試驗(yàn)四MSK調(diào)制及相干解調(diào)試驗(yàn)綜述

1、實(shí)驗(yàn)四 MSK 調(diào)制及相干解調(diào)實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解 MSK 調(diào)制原理及特性2、了解 MSK 解調(diào)原理及特性3、了解載波在相干及非相干時(shí)的解調(diào)特性二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、觀察 I、Q 兩路基帶信號(hào)的特征及與輸入 NRZ 碼的關(guān)系。2、觀察 IQ 調(diào)制解調(diào)過(guò)程中各信號(hào)變化。3、觀察解調(diào)載波相干時(shí)和非相干時(shí)各信號(hào)的區(qū)別。三、基本原理1、MSK 調(diào)制原理MSK 稱為最小移頻鍵控調(diào)制，是一種恒包絡(luò)調(diào)制，這是因?yàn)?MSK 屬于二進(jìn)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(diǎn)，因此在帶限系統(tǒng)中，能保 持恒包絡(luò)特性。恒包絡(luò)調(diào)制有以下優(yōu)點(diǎn)：極低的旁瓣能量；可使用高效率的 C 類(lèi)功率放大器

2、；容易恢 復(fù)用于相干解調(diào)的載波；已調(diào)信號(hào)峰平比低。MSK 是 CPFSK 滿足移頻系數(shù) h 0.5時(shí)的特例。它能比 PSK 傳送更高的比特速率。 二進(jìn)制 MSK 信號(hào)的表達(dá)式可寫(xiě)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(jiàn)，當(dāng) ak1 時(shí)，信號(hào)的頻率為當(dāng) ak 1 時(shí)，信號(hào)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(hào)與“”信號(hào)在一個(gè)碼元 期間恰好相差二分之一周，即相差 。下面我們就來(lái)說(shuō)明 MSK 信號(hào)的頻率間隔是如何確定 的。對(duì)于一般移頻鍵控（ 2FSK ），兩個(gè)信號(hào)波形具有以下的相關(guān)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(hào)來(lái)說(shuō)，MSK 是一種正交調(diào)制，其信號(hào)的波形的相關(guān)系數(shù)等于零。因此，對(duì)式（4-7）應(yīng)為零， 也就是上式右邊兩項(xiàng)均應(yīng)為零。 第一項(xiàng)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(hào)的頻率間隔與波形這正是 MSK 信號(hào)所要求的頻率間隔。第二項(xiàng)等于零的條件是 4 fcTs n （n=1， 2，3），即Ts4 fc這說(shuō)明， MSK 信號(hào)在每一個(gè)碼元周期內(nèi)，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(yīng)地 f2 fc 41Ts N m4 1 T1sf1 fc 4Ts N 4 Ts相位常數(shù) k 的選擇應(yīng)保持信號(hào)相位在碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻是連續(xù)的。根據(jù)這一要求， 由式（ 4-3）可以導(dǎo)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(hào)在第 k 個(gè)碼元的相位常數(shù)不僅與當(dāng)前的ak有關(guān)，而且與前面 ak1的及相位常數(shù) k 1 有關(guān)。或者說(shuō)， 前后碼元之間存在著相關(guān)性。 對(duì)于相干解調(diào)來(lái)說(shuō)， 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(hào)的總相位減去隨時(shí)間線性增長(zhǎng)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(guān)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(wǎng)格表 4-1 相位常數(shù) k 與 ak 的關(guān)系k123456ak111111k0222k （模 2 ）0000由以上討論可知， MSK 信號(hào)具有如下特點(diǎn)：1）已調(diào)信號(hào)的振幅是恒定的；12）信號(hào)的頻率偏移嚴(yán)格地等于41T ，相應(yīng)的調(diào)制指數(shù) h f2 f1 Ts 1 ；4Ts23）以載波相位為基準(zhǔn)的信號(hào)相位在一個(gè)碼元期間內(nèi)準(zhǔn)確的線性化變化；24）在一個(gè)碼元期間內(nèi)，信號(hào)應(yīng)包括四分之一載波周期的整數(shù)倍；5）在碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻信號(hào)的相位是連續(xù)的，或者說(shuō)，信號(hào)的波形沒(méi)有突跳。MSK 信號(hào)表達(dá)式可正交展開(kāi)為下式：式中，等號(hào)后面的第一項(xiàng)是同相分

7、量，也稱 I 分量；第二項(xiàng)是正交分量，也稱Q 分量。cost和 sint稱為加權(quán)函數(shù)（或稱調(diào)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(guān)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(gòu)成一種 MSK 調(diào)制器，其方框圖如圖 4-3 所示：圖 4-3 MSK 調(diào)制原理框圖輸入數(shù)據(jù) NRZ ，經(jīng)過(guò)差分編碼后，然后通過(guò) CPLD 電路進(jìn)行串 /并轉(zhuǎn)換，串并轉(zhuǎn)換后

