最小移频键控(MSK)调制解调技术的原理及应用分析

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；cf为载波(也可称为中间载波)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：式中n为第n个码元的相位常数，取值为0或π(模2π)。由此，MSK信号的第n个码元可表示为：式中1na，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±π/2。当1na，即码元为l时，相位变化+π/2；当1na，即码元为0时，相位变化-π/2。由于任一码元期间附加相位的变化量为π/2，因此在码元累计终了处(t=nbT)的载波相位必定为π/2的整数倍：在bT的奇数倍时刻相位变化为π/2的奇数倍；在bT的偶数倍时刻相位变化为π/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.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π/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1f和2f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；对于0码(载波频率为2f)，积分器输出值分别为：1p=0，2p=0．5bT。因此比较判决规则如下：如果1p2p，则判为1码；如果1p2p，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。如果当前时刻码元和前一时刻码元相同且都是l码，即输入为(11)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(00)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(O1)或(10)时，积分器的输入信号则为tf12costf22cos或tf12costf22cos，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/bbTpT，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DDRSDRAM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M4KRAM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。M4KRAM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、20M4KRAM(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.