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无线寻呼系统中窄带FSK调制的实现


第 15 卷 第 4 期 1999 年 8 月

江 苏 通 信 技 术 Jiangs u Com municat ion Techn ology

V ol . 15  N o . 4 A u g. 1999

文章编号: 10079513( 1999) 040017-04

无线寻呼系统中窄带 F

SK 调制的实现
刘 彤
( 中国人民解放军理工大学 微波教研室, 江苏 南京 210016)

摘 要: 简要介绍了无线寻呼系统中 FSK ( Fr equency Shift K eying) 调制技术及其硬件的实现基础 D DS ( Dir ect Dig ital Sy nthesis ) 的基本工作原理, 进而提 出了一种利用 D SP ( Dig ital Signal Pr ocesso r ) 实现 F IR ( Finite Impulse R esponse) 滤波器, 以改善 FSK 调制 频谱性能的方案, 最后给出了实验电路的框图。 关键词: 频移键控; 直接数字频率合成; 有限冲激响应; 数字信号处理 中图分类号: T N 919. 3   文献标识码: B

一、FSK 调制方式的提出
由于寻呼信号 ( 如 POCSAG 码) 的频率较低, 因此要对它进行调制, 其目的就是使所要传送的寻 呼信息适合于无线信道的特性, 以达到最有效、最 可靠的传输。调制方式的选择取决于无线电波的传 播特性、频谱利用、使用场合等因素。 早期的寻呼系统大多采用模拟调制, 近年来, 由 于数字集成技术的发展, 寻呼系统采用不归零频移 键控 ( NRZ-FSK) 调制方式。这是因为寻呼接收机 经常处在不断运动中, 并且大部分用户所在的城市 中, 高楼林立, 致使寻呼机收到的电波常常是直射 波与随时空变化的绕射波、反射波的叠加, 这样就 使得所接收信号产生多径效应, 既有慢衰落, 也有 十分严重的快衰落, 并随时间和地点不断变化。同 时, 由于无线寻呼接收机需随身携带, 要求体积小, 因此接收机的解调设备要尽量简单, 且能采用集成 电路技术。故具有抗干扰能力强、抗衰落性能好及 接收简单的 F SK 方式完全能够适应无线寻呼系统 信号传播及寻呼机工作场合的要求。 因此, F SK 调制成为无线寻呼系统中的关键技 术。为保证小信道间隔, 窄带调制技术则成为了核

心问题。下面就讨论一种由 DDS 和 DSP 实现的窄 带 FSK 调制器。

二、直接数字频率合成器 ( DDS)
DDS 是实现 FSK 调制的基础。 1. DDS 的工作原理 直接数字频率合成技术是从相位的概念出发, 对于不同的相位送出不同的电压幅度量化值, 这样 在一个周期内就可给出按正弦规律变化的波形, 从 而达到频率合成的目的。 由于采用了数字取样技术, 故 DDS 具有频率分辨率高和频率转换速度快等特 点。图 1 是 DDS 的原理图。

图 1 中, DDS 由相位累加器, ROM ( 只读存贮 器) , DAC ( 数模转换器) 及 LP F ( 低通滤波器) 组 成。 其中, ROM 中存有正弦波的幅值编码, 相位累

收稿日期: 1999-07-07 作者简介: 刘 彤 ( 1971—) , 男, 辽宁沈阳人, 中国人民解放军理工大学微波教研室讲师, 1997 年硕士毕业于中国人民解放军通信 工程学院, 目前的主要研究方向为频率合成技术、数字调制解调、数字信号处理及多媒体技术等。

? 18? 加器在时钟 F S 的触发下, 对相位增量值

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( 频率控

制字) 进行累加, 然后输出一个相位序列 A 作为地 址去寻址 ROM , 从而得到一系列离散的幅度码 D 。 该幅度码经 DAC 变换后得到模拟的阶梯电压, 再 经过 L P F 平滑后, 即得到所需要的正弦波信号。 可见, 在给定时钟频率 F S 的情况下, 只要向 K 位相位累加器中输入相位增量值 输出频率为 F 0 = F S
K

AN ALOG DEVICES 公司的芯片内部已包含 DAC 电路, 因此使用更为方便, 但它们都需要外接 L PF 或 BPF 进行滤波, 才能满足用户各自不同的要求。

三、DDS 输出频率上变频的     FSK 调制方案及其频谱特性
  由于寻呼系统多采用 160 MH z 左右的频段, 故 只能采用 DDS 输出频率上变频的 FSK 调制方案。 1. 上变频调制方案 图 2 为上变频 FSK 调制方案的原理框图。

