實(shí)驗(yàn)四MSK調(diào)制及相干解調(diào)實(shí)驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)四 msk調(diào)制及相干解調(diào)實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)?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(shí)的解調(diào)特性二、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、觀察i、q兩路基帶信號(hào)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(hào)變化。3、觀察解調(diào)載波相干時(shí)和非相干時(shí)各信號(hào)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?yàn)閙sk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(diǎn)，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(diǎn)：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(hào)峰平比低。msk是cpfsk滿足移頻系數(shù)時(shí)的特例。它能比psk傳送更高的比特速率。二進(jìn)制msk信號(hào)的表達(dá)式可寫為： 由式（4-1）可見，當(dāng)ak1時(shí)，信號(hào)的頻率為當(dāng)ak1時(shí)，信號(hào)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(hào)與“”信號(hào)在一個(gè)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(hào)的頻率間隔是如何確定的。對(duì)于一般移頻鍵控（2fsk），兩個(gè)信號(hào)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(hào)的波形的相關(guān)系數(shù)等于零。因此，對(duì)msk信號(hào)來說，式（4-7）應(yīng)為零，也就是上式右邊兩項(xiàng)均應(yīng)為零。第一項(xiàng)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(hào)的頻率間隔與波形這正是msk信號(hào)所要求的頻率間隔。第二項(xiàng)等于零的條件是（n=1，2，3），即這說明，msk信號(hào)在每一個(gè)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(hào)相位在碼元轉(zhuǎn)換時(shí)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(hào)在第k個(gè)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(duì)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(hào)的總相位減去隨時(shí)間線性增長(zhǎng)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(hào)具有如下特點(diǎn)：（1） 已調(diào)信號(hào)的振幅是恒定的；（2） 信號(hào)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(hào)相位在一個(gè)碼元期間內(nèi)準(zhǔn)確的線性化變化；（4） 在一個(gè)碼元期間內(nèi)，信號(hào)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(shí)刻信號(hào)的相位是連續(xù)的，或者說，信號(hào)的波形沒有突跳。msk信號(hào)表達(dá)式可正交展開為下式：式中，等號(hào)后面的第一項(xiàng)是同相分量，也稱i分量；第二項(xiàng)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(gè)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(chǔ)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(yùn)放求和就得到了我們需要的msk調(diào)制信號(hào)。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(hào)在msk調(diào)制中，成型信號(hào)取出原理為：由于成形信號(hào)只有兩種波形選擇，因此當(dāng)前數(shù)據(jù)取出的成形信號(hào)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(shí)，輸出的成形信號(hào)不變（如果前一數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)波形1，那么當(dāng)前數(shù)據(jù)仍對(duì)應(yīng)波形1）；從第二次保持開始，輸出的成形信號(hào)與前一信號(hào)相反（如果前一數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)波形1

7、，那么當(dāng)前數(shù)據(jù)對(duì)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(shí)，輸出的成形信號(hào)與前一信號(hào)相反（如果前一數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)波形1，那么當(dāng)前數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)波形2），從數(shù)據(jù)第二次跳變開始，輸出的成形信號(hào)不變（如果前一數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)波形1，那么當(dāng)前數(shù)據(jù)仍對(duì)應(yīng)波形1）。msk的基帶成形信號(hào)波形如圖4-5所示圖4-5 msk的基帶信號(hào)波形2、msk解調(diào)原理msk信號(hào)的解調(diào)與fsk信號(hào)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(shí)驗(yàn)?zāi)K中采用一種相干解調(diào)的方式。已知：把該信號(hào)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(hào)，所以必須將其它頻率成份、通過低通濾波器濾除掉，然后對(duì)、采樣即可還原成、兩路信

8、號(hào)。cpld 圖4-6 msk解調(diào)原理框圖四、 實(shí)驗(yàn)原理1、實(shí)驗(yàn)?zāi)K簡(jiǎn)介（1）基帶成形模塊：本模塊主要功能：產(chǎn)生pn31偽隨機(jī)序列作為信源；將基帶信號(hào)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(hào)。（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(hào)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(hào)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(gè)完整的科斯塔斯環(huán)恢復(fù)psk已調(diào)信號(hào)的載波，同時(shí)可用作一個(gè)獨(dú)立的載波源。

9、本實(shí)驗(yàn)只使用其載波源。2、實(shí)驗(yàn)框圖及電路說明a、msk調(diào)制實(shí)驗(yàn)iq調(diào)制基帶成型 圖4-7 msk調(diào)制實(shí)驗(yàn)框圖msk調(diào)制實(shí)驗(yàn)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(gè)碼元延遲后輸出，輸出的iq兩路數(shù)字基帶信號(hào)，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(shí)驗(yàn)圖4-8 msk解調(diào)實(shí)驗(yàn)框圖msk解調(diào)實(shí)驗(yàn)框圖如圖4-8所示。msk已調(diào)信號(hào)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)。a、關(guān)閉實(shí)驗(yàn)箱總電源，用臺(tái)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(jī)序列基帶模塊：i-outiq模塊：i-in將基帶成型后的i路信號(hào)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(hào)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(duì)比觀察“nrz in”和“nrz out”信號(hào)，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(cè)試點(diǎn)，并分別與“nrz out”測(cè)試點(diǎn)的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，觀察串并轉(zhuǎn)換情況。e、用示波器觀測(cè)基帶模塊上“i-out”和“q-out”點(diǎn)信號(hào)，并分別與“nrz-i”、“nrz-q”對(duì)比，說明msk信號(hào)的成形規(guī)則。f、用頻譜分析儀觀測(cè)調(diào)制后msk信號(hào)頻譜（可用數(shù)字示波器上fft功能替代觀測(cè)），觀測(cè)點(diǎn)為iq模塊調(diào)制單元的“輸出”端（tp4）3、 msk相干解調(diào)實(shí)驗(yàn)。a、關(guān)閉實(shí)驗(yàn)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(duì)比解調(diào)前后i路信號(hào)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(duì)比觀測(cè)解調(diào)前后q路信號(hào)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(hào)觀察a、關(guān)閉實(shí)驗(yàn)箱總電源，保持步驟2、3中的連線不變，用臺(tái)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(hào)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(hào)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(duì)比觀測(cè)原始nrz信號(hào)與再生后的nrz信號(hào)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(shí)驗(yàn)。5、 觀測(cè)載波非相干時(shí)信號(hào)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(shí)載波不同步。六、 思考題msk及oqpsk基帶信號(hào)有什么區(qū)別？這些區(qū)別產(chǎn)生