試驗四MSK調制及相干解調試驗綜述

1、實驗四 MSK 調制及相干解調實驗一、實驗目的1、了解 MSK 調制原理及特性2、了解 MSK 解調原理及特性3、了解載波在相干及非相干時的解調特性二、實驗內容1、觀察 I、Q 兩路基帶信號的特征及與輸入 NRZ 碼的關系。2、觀察 IQ 調制解調過程中各信號變化。3、觀察解調載波相干時和非相干時各信號的區(qū)別。三、基本原理1、MSK 調制原理MSK 稱為最小移頻鍵控調制，是一種恒包絡調制，這是因為 MSK 屬于二進制連續(xù)相 位移頻鍵控（ CPFSK ）的一種特殊情況，它不存在相位躍變點，因此在帶限系統(tǒng)中，能保 持恒包絡特性。恒包絡調制有以下優(yōu)點：極低的旁瓣能量；可使用高效率的 C 類功率放大器

2、；容易恢 復用于相干解調的載波；已調信號峰平比低。MSK 是 CPFSK 滿足移頻系數(shù) h 0.5時的特例。它能比 PSK 傳送更高的比特速率。 二進制 MSK 信號的表達式可寫為：SMSK （t） cos c t 2T akt k （k 1）Ts t kTs2TsSMSK t cos cttt 2T akt k ,（ k 1）Ts t kTs 2Ts由式（ 4-1）可見，當 ak1 時，信號的頻率為當 ak 1 時，信號的頻率為 f1 1 c1 2 c 2Ts由此可得頻率間隔為 f f2f11h fTs1Ts10.5212Ts2Ts2如圖 4-1（ a）所示，由圖 4-1（b）中的波形可以看

3、出， “”信號與“”信號在一個碼元 期間恰好相差二分之一周，即相差 。下面我們就來說明 MSK 信號的頻率間隔是如何確定 的。對于一般移頻鍵控（ 2FSK ），兩個信號波形具有以下的相關系數(shù)sin 2 f 2f1Tssin4fcTs式中，fcf1f2/ 2是載波頻率。2 f 2 f1 Ts4 f cTsMSK 信號來說，MSK 是一種正交調制，其信號的波形的相關系數(shù)等于零。因此，對式（4-7）應為零， 也就是上式右邊兩項均應為零。 第一項等于零的條件是 2 f2 f1 Ts kk1，2，3），令 k 等于其最小值1，則2Ts1 f1fc 41Tsfcf2 f c 41Ts121Ts(a) （b

4、）圖 4-1 MSK 信號的頻率間隔與波形這正是 MSK 信號所要求的頻率間隔。第二項等于零的條件是 4 fcTs n （n=1， 2，3），即Ts4 fc這說明， MSK 信號在每一個碼元周期內，必須包含四分之一載波周期的整數(shù)倍。由此可得 fc n 1 Nm1（N 為正整數(shù)； m0， 1，2，3）c 4Ts4 Ts1 m 1 1相應地 f2 fc 41Ts N m4 1 T1sf1 fc 4Ts N 4 Ts相位常數(shù) k 的選擇應保持信號相位在碼元轉換時刻是連續(xù)的。根據(jù)這一要求， 由式（ 4-3）可以導出以下的相位遞歸條件，或者稱為相位約束條件，即k k 1 ak 1 ak 2 k 1 k

5、1,ak ak 1k 1 k 1 , ak ak 1上式表明， MSK 信號在第 k 個碼元的相位常數(shù)不僅與當前的ak有關，而且與前面 ak1的及相位常數(shù) k 1 有關。或者說， 前后碼元之間存在著相關性。 對于相干解調來說， k 的起始參 考值可以假定為零，因此，從式（ 4-11）可以得到 k 0或 模 2式（ 4-3）中的 t 稱為附加相位函數(shù)， 它是 MSK 信號的總相位減去隨時間線性增長的載波相位而得到的剩余相位。式（ 4-3）是一直線方程式，其斜率為ak ，截距是 k 。另外，2Ts由于 ak的取值為 1，故 akt 是分段線性的相位函數(shù)（以碼元寬度Ts為段）。2Tsk與 ak之間的

6、關系舉例給出，如表4-1所示。a）附加相位函數(shù)； （ b）附加相位路徑網格表 4-1 相位常數(shù) k 與 ak 的關系k123456ak111111k0222k （模 2 ）0000由以上討論可知， MSK 信號具有如下特點：1）已調信號的振幅是恒定的；12）信號的頻率偏移嚴格地等于41T ，相應的調制指數(shù) h f2 f1 Ts 1 ；4Ts23）以載波相位為基準的信號相位在一個碼元期間內準確的線性化變化；24）在一個碼元期間內，信號應包括四分之一載波周期的整數(shù)倍；5）在碼元轉換時刻信號的相位是連續(xù)的，或者說，信號的波形沒有突跳。MSK 信號表達式可正交展開為下式：式中，等號后面的第一項是同相分

