约低23dB，旁瓣功率谱密度按f^-4规律下降，信号频带窄，带外辐射也较小的特点，在中波段数据通信中采用MSK调制方式提高信道频带利用率，减小邻道干扰是非常有利的。

附图说明

图1是现有的采用脉宽调制器产生中波段调制信号原理的结构示意图。

图2是本发明结构原理框图。

图3是本发明的软件流程图。

图4是本发明实施例1的在频率合成器中的参数设置示意图。

图5是实施例1的在Implementation选项卡中勾选FrequencyModulationInput项的界面的参数设置示意图。

图6是实施例1的梳妆滤波器(CIC)的参数设置示意图。

图7是实施例1的补偿滤波器界面的参数设置示意图。

图8是实施例1所得到的中波段调制信号的波形图。

图9是实施例1所得到的中波段调制信号的频谱。

图10是实施例2的在频率合成器中的参数设置示意图。

图11是实施例2的在Implementation选项卡中勾选FrequencyModulationInput项的界面的参数设置示意图。

图12是实施例2的梳妆滤波器(CIC)的参数设置示意图。

图13是实施例2的滤波器IP核参数设置示意图。

图14是实施例2所得到的中波段调制信号的波形图。

图15是实施例2所得到的中波段调制信号的频谱。

其中：图4中的英文的中文意思：parameters：参数设置；GenerationAlgorithm：一般算法；SmallROM：小容量只读存储器；LargeROM：大容量只读存储器；CORDIC：反正切算法；Multiplier-Based：基于多乘法器的；Precisions：精度；PhaseAccumulatorPrecision：相位累加精度；AngularResolution：角度分辨率；MagnitudePrecision：数量级精度；PhaseDithering：相位抖动；ImplementPhaseDithering：实现相位抖动；DitherLevel：抖动程度；GeneratedOutputFrequencyParameters：产生输出频率参数设置；ClockRate：时钟速率；DesiredOutputFrequency：要求输出频率；PhaseIncrementValue：相位增加值；RealOutputFrequency：实际输出频率

图5中的英文的中文意思：Implementation：实现方式；FrequencyModulationInput：频率调制输入；ModulatorResolution：调制器分辨率；ModulatorPipelineLevel：调制等级；DeviceFamily：设备族；PhaseModulation：相位调制；PhaseModulationInput：相位调制输入；ModulatorPrecision：调制器精度；ModulatorPipelineLevel：调制等级；Multi-ChannelNCO：多通道频率合成；NumberofChannels：通道数；Outputs：输出；DualOutput：双输出；SingleOutput：单输出；ResourceEstimate：资源估计；NumberofChannels：通道数；Target：设备族范围。

图6中的英文的中文意思：ParameterSettings：参数设置；EDA：电子设计自动化；Summary：摘要；About：关于；Documentation：使用文档；Architecture：结构；FilterSpecifications：滤波器规格；Filtertype：滤波器类型；NumberofStages：阶数；DifferentialDelay：微分延迟；Ratefactor：比率因子；VariableRateFactorOptions：可变比率因子选择；EnableVariableRateFactor：使用可变比率因子；Multi-channelOptions：多通道选择；Numberofinterfaces：接口数；Numberofchannelsperinterfaces：每个接口通道数；

图7中的英文的中文意思：注：CoefficientsGeneratorDialog：系数产生图；Coefficients：系数；Time：时间；Value：值；Name：名称；FloatingCoefficientSet：浮点系数设置；RateSpecification：比率规格；AutoGenerate：自动生成；ImportedCoefficientSet：导入系数设置；File：导入文件路径；Browse：浏览；Apply：应用；Cancel：取消；OK：确定；

注：图10-图15中英文表示的中文意思对应图4-图9中已表示。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明内容进行详细说明：

如图2和3所示为本发明提供的一种实施例示意图。本发明软件实现具体流程图如下图3所示，每来一个系统时钟判断输入二进制码元是否为‘0’，‘0’时选择高精度32位频率合成器需要的频率控制字0，否则选择频率控制字1，作为频率合成器1(NCO)的输入，根据频率合成器1工作原理得到基带正弦信号(正交分量)及基带余弦信号(同相分量)。由于NCO是通过相位累加和查表方式产生数字波形，因此改变频率控制字时，其输出相位始终能保持连续，这就避免了MSK调制过程计算相位补偿因子的过程，从而使MSK调制过程得到了简单化。

