实验四MSK调制及相干解调实验

1、.实验四 MSK调制及相干解调实验一、 实验目的1、了解MSK调制原理及特性2、了解MSK解调原理及特性3、了解载波在相干及非相干时的解调特性二、 实验内容1、观察I、Q两路基带信号的特征及与输入NRZ码的关系。2、观察IQ调制解调过程中各信号变化。3、观察解调载波相干时和非相干时各信号的区别。三、 基本原理1、MSK调制原理MSK称为最小移频键控调制，是一种恒包络调制，这是因为MSK属于二进制连续相位移频键控（CPFSK）的一种特殊情况，它不存在相位跃变点，因此在带限系统中，能保持恒包络特性。恒包络调制有以下优点：极低的旁瓣能量；可使用高效率的C类功率放大器；容易恢复用于相干解调的载波；已调

2、信号峰平比低。MSK是CPFSK满足移频系数时的特例。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：由式（4-1）可见，当ak1时，信号的频率为当ak1时，信号的频率为由此可得频率间隔为如图4-1（a）所示，由图4-1（b）中的波形可以看出，“”信号与“”信号在一个码元期间恰好相差二分之一周，即相差。下面我们就来说明MSK信号的频率间隔是如何确定的。对于一般移频键控（2FSK），两个信号波形具有以下的相关系数式中，是载波频率。MSK是一种正交调制，其信号的波形的相关系数等于零。因此，对MSK信号来说，式（4-7）应为零，也就是上式右边两项均应为零。第一项等于零的条件是（k1，

3、2，3），令k等于其最小值1，则图4-1 MSK信号的频率间隔与波形这正是MSK信号所要求的频率间隔。第二项等于零的条件是（n=1，2，3），即这说明，MSK信号在每一个码元周期内，必须包含四分之一载波周期的整数倍。由此可得（N为正整数；m0，1，2，3）相应地相位常数的选择应保持信号相位在码元转换时刻是连续的。根据这一要求，由式（4-3）可以导出以下的相位递归条件，或者称为相位约束条件，即上式表明，MSK信号在第k个码元的相位常数不仅与当前的ak有关，而且与前面ak1的及相位常数有关。或者说，前后码元之间存在着相关性。对于相干解调来说，的起始参考值可以假定为零，因此，从式（4-11）可以得到

4、式（4-3）中的称为附加相位函数，它是MSK信号的总相位减去随时间线性增长的载波相位而得到的剩余相位。式（4-3）是一直线方程式，其斜率为，截距是。另外，由于的取值为，故是分段线性的相位函数（以码元宽度Ts为段）。与ak之间的关系举例给出，如表4-1所示。（a）附加相位函数；（b）附加相位路径网格表4-1 相位常数与的关系k123456ak1111110（模）0000由以上讨论可知，MSK信号具有如下特点：（1） 已调信号的振幅是恒定的；（2） 信号的频率偏移严格地等于，相应的调制指数；（3） 以载波相位为基准的信号相位在一个码元期间内准确的线性化变化；（4） 在一个码元期间内，信号应包括四分

5、之一载波周期的整数倍；（5） 在码元转换时刻信号的相位是连续的，或者说，信号的波形没有突跳。MSK信号表达式可正交展开为下式：式中，等号后面的第一项是同相分量，也称I分量；第二项是正交分量，也称Q分量。和称为加权函数（或称调制函数）。是同相分量的等效数据，是正交分量的等效数据，它们都与原始输入数据有确定的关系。令，代入式（4-13）可得根据上面描述可构成一种MSK调制器，其方框图如图4-3所示：图4-3 MSK调制原理框图输入数据NRZ，经过差分编码后，然后通过CPLD电路进行串/并转换，串并转换后I路直接输出，Q路经半个码元延迟后输出，得到Ik、Qk两路数据。波形选择地址生成器是根据接受到的

6、数据（Ik或Qk）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DA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4-4所示：图4-4 MSK成形信号在MSK调制中，成型信号取出原理为：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数据相同，数据第一次保持时，输出的成形信号不变（如果前一数据对应波形1，那么当前数据仍对应波形1）；从第二次保持开始，输出的成形信号与前一信号相反（如果前一数据对应波形1，那

7、么当前数据对应波形2）。如果当前数据与前一位数据相反，数据第一次跳变时，输出的成形信号与前一信号相反（如果前一数据对应波形1，那么当前数据对应波形2），从数据第二次跳变开始，输出的成形信号不变（如果前一数据对应波形1，那么当前数据仍对应波形1）。MSK的基带成形信号波形如图4-5所示图4-5 MSK的基带信号波形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：把该信号进行正交解调可得到：Ik路：Qk路：我们需要的是、两路信号，所以必须将其它频率成份、通过低通滤波器滤除掉，然后对、采样即可还原成、两路信号。

