最小移頻鍵控(MSK)調制解調技術的原理及應用分析

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上最小移頻鍵控(MSK)調制解調技術的原理及應用分析摘要：最小頻移鍵控(MSK)調制是恒包絡調制方式的一種，能夠產生包絡恒定、 相位連續(xù)的調制信號。其帶寬窄，頻譜主瓣能量集中，旁瓣滾降衰減快，頻帶利 用率高，在現代通信中得到了較為廣泛地應用。本文主要介紹分析MSK的調制與解調原理并進行MSK調制解調技術的應用分析。MSK信號調制最小頻移鍵控(MSK)調制是恒包絡調制方式的一種，能夠產生包絡恒定、相位連續(xù)的調制信號。其帶寬窄，頻譜主瓣能量集中，旁瓣滾降衰減快，頻帶利用率高，在現代通信中得到了廣泛地應用。MSK信號的基本原理 最小頻移鍵控又稱快速頻移鍵控，是一種特殊的二元頻

2、移鍵控(2FSK)。用不同頻率的載波來表示1和0就是頻移鍵控FSK。在頻率(或數據)變化時一般的FSK信號的相位是不連續(xù)的，所以高頻分量比較多。如果在碼元轉 換時刻FSK信號的相位是連續(xù)的，稱之為連續(xù)相位的FSK信號(CPFSK)。CPFSK 信號的有效帶寬比一般的FSK信號小，最小移頻鍵控(MSK)就是一種特殊的 CPFSK。除了相位連續(xù)以外，MSK信號還要求滿足：l碼和0碼的波形正交(有利于降低誤碼率)，頻移最小(有利于減小信號帶寬，提高對信道的頻帶利用率)。 MSK信號具有正交信號的最小頻差，可以表示為： 式中A為載波的振幅；為載波(也可稱為中間載波)的頻率；相位為MSK信號的總相位減去

3、隨時間增長的載波相位后得到的剩余相位，稱為附加相位函數，是時間的連續(xù)函數；為碼元間隔周期。由2FSK信號正交條件可知，最小頻差為： 其調制指數為：式中、分別為MSK信號1碼和0碼的載波頻率。此時有：式中為第n個碼元的相位常數，取值為0或(模2)。由此，MSK信號的第n個碼元可表示為：式中，分別用來表示二進制信息l和0。由上式可知以碼元寬度計量的分段線性相位函數為，在每個碼元間隔內其變化量為±/2。當，即碼元為l時，相位變化+/2；當，即碼元為0時，相位變化-/2。由于任一碼元期間附加相位的變化量為/2，因此在碼元累計終了處(t=n)的載波相位必定為/2的整數倍：在的奇數倍時刻相位變化

4、為/2的奇數倍；在的偶數倍時刻相位變化為/2的偶數倍。MSK信號具有良好的頻譜特性，將MSK信號與一般QPSK信號的譜密度特性進行比較。MSK和QPSK信號的功率譜表達式分別為從上式可知，MSK信號的功率譜近似與成反比，而QPSK信號則近似與 成反比，因此MSK信號的能量集中在頻率較低處。MSK信號的主瓣較寬，第一個零點出現在處，而QPSK信號的主瓣較窄，第一個零點出現在處。在主瓣之外MSK信號的譜衰減比QPSK快得多，因其旁瓣極小，MSK有遠遠優(yōu)于QPSK的頻譜效率。通過分析可總結出MSK信號的如下特點：1.MSP信號是恒定包絡的信號，適用于功率受限進行非線性放大場合。2.信號的頻率偏移為，

5、相印的調制指數為h=0.5。3.在一個碼元周期內，MSK信號應包括1/4載波周期的整數倍。4.以載波相位為基準的信號相位，在一個碼元周期間線性地變化/2。5.在碼元轉換時刻，信號的波形沒有突變，即信號的相位是連續(xù)的。6.1碼和0碼的波形正交，有利于構成最佳接收系統(tǒng)來降低誤碼率。7.頻譜中高頻分量少，衰減快，功率譜密度集中，頻帶利用率高。MSK信號解調MSK信號解調方法有兩類：相干解調和非相干解調。相干解調需要進行載波同步（即提取載波），如果頻率為和的載波是用兩個振蕩電路分別產生的，則該FSK信號就包含有和的獨立頻率成分，若和距離比較大，載波同步容易實現。而對于CPFSK信號，它是用一個VCO電

6、路產生的，則一般不能進行載波同步。而MSK信號是一種比較特殊的CPFSK信號，其1碼和0碼相差半個周波，可以設法提取載波信號，因此可采用相干解調方法進行解調。非相干解調方法不需要產生本地載波，電路比較簡單，容易實現，但抗噪性能相對較差。常用的非相干解調方法有包絡檢波法和過零點檢測法。過零點檢測法的基本原理是根據FSK信號過零率的大小來檢測已調信號中的頻率變化。而包絡檢測法需要濾去FSK信號中的一個頻率，使之變?yōu)閮陕稟SK（幅移鍵控）信號。由于MSK信號1碼和0碼的載波頻率間距很小，采用包絡檢測法或過零點檢測法會對誤碼性能產生不利影響，對于MSK信號的非相干解調一般采用差分檢測法。1.MSK信號

