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实验十二（选做）现代数字调制、解调实验

一、实验目的

1．了解用FPGA进行电路设计的基本方法。

2．掌握MSK、GMSK的概念以及它们之间的关系和不同。

3．掌握MSK、GMSK调制和解调原理。

4．掌握QPSK、OQPSK、DQPSK、π/4－DQPSK的概念以及它们之间的关系。

5．掌握QPSK、OQPSK、DQPSK、π/4－DQPSK调制和解调原理。

二、实验内容

1．观察MSK、GMSK、QPSK、OQPSK、DQPSK、π/4－DQPSK调制各信号波形。2．观察MSK、GMSK、QPSK、OQPSK、DQPSK、π/4－DQPSK解调各信号波形。

三、实验器材

1．信号源模块

2．现代数字调制模块

3．现代数字解调模块

4．20M双踪示波器一台

5．频率计（选用）一台

四、实验原理

随着通信业务量的增加，频谱资源日趋紧张，为了提高系统的容量，信道间隔已由最初的100kHz减少到25kHz，并将进一步减少到12.5kHz，甚至更小，由于数字通信具有建网灵活，容易采用数字差错控制技术和数字加密，便于集成化，并能够进入ISDN网，所以通信系统都在由模拟制式向数字制式过渡。

因此系统中必须采用数字调制技术，然而一般的数字调制技术，如ASK、PSK和FSK 因传输效率低而无法满足移动通信的要求，为此，需要专门研究一些抗干扰性强、误码性能好、频谱利用率高的数字调制技术，尽可能地提高单位频谱内传输数据的比特率，以适用于移动通信窄带数据传输的要求。如最小频移键控（MSK－Minimum Shift Keying），高斯滤波最小频移键控（GMSK－Gaussian Filtered Minimum Shift Keying），四相相移键控（QPSK－Quadrature Reference Phase Shift Keying），交错正交四相相移键控（OQPSK－Offset Quadrature Reference Phase Shift Keying），四相相对相移键控（DQPSK－Differential Quadrature Reference Phase Shift Keying）和π/4正交相移键控（π/4－DQPSK－Differential Quadrature Reference Phase Shift Keying）,已在数字蜂房移动通信系统中得到广泛应用。

1.MSK调制、解调原理

MSK调制原理

MSK叫最小移频键控，它是移频键控（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 Ts a t ϕπω2

kTs 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 ＋Ts 41

当k a ＝－1时，信号的频率为：1f ＝c f －Ts 41

由此可得频率之差为：f ∆＝2f －1f ＝Ts

21

那么MSK 信号波形如图21-1所示：

图21-1 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 ）(

2

π

（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 Ts

a t ϕπω2

=k ϕcos ）（

t Ts

2cos πt c ωcos －k a k ϕcos ）（

t Ts

2sin πt c ωsin

kTs t Ts k ≤≤-)1(

令k ϕcos ＝k I ， －k a k ϕcos ＝k Q 则：()t S MSK ＝k I ）（

t Ts

2cos πt c ωcos ＋k Q ）（

t Ts

2sin πt c ωsin

kTs t Ts k ≤≤-)1(

为了便于理解如图21-2所示：

1

23

4

5

67

8

9101112131415161718192021222324

+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 k

ϕk

d k ϕcos k

k a ϕcos

cos a k k ϕ0

π0

πππ

0000

ππππππ

0000000+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+1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1

cos k ϕk 图21-2 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21-3所示：

图21-3 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收到的数据（I k 或Q k ）输出波形选择的地址。EEPROM （各