最小移频键控(MSK)调制解调技术的原理及应用分析(共5页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上最小移频键控(MSK)调制解调技术的原理及应用分析摘要：最小频移键控(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。其带宽窄，频谱主瓣能量集中，旁瓣滚降衰减快，频带利 用率高，在现代通信中得到了较为广泛地应用。本文主要介绍分析MSK的调制与解调原理并进行MSK调制解调技术的应用分析。MSK信号调制最小频移键控(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。其带宽窄，频谱主瓣能量集中，旁瓣滚降衰减快，频带利用率高，在现代通信中得到了广泛地应用。MSK信号的基本原理 最小频移键控又称快速频移键控，是一种特殊的二元频移键控(2FSK)。用不同频率的载波来表示1和0就是频移键控FSK。在频率(或数据)变化时一般的FSK信号的相位是不连续的，所以高频分量比较多。如果在码元转 换时刻FSK信号的相位是连续的，称之为连续相位的FSK信号(CPFSK)。CPFSK 信号的有效带宽比一般的FSK信号小，最小移频键控(MSK)就是一种特殊的 CPFSK。除了相位连续以外，MSK信号还要求满足：l码和0码的波形正交(有利于降低误码率)，频移最小(有利于减小信号带宽，提高对信道的频带利用率)。 MSK信号具有正交信号的最小频差，可以表示为： 式中A为载波的振幅；为载波(也可称为中间载波)的频率；相位为MSK信号的总相位减去随时间增长的载波相位后得到的剩余相位，称为附加相位函数，是时间的连续函数；为码元间隔周期。由2FSK信号正交条件可知，最小频差为： 其调制指数为：式中、分别为MSK信号1码和0码的载波频率。此时有：式中为第n个码元的相位常数，取值为0或(模2)。由此，MSK信号的第n个码元可表示为：式中，分别用来表示二进制信息l和0。由上式可知以码元宽度计量的分段线性相位函数为，在每个码元间隔内其变化量为±/2。当，即码元为l时，相位变化+/2；当，即码元为0时，相位变化-/2。由于任一码元期间附加相位的变化量为/2，因此在码元累计终了处(t=n)的载波相位必定为/2的整数倍：在的奇数倍时刻相位变化为/2的奇数倍；在的偶数倍时刻相位变化为/2的偶数倍。MSK信号具有良好的频谱特性，将MSK信号与一般QPSK信号的谱密度特性进行比较。MSK和QPSK信号的功率谱表达式分别为从上式可知，MSK信号的功率谱近似与成反比，而QPSK信号则近似与 成反比，因此MSK信号的能量集中在频率较低处。MSK信号的主瓣较宽，第一个零点出现在处，而QPSK信号的主瓣较窄，第一个零点出现在处。在主瓣之外MSK信号的谱衰减比QPSK快得多，因其旁瓣极小，MSK有远远优于QPSK的频谱效率。通过分析可总结出MSK信号的如下特点：1.MSP信号是恒定包络的信号，适用于功率受限进行非线性放大场合。2.信号的频率偏移为，相印的调制指数为h=0.5。3.在一个码元周期内，MSK信号应包括1/4载波周期的整数倍。4.以载波相位为基准的信号相位，在一个码元周期间线性地变化/2。5.在码元转换时刻，信号的波形没有突变，即信号的相位是连续的。6.1码和0码的波形正交，有利于构成最佳接收系统来降低误码率。7.频谱中高频分量少，衰减快，功率谱密度集中，频带利用率高。MSK信号解调MSK信号解调方法有两类：相干解调和非相干解调。相干解调需要进行载波同步（即提取载波），如果频率为和的载波是用两个振荡电路分别产生的，则该FSK信号就包含有和的独立频率成分，若和距离比较大，载波同步容易实现。而对于CPFSK信号，它是用一个VCO电路产生的，则一般不能进行载波同步。而MSK信号是一种比较特殊的CPFSK信号，其1码和0码相差半个周波，可以设法提取载波信号，因此可采用相干解调方法进行解调。非相干解调方法不需要产生本地载波，电路比较简单，容易实现，但抗噪性能相对较差。常用的非相干解调方法有包络检波法和过零点检测法。过零点检测法的基本原理是根据FSK信号过零率的大小来检测已调信号中的频率变化。而包络检测法需要滤去FSK信号中的一个频率，使之变为两路ASK（幅移键控）信号。由于MSK信号1码和0码的载波频率间距很小，采用包络检测法或过零点检测法会对误码性能产生不利影响，对于MSK信号的非相干解调一般采用差分检测法。