8、I 路直接輸出， Q 路經(jīng)半個(gè)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(chǔ)在其中） 根據(jù) CPLD 輸出的地址來(lái)輸出相應(yīng)的數(shù)據(jù)， 然后通過(guò) DA 轉(zhuǎn)換器得到我們需要的基帶波形， 最后通過(guò)乘法器調(diào)制，運(yùn)放求和就得到了我們需要的 MSK 調(diào)制信號(hào)。MSK 基帶波形只有兩種波形組成，見(jiàn)圖 4-4 所示：波形 2波形 1圖 4-4 MSK 成形信號(hào)在 MSK 調(diào)制中，成型信號(hào)取出原理為：由于成形信號(hào)只有兩種波形選擇，因此當(dāng)前數(shù)據(jù)取出的成形信號(hào)只與它的前一位數(shù)據(jù)有關(guān)。 如果當(dāng)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(shí)， 輸出的成形信號(hào)不變（如果前一數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)波形1，那么當(dāng)前數(shù)據(jù)仍對(duì)應(yīng)波形 1）；從第二次保持開(kāi)始，輸出的成形信號(hào)與前一信號(hào)相反（如果前一數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)波形1，那么當(dāng)前數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)波形 2）。如果當(dāng)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(shí)，輸出的成形信號(hào)與前 一信號(hào)相反 （如果前一數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)波形 1，那么當(dāng)前數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)波形 2），從數(shù)據(jù)第二次跳變開(kāi)始， 輸出的成形信號(hào)不變（如果前一數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)波形1，那么當(dāng)前數(shù)據(jù)仍對(duì)應(yīng)波形 1）。 MSK 的基帶成形信號(hào)波形如圖 4-5 所示二進(jìn)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(hào)Q路成形信號(hào)圖 4-5

10、 MSK 的基帶信號(hào)波形2、MSK 解調(diào)原理MSK 信號(hào)的解調(diào)與 FSK 信號(hào)相似，可以采用相干解調(diào)，也可以采用非相干解調(diào)方式。已知：2Ts本實(shí)驗(yàn)?zāi)K中采用一種相干解調(diào)的方式。S t I k cos t cos ct Qk sin2Ts把該信號(hào)進(jìn)行正交解調(diào)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(hào)，所以必須將其它頻率成份2 k2Ts2 c2Ts通過(guò)低通濾波器濾除掉，然后對(duì)2Ts12 Ik cos 2Tst 、 21Qk sin 2Tst 采樣即可還原成 Ik、Qk 兩路信號(hào)。乘法器MC1496）低通濾波整形抽樣判決IkCPLDMSK 信號(hào)cos c t乘法器低通整形（ MC1496 ）濾波sint位同步恢復(fù)延遲判決并 / 串差分NRZ變換譯碼Qk圖 4-6 MSK 解調(diào)原理框圖四、實(shí)驗(yàn)原理1、實(shí)驗(yàn)?zāi)K簡(jiǎn)介（1

12、）基帶成形模塊：本模塊主要功能：產(chǎn)生 PN31 偽隨機(jī)序列作為信源；將基帶信號(hào)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換；按調(diào)制 要求進(jìn)行基帶成形，形成兩路正交基帶信號(hào)。（ 2） IQ 調(diào)制解調(diào)模塊：本模塊主要功能： 產(chǎn)生調(diào)制及解調(diào)用的正交載波； 完成射頻正交調(diào)制及小功率線性放大； 完成射頻信號(hào)正交解調(diào)。（3）碼元再生模塊：本模塊主要功能：從解調(diào)出的 IQ 基帶信號(hào)中恢復(fù)位同步，并進(jìn)行抽樣判決，然后并串 轉(zhuǎn)換后輸出。（ 4）PSK 載波恢復(fù)模塊：本模塊主要功能：與 IQ 調(diào)制解調(diào)模塊上的解調(diào)電路連接起來(lái)組成一個(gè)完整的科斯塔斯 環(huán)恢復(fù) PSK 已調(diào)信號(hào)的載波， 同時(shí)可用作一個(gè)獨(dú)立的載波源。 本實(shí)驗(yàn)只使用其載波源。2、實(shí)驗(yàn)框圖