中频数字调制部分将基带同相分量与梳状滤波补偿滤波器(CFIR)和梳状滤波器(CIC)I路进行内插低通滤波，将基带正交分量与经梳状滤波补偿滤波器(CFIR)和梳状滤波器(CIC)Q路进行内插低通滤波，分别滤除高频信号分量和寄生分量，经滤波I路与频率合成器2余弦信号相乘得到的信号，再减去经滤波Q路与频率合成器2正弦信号相乘的信号，这样就得到了中波段最小频移键控(MSK)调制信号。

中频数字调制部分就是将基带信号调制到中频载波上去的过程。是数字上变频的实现，内插滤波器这里采用了CIC滤波器以及其补偿滤波器来实现，主要是滤除内插后引起的各次“镜频”分量，让基带分量通过，所以数字正交上变频的内插滤波器是一种低通滤波器。输入到该滤波器的数据速率是内插后的速率，高速率会使滤波器实现起来有难度，所以一般采用CIC这种高效滤波器实现。这里采用4.096MHz的采样速率，进行四倍内插滤波，最终得到16.384MHz高采样率MSK调制信号，并在频率合成器(NCO)频率偏移端输入改变频率控制字，改变频率范围：400KHz-640KHz。

实施例1：

根据频率合成器计算频率控制字原理(成品说明书中附有该公式)，这里n＝16，频率合成器1输入频率为(T_s为一个码元周期，为设置频率合成器1输出频率为4096KHz。频率控制字0＝+频率控制字，频率控制字1＝-频率控制字。串口输入码元0在频率选择器中选择频率控制字0，码元1选择频率控制字1。在频率合成器的参数设置中，如图4所示设置：相位累加精度为16；角度分辨率为12；数量级精度为12；抖动程度可拉选；时钟速率为4096kHz；要求输出频率为1.5kHz；相位增加值为24；实际输出频率为1.5kHz。(T_s为一个码元周期，m为正整数；m＝1，2，3……)，当m＝5时，f_c＝1.5KHz，也即图4中DesiredOutputFrequency项为1.5KHz，时钟项设置为4096KHz。如图5中，在Implementation选项卡中勾选FrequencyModulationInput项，设置调制器分辨率为16、调制等级为1、NumberofChannels(通道数)为1。设置完频率合成器1(NCO)后点击生成IP核，在IP核的fre_mod_i[15..0]输入端与频率控制字选择器的输出端连接。这样码元0就对应(最小频移键控信号(MSK)基本工作原理说明中附有该公式)，得f₂＝1.2KHz；码元1对应(最小频移键控信号(MSK)基本工作原理说明中附有该公式)，得，f₁＝1.8KHz，也即频率合成器1输出的两个相位连续频率分量，而频率合成器1输出同相分量和正交分量只是相位上相差90°，且都具有两个相位连续的频率成分。所以I支路和Q支路的处理方式是一样的，这里只选择I支路介绍。

频率合成器1的同相分量给梳妆滤波器及其补偿滤波器的输入端，设置梳妆滤波器(CIC)的参数如图6所示：Filtertype为Interpolator；NumberofStages为3；Differentialdelay为1；Ratefactor为4；Numberofinterfaces为1；Numberofchannelsperinterfaces为1；然后点击下一步直到生成了IP核。在IP核所在文件夹中找到CIC_fir_comp_coeff.m文件，打开MATlab软件并加入此文件后运行，根据提示操作设置参数后，把生成的CIC_fir_comp_coeff.txt文件放到工程目录中，打开补偿滤波器，按图7所示地方加载.txt文件后退出，完成滤波器IP核参数设置。将I支路的输出与频率合成器2的同相输出端相乘运算，得到输出V1，Q支路的输出端与频率合成器2的正交分量输出端相乘运算，得到输出V2，根据公式cosω_ctcosω_it-sinω_ctsinω_it＝cos(ω_c+ω_i)t(高等数学课本公式)，将得到的值V1减去V2(V1-V2)，即可得到如图8所示的正弦波形。频谱如图9所示：经过固定频率滤波后的频谱，中心频率300Khz，频率跨度100Khz时的中波段最小频移键控(MSK)调制信号频谱扩散延伸是距中心频率15Khz，频谱扩散不集中，增大了对邻近信道的干扰。

