MSK调制及相干解调实验

实验四MSK调制及相干解调实验一、实验目的和要求1、了解MSK调制原理及特性2、了解MSK解调原理及特性3、了解载波在相干及非相干时的解调特性二、实验内容和原理1）、实验内容1、观察I、Q两路基带信号的特征及与输入NRZ码的关系。2、观察IQ调制解调过程中各信号变化。3、观察解调载波相干时和非相干时各信号的区别。2）、基本原理1、MSK调制原理MSK称为最小移频键控调制，是一种恒包络调制，这是因为MSK属于二进制连续相位移频键控（CPFSK）的一种特殊情况，它不存在相位跃变点，因此在带限系统中，能保持恒包络特性。恒包络调制有以下优点：极低的旁瓣能量；可使用高效率的C类功率放大器；容易恢复用于相干解调的载波；已调信号峰平比低。MSK是CPFSK满足移频系数0.5h时的特例：当0.5h时，满足在码元交替点相位连续的条件，是移频键控为保证良好的误码性能所允许的最小调制指数；且此时波形的相关性为0，待传送的两个信号是正交的。它能比PSK传送更高的比特速率。二进制MSK信号的表达式可写为：()cos2MSKckksSttatT(4-1)(1)sskTtkT或者cosMSKcSttt(4-2)这里,(1)2kkssstatkTtkTT(4-3)c——载波角频率；sT——码元宽度；ka——第k个码元中的信息，其取值为±1；k——第k个码元的相位常数，它在时间(1)sskTtkT中保持不变由式（4-1）可见，当ak＝＋1时，信号的频率为2122csfT(4-4)当ak＝＋1时，信号的频率为1122csfT(4-5)由此可得频率间隔为2112sfffT(4-6)110.522ssshfTTT如图4-1（a）所示，由图4-1（b）中的波形可以看出，“＋”信号与“－”信号在一个码元期间恰好相差二分之一周，即相差π。下面我们就来说明MSK信号的频率间隔是如何确定的。对于一般移频键控（2FSK），两个信号波形具有以下的相关系数2121sin2sin424scsscsffTfTffTfT(4-7)式中，12/2cfff是载波频率。MSK是一种正交调制，其信号的波形的相关系数等于零。因此，对MSK信号来说，式（4-7）应为零，也就是上式右边两项均应为零。第一项等于零的条件是212sffTk（k＝1，2，3…），令k等于其最小值1，则2112sffT＋－－＋＋＋－－12sT114csffTcf214csffT(a)(b)图4-1MSK信号的频率间隔与波形这正是MSK信号所要求的频率间隔。第二项等于零的条件是4csfTn（n=1，2，3…），即114scTnf(4-8)这说明，MSK信号在每一个码元周期内，必须包含四分之一载波周期的整数倍。由此可得1144cssmfnNTT(4-9)（N为正整数；m＝0，1，2，3）相应地211114411144csscssmffNTTmffNTT(4-10)图4-1（b）中的信号波形是N＝1，m＝3的特殊情况。相位常数k的选择应保持信号相位在码元转换时刻是连续的。根据这一要求，由式（4-3）可以导出以下的相位递归条件，或者称为相位约束条件，即11111112,1,kkkkkkkkkkaakaakaa(4-11)上式表明，MSK信号在第k个码元的相位常数不仅与当前的ak有关，而且与前面ak－1的及相位常数1k有关。或者说，前后码元之间存在着相关性。对于相干解调来说，k的起始参考值可以假定为零，因此，从式（4-11）可以得到02k或模(4-12)式（4-3）中的t称为附加相位函数，它是MSK信号的总相位减去随时间线性增长的载波相位而得到的剩余相位。式（4-3）是一直线方程式，其斜率为2ksaT，截距是k。另外，由于ka的取值为1，故2kstaT是分段线性的相位函数（以码元宽度Ts为段）。在任一个码元期间内，t的变化量总是2。1ka时，增大2，1ka时，减小2。图4-2（a）是针对一特定数据序列画出的附加相位轨迹；图4-2（b）表示的是附加相位路径的网格图，它是附加相位函数由零开始可能经历的全部路径。k与ak之间的关系举例给出，如表4-1所示。0Ts2Ts3Ts4Ts5Ts6Tst()t/2/23/22Ts3Ts5Ts7Ts()tt022(a)(b)图4-2附加相位函数t及附加相位路径网格（a）附加相位函数；（b）附加相位路径网格表4-1相位常数k与ka的关系k123456ak111111k0222k（模2）0000由以上讨论可知，MSK信号具有如下特点：（1）已调信号的振幅是恒定的；（2）信号的频率偏移严格地等于14sT，相应的调制指数2112shffT；（3）以载波相位为基准的信号相位在一个码元期间内准确的线性化变化2；（4）在一个码元期间内，信号应包括四分之一载波周期的整数倍；（5）在码元转换时刻信号的相位是连续的，或者说，信号的波形没有突跳。下面我们讨论MSK信号的调制与解调方法MSK信号表达式可正交展开为下式：cos2coscoscoscossinsin22MSKckkbkckkcssSttatTttattTT(4-13)式中，等号后面的第一项是同相分量，也称I分量；第二项是正交分量，也称Q分量。cos2stT和sin2stT称为加权函数（或称调制函数）。