, 就可使 DDS

/ 2 的正弦波信号。这无疑是

给 FSK 调制提供了一个硬件基础, 只要将调制信号 中的 “ 、 1” 0” “ 分别对应成各自的相位增量值 , 输 入到相位累加器, 就可使 DDS 输出分别与 “ 0”和 “ 1”相对的频率, 从而实现 F SK 调制。 2. DDS 芯片的最高时钟频率 DDS 芯片的主要技术指标之一就是其时钟频 率 F S 的高低, 这将直接影响其输出频率 F 0 的范围, 根据 N equist 定理的要求, 应满足 F 0≤F S / 2 , 一般 取 F 0 ≤2F S/ 5 。 目前生产 DDS 芯片的厂家很多, 表 1 为部分厂 家生产的芯片 [ 1~3] 的时钟频率。
表 1 DDS 芯片的时钟频率
公  司 型  号 Q 2220 Q 2230 Q ual comm ( 需 D A C) Q 2240 Q 2334 Q 2368 A D 7008 A N A LO G D EV ICES ( 不需 D A C) A D 9850 A D 9851 ST A N FOR D T ELECO M ( 需 D A C) ST EL -1175 80 125 180 A D 9830 时钟频率/ M Hz 50 85 100 50 130 50 50

图 2 中 dat a 为寻呼信号, 即 “ 、“ 0” 1”码, 送 入微控制单元 MCU 后, 由 MCU 转换成相位增量 值, 并送入 DDS, 使其产生相应的频率, 从而完成 信号的 IF ( 中频) FSK 调制。 然后与本振 f 0 进行混 频, 输出信号经 BPF 滤波后就得到了所需的射频 F SK 调制信号。 2. 上变频调制方案的频谱性能 由 DDS 的工作原理, 它是从相位概念出发合成 频率的, 故当改变其频率控制字时, 其输出频率是 在相位连续的基础上改变的, 因此其频谱特性应是 相当好的。 设频偏为 f , 则 2FSK 信号所对应的频 谱宽度为 2 f ; 但通过试验得知, 当采取上述方案 时, 其输出频谱的拖尾现象严重, 如图 3 所示, 这 样会对邻道造成严重干扰。

由表 1 可以看出, 不同的 DDS 芯片的时钟频率 也各不相同, 其中最高的可达 180 M Hz 。 需 注 意 的 是, Qualcomm 和 ST ANF ORD T EL ECOM 公司生产的 DDS 芯片需外加 DAC, 而   怎样才能有效地控制其输出的频谱呢? 要想在 中频或射频上进行滤波几乎是不可能的, 唯一的方 法是在基带进行数字滤波。 

第4期

刘 彤: 无线寻呼系统中窄带 FSK 调制的实现

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四、基带信号的 FIR 数字滤波 器及其 DSP 实现[ 4~7]
  F IR ( F init e Im pulse Respo nse) 滤波器的单位 冲激响应是有限长的, 故不存在不稳定的因素, 并 且可用因果系统来实现。同时, 它可在幅度特性方 面随意设计, 并保证精确、 严格的线性相位特性。 故 这里选用 F IR 对基带信号进行滤波。 1. 滤波系统的差分方程 在频域, 当其输入信号为 X ( ej ) 时, 如滤波器 的频率响应为 H ( ej ) , 则其输出信号为 Y ( e j ) = X ( ej ) H ( ej ) 。 在时域, 设滤波器的单位冲激响应 h( n) 为一 N 点序列, 即 0 ≤ n ≤ N - 1 时 h( n) 的值不为零, 根 据离散傅里叶变换的性质, 则可将滤波器输入序列 x ( n ) 的响应 y ( n) 表示为 x ( n) 与 h( n ) 的卷积, 即:
N- 1

对应的 N 个乘积进行累加, 所得到的和就是 y ( n ) 。 当滤波器的下一个输入值即 x ( n + 1) 到来时, 累加 器清零, 并重新将下一组 x ( n+ 1) 所对应的 N 个乘 积进行累加, 所得到的和就是 y ( n+ 1) 。 3. 用 DSP 实现基带 FIR 滤波器的原理框图 图 4 是用 DSP 实现基带 F IR 滤波器的原理图。

  DSP 首先对寻呼信号 dat a 抽样, 并要保证抽样 速率 比特速率, 即对每一 bit 进行数次抽样, 然后 对抽样值进行 FIR 数字滤波, 最后将滤波结果换算 成频率控制字, 即将 “ 、“ 0” 1”分别换算成与 “ 空 号频率”和 “ 传号频率”相对应的相位增量值, 并 将频率控制字送到 DDS , 去控制 DDS 频率的产生。 4. DSP 程序流程图 图 5 是 DSP 程序的流程图。

y ( n) = x ( n) * h( n) =

m= 0

h( m) x ( n- m)

