實驗四MSK調(diào)制及相干解調(diào)實驗

1、實驗四 MSK調(diào)制及相干解調(diào)實驗一、 實驗?zāi)康?、了解MSK調(diào)制原理及特性2、了解MSK解調(diào)原理及特性3、了解載波在相干及非相干時的解調(diào)特性二、 實驗內(nèi)容1、觀察I、Q兩路基帶信號的特征及與輸入NRZ碼的關(guān)系。2、觀察IQ調(diào)制解調(diào)過程中各信號變化。3、觀察解調(diào)載波相干時和非相干時各信號的區(qū)別。三、 基本原理1、MSK調(diào)制原理MSK稱為最小移頻鍵控調(diào)制，是一種恒包絡(luò)調(diào)制，這是因為MSK屬于二進(jìn)制連續(xù)相位移頻鍵控（CPFSK）的一種特殊情況，它不存在相位躍變點，因此在帶限系統(tǒng)中，能保持恒包絡(luò)特性。恒包絡(luò)調(diào)制有以下優(yōu)點：極低的旁瓣能量；可使用高效率的C類功率放大器；容易恢復(fù)用于相干解調(diào)的載波；已調(diào)信

2、號峰平比低。MSK是CPFSK滿足移頻系數(shù)時的特例。它能比PSK傳送更高的比特速率。二進(jìn)制MSK信號的表達(dá)式可寫為： 由式（4-1）可見，當(dāng)ak1時，信號的頻率為當(dāng)ak1時，信號的頻率為由此可得頻率間隔為 如圖4-1（a）所示，由圖4-1（b）中的波形可以看出，“”信號與“”信號在一個碼元期間恰好相差二分之一周，即相差。下面我們就來說明MSK信號的頻率間隔是如何確定的。對于一般移頻鍵控（2FSK），兩個信號波形具有以下的相關(guān)系數(shù)式中，是載波頻率。MSK是一種正交調(diào)制，其信號的波形的相關(guān)系數(shù)等于零。因此，對MSK信號來說，式（4-7）應(yīng)為零，也就是上式右邊兩項均應(yīng)為零。第一項等于零的條件是（k1

3、，2，3），令k等于其最小值1，則圖4-1 MSK信號的頻率間隔與波形這正是MSK信號所要求的頻率間隔。第二項等于零的條件是（n=1，2，3），即這說明，MSK信號在每一個碼元周期內(nèi)，必須包含四分之一載波周期的整數(shù)倍。由此可得（N為正整數(shù)；m0，1，2，3）相應(yīng)地相位常數(shù)的選擇應(yīng)保持信號相位在碼元轉(zhuǎn)換時刻是連續(xù)的。根據(jù)這一要求，由式（4-3）可以導(dǎo)出以下的相位遞歸條件，或者稱為相位約束條件，即上式表明，MSK信號在第k個碼元的相位常數(shù)不僅與當(dāng)前的ak有關(guān)，而且與前面ak1的及相位常數(shù)有關(guān)?；蛘哒f，前后碼元之間存在著相關(guān)性。對于相干解調(diào)來說，的起始參考值可以假定為零，因此，從式（4-11）可以得

4、到式（4-3）中的稱為附加相位函數(shù)，它是MSK信號的總相位減去隨時間線性增長的載波相位而得到的剩余相位。式（4-3）是一直線方程式，其斜率為，截距是。另外，由于的取值為，故是分段線性的相位函數(shù)（以碼元寬度Ts為段）。與ak之間的關(guān)系舉例給出，如表4-1所示。（a）附加相位函數(shù)；（b）附加相位路徑網(wǎng)格表4-1 相位常數(shù)與的關(guān)系k123456ak1111110（模）0000由以上討論可知，MSK信號具有如下特點：（1） 已調(diào)信號的振幅是恒定的；（2） 信號的頻率偏移嚴(yán)格地等于，相應(yīng)的調(diào)制指數(shù)；（3） 以載波相位為基準(zhǔn)的信號相位在一個碼元期間內(nèi)準(zhǔn)確的線性化變化；（4） 在一個碼元期間內(nèi)，信號應(yīng)包括四