7、量，也稱 I 分量；第二項是正交分量，也稱Q 分量。cost和 sint稱為加權函數(shù)（或稱調制函數(shù)）2Ts2Ts。 cos k 是同相分量的等效數(shù)據(jù)，ak cos k 是正交分量的等效數(shù)據(jù)，它們都與原始輸入數(shù)據(jù)有確定的關系。令 cos k I kak cos k Qk ，代入式（ 4-13 ）可得SMSK t I k cos t cos ct Qk sint sin ct2TsMSK k2Tsc k2Tsc根據(jù)上面描述可構成一種 MSK 調制器，其方框圖如圖 4-3 所示：圖 4-3 MSK 調制原理框圖輸入數(shù)據(jù) NRZ ，經過差分編碼后，然后通過 CPLD 電路進行串 /并轉換，串并轉換后

8、I 路直接輸出， Q 路經半個碼元延遲后輸出， 得到 Ik、Qk 兩路數(shù)據(jù)。 波形選擇地址生成器是根 據(jù)接受到的數(shù)據(jù)（ Ik 或 Qk）輸出波形選擇的地址。 EEPROM （各種波形數(shù)據(jù)存儲在其中） 根據(jù) CPLD 輸出的地址來輸出相應的數(shù)據(jù)， 然后通過 DA 轉換器得到我們需要的基帶波形， 最后通過乘法器調制，運放求和就得到了我們需要的 MSK 調制信號。MSK 基帶波形只有兩種波形組成，見圖 4-4 所示：波形 2波形 1圖 4-4 MSK 成形信號在 MSK 調制中，成型信號取出原理為：由于成形信號只有兩種波形選擇，因此當前數(shù)據(jù)取出的成形信號只與它的前一位數(shù)據(jù)有關。 如果當前數(shù)據(jù)與前一數(shù)

9、據(jù)相同， 數(shù)據(jù)第一次保持時， 輸出的成形信號不變（如果前一數(shù)據(jù)對應波形1，那么當前數(shù)據(jù)仍對應波形 1）；從第二次保持開始，輸出的成形信號與前一信號相反（如果前一數(shù)據(jù)對應波形1，那么當前數(shù)據(jù)對應波形 2）。如果當前數(shù)據(jù)與前一位數(shù)據(jù)相反，數(shù)據(jù)第一次跳變時，輸出的成形信號與前 一信號相反 （如果前一數(shù)據(jù)對應波形 1，那么當前數(shù)據(jù)對應波形 2），從數(shù)據(jù)第二次跳變開始， 輸出的成形信號不變（如果前一數(shù)據(jù)對應波形1，那么當前數(shù)據(jù)仍對應波形 1）。 MSK 的基帶成形信號波形如圖 4-5 所示二進制信息 0 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0I路數(shù)據(jù)Q路數(shù)據(jù)I路成形信號Q路成形信號圖 4-5

10、 MSK 的基帶信號波形2、MSK 解調原理MSK 信號的解調與 FSK 信號相似，可以采用相干解調，也可以采用非相干解調方式。已知：2Ts本實驗模塊中采用一種相干解調的方式。S t I k cos t cos ct Qk sin2Ts把該信號進行正交解調可得到：Ik costk2TsIk路： 1I costIk cost2kos ct Qk sin2 c2Ts2Ts114 Qk cos 2 c1I k cos 4k2TsQk cos4kt14Ik cos2 c t4Ik cos 2 c 2Ts2Tsk cosQk 路：1Qk sin2kct Qk sint2Tstin ct1 Qk sin4

11、k2Ts2c2 c 2Ts1 Ik sin24 Ik sin21Qk sin4k2 c 2Tin 22 c 2Ts2c2Ts我們需要的是1Ik cos21 Qk sint 兩路信號，所以必須將其它頻率成份2 k2Ts2 c2Ts通過低通濾波器濾除掉，然后對2Ts12 Ik cos 2Tst 、 21Qk sin 2Tst 采樣即可還原成 Ik、Qk 兩路信號。乘法器MC1496）低通濾波整形抽樣判決IkCPLDMSK 信號cos c t乘法器低通整形（ MC1496 ）濾波sint位同步恢復延遲判決并 / 串差分NRZ變換譯碼Qk圖 4-6 MSK 解調原理框圖四、實驗原理1、實驗模塊簡介（1

12、）基帶成形模塊：本模塊主要功能：產生 PN31 偽隨機序列作為信源；將基帶信號進行串并轉換；按調制 要求進行基帶成形，形成兩路正交基帶信號。（ 2） IQ 調制解調模塊：本模塊主要功能： 產生調制及解調用的正交載波； 完成射頻正交調制及小功率線性放大； 完成射頻信號正交解調。（3）碼元再生模塊：本模塊主要功能：從解調出的 IQ 基帶信號中恢復位同步，并進行抽樣判決，然后并串 轉換后輸出。（ 4）PSK 載波恢復模塊：本模塊主要功能：與 IQ 調制解調模塊上的解調電路連接起來組成一個完整的科斯塔斯 環(huán)恢復 PSK 已調信號的載波， 同時可用作一個獨立的載波源。 本實驗只使用其載波源。2、實驗框圖

