CN103441976B - 基于dds相位累加器地址修正的msk调制信号生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于DDS相位累加器地址修正的MSK调制信号生成方法。其实现步骤是：（1）设定产生载波与数据DDS信号的各个相位累加器值；（2）读入N位并行数据并进行串并转换后得到串行序列Y；（3）分别调整Q路数据输出地址和I路数据输出地址；（4）计算I、Q路的DDS数据输出地址最终值，并更新I、Q路的地址基值和载波输出地址最终值；（5）通过I、Q路的DDS数据输出的地址最终值和载波输出地址最终值产生I、Q路的DDS数据信号与载波信号，并输出数据码元的MSK信号；（6）储存数据码元的MSK信号并调整数据指针，输出整个序列Y的MSK信号。本发明具有实现步骤简单，运算误差及错误率小的优点，可用于无线电通信中。

Description

基于DDS相位累加器地址修正的MSK调制信号生成方法

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，特别涉及一种最小移频键控MSK调制信号的生成方法，可用于无线电通信中。

背景技术

最小移频键控MSK调制是恒包络调制方式的一种，能够产生包络恒定、相位连续的调制信号。由于一般移频键控FSK调制形式处理的信号相位不连续、频偏较大等原因使其频谱利用率较低，而MSK是具有调制指数仅为0.5的FSK调制形式，具有相邻码元间相位连续，带宽窄，频谱主瓣能量集中，旁瓣能量衰减快，频带利用率高的优点，被广泛用于无线电通信领域。

常用的MSK调制信号产生方法主要有传统MSK调制信号生成方法和基于声表面波滤波器的冲激法，其中：

传统MSK调制信号生成方法的原理如图1所示，其信号生成公式如下所示：

y_msk＝cos 2πf_ct·(C_2k·cosπf_bt)-sin 2πf_ct·(C_2k+1·sinπf_bt)

式中，y_msk代表MSK调制信号，T_b和f_b分别代表数据码元周期和频率，f_c代表载波频率，C_2k、C_2k+1是两路时间延迟相差半个码元周期的双极性不归零码(-1、+1)。这种传统的MSK调制信号生成方法进行MSK信号调制时，必须按顺序通过差分编码、串并变换、信号基带正交合成、信号载波正交合成与信号相减这5个步骤，其实现步骤较为复杂并会产生一些不必要的杂波信号干扰MSK调制信号的生成。

基于声表面波滤波器的冲激法，是将脉冲响应固化到声表面波滤波器中，只要用由基带信号控制的脉冲进行激励就能输出所需的MSK信号，这种方法从线路程式上看，虽然电路设计较为简单，但其却很难产生具有一定幅度的窄脉冲。

发明内容

本发明的目的在于克服针对上述已有技术的不足，提出了一种基于DDS相位累加器地址修正的MSK调制信号生成方法，以简化MSK信号调制的生成步骤，控制不必要的杂波信号干扰，提高MSK调制信号的性能。

为实现上述目的，本发明包括如下步骤：

(1)设定产生载波与直接数字频率合成DDS数据信号的I，Q两路相位累加器的载波输出地址最终值分别为：addr_Ib＝addr_0I，addr_Qb＝addr_0Q，修正值分别为：addr_jI和addr_jQ；其中，addr_jI和addr_0I分别为I路相位累加器的地址修正值与初值；addr_jQ和addr_0Q分别为Q路相位累加器的地址修正值与初值；

(2)读入一个N位并行数据，对其进行并串转换后得到串行序列Y＝{Y₁,Y₂,Y₃,…,Y_N}，其中，Y_n∈{0,1}，n＝1,2,…,N，并设定串行序列初值Y₀＝1，Y的数据指针为k，k的初始值为0，最大值为N；设定Y的总周期为T，Y中的每个数据码元Y_n的周期为T_b。