5、分之一載波周期的整數(shù)倍；（5） 在碼元轉(zhuǎn)換時刻信號的相位是連續(xù)的，或者說，信號的波形沒有突跳。MSK信號表達(dá)式可正交展開為下式：式中，等號后面的第一項是同相分量，也稱I分量；第二項是正交分量，也稱Q分量。和稱為加權(quán)函數(shù)（或稱調(diào)制函數(shù)）。是同相分量的等效數(shù)據(jù)，是正交分量的等效數(shù)據(jù)，它們都與原始輸入數(shù)據(jù)有確定的關(guān)系。令，代入式（4-13）可得 根據(jù)上面描述可構(gòu)成一種MSK調(diào)制器，其方框圖如圖4-3所示：圖4-3 MSK調(diào)制原理框圖輸入數(shù)據(jù)NRZ，經(jīng)過差分編碼后，然后通過CPLD電路進(jìn)行串/并轉(zhuǎn)換，串并轉(zhuǎn)換后I路直接輸出，Q路經(jīng)半個碼元延遲后輸出，得到Ik、Qk兩路數(shù)據(jù)。波形選擇地址生成器是根據(jù)接受

6、到的數(shù)據(jù)（Ik或Qk）輸出波形選擇的地址。EEPROM（各種波形數(shù)據(jù)存儲在其中）根據(jù)CPLD輸出的地址來輸出相應(yīng)的數(shù)據(jù)，然后通過DA轉(zhuǎn)換器得到我們需要的基帶波形，最后通過乘法器調(diào)制，運放求和就得到了我們需要的MSK調(diào)制信號。MSK基帶波形只有兩種波形組成，見圖4-4所示：圖4-4 MSK成形信號在MSK調(diào)制中，成型信號取出原理為：由于成形信號只有兩種波形選擇，因此當(dāng)前數(shù)據(jù)取出的成形信號只與它的前一位數(shù)據(jù)有關(guān)。如果當(dāng)前數(shù)據(jù)與前一數(shù)據(jù)相同，數(shù)據(jù)第一次保持時，輸出的成形信號不變（如果前一數(shù)據(jù)對應(yīng)波形1，那么當(dāng)前數(shù)據(jù)仍對應(yīng)波形1）；從第二次保持開始，輸出的成形信號與前一信號相反（如果前一數(shù)據(jù)對應(yīng)波形1

7、，那么當(dāng)前數(shù)據(jù)對應(yīng)波形2）。如果當(dāng)前數(shù)據(jù)與前一位數(shù)據(jù)相反，數(shù)據(jù)第一次跳變時，輸出的成形信號與前一信號相反（如果前一數(shù)據(jù)對應(yīng)波形1，那么當(dāng)前數(shù)據(jù)對應(yīng)波形2），從數(shù)據(jù)第二次跳變開始，輸出的成形信號不變（如果前一數(shù)據(jù)對應(yīng)波形1，那么當(dāng)前數(shù)據(jù)仍對應(yīng)波形1）。MSK的基帶成形信號波形如圖4-5所示圖4-5 MSK的基帶信號波形2、MSK解調(diào)原理MSK信號的解調(diào)與FSK信號相似，可以采用相干解調(diào)，也可以采用非相干解調(diào)方式。本實驗?zāi)K中采用一種相干解調(diào)的方式。已知：把該信號進(jìn)行正交解調(diào)可得到：Ik路：Qk路：我們需要的是、兩路信號，所以必須將其它頻率成份、通過低通濾波器濾除掉，然后對、采樣即可還原成、兩路信

8、號。CPLD 圖4-6 MSK解調(diào)原理框圖四、 實驗原理1、實驗?zāi)K簡介（1）基帶成形模塊：本模塊主要功能：產(chǎn)生PN31偽隨機序列作為信源；將基帶信號進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換；按調(diào)制要求進(jìn)行基帶成形，形成兩路正交基帶信號。（2）IQ調(diào)制解調(diào)模塊：本模塊主要功能：產(chǎn)生調(diào)制及解調(diào)用的正交載波；完成射頻正交調(diào)制及小功率線性放大；完成射頻信號正交解調(diào)。（3）碼元再生模塊：本模塊主要功能：從解調(diào)出的IQ基帶信號中恢復(fù)位同步，并進(jìn)行抽樣判決，然后并串轉(zhuǎn)換后輸出。（4）PSK載波恢復(fù)模塊：本模塊主要功能：與IQ調(diào)制解調(diào)模塊上的解調(diào)電路連接起來組成一個完整的科斯塔斯環(huán)恢復(fù)PSK已調(diào)信號的載波，同時可用作一個獨立的載波源。

