《移动通信原理》实验指导书2

《移动通信原理》实验指导书电子信息工程学院2013年9月实验一 MSK 调制解调实验一、实验目的1、掌握MSK 调制和解调的原理。

2、理解MSK 的优缺点。

二、实验内容1、观察MSK 调制过程中各信号的波形。

2、观察MSK 解调过程中各信号的波形。

三、预备知识1、MSK 调制和解调的基本原理。

2、MSK 调制和解调部分的工作原理及电路说明。

四、实验器材1、移动通信原理实验箱一台 2、20M 双踪示波器一台五、实验原理1、MSK 调制原理MSK 称为最小移频键控，是移频键控（FSK ）的一种改进型。

这里“最小”指的是能以最小的调制指数（即0.5）获得正交信号，它能比PSK 传送更高的比特速率。

二进制MSK 信号的表达式可写为：()cos =t S MSK ⎪⎭⎫⎝⎛++k k c t Tsa t ϕπω2kTs t Ts k ≤≤-)1(c ω——载波角频率；Ts ——码元宽度；k a ——第k 个码元中的信息，其取值为±1；k ϕ——第k 个码元的相位常数，它在时间kTs t Ts k ≤≤-)1(中保持不变；当k a ＝＋1时，信号的频率为：2f ＝c f ＋Ts41当k a ＝－1时，信号的频率为：1f ＝c f －Ts41 由此可得频率之差为：f ∆＝2f －1f ＝Ts21 那么MSK 信号波形如图2.1-1所示：图2.1-1 MSK 信号波形为了保持相位的连续，在t =kTs 时间内应有下式成立：k ϕ=1-k ϕ＋（1-k a －k a ）(2π（1-k ）)即：当k a ＝1-k a 时，k ϕ=1-k ϕ；当k a ≠1-k a 时，k ϕ=1-k ϕ±（1-k ）π；若令0ϕ＝0，则k ϕ＝0或±π，此式说明本比特内的相位常数不仅与本比特区间的输入有关，还与前一个比特区间内的输入及相位常数有关。

()cos =t S MSK ⎪⎭⎫⎝⎛++k k c t Tsa t ϕπω2=k ϕcos ）（t Ts2cos πt c ωcos －k a k ϕcos ）（t Ts2sin πt c ωsinkTs t Ts k ≤≤-)1(令k ϕcos ＝k I ， －k a k ϕcos ＝k Q 则：()t S MSK ＝k I ）（t Ts2cos πt c ωcos ＋k Q ）（t Ts2sin πt c ωsinkTs t Ts k ≤≤-)1(为了便于理解如图2.1-2所示：1234567891011121314151617181920212223240+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1k a kϕkd k ϕcos kk a ϕcoscos a k k ϕ0π0πππ0000ππππππ0000000+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1cos k ϕk图2.1-2 码元变换及成形信号波形图根据上面描述可构成一种MSK 调制器，其方框图如图2.1-3所示：图2.1-3 MSK 调制原理框图输入数据NRZ ，然后通过CPLD 电路实现差分编码及串/并转换，得到I k 、Q k 两路数据。

波形选择地址生成器是根据接受到的数据（I k 或Q k ）输出波形选择的地址。

EEPROM （各种波形数据存储在其中）根据CPLD 输出的地址来输出相应的数据，然后通过D ／A 转换器得到我们需要的基带波形，最后通过乘法器调制，运放求和就得到了我们需要的MSK 调制信号。

MSK 基带波形只有两种波形组成，见图2.1-4所示：图2.1-4 MSK 成形信号在MSK 调制中，成形信号取出原理为：由于成形信号只有两种波形选择，因此当前数据取出的成形信号只与它的前一位数据有关。

如果当前数据与前一位数据相同，输出的成形信号就相反（如果前一数据对应波形1，那么当前数据对应波形2）；如果当前数据与前一位数据相反，输出的成形信号就相同（如果前一数据对应波形1，那么当前数据仍对应波形1）。

2、MSK 解调原理MSK 信号的解调与FSK 信号相似，可以采用相干解调，也可以采用非相干解调方式。

本实验模块中采用一种相干解调的方式。

已知：()t S MSK ＝k I ）（t Ts2cos πt c ωcos ＋k Q ）（t Ts2sin πt c ωsin把该信号进行正交解调可得到： I k 路 [k I ）（t Ts2cos πt c ωcos ＋k Q ）（t Ts2sin πt c ωsin ]t c ωcos=21k I ）（t Ts 2cos π+41k I ⎥⎦⎤⎢⎣⎡+t Ts c ）（22cos πω+41k I ⎥⎦⎤⎢⎣⎡t Ts c ）－（22cos πω －41k Q ⎥⎦⎤⎢⎣⎡+t Ts c ）（22cos πω+41k Q ⎥⎦⎤⎢⎣⎡-t Ts c ）（22cos πωQ k 路 [k I ）（t Ts2cos πt c ωcos ＋k Q ）（t Ts2sin πt c ωsin ]t c ωsin=21k Q ）（t Ts2sin π+41k I ⎥⎦⎤⎢⎣⎡+t Ts c ）（22sin πω+41k I ⎥⎦⎤⎢⎣⎡t Ts c ）－（22sin πω －41k Q ⎥⎦⎤⎢⎣⎡+t Ts c ）（22sin πω+41k Q ⎥⎦⎤⎢⎣⎡-t Ts c ）（22sin πω 我们需要的是21k I ）（t Ts2cos π、21k Q ）（t Ts2sin π两路信号，所以必须将其它频率成份）（Tsc 22πω+、）（Tsc 22πω-通过低通滤波器滤除掉，然后对21k I ）（t Ts2cos π、21k Q ）（t Ts2sin采样即可还原成k I 、k Q 两路信号。