(3)调整Q路数据输出地址，若mod(T,T_b)≠0，则直接执行步骤(4)，mod为两数取其余，括号中前者为被除数，后者为除数；若mod(T,T_b)＝0，则从串行序列Y中取出Y_2k+1和Y_2k两个连续的数，调整Q路修正值addr_jQ后，再执行步骤(4)：

${\mathrm{addr}}_{jQ}=\left\{\begin{array}{cc}0& |Y_{2k+1}-Y_{2k}|=0\\ {\mathrm{addr}}_{max}/2& |Y_{2k+1}-Y_{2k}|=1\end{array}\right.$

其中addr_max为角函数表的最大寻址容量；

(4)调整I路数据输出地址，若mod(T,T_b)≠T_b/2，则直接执行步骤(5)；若mod(T,T_b)＝T_b/2，则从Y中取出Y_2k+2和Y_2k+1两个连续的数，调整I路修正值addr_jI后，再执行步骤(5)：

${\mathrm{addr}}_{jI}=\left\{\begin{array}{cc}0& |Y_{2k+2}-Y_{2k+1}|=0\\ {\mathrm{addr}}_{max}/2& |Y_{2k+2}-Y_{2k+1}|=1\end{array}\right.$

(5)计算并更新I、Q路的地址值：

(5a)分别输入I路的地址基值addr_bIa和Q路的地址基值addr_bQa，并根据步骤(3)和步骤(4)得出的I、Q路地址修正值，计算I、Q路的DDS数据输出地址最终值addr_Ia、addr_Qa：

$\left\{\begin{array}{c}add{r}_{Ia}=\mathrm{mod}(add{r}_{bIa}+add{r}_{jI},add{r}_{\max })\\ add{r}_{Qa}=\mathrm{mod}(add{r}_{bQa}+add{r}_{jQ},add{r}_{max})\end{array}\right.$

(5b)分别将I路的地址基值addr_bIa、Q路的地址基值addr_bQa、I路载波输出地址最终值addr_Ib和Q路载波输出地址最终值addr_Qb更新为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{addr}}_{bIa}=\mathrm{mod}({\mathrm{addr}}_{bIa}+{\mathrm{addr}}_{ca},{\mathrm{addr}}_{\max })\\ {\mathrm{addr}}_{bQa}=\mathrm{mod}({\mathrm{addr}}_{bQa}+{\mathrm{addr}}_{ca},{\mathrm{addr}}_{\max })\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}add{r}_{Ib}=\mathrm{mod}(add{r}_{Ib}+add{r}_{ca},add{r}_{\max })\\ add{r}_{Qb}=\mathrm{mod}(add{r}_{Qb}+add{r}_{ca},add{r}_{\max })\end{array}\right.$

式中，addr_ca、addr_cb分别为DDS数据和载波的频率控制字；

(6)判断mod(T,1/f_c)是否为0，若mod(T,1/f_c)≠0，则直接执行步骤(7)，若mod(T,1/f_c)＝0，则先产生I、Q两路的载波y_cI与y_cQ及DDS数据信号y_dI与y_dQ，再求每个数据码元Y_n的MSK输出信号y_msk后，执行步骤(7)：

$\left\{\begin{array}{c}{y}_{cI}=mem\left(add{r}_{Ib}\right)\\ y_{cQ}=mem\left(add{r}_{Qb}\right)\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{y}_{dI}=mem\left({\mathrm{addr}}_{Ia}\right)\\ y_{dQ}=mem\left({\mathrm{addr}}_{Qa}\right)\end{array}\right.$

y_msk＝y_cI·y_dI-y_cQ·y_dQ

式中，f_c为载波频率；

(7)将步骤(6)计算的数据码元Y_n的MSK输出信号y_msk值储存到寄存器中，每储存一次则对数据指针k加1，并计算MSK调制信号的总周期T＝T-T_b，判断mod(T,T_b/2)是否为0：若mod(T,T_b/2)≠0，返回步骤3；若mod(T,T_b/2)＝0且k＝(N/2)–1则停止循环并输出数据序列Y生成的MSK调制信号波形。