实施例2：

根据频率合成器计算频率控制字原理(成品说明书中附有该公式)，这里n＝32，频率合成器1输入频率为(T_s为一个码元周期，为设置频率合成器1输出频率为4096KHz。频率控制字0＝+频率控制字，频率控制字1＝-频率控制字。串口输入码元0在频率选择器中选择频率控制字0，码元1选择频率控制字1。在频率合成器的参数设置中，如图10所示设置：(T_s为一个码元周期，m为正整数；m＝1，2，3……)，当m＝5时，f_c＝1.5KHz，也即图中DesiredOutputFrequency项为1.5KHz，时钟项设置为4096KHz。在Implementation选项卡中勾选FrequencyModulationInput项，如图11所示：设置完频率合成器1(NCO)后点击生成IP核，在IP核的fre_mod_i[15..0]输入端与频率控制字选择器的输出端连接。这样码元0就对应(最小频移键控信号(MSK)基本工作原理说明中附有该公式)，得f₂＝1.2KHz；码元1对应(最小频移键控信号(MSK)基本工作原理说明中附有该公式)，得，f₁＝1.8KHz，也即频率合成器1输出的两个相位连续频率分量，而频率合成器1输出同相分量和正交分量只是相位上相差90°，且都具有两个相位连续的频率成分。所以I支路和Q支路的处理方式是一样的，这里只选择I支路介绍。

频率合成器1的同相分量给梳妆滤波器及其补偿滤波器的输入端，设置梳妆滤波器(CIC)的参数如图12所示；点击下一步直到生成了IP核。在IP核所在文件夹中找到CIC_fir_comp_coeff.m文件，打开MATlab软件并加入此文件后运行，根据提示操作设置参数后，把生成的CIC_fir_comp_coeff.txt文件放到工程目录中，打开补偿滤波器，按图13所示地方加载.txt文件后退出，完成滤波器IP核参数设置。

将I支路的输出与频率合成器2的同相输出端相乘运算，得到输出V1，Q支路的输出端与频率合成器2的正交分量输出端相乘运算，得到输出V2，根据公式cosω_ctcosω_it-sinω_ctsinω_it＝cos(ω_c+ω_i)t(高等数学课本公式)，将V1-V2(将V1值减去V2值)，得到如图14所示的波形。频谱如图15所示；经过固定频率滤波后的频谱，中心频率300Khz，频率跨度100Khz时的中波段最小频移键控(MSK)调制信号频谱扩散延伸是距中心频率5Khz，频谱比较集中，减少了对邻近信道的干扰，实际使用时已经选择了最佳的参数设置。

软件无线电的核心是把硬件作为无线通信的基本平台，把尽可能多的通信功能用软件来实现，本发明的基本思想也是这样的。本发明在软件无线电平台可编程逻辑门阵列(FPGA)中烧写软件程序，将其与硬件结合起来使用。通过软件的更新、加载可以增加新的功能、适应新的通信模式；同时具有很强的开放性和可扩展性，采用标准化、模块化软硬件体系结构。

本发明的用途：应用在中波通信领域，还可以作为导航的载波信号。代替脉宽调制器中的正弦波产生部分，使实现导航载波信号变得更加简单化，体积也大大缩减。

Claims

1.一种产生中波段调制信号的方法，其特征在于：它包括频率控制字选择器、频率合成器1、FIR补偿滤波器和CIC滤波器I路、FIR补偿滤波器和CIC滤波器Q路、频率合成器2；所述的频率控制字选择器与频率合成器1连接，所述的FIR补偿滤波器和CIC滤波器I路的一端以及所述的FIR补偿滤波器和CIC滤波器Q路的一端分别与频率合成器1连接，所述的FIR补偿滤波器和CIC滤波器I路的另一端以及所述的FIR补偿滤波器和CIC滤波器Q路的另一端与频率合成器2连接；

