MSK信号调制与研究

摘要由于数字通信的高速发展，信息传输的带宽效率一直为人们所关注，对高效调制技术的探索具有重大的现实意义。随着社会信息化进程的加快，人们对通信的需求日益迫切，对通信质量的要求也越来越高。然而通信频谱是有限的，频率资源严重不足与高速可靠的信息传输存在着日益突出的矛盾,高效频谱利用率的数据传输已经成为当代通信技术梦寐以求的目标。怎样更有效的使用这些有限的频谱，如何节省频谱，高效利用频带成为通信领域研究的焦点。MSK是移频键控FSK的一种改进形式，他是许多调制方案中的一种类型，MSK可以解决OQPSK调制方式中不能解决包络起伏的问题，从而能够产生恒定包络、相位连续的调制信号[1]。因此对MSK进行了深入的理论研究，为完善数字通信技术做出一点贡献。现代数字调制技术的发展方向是最小功率谱占有率的恒包络数字调制技术。现代数字调制技术的关键在于相位变化的连续性，从而减少频率占用。本文的研究对象就是恒包络技术中的最小频移键控调制技术，其优良的特性使其在当今无线电通信系统中得到了大量的应用。本文还引出了最小频移键控的基本原理、调制原理、及其几种调制方式，并且比较了几种调制方式的优劣，最终选用了使用C52单片机进行调制，matlab进行仿真。关键词：最小频移键控；单片机；调制器;matlab仿真AbstractDuetotherapiddevelopmentofdigitalcommunications,bandwidthefficienttransmissionofinformationhasbeenofconcernforpeople,ofgreatpracticalsignificancetoexploreefficientmodulationtechniques.Withtheaccelerationoftheprocessofinformationsociety,peopleincreasinglyurgentneedforcommunication,communicationqualityrequirementsareincreasing.Communicationsspectrumislimited,however,aseriousshortageofinformationtransmissionfrequencyresourcesandthepresenceofhigh-speedandreliableincreasinglyprominentcontradiction,efficientspectrumutilizationdatatransferhasbecometheholygrailofmoderncommunicationstechnology.Howtomoreefficientuseofthelimitedspectrumofthesewaystoreducethespectralefficientuseofthebandbecomesthefocusofresearchinthefieldofcommunication.FSKFrequencyShiftKeyingMSKisamodificationofthatheisoneofmanytypesofmodulationschemes,MSKOQPSKmodulationmethodcansolvetheenvelopefluctuationcannotsolvetheproblem,itispossibletogenerateaconstantenvelope,continuousphasemodulationsignal.ThereforeMSK-depththeoreticalstudy,toimprovedigitalcommunicationstechnologytomakethatcontribution.Developmentdirectionofmoderndigitalmodulationtechniquesisthesmallestshareofthepowerspectrumofconstantenvelopedigitalmodulationtechniques.Thekeytechnologyofmoderndigitalmodulationofthephasechangeiscontinuous,therebyreducingthefrequencyofusage.Theobjectofstudyistheconstantenvelopetechniquesminimumshiftkeyingmodulationtechnology,itsexcellentfeaturesmakeitgetalotofapplicationsintoday'sradiocommunicationsystem.Italsoleadstothebasicprinciplesofminimumshiftkeyingmodulationprinciple,andseveralmodulationschemes,andcomparetheadvantagesanddisadvantagesofseveralmodulationschemes,thefinalselectionismodulatedusingaC52microcontroller,matlabsimulation.Keywords:MinimumShiftKeying;MCU;Modulator;matlabsimulation1绪论1.1课题背景十九世纪以来，由于通信理论的研究和元器件技术的提高，计算机技术和数字通信技术得到高速发展。二十一世纪是信息时代，人类社会生活对通信的需求不断提升，在飞速发展的信息时代，国民经济中的信息产业主要以开发现代通信技术和发展现代综合通信网络建设作为首要目标，以促进国民生活。