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1、MSK 调制解调技术的原理及应用分析姓名 :莫波微班级 :05921001 学号 :1120101489MSK 是数字调制技术的一种。数字调制是数字信号转换为与信道特性相匹配的 波形的过程。调制过程就是输入数据控制 （ 键控） 载波的幅度、频率和相位。MSK属于恒包络数字调制技术。现代数字调制技术的研究，主要是围绕着充 分的节省频谱和高效率地利用可用频带这个中心而展开的。 随着通信容量的迅速 增加， 致使射频频谱非常拥挤， 这就要求必须控制射频输出信号的频谱。 但是由 于现代通信系统中非线性器件的存在， 引入了频谱扩展， 抵消了发送端中频或基 带滤波器对减小带外衰减所做的贡献 o 。这是因为器
2、件的非线性具有幅相转 换（AM/PM效应，会使己经滤除的带外份量几乎又都被恢复出来了。为了适应这 类信道的特点， 必须设法寻找一些新的调制方式， 要求它所产生的己调信号， 经 过发端带限后， 虽然仍旧通过非线性器件， 但是，非线性器件输出信号只产生很 小的频谱扩展。因此MSK是一种特殊的连续相位的频移键控 （CPFSK，其最大频移为比特率 的1/4。换句话说，MSK是调制系数为0.5的连续相位的FSK FSK信号的调制系 数类似于FM调制系数，定义为kFSK= （2A f ） /Rb，其中 F是最大射频移，R,是 比特率。调制系数0.5对应着能够容纳两路正交FSK信号的最小频带，最小频移 键控
3、的由来就是指这种调制方法的频率间隔 （带宽）是可以进行正交检测的最小MSK1 一种高效的调制方法，特别适合在移动无线通信系统中使用。它有很 多好的特性，例如恒包络、频谱利用率高、误比特率低和自同步性能。MSK言号也可以看成是一类特殊形式的 OQPSK在MSK中，OQPS的基带矩 形脉冲被半正弦脉冲取代。可以看出MS信号是二进制信号频率分别为f c+1/4T和f C-1/4T的FSK信号。 MSK言号的相位在每一个比特期间是线性的。MSK信号的旁瓣比 QPSK和OQPSK言号低。MSK信号99%勺功率位于带宽B=1.2/T之中。而对于 QPSI和OQPSK!号，包纳99创率的带宽 B=8/T。M
4、SK言号在频谱上衰落快是由于其采用的脉冲函数更为平滑。MSK信号的主瓣比QPSK 和OQPS信号的宽，因此在MSK的频谱利用率比相移键控技术要低。由于MSK言号在比特转换时不存在相位的急剧变化，为了满足带宽要求而频 带受限时，MSK言号的包络不会有过零的现象。即使频带受限，包络仍然或多或 少地保持其恒定性。可以在接收机使用硬限幅消除包络上的微小变化，而不致引 起带外功率的上升。因为幅度是恒定的， MSK言号可以使用非线性放大器进行放 大。除此之外，MSK还有很多优点，如解调和同步电路简单等。因此最小频移键 控广泛应用于移动通信系统。1. MSK原理MSK是 2FSK的一种特殊情况，即为相位连续
5、的 2FSK信号，但是其频率 f i和f 2有一定的约束关系。设在一个码元时间内 2FSK信号为n呻f岌叱”信号时 （二川哪砂 发信号01定义两个码元波形的相关系数为1抚厂訂讥血曲（6-6-3）其中总是一乍码元的能量，即经整理得=恥缶-土兀十防4阮如（&6 - 4）在通信中，我们希望Sl（t）和S2（t）不相关（或称为正交），即P =00这样 要求公式（6.6-4 ）中的两项均为零。公式（6.6-4 ）中的第一项为零时的条件是=M 疋为整数当比1咏巧-庄有最小值，此时= y C6.6-5）即 2L1A-05若定义频移指数为-f(6.6 -6)h=0.5是si（t）和S2（t）满足正交条件时频差