本发明具有以下的优点：

1、本发明通过DDS相位累加器产生三角函数信号，使得MSK调制信号生成步骤中既不需要生成差分码，也不需要生成补码，简化了MSK调制信号生成步骤；

2、本发明通过对DDS相位累加器进行地址修正，在信号基带正交合成步骤中实现了用两次加法代替两次乘法的运算，减少了运算误差和数据存储位数，降低了MSK调制信号生成的误差率和错误率。

附图说明

图1为传统方法生成的MSK调制信号示意图；

图2为本发明基于DDS相位累加器地址修正生成的MSK调制信号示意图；

图3为本发明基于DDS相位累加器地址修正生成的MSK调制信号流程图；

图4为本发明中生成DDS数据信号的示意图；

图5为用本发明对输入数据序列Y生成的MSK调制信号波形图。

具体实施方式

一.技术原理：

如图2所示，直接频率合成DDS信号是通过使用相位累加器查询存储三角函数波形信息的存储表来生成波形，如图4所示。

MSK调制信号是通过输入的数据对I、Q两路信号进行相位调制来生成波形的，其中I、Q两路信号如下所示：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_{2k}\·cos\mathrm{\π}{f}_{b}t=cos(\mathrm{\π}{f}_{b}t+0.5\left(1-C_{2k}\right)\mathrm{\π})\\ C_{2k+1}\·sin\mathrm{\π}{f}_{b}t=sin(\mathrm{\π}{f}_{b}t+0.5\left(1-C_{2k+1}\right)\mathrm{\π})\end{array}\right.$

式中，f_b为数据码元频率，C_2k、C_2k+1分别是I、Q路时间延迟相差半个码元周期的双极性不归零码。

本发明将三角函数信号与C_2k、C_2k+1相乘，等同于对三角函数进行以半周期为π的相位调整即：

$\left\{\begin{array}{c}\cos ({\mathrm{\πf}}_{b}t+0.5(1-C_{2k}\left)\mathrm{\π}\right)=mem\left(\mathrm{mod}\right({\mathrm{addr}}_a+{\mathrm{addr}}_{\max }/4+0.5\left(1-C_{2k}\right)\·{\mathrm{addr}}_{\max }/2,{\mathrm{addr}}_{\max }\left)\right)\\ \sin ({\mathrm{\πf}}_b+0.5(1-C_{2k+1}\left)\mathrm{\π}\right)=mem\left(\mathrm{mod}\right({\mathrm{addr}}_a+0.5\left(1-C_{2k+1}\right)\·{\mathrm{addr}}_{\max }/2,{\mathrm{addr}}_{\max }\left)\right)\end{array}\right.$

式中，mem(x)代表根据地址指针值x在三角函数数值表中取值的运算，mod(x,y)代表取模运算，addr_a为相位累加器的地址输出值，addr_max为三角函数表的最大寻址容量。

本发明通过DDS信号使用相位累加器查询三角函数数值表，对输出的地址输出值addr_a做π/2调整，即在addr_a加上addr_max/4，然后将输入数据Y代入已经修正的地址输出值中，得到MSK调制信号：

$\left\{\begin{array}{c}\cos ({\mathrm{\πf}}_{b}t+0.5(1-C_{2k}\left)\mathrm{\π}\right)=mem\left(\mathrm{mod}\right({\mathrm{addr}}_a+{\mathrm{addr}}_{\max }/4+|Y_{2k}-Y_{2k-1}|\·{\mathrm{addr}}_{\max }/{\mathrm{addr}}_{\max }\left)\right)\\ \sin ({\mathrm{\πf}}_{b}t+0.5(1-C_{2k+1}\left)\mathrm{\π}\right)=mem\left(\mathrm{mod}\right({\mathrm{addr}}_a+|Y_{2k+1}-Y_{2k}|\·{\mathrm{addr}}_{\max }/2,{\mathrm{addr}}_{\max }\left)\right)\end{array}\right.,$