在现代通信技术中移动通信是必不可少的，现阶段，从模拟移动通信到数字移动通信的发展阶段可看出数字通信无论在传输质量还是在经济方面都有其显著的优势。数字通信的抗干扰能力强并且数字设备的体积小、功耗低、价格便宜，再加上便于加密处理的优点，结合以上数字通信的种种优势使其成为现代通信的发展趋势。为了适应通信技术的飞速发展,首先需要解决不同通信系统之间的互通问题。1992年5月,MILTR公司的JoeMitola在美国电信系统会议上第一次明确提出了“软件无线电(SoftwareRadio)”的概念[2]，从字面意思上理解就是一种通过软件来替代传统模拟电路，处理信号的无线电平台。最小频移键控信号（MSK）的调制原理频繁应用于无线电通信之中。MSK信号相比于其他数字调制信号有很多自身的优点，这就使其得到了广泛的应用。1.2课题的研究目的与意义随着信息社会的进程的加快，越来越多的人对通信的需求变高，众所周知，使用的调制方法在很大程度上决定了通信系统的通信质量，通信频谱是有限的，如何更有效地使用这些有限的频谱，成为研究在通信领域的焦点。为了提高传输能力和网络带宽的利用率，在各式各样的信号处理算法中，调制算法占有不可或缺的地位。各种调制技术被用于现代通信之中，MSK(最小频移键控)调制作为一种性能卓越的数字调制信号具有恒定的包络、带外辐射小、频带利用率高、信号的相位连续性等突出优点。这种具有恒包络的调制可以维持已调波形的包络恒定，非常适合于非线性传输信道，已经获得了广泛的在现代通信系统中的应用。因此，过去几十年，越来越多的应用于军事和民用通信之中。课题研究的目的是：探讨MSK信号的调制系统的理论和设计原则，在此基础上，进一步提出具体建议对于MSK调制信号数字化和软件仿真手段的可行性和性能指标进行研究。1.3国内外研究现状最早在军事运用中提出了软件无线电的应用和概念，现如今对于软件无线电的研究趋势不断上涨。Speakeasy多频段多模式电台已经被美军成功地研制了出来，这种电台同时能够处理四种不同信号的波形（包括AM到M-QAM等）[3]，并且可以兼容的美军的电台数量达到了七种以上，尽管这些电台在通信方式、频段、语音速率、组网方式、信息保密方法、调制方法以及编码方式上都有很大的差异[4]。近年来，在各种民用通信系统中透露出一个广阔的应用前景。在民用通信方面，全球通信系统在经历过第一代和第二代的更新后，并加速朝着进化到第三代移动通信系统发展着，软件无线电技术广泛的应用在全球定位系统、卫星通信等方面。在军事通信方面，AdHoc网络等技术使得无线通信攻防技术在当代战争中的地位变得至关重要[5]。Motorla、Ericsson等公司通过软件无线电在移动通信领域进行了深入的研究[2]。美国Arinet公司研制出来能够灵活配置的移动通信基台。在我国，软件无线电技术也越来越受到重视。在1996年，软件无线电被列为国家863计划通信主题的研究项目；在1999年，被列入国家自然科学基金重点资助的项目[2]；在1998年，结合DSP、软件无线电等技术向ITU提交了有关于第三代通信方案TD-SCDMA。现如今，各大通信厂商们开发出来大量软件无线电所需芯片并在实际中发挥作用，软件无线电的将来不可限量。1.4论文的主要流程本课题主要研究最小频移键控系统的调制模块设计，对其调制原理进行了深入的研究探索并利用matlab对结果进行了仿真。第一章首先介绍了课题的背景，及研究目的与意义，并且对国内外的研究现状前景进行了简单的描述。第二章对MSK信号的调制原理、特点及其几种调制方式进行了介绍与讨论。第三章基于51单片机实现了对msk调制模块的设计与仿真。第四章对论文的大体过程进行了简要总结，并对未来最小频移键控的发展进行了展望。2MSK信号调制研究尽管传统的FSK系统已经广泛应用于生活的许多方面，但它在性能上还有许多不尽如人意的地方。FSK在频带利用率方面比起2PSK不仅低许多，而且当实现FSK调制时用的是开关法的话，则会导致相邻码元相位突变的可能情况，从而使得调制信号传输时出现起伏并且包络不恒定。除此之外，如果二进制信号的两种码元可以相互正交，这样可以使其误码率性能变得更佳，但是一般是不一定能够严格正交的。因此，为了弥补上述FSK的缺点，所以对其进行了改进，MSK信号应运而生。本章首先简要介绍了MSK信号的基本原理和MSK信号的一些特性，然后对MSK信号的一些调制方式进行了介绍分析。2.1MSK信号调制MSK(MinimumFrequencyShiftKeying)又被称为快速移频键控(FFSK)，作为2FSK的改进形式，它能够产生相位连续、包络恒定的调制信号，它的数据传输速率能比起2psk也更高，并且在带外频谱分量衰减方面比2psk快。之所以把MSK称为“最小”是因为它是以最小调制指数0.5获得正交信号的一种调制方式。MSK信号的带宽较窄并且频带利用率较高，再加上频谱主瓣能量集中和旁瓣滚降衰减快等优良特性，使得其在当今这个信息时代得到了非常广泛的应用。将信号转化成同信道特性匹配的波形这一过程就是数字调制，而调制的过程是输入数据键控（控制）载波幅度、相位、频率[6]。MSK作为一种数字调制技术，它属于恒包络数字调制。现如今对数字调制的技术研究，重点是对于尽可能多的节约频谱，并且高效利用频带为研究核心。由于通信容量的飞速上升，导致射频频谱的拥挤，所以需要使其输出的信号频谱得到有效的控制。可是在当代通信中有非线性器件的影响，使我们必须去找到一种新的调制方法，这种调制方式产生的已调信号具有包络恒定和最小功率谱的占用率的两个特点，这样可以在通过发端带线后，即使还是经过非线性器件，可是非线性器件的输出信号产生的频谱扩展非常小。2.1.1MSK信号的基本原理MSK是一种恒定包络的连续相位频率调制，该信号被表示为下式：其中ak是第k个的输入码元，取值为±1，Ts是码元的宽度，ωc是载波的角频率，φk是第k个码元的相位常数，在时间kTs≤t≤(k+1)Ts的区间种保持不变，该作用是用来保证在t=kTs时刻信号的相位连续。信号的表达式：如下图2-1-1