根据上面描述可构成一种MSK 解调器，其方框图如图2.1-5所示：图2.1-5 MSK 解调原理框图将得到的MSK 调制信号正交解调，通过低通滤波器得到基带成形信号，并对由此得到的基带信号的波形进行电平比较得到数据，再将此数据经过CPLD 的数字处理，就可解调得到NRZ 码。

在实际系统中，相干载波是通过载波同步获取的，相干载波的频率和相位只有和调制端载波相同时，才能完成相干解调。

由于载波同步不是本实验的研究内容，因此在本模块中的相干载波是直接从调制端引入，因此解调器中的载波与调制器中的载波同频同相。

载波同步的实验可在本实验箱的CDMA 系统中实现。

六、实验步骤1、MSK 调制实验① 将“调制类型选择”拨码开关拨为10000000 、0001，则调制类型选择为MSK 调制。

说明1：为了能用示波器观察调制输出信号波形的相位关系，所以NRZ 的码速率采用与载波相当的速率，由于本系统的载波频率为12KHz ，所以做调制实验时选择NRZ 码速率为12Kb/s② 分别观察差分编码后的“／NRZ ”处波形，并由此串并转换得到的“DI ”、“DQ ”两路数据波形。

③ 分别观察“I 路成形”信号波形、“Q 路成形”信号波形、“I 路调制”同相调制信号波形、“Q 路调制”正交调制信号波形、“调制输出”波形。

说明2：如果在步骤②、③中发现波形不正确，请按“调制复位”键后继续观察。

④ 用示波器观察“I 路成形”信号、“Q 路成形”信号的X-Y 波形。

说明3：此波形即为MSK 调制的星座图。

用示波器的双踪分别接“I 路成形”和“Q 路成形”，并选择示波器的“X-Y ”模式。

2、MSK 解调实验①将“调制类型选择”拨码开关拨为10000000、0100，“解调类型选择”拨码开关拨为10000000、0100，则解调类型选择为MSK解调。

说明4：为了能在解调端滤波时能得到与调制端成形信号一致的波形，须加大载波信号与NRZ码速率之间的频率差值，所以NRZ的码速率采用比载波频率小得多的码速率，由于本系统的载波频率为12KHz，所以做解凋实验时选择NRZ码速率为1.5Kb/s。

②分别观察“I路解调”信号波形、“Q路解调”信号波形、“I路滤波”信号波形、“Q路滤波”信号波形。

③分别观察解调的“DI”、“DQ”两路数据波形，由此并/串转换得到的差分编码“／NRZ”波形，并观察解调输出的波形。

④最后比较调制端“NRZ”波形和解调端“NRZ”波形，看解调是否正确。

说明5：如果发现解调输出波形不正确，请按下“解调复位”键后继续观察。

七、实验思考题1、什么是最小移频键控？2、MSK信号具有哪些特点？八、实验报告要求1、分析实验电路的工作原理，叙述其工作过程。

2、根据实验测试记录，在坐标纸上画出MSK分别在调制和解调中的各测量点的波形图。

3、画出MSK在调制和解调中的X-Y波形图（即星座图）。

4、对实验思考题加以分析，并画出原理图。

实验二GMSK调制解调实验一、实验目的1、掌握GMSK调制解调原理。

2、理解GMSK的优缺点。

二、实验内容1、观察GMSK调制过程中各信号波形。

2、观察GMSK解调过程中各信号波形。

三、预备知识1、GMSK调制解调的基本原理。

2、GMSK调制解调部分的工作原理及电路说明。

四、实验器材1、移动通信原理实验箱一台2、20M双踪示波器一台五、实验原理1、GMSK调制原理GMSK调制方式，是在MSK调制器之前加入一个基带信号预处理滤波器，即高斯低通滤波器，由于这种滤波器能将基带信号变换成高斯脉冲信号，其包络无陡峭边沿和拐点，从而达到改善MSK信号频谱特性的目的。

基带的高斯低通滤波平滑了MSK信号的相位曲线，因此稳定了信号的频率变化，这使得发射频谱上的旁瓣水平大大降低。

实现GMSK信号的调制，关键是设计一个性能良好的高斯低通滤波器，它必须具有如下特性：①有良好的窄带和尖锐的截止特性，以滤除基带信号中多余的高频成分。

②脉冲响应过冲量应尽量小，防止已调波瞬时频偏过大。

③输出脉冲响应曲线的面积对应的相位为π/2，使调制系数为1/2。

以上要求是为了抑制高频分量、防止过量的瞬时频率偏移以及满足相干检测所需要的。

图2.2-1描述出了GMSK信号的功率谱密-20-40-60-80-100-12000.5 1.0 1.5 2.0 2.5频谱密度（dB）ScTff)(-归一化频率度。

图中，横坐标的归一化频率（c f f -）S T ，纵坐标为谱密度，参变量S b T B 为高斯低通滤波器的归一化3dB 带宽b B 与码元长度S T 的乘积。