7、移頻載波相干解調為了利用MSK信號l碼和0碼波形正交的特點，以達到降低誤碼率的目的，可以采用將接收的MSK信號分上下兩支路，分別用頻率為和的本地載波進行相干解調的方法實現對信號的解調恢復。如上圖所示，圖中的本地頻移載波和分別與1碼和0碼波形同步。接收的MSK信號經過帶通濾波器(BPF)濾去帶外噪聲后分上下兩支路，上支路與頻率為的相干載波相乘，再經過一個碼元周期長度的積分后輸出；下支路則與頻率為；的相干載波相乘，積分后輸出。在采樣判決器內，對和的值進行比較，按“擇大判決”準則可恢復出數字基帶信號。在判決時刻t= (碼元結束時)，對于1碼(載波頻率為)，上下兩個積分器輸出值分別為：=O5，=0；對

8、于0碼(載波頻率為)，積分器輸出值分別為：=0，=05。因此比較判決規(guī)則如下：如果>，則判為1碼；如果<，則判為0碼。2.MSK信號的差分檢測法由于MSK信號不包含石和五的離散頻譜，同時兩個頻率和的間隔很小，因此要從已調信號中提取載波很復雜。下圖給出了MSK信號的差分檢測法，由于在接收端不需要本地相干載波，也就避免了從MSK信號中提取載波的難題，因此本質上仍是一種非相干解調方式。 工作原理：假設在一個碼元周期內，0碼有M個載波周期，1碼有M+05個載波周期，載波幅值取歸一化值。如果當前時刻碼元和前一時刻碼元相同且都是l碼，即輸入為(1 1)時，積分器的輸入信號則為，因此積分器輸出為

9、；如果當前時刻碼元和前一時刻碼元相同且都是0碼，即輸入為(0 0)時，積分器的輸入信號則為，因此輸出為；而如果該時刻碼元和其前一時刻碼元不相同，即輸入為(O 1)或(1 0)時，積分器的輸入信號則為或，積分器輸出為p=0。根據上述分析可以得到以下的判決規(guī)則：如果，則判當前時刻碼元為1碼；如果，則判為0碼；如果，則判該碼元與其前一時刻碼元相反。MSK信號的差分檢測法在解調時避免了載波同步問題，結構簡單，容易實現。但該方法對當前碼元的恢復依賴于其前一時刻的碼元判決，如果前一時刻的碼元發(fā)生錯判，則緊接著的下一個碼元的判決也有可能會出錯。正是這種相關性，使得該解調方法的抗噪聲性能比相干解調方法要差一些

10、。此外，在解調過程中還必須設置兩個與信號強度有關的判決門限電平，而信號的強度經常是隨著信道傳輸衰減而變動的，因此要設置和維持最佳的判決門限電平是很難的，特別是在無線信道中。MSK調制解調技術的應用分析芯片選型核心板芯片選擇速度快、容量大、穩(wěn)定性好、有豐富的I/O口的EP1C6Q240C8芯片。器件采用二維行列結構來實現定制邏輯，內部包含了PLL和RAM。其邏輯陣列由若干個LAB組成，每個LAB包含10個邏輯單元（LE）。LE就是一個能夠完成用戶邏輯功能的邏輯最小單元，所有LAB在整個器件內部按行和列的順序排列。每一個Cyclone器件的I/O引腳都是由I/O單元（IOE）驅動，IOE位于器件外

11、圍LAB行和列的末端。I/O引腳支持各種單端和差分I/O接口標準，雙用途PQS,DQ和DM引腳（用于DDR信號的相位校正）一起為如DDR SDRAM以及速率達133MHz（266Mb/s）的FCRAM等外部存儲器件提供了接口支持。EP1C6Q240C8為用戶提供了92K比特的嵌入式RAM存儲空間，這些存儲資源由若干個容量為4K、加上奇偶校驗位后總容量為4608的M4K RAM塊組成。這種存儲模塊在相鄰兩列LAB之間縱向排列，并貫穿整個器件。M4K RAM塊可用于實現真正的雙端口、簡單的雙端口或單端口存儲器，最大數據寬度為36位，最大速度為250MHz。它還提供了全局網絡時鐘和2個PLL。全局時鐘網絡由8個全局時鐘組成，可驅動整個器件；還可以用作控制線和為片機所有資源提供時鐘，如IOE、LE等。PLL可提供時鐘分頻、倍頻、移相和可編程占空比等常規(guī)操作，還可為支持調整差分I/O接口提供外部時鐘輸出。EP1C6Q240C8用戶可使用資源5980LE、20M4K RAM(128*36位)、92160RAM、2個PLL和最大185個用戶I/O引腳。使用3.3V和1.5V雙電源供電。核心板采用IR1117為FPGA供電，用50MHz有源晶振提供時鐘。配置芯片采用E