MSK

ＭＳＫ调制解调实验课件前言1、最小移频键控(MSK)2、MSK的基本原理3、MSK调制解调原理(练习)4、Msk性能分析5、Msk调制解调系统仿真5-1Msk系统的SystemView仿真简介5-1-1仿真系统设计5-2仿真结果与结论6、总结前言当今社会已经步入信息时代，在各种信息技术中信息的传输及通信起着支撑作用。而对于信息的传输，数字通信已成为重要手段。因此信号的调制方式也由模拟方式持续，广泛地向数字方式转化。本课件根据当今现代通信技术的发展，对信号的数字调制方式的一种——最小移频键控（MSK）进行了研究。本课件主要研究了最小移频键（MSK）工作原理、调制解调的方法以及仿真分析。最小移频键控(MSK)数字频率调制和数字相位调制，由于已调信号包络恒定，因此有利于在非线性特性的信道中传输。由于一般移频键控信号相位不连续、频偏较大等原因，使其频谱利用率较低。本节将讨论的MSK(MinimumFrequencyShiftKeying)是二进制连续相位FSK的一种特殊形式。MSK称为最小移频键控，有时也称为快速移频键控(FFSK)。所谓“最小”是指这种调制方式能以最小的调制指数(0.5)获得正交信号；而“快速”是指在给定同样的频带内，MSK能比2PSK的数据传输速率更高，且在带外的频谱分量要比2PSK衰减的快。(链接到频谱图)返回目录式中，θk(t)称为附加相位函数；ωc为载波角频率；Ts为码元宽度；ak为第k个输入码元，取值为±1；φk为第k个码元的相位常数，在时间kTs≤t≤(k+1)Ts中保持不变，其作用是保证在t=kTs时刻信号相位连续。令则由式可以看出，MSK信号的两个频率分别为()2kkckSatttT()2kkcsdtawdtTfp=+=2cSwTp+2cSwTp-1a=+1a=-中心频率fc应选为式表明，MSK信号在每一码元周期内必须包含四分之一载波周期的整数倍。fc还可以表示为(N为正整数；m=0,1,2,3)相应地MSK信号的两个频率可表示为114cSffT114cSffT,1,2,...4cSnfnT==1()4cSmfNT=+1111()44cSmffNTT-=-=+2111()44cSmffNTT+=+=+。由此可得频率间隔为MSK信号的调制指数为当取N=1,m=0时，MSK信号的时间波形如图所示。对第k个码元的相位常数φk的选择应保证MSK信号相位在码元转换时刻是连续的。根据这一要求，可以得到相位约束条件为2112SfffT1001110tOsMSK(t)5.021/SsbTTRfh式中，若取φk的初始参考值φ0=0，则φk=0或±π(模2π)k=0,1,2,…上式即反映了MSK信号前后码元区间的相位约束关系,表明MSK信号在第k个码元的相位常数不仅与当前码元的取值ak有关，而且还与前一码元的取值ak-1及相位常数φk-1有关。)1(2)(11KpaaffKKKK由附加相位函数θk(t)的表示式可以看出，θk(t)是一直线方程，其斜率为，截距为φk。由于ak的取值为±1，故是分段线性的相位函数。因此，MSK的整个相位路径是由间隔为Ts的一系列直线段所连成的折线。在任一个码元期间Ts，若ak=+1，则θk(t)；若ak=-1，则θk(t)线性减小。对于给定的输入信号序列{ak}，相应的附加相位函数θk(t)的波形如图所示。对于各种可能的输入信号序列，θk(t)的所有可能路径是一个从-2π到+2π的网格图。2kSatTp2p2p2Tb0θ(0)－π/2－π－3π/2－2ππ/2π3π/22π04Tb6Tb8Tbtθ(t)例:Msk序列产生过程Flash演示斜率0k(t)－1－1＋1－1＋1＋1＋1－1＋1ak－30－2－3－34－4xk2TsTs3Ts4Ts5Ts6Ts7Ts8Ts9Tst2π32π32π5附加相位函数θk(t)的波形图2kSatTp2p线性增加从以上分析总结得出，MSK信号具有以下特点：（1）MSK信号是恒定包络信号；（2）在码元转换时刻，信号的相位是连续的，以载波相位为基准的信号相位在一个码元期间内线性地变化；（3）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，信号的频率偏移等于，相应的调制指数h=0.5。下面我们简要讨论一下MSK信号的功率谱。22228()cos[2()][116()]SMSKcScSTPfffTffTpp=---2pST41－40－30－20－100sT75.0sT1sT2sT3(f－fc)/Hz功率谱密度/dBMSK2PSK与2PSK相比，MSK信号的功率谱更加紧凑，其第一个零点出现在0.75/Ts处，而2PSK的第一个零点出现在1/Ts处。这表明，MSK信号功率谱的主瓣所占的频带宽度比2PSK信号的窄；当(f-fc)→∞时，MSK的功率谱以(f-fc)-4的速率衰减，它要比2PSK的衰减速率快得多，因此对邻道的干扰也较小。(回最小移频键控(MSK)介绍)MSK调制解调原理思考调制框图选择题1解调框图选择题2由MSK信号的一般表示式可得因为代入式可得()cos[()]cos()cossin()sinMSKckkckcsttttttt()2kkkSattTpqf=+()coscos()coscossin()sin22MSKkckkcSSttstwtawtTTppfJ=-()cos()cos()cossin()sin22kckkcSSttItwtQtwtTTppJ=-上式即为MSK信号的正交表示形式。其同相分量为也称为I支路。其正交分量为也称为Q支路。cos和sin称为加权函数。