13、及電路說明21.4M 載波二分頻加法器（運放）反相二分頻COS輸出SINMSK信號a、MSK 調制實驗差分串/并波形選擇D/A轉換器乘法器編碼轉換地址生成器（DAC0832）（MC1496）I-OUTI-ININRZ INNRZ-QNRZ OUT NRZ-IEEPROMAT2864）D/A轉換器乘法器基帶成型（DAC0832）（MC1496）Q-OUTQ-IN波形選擇延遲地址生成器EEPROMAT2864）Q IQ 調制PN31 信數(shù)源字 BS圖 4-7 MSK 調制實驗框圖MSK 調制實驗框圖如圖 4-7 所示，基帶成形模塊產生的 PN 碼（由 PN31 端輸出）輸入 到串并轉換電路中（由

14、NRZ IN 端輸入）進行差分編碼，然后進行串并轉換，串并轉換后 I 路直接輸出， Q 路經半個碼元延遲后輸出，輸出的 IQ 兩路數(shù)字基帶信號，經波形預取電路 判斷，取出相應的模擬基帶波形數(shù)據(jù)，經 D/A 轉換后輸出。b、MSK 解調實驗輸入MSK 信號乘法器（MC149）6COSI-OUT 低通 濾波輸入載波IQ 解調反相分頻SINMC149)6低通濾波Q-OUT整形抽樣 判決位同步恢復延遲整形抽樣 判決BS并/ 串 變換差分 譯碼NRZ碼元再生圖 4-8 MSK解調實驗框圖MSK 解調實驗框圖如圖 4-8 所示。 MSK 已調信號送入 IQ 調制解調模塊中的 IQ 解調電 路分別進行 DS

15、B 相干解調，相干載波由調制端的本振源經正交分頻產生。五、實驗步驟1、 正確安裝基帶成形模塊、 IQ 調制解調模塊、碼元再生模塊和 PSK 載波恢復模塊。2、 MSK 調制實驗。a、關閉實驗箱總電源，用臺階插座線完成如下連接：源端口目的端口連線說明基帶模塊： PN31基帶模塊： NRZ IN提供 PN31 偽隨機序列基帶模塊： I-OUTIQ 模塊： I-IN將基帶成型后的 I 路信號進行調 制基帶模塊： Q-OUTIQ 模塊： Q-IN將基帶成型后的 Q 路信號進行調 制b、按基帶成形模塊上“選擇”鍵，選擇MSK 模式（ MSK 指示燈亮）。c、用示波器對比觀察“ NRZ IN ”和“ NR

16、Z OUT ”信號，寫出差分編碼規(guī)則。d、用示波器觀察基帶模塊上“ NRZ-I ”及“ NRZ-Q ”測試點，并分別與“ NRZ OUT ” 測試點的信號進行對比，觀察串并轉換情況。e、用示波器觀測基帶模塊上 “I-OUT ”和“Q-OUT”點信號，并分別與“NRZ-I ”、“ NRZ-Q 對比，說明 MSK 信號的成形規(guī)則。f、用頻譜分析儀觀測調制后 MSK 信號頻譜（可用數(shù)字示波器上 FFT 功能替代觀測） 觀測點為 IQ 模塊調制單元的“輸出”端（ TP4）3、MSK 相干解調實驗。a、關閉實驗箱總電源，保持步驟2 中的連線不變，用同軸視頻線完成如下連接：源端口目的端口IQ 模塊（ IQ

17、 調制單元）：輸出（ J2）IQ 模塊（ IQ 解調單元）：輸入（ J3）IQ 模塊 （載波單元 ）：輸出（ J5）IQ 模塊 （載波單元 ）：輸入（ J4）b、示波器探頭分別接 IQ 解調單元上的 “I-OUT ”及“Q-OUT ”端，觀察解調后的波形。c、對比解調前后 I 路信號d、對比觀測解調前后 示波器探頭分別接 4、 MSK 再生信號觀察Q 路信號IQ 模塊的“ Q-OUT ”端及“ Q-IN ”端，注意觀察兩者是否一致。示波器探頭分別接IQ 模塊的“ I-OUT ”端及“ I-IN ”端，注意觀察兩者是否一致。a、關閉實驗箱總電源，保持步驟2、3 中的連線不變，用臺階插座線完成如下

18、連接：源端口目的端口連線說明IQ 模塊： I-OUT再生模塊： I-IN將解調后的 I 路信號進行抽樣判決IQ 模塊： Q-OUT再生模塊： Q-IN將解調后的 Q 路信號進行抽樣判決b、按再生模塊上“選擇”鍵，選擇MSK 模式（ MSK 指示燈亮）。c、對比觀測原始 NRZ 信號與再生后的 NRZ 信號 示波器探頭分別接再生模塊上“ NRZ ”端和基帶模塊上“ NRZ IN ”端，觀察兩路碼 元是否一致。若一致表示解調正確，若不一致可回到步驟2 重新實驗。5、 觀測載波非相干時信號波形斷開 IQ 模塊上載波“輸出”端與該模塊上載波“輸入”視頻線，將 IQ 模塊上載波“輸 入”端與 PSK 載波恢