1.MSK信号移频载波相干解调为了利用MSK信号l码和0码波形正交的特点，以达到降低误码率的目的，可以采用将接收的MSK信号分上下两支路，分别用频率为和的本地载波进行相干解调的方法实现对信号的解调恢复。如上图所示，图中的本地频移载波和分别与1码和0码波形同步。接收的MSK信号经过带通滤波器(BPF)滤去带外噪声后分上下两支路，上支路与频率为的相干载波相乘，再经过一个码元周期长度的积分后输出；下支路则与频率为；的相干载波相乘，积分后输出。在采样判决器内，对和的值进行比较，按“择大判决”准则可恢复出数字基带信号。在判决时刻t= (码元结束时)，对于1码(载波频率为)，上下两个积分器输出值分别为：=O5，=0；对于0码(载波频率为)，积分器输出值分别为：=0，=05。因此比较判决规则如下：如果>，则判为1码；如果<，则判为0码。2.MSK信号的差分检测法由于MSK信号不包含石和五的离散频谱，同时两个频率和的间隔很小，因此要从已调信号中提取载波很复杂。下图给出了MSK信号的差分检测法，由于在接收端不需要本地相干载波，也就避免了从MSK信号中提取载波的难题，因此本质上仍是一种非相干解调方式。 工作原理：假设在一个码元周期内，0码有M个载波周期，1码有M+05个载波周期，载波幅值取归一化值。如果当前时刻码元和前一时刻码元相同且都是l码，即输入为(1 1)时，积分器的输入信号则为，因此积分器输出为；如果当前时刻码元和前一时刻码元相同且都是0码，即输入为(0 0)时，积分器的输入信号则为，因此输出为；而如果该时刻码元和其前一时刻码元不相同，即输入为(O 1)或(1 0)时，积分器的输入信号则为或，积分器输出为p=0。根据上述分析可以得到以下的判决规则：如果，则判当前时刻码元为1码；如果，则判为0码；如果，则判该码元与其前一时刻码元相反。MSK信号的差分检测法在解调时避免了载波同步问题，结构简单，容易实现。但该方法对当前码元的恢复依赖于其前一时刻的码元判决，如果前一时刻的码元发生错判，则紧接着的下一个码元的判决也有可能会出错。正是这种相关性，使得该解调方法的抗噪声性能比相干解调方法要差一些。此外，在解调过程中还必须设置两个与信号强度有关的判决门限电平，而信号的强度经常是随着信道传输衰减而变动的，因此要设置和维持最佳的判决门限电平是很难的，特别是在无线信道中。MSK调制解调技术的应用分析芯片选型核心板芯片选择速度快、容量大、稳定性好、有丰富的I/O口的EP1C6Q240C8芯片。器件采用二维行列结构来实现定制逻辑，内部包含了PLL和RAM。其逻辑阵列由若干个LAB组成，每个LAB包含10个逻辑单元（LE）。LE就是一个能够完成用户逻辑功能的逻辑最小单元，所有LAB在整个器件内部按行和列的顺序排列。每一个Cyclone器件的I/O引脚都是由I/O单元（IOE）驱动，IOE位于器件外围LAB行和列的末端。I/O引脚支持各种单端和差分I/O接口标准，双用途PQS,DQ和DM引脚（用于DDR信号的相位校正）一起为如DDR SDRAM以及速率达133MHz（266Mb/s）的FCRAM等外部存储器件提供了接口支持。EP1C6Q240C8为用户提供了92K比特的嵌入式RAM存储空间，这些存储资源由若干个容量为4K、加上奇偶校验位后总容量为4608的M4K RAM块组成。这种存储模块在相邻两列LAB之间纵向排列，并贯穿整个器件。M4K RAM块可用于实现真正的双端口、简单的双端口或单端口存储器，最大数据宽度为36位，最大速度为250MHz。它还提供了全局网络时钟和2个PLL。全局时钟网络由8个全局时钟组成，可驱动整个器件；还可以用作控制线和为片机所有资源提供时钟，如IOE、LE等。PLL可提供时钟分频、倍频、移相和可编程占空比等常规操作，还可为支持调整差分I/O接口提供外部时钟输出。EP1C6Q240C8用户可使用资源5980LE、20M4K RAM(128*36位)、92160RAM、2个PLL和最大185个用户I/O引脚。使用3.3V和1.5V双电源供电。核心板采用IR1117为FPGA供电，用50MHz有源晶振提供时钟。配置芯片采用EPCS1。参考文献1胡敏. MSK数字化调制解调技术研究.中南大学硕士学位论文,2007.4,8-27.2杨小牛，楼才义，徐建良软件无线电原理与应用电子工业出版社，20011.3盛文最小频移键控信号的特点分析贵州科学，2002.4卢盛杰，曲杰琳实现MSK调制的方法与电路黑龙江通信技术，1997.5胡敏，肖大光一种MSK信号的数字化解调新算法计算机仿真.专心-专注-专业