这就是滤波系统的差分方程, 它给滤波器的实 现奠定了理论基础。即求出时域的 h( n) 后, 便可通 过卷积来实现频域的滤波。 2. 卷积运算的实现 ( 1) h ( n) 序列 N 个点数值的存储 由于 h ( n ) 是根据滤波性能要求已经设计好的 有限长单位冲激响应, 故其 N 个点的数值是已知 的, 因此可以存放在 ROM 或 RAM 当中, 且对应着 N 个不同的地址, 便于寻址。 ( 2) 输入序列 x ( n) 的移位寄存 输入序列 x ( n) 是不断变化的, 因此只能对其进 行移位寄存, 寄存器的个数为 N , 即 N 个寄存器中 分别存放着 x ( n) 、 ( n- 1) , …, x ( n- N + 1) , 它们 x 都随着 n 的变化而变化。 ( 3) 乘法器 用以完成两个数值的乘法, 即 h( m) x ( n- m) , 也就是将存储器中 N 地址所对应的 N 个固定数值 h ( m ) 分别与 N 个移位寄存器中的不断变化的 N 个 变化数值 x ( n- m ) 相乘。 ( 4) 累加器 用以实现 N 个乘积的累加, 即将当前 x ( n) 所

在图 5 中, DSP 首先进行初始化, 定义一些向 量和工作模式; 然后为 FIR 数字滤波作准备, 将预 先设计好的有 N 个抽头的 F IR 数字滤波器的冲激 响应序列 h ( n ) 中的 N 个数值放入存 储单元 B 1 ~ B N , 在设计这 N 个数值时, 已经将频率控制字的换 算考虑在内, 即 F IR 的滤波结果就是频率控制字; 接着开始进行抽样, 读入抽样值, 放入存储单元 A 1

? 20?

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中, 并对它们进行。其运算处理过程如下: 将累加器清零, 并设置两个准备相乘的存储 单元 A 与 B 的初始值 K 和 L 。 将第 K 个抽样值 A K 与冲激响应序列的第 L 个数值 B L 相乘( K + L = N + 1) , 并将乘积送入累 加器进行累加。 将第 K - 1 个抽样值 A K- 1 放入 A K , 此时 A K 中原数值被覆盖。 重复 ~ , 直至共完成 N 次乘加运算。 最后输出处理结果, 到 DDS 去控制频率的 产生。 之后重复操作, 继续读入抽样值, 输出频率控 制字, 送到 DDS 。

SRA - 1, BP F 1 和 BPF 2 为 NDK 的晶体滤波器。 经测试, 该电路的性能良好, 其中由 DSP 实现 的 F IR 滤波器的作用是非常大的, 由频率跳变所产 生的频谱拖尾现象基本消除。

六、结束语
在无线寻呼系统中, FSK 调制是一项重要的核 心技术, 由 DDS 和 DSP 实现的 F SK 调制器输出频 带窄, 能满足小信道间隔的要求。经测试, 其各项 性能良好, 尤其是由频率跳变所产生的频谱拖尾现 象基本消除, 彻底改善了 F SK 调制器的频谱性能。 参 考 文 献
[ 1]  TM S 320C2XX U ser's G uide [ Z] . [ s. l ] : T EXA S IN S TR U M EN TS , 1997. [ 2]   Hybrid PLL / D D S Frequency S ynt hes izers [ Z ] . [ s. l ] : Q ualcomm A N 2334- 4, 1992. [ 3]  CM OS Com plet e D DS A D 9830 [ Z] . [ s . l ] : A N A LO G D EV ICES . IN C . 1995. [ 4]  程佩青 . 数字信号处理教程 [ M ] . 北京: 清华大学出版社, 1997. [ 5]  俞卞章 . 数字信号处理 [ M ] . 西安: 西北工业大学出版社, 1995. [ 6]  邹里和 . 数字信号处理 [ M ] . 北京: 国防工业出版社, 1985. [ 7]  彭启琮 . D SP 与实时数字信号处理 [ M ] . 电子科技大学出版 社, 1995.

五、具体实验电路框图
图 6 为 实 验 电 路 框 图, 其 中, CPU 为 AT 89C51, P L L 1 为 FU JIT SU 的 MB1501 和 M INI-CIRCU IT 的 P OS- 75 组成, PL L 2 为 M B1501 和 POS - 400 组成, 混频器为 MINI -CIRCUIT 的

The Realization of Narrow-Bandwidth FSK Modulation in Radio Paging System
L IU T ong
( M icrow ave Teaching an d R es earch ing S ect ion , PL A U n ivers ity of S cience and Engineerin g , N anj ing 210016, Ch ina )

Abstract: In t his paper, the F SK ( F requency Shif t Keying ) m odulat ion t echnol ogy and t he t heory of it s hardw are basis , DDS ( Direct Dig ital Sy nt hesis ) , are int ro duced f irst . T hen a scheme t o improv e F SK spect rum eff iciency ut il izing DSP ( Digit al Signal Pr ocessor ) t o f orm a F IR ( Finit e Impulse Respo nse) filt er is proposed, and t he act ual elect ric circuit is given as w ell. Key words: Frequency shif t keying ; Direct digit al synthesis; Finit e impulse response; Dig ital signal pro cessing ◆


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