cosk是同相分量的等效数据，coskka是正交分量的等效数据，它们都与原始输入数据有确定的关系。令coskkI，coskkkaQ，代入式（4-13）可得coscossinsin22MSKkckcssStIttQttTT(4-14)根据上面描述可构成一种MSK调制器，其方框图如图4-3所示：串/并转换波形选择地址生成器EEPROMEEPROMD/A转换器乘法器乘法器加法器（运放）D/A转换器CPLD时序电路低通滤波器时序电路低通滤波器IkQk延时波形选择地址生成器MSK调制cosctsinctcos2ksItTsin2ksQtTNRZ差分编码图4-3MSK调制原理框图输入数据NRZ，经过差分编码后，然后通过CPLD电路进行串/并转换，串并转换后I路直接输出，Q路经半个码元延迟后输出，得到Ik、Qk两路数据。波形选择地址生成器是根据接受到的数据（Ik或Qk）输出波形选择的地址。EEPROM（各种波形数据存储在其中）根据CPLD输出的地址来输出相应的数据，然后通过D／A转换器得到我们需要的基带波形，最后通过乘法器调制，运放求和就得到了我们需要的MSK调制信号。MSK基带波形只有两种波形组成，见图4-4所示：波形1波形2图4-4MSK成形信号在MSK调制中，成型信号取出原理为：由于成形信号只有两种波形选择，因此当前数据取出的成形信号只与它的前一位数据有关。如果当前数据与前一数据相同，数据第一次保持时，输出的成形信号不变（如果前一数据对应波形1，那么当前数据仍对应波形1）；从第二次保持开始，输出的成形信号与前一信号相反（如果前一数据对应波形1，那么当前数据对应波形2）。如果当前数据与前一位数据相反，数据第一次跳变时，输出的成形信号与前一信号相反（如果前一数据对应波形1，那么当前数据对应波形2），从数据第二次跳变开始，输出的成形信号不变（如果前一数据对应波形1，那么当前数据仍对应波形1）。MSK的基带成形信号波形如图4-5所示00011101101100二进制信息I路数据Q路数据I路成形信号Q路成形信号图4-5MSK的基带信号波形2、MSK解调原理MSK信号的解调与FSK信号相似，可以采用相干解调，也可以采用非相干解调方式。本实验模块中采用一种相干解调的方式。已知：coscossinsin22kckcssStIttQttTT把该信号进行正交解调可得到：Ik路：coscossincos22111coscos2cos222424211cos2cos24242kckcsskkckcssskckcssIttQttTTItItItTTTQtQtTTQk路：coscossinsin22111sinsin2sin222424211sin2sin24242kckcsskkckcssskckcssIttQttTTQtItItTTTQtQtTT我们需要的是1cos22ksItT、1sin22ksQtT两路信号，所以必须将其它频率成份22csT、22csT通过低通滤波器滤除掉，然后对1cos22ksItT、1sin22ksQtT采样即可还原成kI、kQ两路信号。根据上面描述可构成一种MSK解调器，其方框图如图4-6所示：乘法器（MC1496）乘法器（MC1496）低通滤波低通滤波MSK信号整形整形抽样判决位同步恢复并/串变换抽样判决NRZ延迟cosctsinctkIkQ差分译码图4-6MSK解调原理框图将得到的MSK调制信号正交解调，通过低通滤波器得到基带成形信号，并对由此得到的基带信号的波形进行电平比较得到数据，再将此数据经过CPLD的数字处理，就可解调得到NRZ码。在实际系统中，相干载波是通过载波同步获取的，相干载波的频率和相位只有和调制端载波相同时，才能完成相干解调。由于载波同步不是本实验的内容，因此在本模块中的相干载波是直接从调制端引入，因此解调器中的载波与调制器中的载波同频同相。3）、实验原理1、实验模块简介本实验需用到基带成形模块、IQ调制解调模块、码元再生模块及PSK载波恢复模块。CPLD（1）基带成形模块：本模块主要功能：产生PN31伪随机序列作为信源；将基带信号进行串并转换；按调制要求进行基带成形，形成两路正交基带信号。（2）IQ调制解调模块：本模块主要功能：产生调制及解调用的正交载波；完成射频正交调制及小功率线性放大；完成射频信号正交解调。（3）码元再生模块：本模块主要功能：从解调出的IQ基带信号中恢复位同步，并进行抽样判决，然后并串转换后输出。（4）PSK载波恢复模块：本模块主要功能：与IQ调制解调模块上的解调电路连接起来组成一个完整的科斯塔斯环恢复PSK已调信号的载波，同时可用作一个独立的载波源。本实验只使用其载波源。2、实验框图及电路说明a、MSK调制实验PN31NRZIN串/并转换波形选择地址生成器乘法器（MC1496）加法器（运放）波形选择地址生成器乘法器（MC1496）D/A转换器（DAC0832）EEPROM（AT2864）D/A转换器（DAC0832）EEPROM（AT2864）BSNRZ-INRZ-QQ-OUTI-OUTI-INQ-INIQSINCOS输出MSK信号延迟数字信源差分编码NRZOUT21.4M载波反相输出二分频二分频图4-7MSK调制实验框图MSK调制实验框图如图4-7所示，基带成形模块产生的PN码（由PN