一種改進(jìn)的MSK信號解調(diào)算法*

張 輝，代遵超

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引 言

最小頻移鍵控（Minimum Frequency Shift Keying， MSK）調(diào)制方式具有恒定包絡(luò)、頻帶利用率高、帶外輻射小、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在無線通信尤其是軍用通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。對于MSK調(diào)制方法，一般都是將MSK看成是一種特殊的頻移鍵控（Frequency Shift Keying，F(xiàn)SK）信號進(jìn)行數(shù)字化解調(diào)[1]。但是由于MSK信號的調(diào)制指數(shù)很小，信號載頻很難分離，使得最終解調(diào)效果較差[2]。本文提出了一種頻域的MSK解調(diào)算法，對載波頻偏和相移不敏感，與傳統(tǒng)解調(diào)方式相比能獲得更優(yōu)解調(diào)性能，且算法復(fù)雜度低，具有較強(qiáng)可實(shí)現(xiàn)性。

1 MSK常用解調(diào)方法

MSK是連續(xù)相位頻移鍵控（Coutinuous-Phase Frequency Shift Keying，CPFSK）中調(diào)制指數(shù)為0.5的特例，是二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK）的改進(jìn)型，相比于2FSK信號碼元變化時(shí)在2個(gè)頻率之間瞬時(shí)切換，導(dǎo)致碼元變化時(shí)相位不連續(xù)，MSK具有連續(xù)相位，包絡(luò)恒定，信號波形無突然跳變。MSK信號的頻率偏移為±1/(4Ts)，Ts為1個(gè)碼元周期，即頻偏是碼速率的1/4，相應(yīng)調(diào)制指數(shù)h=1/2。

MSK的信號波形可以用下式來表示：

式中，fc是載波頻率，dk=±1表示雙極性碼元數(shù)據(jù)，Ts表示一個(gè)碼元周期，φk=nπ是在第k個(gè)二進(jìn)制數(shù)據(jù)持續(xù)時(shí)間的相位常數(shù)。

由MSK信號調(diào)制表達(dá)式可見，其通過鍵控方式改變載波頻率，因此與ASK（Amplitudeshift Keying，幅移鍵控）、FSK、PSK（Phase-shift Keying，相移鍵控）類數(shù)字調(diào)制相同，其解調(diào)方式也分為相干解調(diào)和非相干解調(diào)兩類方法。

相干解調(diào)根據(jù)MSK特點(diǎn)分為利用兩組頻移載波或利用中間載波的相干解調(diào)方法，由于兩種方法都要求獲取準(zhǔn)確的載波頻率和相位信息，要求利用鎖相環(huán)路實(shí)現(xiàn)載波跟蹤，因此主要適用于連續(xù)波MSK信號解調(diào)，針對短時(shí)突發(fā)MSK信號由于跟蹤時(shí)間有限導(dǎo)致載波頻率精度不足，對解調(diào)性能有較大影響。

MSK信號非相干解調(diào)典型的方法有包絡(luò)檢波方、鑒頻法、差分檢測法、過零檢測法、延遲判決相干解調(diào)法等，在低信噪比條件下相干解調(diào)法的性能優(yōu)于非相干解調(diào)法，然而非相干解調(diào)不需要相干載波，因而算法實(shí)現(xiàn)比較簡單[1]。

此外也有文獻(xiàn)提出，可采用離散傅里葉變換（Discrete Fourier Transformation，DFT）方法進(jìn)行解調(diào)[3]，即在一個(gè)完整的碼元周期內(nèi)分別對fc±1/(4TS)兩組頻偏利用DFT變化進(jìn)行時(shí)頻轉(zhuǎn)換，并求出對應(yīng)頻率偏移的幅值，最后通過比較兩組幅值大小即可完成解調(diào)判決，但該方法在DFT計(jì)算前需要預(yù)先獲知比特同步信息。

上述方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。本文針對高速率、頻率頻偏未知、碼元未同步的MSK信號，提出了一種改進(jìn)的DFT變換MSK解調(diào)方式，具有解調(diào)性能優(yōu)、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低的優(yōu)點(diǎn)。

2 改進(jìn)的DFT變換MSK解調(diào)算法

根據(jù)MSK信號表示式（1）可得出，MSK一個(gè)碼元內(nèi)的信號實(shí)際是一個(gè)單載波信號，載波的頻率根據(jù)碼元信息不同分別為fc±1/(4TS)，因此MSK信號的表達(dá)式可改寫成：

式中，f1=fc+1/(4TS)，f2=fc-1/(4TS)。

由式（2）可見，在一個(gè)碼元周期內(nèi)，MSK信號的基帶信息+1表征的f1與基帶信息-1表征的f2是正交的。因此，在碼元同步基礎(chǔ)上，對某一個(gè)碼元的解調(diào)可轉(zhuǎn)換為在kTs＜t＜(k+1)Ts時(shí)段內(nèi)對f1和f2兩個(gè)頻率分量幅度的比較。