6、的最小值，所以称为最小频 移。公式（6.6-4 ）中的第二项为零时的条件是公式（6.6-7）说明MSK言号在每一个码元周期内，必须包含四分之一载波 周期（1/f c）的整数倍。显然，公式（6.6-8）可以整理为如下形式匸務=（恥彳壬 （69）其中汹整数；删= 0,12玉根据公式（6.6-5 ）和公式（6.6-9 ）相应有h =Jc=fc+ = 十）+（T）/i必-纽-寺（ +当 N=1, m=3时，根据公式（6.6-10 ）、（ 6.6-11 ）有(6.6-12)(6 6-13)此时的信号波形如图6.6-4所示。若基带二进制数字信号一个码元的周 期为Ts,显然在每一个码元周期内包含 4个半周的
7、f2信号，包含3个半周的 f i信号。图6.6-4 MSK调制信号波形（N= 1, m=32、MSK言号的数学表达式言皿熬4 =小域d V 少/ + 呢（6.6-12）其中附加相位函数必）如 仗-“ 畅氐是第八码元的相位常数i 吐是第斤码元的数据。根据MSK言号的定义，要求FSK信号的相位连续，也就是说在t= （ k-1 ）Ts时满足以下约束条件(6.6-13)h .亦 g-l T) DA-1 士（上 T）用上式表明，MSK信号的相位常数不仅与当前的码元 ak有关，而且与相邻 的前一码兀ak-i及其相位常数 k-i有关。也就是说前后码兀之间存在一定的相 关性。若 k的起始参考值可以假设为零，这
8、样根据公式（6.6-13 ），有毋k二或瓯濮刼）（6.6 - 14）2.MSK应用基于以上关于MS原理的分析,使得MS在短波,微波,卫星通信有着广泛 的应用例如，柯林斯无线公司为Datran系统6GHz数字微波线路研制的35E1-22MW设备就选用了 MSK方式。贝尔电话实验室己研制出一种 274Mb/sMSK 调制器，并在20/30GHZ卫星转发器实验板上进行了试验。 尽管MSK有很多突 出的特点，然而在一些通信场合，对信号带外辐射功率的限制是十分严格的。 比如，信号在邻近信道所辐射的功率和所需信道的信号功率相比，必须衰减 70_80dB以上。MSK言号不能满足这样苛刻的要求， 为此，人们除
9、去探索频谱 特性更加优越的调制方式外，也不断想在MSK的基础上，采取一些措施，加以改进，从而使己调信号既能保持包络恒定的特性，又能减小带外的辐射功 率。数字MSK调制9 /解调器模块在 Altera 公司FPGA EP2C15AF256C8上实 现。EP2C15是 Altera 公司基于90nm工艺的第二代 Cyclo ne器件 （Cyclone n），片内集成14，448逻辑单元（LE），240Kb嵌入式RAM块，26个18X18乘法器，4个锁相环（PLL），具有高速差分I/O能力，在音视 频多媒体、汽车电子、通信及工业控制领域等有广泛的适用性，是一款高性 能低成本器件。图3是MSK调制/接
10、解调器的时序仿真结果。Nun* 1- M. LLJ 4a CjLL-JUtJJ8-or懾訂X由图中可见，数字基带调制信号MODDAT经过MSK调制器被调制到高频 数字载波上，形成 MSK已调信号MSKMOD其中“ 0”码为2.5个载波周期， “ 1”码为2个载波周期，调制指数为0.5,同时载波相位连续。MSKDEMOD 接收端MSK解调后的信号，除了传输时延，解调信号完全恢复了发送端数字 基带调制信号。所以MSK调制具有载波相位连续，频带利用率高的优点，在通常的应用中需要专用集成电路构成调制/解调电路。基于硬件描述语言用FPGA实现MSK调制/解调器，可充分利用FPGA片内资源，使数据采集测量控制与传输集中于单一芯片，有利于提高系统的经济性和可靠性， 具有一定的应用价值。 本文作者创新点在于提出了一种保证调制指数为 0.5 同时载波相位连续的 数字MSK信号的设计方法，用VHDL语言设计了调制/解调模块并在FPGA器 件上实现。参考文献 :余晓刚 徐辉 王华 匡镜明 无线电通信技术 2003 第 4 期薛晓峰 周国安 高军 刘贵宾 空军工程大学学报： 自然科学版 2004 第 6 期苏元伟 何明浩 余国文 电子信息对抗技术 2009 第 3 期张起晶 隋志勇 现代电子技术 2009 第 19 期王宽仁 张尚海 无线电工程 2001 第 z1 期吉林大学通信原理