()coscoscos()cos2IkkcStxtwtTpfJ=()cossin()cos2QkkcStxtawtTpf=()2StTp()2StTp振荡f＝1/2Tb差分编码输入数据akck串/并变换振荡f＝fc移相90°Σ延迟Tb带通滤波器MSK信号IkQkIkcos(πt/2Tb)cos(πt/2Tb)sin(πt/2Tb)Qksin(πt/2Tb)－Qksin(πt/2Tb)sinωctIkcos(πt/2Tb)cosωctQ支路信号先延迟Ts，经sin加权调制和正交载波sinωct相乘输出正交分量xQ(t)。xI(t)和xQ(t)相减就可得到已调MSK信号。MSK信号属于数字频率调制信号，因此可以采用一般鉴频器方式进行解调。鉴频器解调方式结构简单，容易实现。由于MSK信号调制指数较小，采用一般鉴频器方式进行解调误码率性能不太好，因此在对误码率有较高要求时大多采用相干解调方式。()2StTpMSK鉴频器解调原理图BPF鉴频LPF抽样判决输出输入LPF判决电路LPF判决电路并/串变换差分译码载波恢复BPF输入输出cosctsinctMSK信号相干解调器原理图练习•设发送的码元序列为+1-1-1-1-1-1+1。试画出MSK信号的相位路径图。若码元速率为1000B，载频为3000Hz。试画出MSK信号波形。习题答案3、Msk性能分析设信道特性为恒参信道，噪声为加斯白噪声，MSK解调器输入、信号与噪声的合波为：式中是均值为0，方差为的窄带高斯噪声。经过相乘、低通滤波器和抽样湖，在时刻I支路的样值为)](2cos[)(tntTattrkacttnttntncsccsin)(cos)()(nckskakTQ)1(cos)2(skTt22在时刻Q支路的样值为：式中和分别为和在取样时刻的样本值。在I支路和Q支路数据等概率的情况下，个支路的误码率为：nckkkaakQ)1(cos)12()(tnc)(tnssTkt)1(2cnsn)(212)(exp21)(0120rerfcdaxdxfPxxs式中，为信噪比。经过交替门输出和差分译码后，系统的总比特率为MSK系统误比特率曲线如图（h）所示。。222ar)1(2ssePPP由以上分析可以看出，MSK信号比2PSK有更高的频谱利用率，并且有更强的抗噪声性能，从而得到更广泛的应用。4、Msk调制解调系统仿真4-1Msk系统的SystemView仿真简介通过SystemView不但可以十分快速、直观地获得设计方案的仿真结果,而且在系统的设计和实现过程中,利用SystemView对系统某个功能环节进行仿真,然后通过修改参数和增加各种外界干扰等,得到运行结果,达到分析系统性能的目的。MSK调制与其他调制方式相比,其优势在于:MSK调制信号的功率谱密度相当集中,其主瓣宽度为115倍码速率,旁瓣的滚降速率按f4规律下降,因此频带利用率高;它的频带较宽,信道的有效性高,在跳频扩频通信中可以增加跳频点;MSK信号具有恒包络特性,而且它经过限幅后旁瓣电平仍然迅速滚降,所以适用于功率受限而进行非线性放大的场合;MSK调制的可靠性即误码率和数字调制系统中最优的相干PSK调制的误码率相近(在所有系统中,相干PSK误码率最小)。4-1-1仿真系统设计使用SystemView仿真软件，并根据调制解调的原理，设计了MSK系统的仿真结构，如图（a）所示。图（a）MSK系统的systemview仿真图图符0用于产生幅值为+-1、码速率为40khz的二元码序列，波形如图（b）所示。差分编码后的二元码序列bk如图（c）所示。经串并转换后得到的两路并行的、相互错开一个的T，双极性二元码序列b1和b2波形如图（d）和图（e）所示。两路信号分别经过相乘调制后的波形如图（f）和图（g）所示。其中图符11用于产生周期是4T，在宽度2T内只有半个周期的正弦波和余弦波，调制后两路信号相加得到波形如图（h）所示，信号被接收，经解调得到的二元码序列如图（i）所示，从图中可以看出调制恢复后的二元码序列与原始二元码序列是相同的，只是在时间上有所延迟。4-1仿真结果与结论在SystemView仿真环境下，取系统采样频率为30khz，仿真运行时间为0.1秒。运行后取750ms的波形，得到下面所示的一系列图形。图（b）PN码图（c）PN码经过差分变换返回图（d）图（e）经过串并转换以后两路波形的比较。图d是经过延时以后的波形图e是未经过延时的波形返回图（f）图（g）返回图（h）合成后的信号波形图（i）解调器中并串转换出来的波形返回取图中（e）差分编码的前10个码元进行举例分析由约束条件：可得到相位常数与差分编码后的码元序列的关系如表1所示。同时，结合附加相位函数，可画出前10个数据序列的附加轨迹如图（j）所示。表一相位常数与之间的关系经上分析与仿真，可对于各种可能的输入信号序列，验证具有下列特征：)]1(2)[(11kaakkkk)(tk)('td)(tst12345678910-111-1-1-1111-10)('td)(t2224445)(t)('td1）信号包络恒定。2）在一定比特宽度T内，若则频率为,则频率为，若,则频率为，频率差为，频率指数0.5。3）在两码元交接处，相位是连续的。总结上述分析及仿真过程，说明了调制与解调结构确实可以构成最小移频键控系统，为构造实际的系统获取了一定的先验知识，提高了系统的研制效率。图（j）差分码前十个码元的附加相位轨迹1)(tatfc411)(tatfc41t21返回5、总结本文主要介绍了最小移频键控技术（MSK）的工作原理，研究和分析了实现MSK调制解调的方法即正交调制和相干解调原理。综上所述，MSK（最小移频键控技术）在数字通信时代，作为一种信号的数字化调制技术，有着很大的优点，必将会得到广泛的应用。返回目录