2022年最小移频键控调制解调技术的原理及应用分析定义 .pdf

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1、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(2

2、FSK)。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；cf 为载波 ( 也可称

3、为中间载波 ) 的频率；相位tn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；bT 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1f 、2f 分别为 MSK 信号 1 码和 0 码的载波频率。此时有：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 5 页 - - - - - - - - - 式中n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

4、示为：式中1na，分别用来表示二进制信息l 和 0。由上式可知以码元宽度bT 计量的分段线性相位函数为bnTta2/， 在每个码元间隔内其变化量为 /2 。当1na，即码元为 l 时，相位变化 +/2 ；当1na，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=nbT )的载波相位必定为 /2 的整数倍：在bT 的奇数倍时刻相位变化为/2 的奇数倍；在bT 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

5、从上式可知，MSK 信号的功率谱近似与4f成反比，而 QPSK 信号则近似与2f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bT4/3处，而 QPSK 信号的主瓣较窄，第一个零点出现在bT2/1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bTf4/1，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.

6、 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。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 5 页 - - - - - - - - - 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1f 和2

7、f 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1f 和2f 的独立频率成分，若1f 和2f 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

8、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1f 和2f 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tf12cos和tf22cos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

9、下两支路，上支路与频率为1f 的相干载波相乘，再经过一个码元周期长度的积分后输出1p ；下支路则与频率为2f ；的相名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 5 页 - - - - - - - - - 干载波相乘， 积分后输出2p 。在采样判决器内， 对1p 和2p 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=bT ( 码元结束时 ) ，对于 1 码( 载波频率为1f ) ，上下两个积分器输出值分别为：1p =O 5bT ，2p =0；对

10、于 0 码( 载波频率为2f ) ，积分器输出值分别为：1p =0，2p =05bT 。因此比较判决规则如下：如果1p 2p ，则判为 1 码；如果1p 2p ，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1f 和2f 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+0 5 个载波周期，载波幅值取归一化值。 如果当前时刻

11、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)2(cos12tf， 因 此 积分 器输 出为2/bTp；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)2(cos22tf，因此输出为2/bTp；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tf12costf22cos或tf12costf22cos，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4/bTp，则判当前时刻码元为1 码；如果4/bTp，则判为 0 码；如果4/4/bb

12、TpT，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。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 5 页 - - - - - - - - - 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

13、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

14、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

15、 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， 2001 1. 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. 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 5 页 - - - - - - - - -