其中，|Y_2k-Y_2k-1|等同于I路信号产生的0.5(1-C_2k)，而|Y_2k+1-Y_2k|等同于Q路信号产生的0.5(1-C_2k+1)。

二.实现步骤：

参照图3，以8位并行数据输入的情况为例，对本发明的实现步骤描述如下：

步骤1，设定参数。

设定产生载波与直接数字频率合成DDS数据信号的I路相位累加器的载波输出地址最终值为：addr_Ib＝addr_0I，I路载波输出地址修正值为：addr_jI；I路相位累加器地址基值为：addr_bIa，其中addr_0I为I路相位累加器的地址初值；

设定产生载波与直接数字频率合成DDS数据信号的Q路相位累加器的载波输出地址最终值为：addr_Qb＝addr_0Q，Q路载波输出地址修正值为：addr_jQ；Q路相位累加器地址基值为：addr_bQa，其中addr_0Q为Q路相位累加器的地址初值。

步骤2，读入数据。

读入一个8位并行数据，对其进行并串转换后得到串行序列Y＝{Y₁,Y₂,Y₃,Y₄,Y₅,Y₆,Y₇,Y₈}，其中，Y_n∈{0,1}，n＝1,2,…,8，设定串行序列Y的数据指针为k，k的初始值为0，最大值为8；设定Y的总周期为T，Y中的每个数据码元Y_n的周期为T_b。

步骤3，根据所述总周期为T和每个数据码元Y_n的周期为T_b，调整Q路数据地址：

若mod(T,T_b)≠0，则令Q路修正值addr_jQ等于0；

若mod(T,T_b)＝0，则从串行序列Y中取出Y_2k+1和Y_2k两个连续的数，通过下式对Q路修正值addr_jQ进行调整得：

${\mathrm{addr}}_{jQ}=\left\{\begin{array}{cc}0& |Y_{2k+1}-Y_{2k}|=0\\ {\mathrm{addr}}_{max}/2& |Y_{2k+1}-Y_{2k}|=1\end{array}\right.$

式中，mod(x,y)代表取模运算，addr_max为三角函数表的最大寻址容量。

步骤4，根据所述总周期为T和每个数据码元Y_n的周期为T_b，调整I路数据地址：

若mod(T,T_b)≠T_b/2，则令I路修正值addr_jI等于0；

若mod(T,T_b)＝T_b/2，则从串行序列Y中取出Y_2k+2和Y_2k+1两个连续的数，通过下式对I路修正值addr_jI进行调整得：

${\mathrm{addr}}_{j1}=\left\{\begin{array}{cc}0& |Y_{2k+2}-Y_{2k+1}|=0\\ {\mathrm{addr}}_{max}/2& |Y_{2k+2}-Y_{2k+1}|=1\end{array}\right..$

步骤5，计算并更新I、Q路的地址值。

(5a)分别输入I路的地址基值addr_bIa和Q路的地址基值addr_bQa，并根据步骤3和步骤4得出的I路地址修正值addr_jI和Q路地址修正值addr_jQ，计算I路的DDS数据输出地址最终值addr_Ia和Q路的DDS数据输出地址最终值addr_Qa：

$\left\{\begin{array}{c}add{r}_{Ia}=\mathrm{mod}(add{r}_{bIa}+add{r}_{jI},add{r}_{\max })\\ add{r}_{Qa}=\mathrm{mod}(add{r}_{bQa}+add{r}_{jQ},add{r}_{\max })\end{array}\right.;$

(5b)分别将I路的地址基值addr_bIa、Q路的地址基值addr_bQa、I路载波输出地址最终值addr_Ib和Q路载波输出地址最终值addr_Qb更新为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{addr}}_{bIa}=\mathrm{mod}({\mathrm{addr}}_{bIa}+{\mathrm{addr}}_{ca},{\mathrm{addr}}_{\max })\\ {\mathrm{addr}}_{bQa}=\mathrm{mod}({\mathrm{addr}}_{bQa}+{\mathrm{addr}}_{ca},{\mathrm{addr}}_{\max })\end{array}\right.,$