9、本實驗只使用其載波源。2、實驗框圖及電路說明a、MSK調(diào)制實驗IQ調(diào)制基帶成型 圖4-7 MSK調(diào)制實驗框圖MSK調(diào)制實驗框圖如圖4-7所示，基帶成形模塊產(chǎn)生的PN碼（由PN31端輸出）輸入到串并轉(zhuǎn)換電路中（由NRZ IN端輸入）進(jìn)行差分編碼，然后進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，串并轉(zhuǎn)換后I路直接輸出，Q路經(jīng)半個碼元延遲后輸出，輸出的IQ兩路數(shù)字基帶信號，經(jīng)波形預(yù)取電路判斷，取出相應(yīng)的模擬基帶波形數(shù)據(jù)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后輸出。IQ解調(diào)碼元再生b、MSK解調(diào)實驗圖4-8 MSK解調(diào)實驗框圖MSK解調(diào)實驗框圖如圖4-8所示。MSK已調(diào)信號送入IQ調(diào)制解調(diào)模塊中的IQ解調(diào)電路分別進(jìn)行DSB相干解調(diào)，相干載波由調(diào)制端的本振

10、源經(jīng)正交分頻產(chǎn)生。五、 實驗步驟1、 正確安裝基帶成形模塊、IQ調(diào)制解調(diào)模塊、碼元再生模塊和PSK載波恢復(fù)模塊。2、 MSK調(diào)制實驗。a、關(guān)閉實驗箱總電源，用臺階插座線完成如下連接：源端口目的端口連線說明基帶模塊：PN31基帶模塊：NRZ IN提供PN31偽隨機序列基帶模塊：I-OUTIQ模塊：I-IN將基帶成型后的I路信號進(jìn)行調(diào)制基帶模塊：Q-OUTIQ模塊：Q-IN將基帶成型后的Q路信號進(jìn)行調(diào)制b、按基帶成形模塊上“選擇”鍵，選擇MSK模式（MSK指示燈亮）。c、用示波器對比觀察“NRZ IN”和“NRZ OUT”信號，寫出差分編碼規(guī)則。d、用示波器觀察基帶模塊上“NRZ-I”及“NRZ-

11、Q”測試點，并分別與“NRZ OUT”測試點的信號進(jìn)行對比，觀察串并轉(zhuǎn)換情況。e、用示波器觀測基帶模塊上“I-OUT”和“Q-OUT”點信號，并分別與“NRZ-I”、“NRZ-Q”對比，說明MSK信號的成形規(guī)則。f、用頻譜分析儀觀測調(diào)制后MSK信號頻譜（可用數(shù)字示波器上FFT功能替代觀測），觀測點為IQ模塊調(diào)制單元的“輸出”端（TP4）3、 MSK相干解調(diào)實驗。a、關(guān)閉實驗箱總電源，保持步驟2中的連線不變，用同軸視頻線完成如下連接：源端口目的端口IQ模塊（IQ調(diào)制單元）：輸出（J2）IQ模塊（IQ解調(diào)單元）：輸入（J3）IQ模塊(載波單元)：輸出（J5）IQ模塊(載波單元)：輸入（J4）b、示

12、波器探頭分別接IQ解調(diào)單元上的“I-OUT”及“Q-OUT”端，觀察解調(diào)后的波形。c、對比解調(diào)前后I路信號示波器探頭分別接IQ模塊的“I-OUT”端及“I-IN”端，注意觀察兩者是否一致。d、對比觀測解調(diào)前后Q路信號示波器探頭分別接IQ模塊的“Q-OUT”端及“Q-IN”端，注意觀察兩者是否一致。4、 MSK再生信號觀察a、關(guān)閉實驗箱總電源，保持步驟2、3中的連線不變，用臺階插座線完成如下連接：源端口目的端口連線說明IQ模塊：I-OUT再生模塊：I-IN將解調(diào)后的I路信號進(jìn)行抽樣判決IQ模塊：Q-OUT再生模塊：Q-IN將解調(diào)后的Q路信號進(jìn)行抽樣判決b、按再生模塊上“選擇”鍵，選擇MSK模式（MSK指示燈亮）。c、對比觀測原始NRZ信號與再生后的NRZ信號示波器探頭分別接再生模塊上“NRZ”端和基帶模塊上“NRZ IN”端，觀察兩路碼元是否一致。若一致表示解調(diào)正確，若不一致可回到步驟2重新實驗。5、 觀測載波非相干時信號波形斷開IQ模塊上載波“輸出”端與該模塊上載波“輸入”視頻線，將IQ模塊上載波“輸入”端與PSK載波恢復(fù)模塊上“VCO-OUT”端連接起來，此時載波不同步。六、 思考題MSK及OQPSK基帶信號有什么區(qū)別？這些區(qū)別產(chǎn)生