解調(diào)原理框圖如圖1所示。

圖1 DFT變換MSK調(diào)原理框

解調(diào)處理過程利用DFT運(yùn)算對一個(gè)碼元周期內(nèi)信號做時(shí)頻域變換后，f1和f2兩個(gè)頻率分量的信號表達(dá)式如下：

式中，ωN=e(-2πj)/N，k1、k2分別為f1和f2兩個(gè)頻率分量對應(yīng)的DFT變換譜線，t=1,2,…,m為一個(gè)碼元周期內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)。解調(diào)處理通過比對兩個(gè)頻率分量模值，如則dk=+1，反之dk=-1。

考慮在實(shí)際段時(shí)突發(fā)MSK通信中，難以在DFT變換前做到碼元同步，因此本文在時(shí)頻域轉(zhuǎn)換中引入Goertzel算法[4]，利用Goertzel算法在有限頻率點(diǎn)計(jì)算簡潔、高效的優(yōu)點(diǎn)，在碼元同步前進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換，在保證時(shí)間分辨率的條件下獲取MSK信號兩個(gè)頻率分量的頻域信息，兩組頻域分量求模做差后獲取基帶波形，最后抽樣判決恢復(fù)碼元信息。

改進(jìn)后的MSK解調(diào)原理框圖如圖2所示。傅里葉變換由下式定義[5]：

圖2 MSK頻域解調(diào)原理框

其中，ωN=e(-2πj)/N。由式（3）展開可得：

通過式（5）、式（6）推導(dǎo)可得，Goertzel算法的遞歸算法結(jié)構(gòu)如下：

上式表征了信號在頻率分量k上N點(diǎn)DFT變換結(jié)果隨時(shí)間變換趨勢。

根據(jù)MSK信號的特點(diǎn)，可知在碼元周期dk=1時(shí)，其f1頻率分量上得到的DFT變換幅值必然大于f2頻率分量上的DFT變換幅值，反之亦然，因此通過對f1和f2兩路頻率分量上DFT變換幅值結(jié)果作差，可得到去除載波后的基帶頻移鍵控信息，頻域的基帶波形表達(dá)式如下：

最后利用基帶波形完成抽樣判決后即可恢復(fù)出二進(jìn)制碼元。解調(diào)過程中各環(huán)節(jié)信號波形分別如 圖3所示。

圖3 解調(diào)各環(huán)節(jié)信號波形

3 計(jì)算機(jī)仿真與分析

算法仿真流程為：二進(jìn)制信源—MSK調(diào)制—疊加噪聲—MSK解調(diào)—二進(jìn)制信源恢復(fù)—誤碼率統(tǒng)計(jì)。以敵我識(shí)別系統(tǒng)Mark XIIA Mode 5中使用的MSK信號參數(shù)為基礎(chǔ)建立仿真模型，MSK碼速率為16 Mbit/s。其他參數(shù)設(shè)置包括：載頻fc=10 MHz， 采樣率fs=40 MHz。MSK信號兩個(gè)頻率分量分別為f1=14 MHz、f2=6 MHz，考慮采樣率以及兩個(gè)頻率分量間隔，Goertzel時(shí)頻變換DFT點(diǎn)數(shù)N取10，即頻率分辨率為4 MHz，通過計(jì)算兩組頻率譜線就可完成解調(diào)算法。圖4為在不同信噪比條件下，本文算法與相干解調(diào)法、延遲判決解調(diào)法誤碼率蒙特卡洛仿真結(jié)果。

圖4 本算法與其他解調(diào)算法誤碼統(tǒng)計(jì)

由圖4可見，改進(jìn)的算法誤碼性能明顯優(yōu)于MSK解調(diào)廣泛使用的延遲判決算法，略差于相干解調(diào)法。但由于相干解調(diào)法算法需要從接收信號提取出相干載波，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，且在載波頻率未精確對準(zhǔn)情況下，解調(diào)性能誤碼性能將顯著惡化。而本文提出算法利用DFT計(jì)算頻域能量來提取解調(diào)信息，因此對頻偏不敏感，在存在頻率偏移情況下的解調(diào)誤碼性能明顯優(yōu)于相干解調(diào)。

圖5為信噪比12dB時(shí)存在不同頻偏情況下兩種算法解調(diào)誤碼性能統(tǒng)計(jì)，在頻率偏移超過基帶碼速率0.5%后改進(jìn)算法出現(xiàn)誤碼，但此時(shí)的誤碼性能仍優(yōu)于相干解調(diào)算法約2～3個(gè)數(shù)量級。

圖5 頻偏條件下算法與相干解調(diào)誤碼統(tǒng)計(jì)

4 結(jié) 語

本文結(jié)合Goertzel算法提出了一種改進(jìn)的基于DFT變換的MSK解調(diào)算法，該方法解決了DFT變換的MSK解調(diào)需要先獲取MSK碼元精確同步的問題，通過仿真計(jì)算分析表明，解調(diào)算法還具有對誤碼性能好、載波頻偏不敏感等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)算法采用遞歸結(jié)構(gòu)，計(jì)算量小，實(shí)現(xiàn)簡單、高效，適合在對短時(shí)突發(fā)MSK信號非合作解調(diào)等場合應(yīng)用。