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{addr}}_{Ib}=\mathrm{mod}({\mathrm{addr}}_{Ib}+{\mathrm{addr}}_{ca},{\mathrm{addr}}_{\max })\\ {\mathrm{addr}}_{Qb}=\mathrm{mod}({\mathrm{addr}}_{Qb}+{\mathrm{addr}}_{ca},{\mathrm{addr}}_{\max })\end{array}\right.,$

式中，addr_ca为DDS数据的频率控制字，addr_cb为载波的频率控制字。

步骤6，生成每个数据码元Y_n的MSK输出信号。

若mod(T,1/f_c)≠0，则令数据码元Y_n的MSK输出信号y_msk等于0；

若mod(T,1/f_c)＝0，则先产生I路的载波y_cI与Q路的载波y_cQ及I路的DDS数据信号y_dI与Q路的DDS数据信号y_dQ，再求得每个数据码元Y_n的MSK输出信号y_msk，即：

$\left\{\begin{array}{c}{y}_{cI}=mem\left({\mathrm{addr}}_{Ib}\right)\\ y_{cQ}=mem\left({\mathrm{addr}}_{Qb}\right)\end{array}\right.,$

$\left\{\begin{array}{c}{y}_{dI}=mem\left({\mathrm{addr}}_{Ia}\right)\\ y_{dQ}=mem\left({\mathrm{addr}}_{Qa}\right)\end{array}\right.,$

y_msk＝y_cI·y_dI-y_cQ·y_dQ，

式中，mem函数代表在三角函数数值表中取值的运算，f_c为载波频率。

步骤7，生成整个数据序列Y的MSK输出信号。

将步骤6得出的数据码元Y_n的MSK输出信号y_msk值储存到寄存器中，每储存一次则对数据指针k加1，并计算MSK调制信号的总周期T＝T-T_b，判断mod(T,T_b/2)是否为0：

若mod(T,T_b/2)≠0，返回步骤3；

若mod(T,T_b/2)＝0且k＝(8/2)–1，则停止循环并输出整个数据序列Y生成的MSK调制信号Y_MSK，其波形如图5所示。

Claims (2)

1.一种基于DDS相位累加器地址修正的MSK调制信号生成方法，包括：

(1)设定产生载波与直接数字频率合成DDS数据信号的I，Q两路相位累加器的载波输出地址最终值分别为：addr_Ib＝addr_0I，addr_Qb＝addr_0Q，修正值分别为：addr_jI和addr_jQ；其中，addr_jI和addr_0I分别为I路相位累加器的地址修正值与初值；addr_jQ和addr_0Q分别为Q路相位累加器的地址修正值与初值；

(2)读入一个N位并行数据，对其进行并串转换后得到串行序列Y＝{Y₁,Y₂,Y₃,…,Y_N}，其中，Y_n∈{0,1}，n＝1,2,…,N，并设定串行序列初值Y ₀＝1，Y的数据指针为k，k的初始值为0，最大值为N；设定Y的总周期为T，Y中的每个数据码元Y_n的周期为T_b；

(3)调整Q路数据输出地址，

若mod(T,T_b)≠0，则令Q路修正值addr_jQ等于0；

若mod(T,T_b)＝0，则从串行序列Y中取出Y_2k+1和Y_2k两个连续的数，调整Q路修正值addr_jQ，即：

${\mathrm{addr}}_{jQ}=\left\{\begin{array}{cc}0& \left|Y_{2k+1}-Y_{2k}\right|=0\\ {\mathrm{addr}}_{\max }/2& \left|Y_{2k+1}-Y_{2k}\right|=1\end{array}\right.,$

