MSK调制解调技术的原理及应用分析

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:1120101489

MSK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k FSK=（2Δf）/R b，其中ΔF是最大射频移，R b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带宽。

MSK是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信号也可以看成是一类特殊形式的OQPSK。在MSK中，OQPSK的基带矩形脉冲被半正弦脉冲取代。

可以看出MSK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信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信号低。MSK信号99%的功率位于带宽B=1.2/T之中。而对于QPSK和OQPSK信号，包纳99%功率的带宽B=8/T。MSK信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OQPSK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信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信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信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，即为相位连续的2FSK信号，但是其频率f1和f2有一定的约束关系。设在一个码元时间内2FSK信号为

定义两个码元波形的相关系数为

在通信中，我们希望s1(t)和s2(t)不相关（或称为正交），即ρ=0。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

h=0.5是s1(t)和s2(t)满足正交条件时频差的最小值，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信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

根据公式（6.6-5）和公式（6.6-9）相应有

当N=1，m=3时，根据公式（6.6-10）、（6.6-11）有

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f2信号，包含3个半周的f1信号。

图6.6-4 MSK调制信号波形（N＝1，m=3）

2、MSK信号的数学表达式

根据MSK信号的定义，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

上式表明，MSK信号的相位常数不仅与当前的码元a k有关，而且与相邻的前一码元a k-1及其相位常数φk-1有关。也就是说前后码元之间存在一定的相关性。

若φk的起始参考值可以假设为零，这样根据公式（6.6-13），有

2.MSK应用

基于以上关于MSK原理的分析,使得MSK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信号不能满足这样苛刻的要求，为此，人们除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/解调器模块在Altera 公司FPGA：EP2C15AF256C8N 上实现。EP2C15 是Altera 公司基于90nm 工艺的第二代Cyclone 器件（CycloneⅡ），片内集成14，448 逻辑单元（LE），240Kb 嵌入式RAM 块，26 个18×18 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/接解调器的时序仿真结果。

由图中可见，数字基带调制信号MODDATA 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 为接收端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