经串口输出的二进制码元0和1，首先输入频率控制字选择器进行频率控制字运算，根据频率合成器原理，由于最小频移键控信号对应两个频率分别为码元0对应的频率合成器1输出频率1和码元1对应的频率合成器1输出频率2，根据上述公式计算频率控制字0和频率控制字1；鉴于频率合成器1工作原理输出信号为两个频率的且相位连续的余弦波即同相分量和正弦波即正交分量,也即频率合成器1输出的两组基带信号，频率分别为1.2KHz和1.8KHz；将同相分量与FIR补偿滤波器和CIC滤波器I路进行内插低通滤波，将正交分量与经FIR补偿滤波器和CIC滤波器Q路进行内插低通滤波，分别滤除高频信号分量和寄生分量，经滤波I路与频率合成器2余弦信号相乘得到的信号，再减去经滤波Q路与频率合成器2正弦信号相乘的信号，这样就得到了中波段最小频移键控调制信号,这里频率合成器2的频率变化范围在400KHz-640KHz。

2.根据权利要求1所述的产生中波段调制信号的方法，其特征在于：所采用的软件流程为：每来一个系统时钟判断输入二进制码元是否为‘0’，‘0’时选择高精度32位频率合成器需要的频率控制字0，否则选择频率控制字1，作为频率合成器1的输入，根据频率合成器1工作原理得到基带正弦信号即正交分量及基带余弦信号即同相分量；

中频数字调制部分将基带同相分量与梳状滤波补偿滤波器和梳状滤波器CIC的I路进行内插低通滤波，将基带正交分量与经梳状滤波补偿滤波器CFIR和梳状滤波器CIC的Q路进行内插低通滤波，分别滤除高频信号分量和寄生分量，经滤波I路与频率合成器2余弦信号相乘得到的信号，再减去经滤波Q路与频率合成器2正弦信号相乘的信号，这样就得到了中波段最小频移键控MSK调制信号。

3.根据权利要求1所述的产生中波段调制信号的方法，其特征在于：根据频率合成器计算频率控制字原理，这里n＝32，频率合成器1输入频率为其中T_s为一个码元周期，为设置频率合成器1输出频率为4096KHz；频率控制字0＝+频率控制字，频率控制字1＝-频率控制字；串口输入码元0在频率选择器中选择频率控制字0，码元1选择频率控制字1；在频率合成器的参数设置中设置：其中T_s为一个码元周期，m为正整数；m＝1,2,3……，当m＝5时，f_c＝1.5KHz，也即DesiredOutputFrequency项为1.5KHz,时钟项设置为4096KHz；在Implementation选项卡中勾选FrequencyModulationInput项，设置完频率合成器1后点击生成IP核，频率合成器1的IP核输入端与频率控制字选择器的输出端连接；这样码元0就对应得f₂＝1.2KHz；码元1对应得,f₁＝1.8KHz，也即频率合成器1输出的两个相位连续频率分量，而频率合成器1输出同相分量和正交分量只是相位上相差90°，且都具有两个相位连续的频率成分；所以I支路和Q支路的处理方式是一样的，这里只选择I支路介绍；

频率合成器1的同相分量给梳妆滤波器及其补偿滤波器的输入端，设置梳妆滤波器CIC的参数；点击下一步直到生成了IP核；在IP核所在文件夹中找到CIC_fir_comp_coeff.m文件，打开MATlab软件并加入此文件后运行，根据提示操作设置参数后，把生成的CIC_fir_comp_coeff.txt文件放到工程目录中，打开补偿滤波器，加载.txt文件后退出，完成滤波器IP核参数设置；

将I支路的输出与频率合成器2的同相输出端相乘运算，得V1，Q支路的输出端与频率合成器2的正交分量输出端相乘运算，得V2，根据公式cosω_ctcosω_it-sinω_ctsinω_it＝cos(ω_c+ω_i)t，将得到的值V1-V2，得到正弦波形和相应的频谱；经过固定频率滤波后的频谱，中心频率300Khz，频率跨度100Khz时的中波段最小频移键控MSK调制信号频谱扩散延伸是距中心频率5KHz。