其中mod函数为两数取其余，addr_max为三角函数表的最大寻址容量；

(4)调整I路数据输出地址，

若mod(T,T_b)≠T_b/2，则令I路修正值addr_jI等于0；

若mod(T,T_b)＝T_b/2，则从串行序列Y中取出Y_2k+2和Y_2k+1两个连续的数，调整I路修正值addr_jI，即：

${\mathrm{addr}}_{jI}=\left\{\begin{array}{cc}0& \left|Y_{2k+2}-Y_{2k+1}\right|=0\\ {\mathrm{addr}}_{\max }/2& \left|Y_{2k+2}-Y_{2k+1}\right|=1\end{array}\right.;$

(5)计算并更新I、Q路的地址值：

(5a)分别输入I路的地址基值addr_bIa和Q路的地址基值addr_bQa，并根据步骤(3)和步骤(4)得出的I、Q路地址修正值，计算I、Q路的DDS数据输出地址最终值addr_Ia、addr_Qa：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{addr}}_{Ia}=\mathrm{mod}({\mathrm{addr}}_{bIa}+{\mathrm{addr}}_{jI},{\mathrm{addr}}_{max})\\ {\mathrm{addr}}_{Qa}=\mathrm{mod}({\mathrm{addr}}_{bQa}+{\mathrm{addr}}_{jQ},{\mathrm{addr}}_{\max })\end{array}\right.,$

(5b)分别将I路的地址基值addr_bIa、Q路的地址基值addr_bQa、I路载波输出地址最终值addr_Ib和Q路载波输出地址最终值addr_Qb更新为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{addr}}_{bIa}=\mathrm{mod}({\mathrm{addr}}_{bIa}+{\mathrm{addr}}_{ca},{\mathrm{addr}}_{max})\\ {\mathrm{addr}}_{bQa}=\mathrm{mod}({\mathrm{addr}}_{bQa}+{\mathrm{addr}}_{ca},{\mathrm{addr}}_{\max })\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{addr}}_{Ib}=\mathrm{mod}({\mathrm{addr}}_{Ib}+{\mathrm{addr}}_{ca},{\mathrm{addr}}_{max})\\ {\mathrm{addr}}_{Qb}=\mathrm{mod}({\mathrm{addr}}_{Qb}+{\mathrm{addr}}_{ca},{\mathrm{addr}}_{\max })\end{array}\right.$

式中，addr_ca、addr_cb分别为DDS数据和载波的频率控制字；

(6)生成每个数据码元Y_n的MSK输出信号，

若mod(T,1/f_c)≠0，则令数据码元Y_n的MSK输出信号y_msk等于0；

若mod(T,1/f_c)＝0，则先依据修正后的地址在三角函数数值表中取值产生I、Q两路的载波y_cI与y_cQ及DDS数据信号y_dI与y_dQ，再求得数据码元Y_n的MSK输出信号y_msk，即：

y_msk＝y_cI·y_dI-y_cQ·y_dQ，

式中，f_c为载波频率；

(7)生成整个数据序列Y的MSK输出信号：

将步骤(6)得出的数据码元Y_n的MSK输出信号y_msk值储存到寄存器中，每储存一次则对数据指针k加1，并计算MSK调制信号的总周期T＝T-T_b，判断mod(T,T_b/2)是否为0：

若mod(T,T_b/2)≠0，返回步骤3；

若mod(T,T_b/2)＝0且k＝(N/2)–1，则停止循环，并输出数据序列Y生成的MSK调制信号Y_MSK。

2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(6)所述的产生I、Q两路的载波y_cI与y_cQ及DDS数据信号y_dI与y_dQ，是根据将I，Q路载波输出地址最终值addr_Ib与addr_Qb及I、Q路的DDS数据输出地址最终值addr_Ia与addr_Qa进行三角函数数值表取值得到的，即：

$\left\{\begin{array}{c}{y}_{cI}=mem\left(add{r}_{Ib}\right)\\ y_{cQ}=mem\left(add{r}_{Qb}\right)\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{y}_{dI}=mem\left({\mathrm{addr}}_{Ia}\right)\\ y_{dQ}=mem\left({\mathrm{addr}}_{Qa}\right)\end{array}\right.,$

式中，mem函数代表在三角函数数值表中取值的运算。