13、及電路說(shuō)明21.4M 載波二分頻加法器（運(yùn)放）反相二分頻COS輸出SINMSK信號(hào)a、MSK 調(diào)制實(shí)驗(yàn)差分串/并波形選擇D/A轉(zhuǎn)換器乘法器編碼轉(zhuǎn)換地址生成器（DAC0832）（MC1496）I-OUTI-ININRZ INNRZ-QNRZ OUT NRZ-IEEPROMAT2864）D/A轉(zhuǎn)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(diào)制PN31 信數(shù)源字 BS圖 4-7 MSK 調(diào)制實(shí)驗(yàn)框圖MSK 調(diào)制實(shí)驗(yàn)框圖如圖 4-7 所示，基帶成形模塊產(chǎn)生的 PN 碼（由 PN31 端輸出）輸入 到串并轉(zhuǎn)換電路中（由

14、NRZ IN 端輸入）進(jìn)行差分編碼，然后進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，串并轉(zhuǎn)換后 I 路直接輸出， Q 路經(jīng)半個(gè)碼元延遲后輸出，輸出的 IQ 兩路數(shù)字基帶信號(hào)，經(jīng)波形預(yù)取電路 判斷，取出相應(yīng)的模擬基帶波形數(shù)據(jù)，經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換后輸出。b、MSK 解調(diào)實(shí)驗(yàn)輸入MSK 信號(hào)乘法器（MC149）6COSI-OUT 低通 濾波輸入載波IQ 解調(diào)反相分頻SINMC149)6低通濾波Q-OUT整形抽樣 判決位同步恢復(fù)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(diào)實(shí)驗(yàn)框圖MSK 解調(diào)實(shí)驗(yàn)框圖如圖 4-8 所示。 MSK 已調(diào)信號(hào)送入 IQ 調(diào)制解調(diào)模塊中的 IQ 解調(diào)電 路分別進(jìn)行 DS

15、B 相干解調(diào)，相干載波由調(diào)制端的本振源經(jīng)正交分頻產(chǎn)生。五、實(shí)驗(yàn)步驟1、 正確安裝基帶成形模塊、 IQ 調(diào)制解調(diào)模塊、碼元再生模塊和 PSK 載波恢復(fù)模塊。2、 MSK 調(diào)制實(shí)驗(yàn)。a、關(guān)閉實(shí)驗(yàn)箱總電源，用臺(tái)階插座線完成如下連接：源端口目的端口連線說(shuō)明基帶模塊： PN31基帶模塊： NRZ IN提供 PN31 偽隨機(jī)序列基帶模塊： I-OUTIQ 模塊： I-IN將基帶成型后的 I 路信號(hào)進(jìn)行調(diào) 制基帶模塊： Q-OUTIQ 模塊： Q-IN將基帶成型后的 Q 路信號(hào)進(jìn)行調(diào) 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(duì)比觀察“ NRZ IN ”和“ NR

16、Z OUT ”信號(hào)，寫(xiě)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(cè)試點(diǎn)，并分別與“ NRZ OUT ” 測(cè)試點(diǎn)的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，觀察串并轉(zhuǎn)換情況。e、用示波器觀測(cè)基帶模塊上 “I-OUT ”和“Q-OUT”點(diǎn)信號(hào)，并分別與“NRZ-I ”、“ NRZ-Q 對(duì)比，說(shuō)明 MSK 信號(hào)的成形規(guī)則。f、用頻譜分析儀觀測(cè)調(diào)制后 MSK 信號(hào)頻譜（可用數(shù)字示波器上 FFT 功能替代觀測(cè)） 觀測(cè)點(diǎn)為 IQ 模塊調(diào)制單元的“輸出”端（ TP4）3、MSK 相干解調(diào)實(shí)驗(yàn)。a、關(guān)閉實(shí)驗(yàn)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(diào)制單元）：輸出（ J2）IQ 模塊（ IQ 解調(diào)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(diào)單元上的 “I-OUT ”及“Q-OUT ”端，觀察解調(diào)后的波形。c、對(duì)比解調(diào)前后 I 路信號(hào)d、對(duì)比觀測(cè)解調(diào)前后 示波器探頭分別接 4、 MSK 再生信號(hào)觀察Q 路信號(hào)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(guān)閉實(shí)驗(yàn)箱總電源，保持步驟2、3 中的連線不變，用臺(tái)階插座線完成如下

18、連接：源端口目的端口連線說(shuō)明IQ 模塊： I-OUT再生模塊： I-IN將解調(diào)后的 I 路信號(hào)進(jìn)行抽樣判決IQ 模塊： Q-OUT再生模塊： Q-IN將解調(diào)后的 Q 路信號(hào)進(jìn)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(duì)比觀測(cè)原始 NRZ 信號(hào)與再生后的 NRZ 信號(hào) 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(diào)正確，若不一致可回到步驟2 重新實(shí)驗(yàn)。5、 觀測(cè)載波非相干時(shí)信號(hào)波形斷開(kāi) 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