8、CPLD 图4-6 MSK解调原理框图四、 实验原理1、实验模块简介（1）基带成形模块：本模块主要功能：产生PN31伪随机序列作为信源；将基带信号进行串并转换；按调制要求进行基带成形，形成两路正交基带信号。（2）IQ调制解调模块：本模块主要功能：产生调制及解调用的正交载波；完成射频正交调制及小功率线性放大；完成射频信号正交解调。（3）码元再生模块：本模块主要功能：从解调出的IQ基带信号中恢复位同步，并进行抽样判决，然后并串转换后输出。（4）PSK载波恢复模块：本模块主要功能：与IQ调制解调模块上的解调电路连接起来组成一个完整的科斯塔斯环恢复PSK已调信号的载波，同时可用作一个独立的载波源。本实

9、验只使用其载波源。2、实验框图及电路说明a、MSK调制实验IQ调制基带成型图4-7 MSK调制实验框图MSK调制实验框图如图4-7所示，基带成形模块产生的PN码（由PN31端输出）输入到串并转换电路中（由NRZ IN端输入）进行差分编码，然后进行串并转换，串并转换后I路直接输出，Q路经半个码元延迟后输出，输出的IQ两路数字基带信号，经波形预取电路判断，取出相应的模拟基带波形数据，经D/A转换后输出。IQ解调码元再生b、MSK解调实验图4-8 MSK解调实验框图MSK解调实验框图如图4-8所示。MSK已调信号送入IQ调制解调模块中的IQ解调电路分别进行DSB相干解调，相干载波由调制端的本振源经正

10、交分频产生。五、 实验步骤1、 正确安装基带成形模块、IQ调制解调模块、码元再生模块和PSK载波恢复模块。2、 MSK调制实验。a、关闭实验箱总电源，用台阶插座线完成如下连接：源端口目的端口连线说明基带模块：PN31基带模块：NRZ IN提供PN31伪随机序列基带模块：I-OUTIQ模块：I-IN将基带成型后的I路信号进行调制基带模块：Q-OUTIQ模块：Q-IN将基带成型后的Q路信号进行调制b、按基带成形模块上“选择”键，选择MSK模式（MSK指示灯亮）。c、用示波器对比观察“NRZ IN”和“NRZ OUT”信号，写出差分编码规则。d、用示波器观察基带模块上“NRZ-I”及“NRZ-Q”测

11、试点，并分别与“NRZ OUT”测试点的信号进行对比，观察串并转换情况。e、用示波器观测基带模块上“I-OUT”和“Q-OUT”点信号，并分别与“NRZ-I”、“NRZ-Q”对比，说明MSK信号的成形规则。f、用频谱分析仪观测调制后MSK信号频谱（可用数字示波器上FFT功能替代观测），观测点为IQ模块调制单元的“输出”端（TP4）3、 MSK相干解调实验。a、关闭实验箱总电源，保持步骤2中的连线不变，用同轴视频线完成如下连接：源端口目的端口IQ模块（IQ调制单元）：输出（J2）IQ模块（IQ解调单元）：输入（J3）IQ模块(载波单元)：输出（J5）IQ模块(载波单元)：输入（J4）b、示波器探

12、头分别接IQ解调单元上的“I-OUT”及“Q-OUT”端，观察解调后的波形。c、对比解调前后I路信号示波器探头分别接IQ模块的“I-OUT”端及“I-IN”端，注意观察两者是否一致。d、对比观测解调前后Q路信号示波器探头分别接IQ模块的“Q-OUT”端及“Q-IN”端，注意观察两者是否一致。4、 MSK再生信号观察a、关闭实验箱总电源，保持步骤2、3中的连线不变，用台阶插座线完成如下连接：源端口目的端口连线说明IQ模块：I-OUT再生模块：I-IN将解调后的I路信号进行抽样判决IQ模块：Q-OUT再生模块：Q-IN将解调后的Q路信号进行抽样判决b、按再生模块上“选择”键，选择MSK模式（MSK指示灯亮）。c、对比观测原始NRZ信号与再生后的NRZ信号示波器探头分别接再生模块上“NRZ”端和基带模块上“NRZ IN”端，观察两路码元是否一致。若一致表示解调正确，若不一致可回到步骤2重新实验。5、 观测载波非相干时信号波形断开IQ模块上载波“输出”端与该模块上载波“输入”视频线，将IQ模块上载波“输入”端与PSK载波恢复模块上“VCO-OUT”端连接起来，此时载波不同步。六、 思考题MSK及OQPSK基带信号有什么区别.这些区别产生