1、 数字 MSK 系统研究 摘要 MSK 是一种在无线通信中很有吸引力的数字调制方式，目前在短波、微波和卫星通信中均被采用。 序论 ： 在现代通信中，随着大容量和远距离数字通信技术的发展，出现了一些新的问题，主要是信道的带宽限制和非线性对传输信号的影响。幅度变化的数字信号通过信道会使己滤除的带外频率分量恢复，发生频谱扩展现象。在这种情况下，传统的数字调制方式已不能满足应用的需求，需要采 用新的数字调制方式以减小信道对所传信号的影响，以便在有限的带宽资源条件下获得更高的传输速率。这些技术的研究，主要是围绕充分节省频谱和高效率的利用频带展开的。为适用移动通信用的 25kliz 信道带宽，提出了各种窄
2、带数字调制方式。 l前已在数字蜂窝移动通信系统中得到广一泛应用的有 :正交相移键控(QPSK),正交调幅 (QAM)、最小移频键控 (MSK),高斯最小移频键控(GMSK)等方式。 MSK 是在无线通信环境中很有吸引力的一种调制方式。它具有快速高频滚降的频谱特性，旁瓣很小，因而频带利用率高，可以在单位频带内实现较 高的数据比特速率。此外 MSK 的恒包络特征可以使便宜而有效的高频器件得到使用，因为幅相转换响应在一定程度上被抑制了。 MSK 调制传统的实现方案是 :将输入数据差分编码后进行串并变换，然后每个支路一与振荡器产生的特定频率进行一系列的混频，最后两个支路合成后经过带通滤波器得到 MSK
3、 信号 。 如果把 MSK 看成是正交 2FSK，用 2FSK 方法进行相干解调，并每隔兀时刻做出判决，则与最佳接收时相比性能要下降 3dB。如果把MSK 看成正交 2FSK，可以采用鉴频的方法来进行非相干解调，但是其误码性能要与正交 2FSK 相干解 调时相比还要下降约 3. 6dB。 由于MSK 在实现调制时是有记忆的 (为了保持相位连续 )，因此也可以采用差分解调的方法。 在移动通信中，由于电台载体的快速移动，接收信号中存在较大的多普勒频移，这给接收检测时位同步带来了一定困难。因此如何准确、快速进行多普勒频移校正和位定时信号的捕获与跟踪成为正确检测信号的关键所在。频偏不仅仅是由一 f 多
4、普勒频移引起的，它还可能由本地载波与信号载波频率的偏差引起。在位同步之前需要对频率偏移进行估计，然后对一该误差进行补偿，刁能有效的进行位定时误差的估计，继而接收端就能以 较低的错误概率恢复出数字信息。 另外一个重要的实际问题是同步。通信系统中的同步又可分为载波同步、位同步、帧同步、网同步几大类。因为消息是一串连续的信号码元序列，解调时须知道每个码元的起止时刻。数字通信中的消息数字流总是用若干码元组成一个“字”，又用若干“字”组成一“句”。因此，在接收这些数字流时，同样也必须知道这些“字”、“句”的起止时刻，确定“字”、“句”的起止时刻的过程被称为群同步或帧同步。因为本系统采用差分解调，所以不需
5、要知道载波的初始相位。载波与接收到的信号相乘是在 DSP 里面软件实现的，载波也是用直 接数字频率合成法生成的，频率可以精确的控制，所以载波同步在本系统中 不需要考虑。本系统还未构建成任何形式的通信网，所以网同步也不需要考虑。需要实现的只是位同步和帧同步。 许多时钟恢复的算法都使用了闭环技术 ， 但是他们的方案都有获取同步时间长和有挂起现象的缺点。 Ralf Mehlan 提出了一种可以同时估计频偏和符号定时误差估计的全数字前馈型 MSK 接收机模型 ，该方法在计算效率上需要提高。它使用的导言长度为 64 比特，在 f71中被减少为 42 比特。本文选定的是 f81 中提出的算法，它可以同时对
6、频偏和符号定时误差进 行估计。位同步捕获时间短且固定，不存在挂起现象，因为该算法是建立在对差分相位信号进行数据处理的基础上的，所以可以实现与差分解调法的无缝结合，即在完成频偏估计和位定时之后，立刻就可以对数据进行判决，而不需要额外的计算量。 通信作为社会的基本设施和神经中枢，已经影响到了社会的方方面面，渗透到了人们生活的边边角角。通信事业的发展也正以前所未有的深度和速度影响着人类社会的进步和演化。以信息为主导地位的信息化社会已经初见端倪。移动通信是现代通信技术中不可缺少的部分。通信的发展日新月异，由于数字通信方式相对与模 拟通信方式有着很多优点，如抗干扰能力强，无噪声积累、通信质量高 ;便于加
7、密 处理而且保密强度高 ;数字信号便于直接与计算机接口，形成智能网 ;有高度的灵活性和通用性 ;设备便于集成化、微型化，所以在通信应用中数字通信已经逐步取代了模拟通信，成为通信领域的主要方式，移动通信已经进入全新的数字通信时代。 本论文的内容 ： 本论文讨论了各种 MSK 数字化调制、同步以及解调方法，介绍了它们的原理，比较了它们的性能，用计算机仿真了它们的性能，结合本系统的实际特点和性能要求，从中选取了最合适的方法。 MSK 概述和原理 ： MSK 调制方式概述 ： 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
8、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。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，为
9、了适应这类信道的特性，己调信号须有以下两个特点 : 1.包络恒定或包络起伏很小 由于信道中具有非线性的输入输出特性，所以己调波包络不能起伏，即不能用包络来携带信息，需要采用频移键控 (FSK)或相移键控(PSK)来传递信息。 2.具有最小功率谱占用率 己调波要具有快速高频滚降的频谱特性，要求旁瓣必须很小，这种信号经过带限滤波之后，只要让主瓣无失真通过，由于旁瓣功率很小，所以滤波器的输出信号 (即非线性器件的输入信号 )的包络起伏就会很小，大大减小了 AM/PM 效应，继而频谱扩展的现象也会随之而减小。由于己调波具有快速高频滚降的频谱特性，使信号能量大部分集中在一定的带宽内，因此提高了频带的利用
10、率。 根据这些要求，人们在实践中创造了各式各样的调制方式，我们称之为现代恒包络数字调制技术。现代数字调制技术的发展方向是最小功率谱 占有率的恒包络数字调制技术。现代数字调制技术的关键在于相位变化的连续性。 MSK(最小频移键控 )是移频键控 FSK 的一种改进形式。在二进制 FSK 方式中载波频率随着调制信号“ 1”或“ 0”而变，其相位通常是不连续的。所谓 MSK 方式，就是 FSK 信号的 相位始终保持连续变化的一种特殊方式。可以看成是调制指数为 0.5的一种 CPFSK 信号。 最小频移键控 (MSK) MSK 是一种在无线移动通信中很有吸引力的数字调制方式，因为它有以下两种主要的特点
11、: 1.信号能量的 99. 5%被限制在数据传输速率的 1. 5倍的 带宽内。谱密度随频率 (远离信号带宽中心 )倒数的四次幂而下降，而通常的离散相位 FSK 信号的谱密度却随频率倒数的平方下降 1o。因此， MSK信号在带外产生的干扰非常小。这正是限带工作情况下所希望有的宝贵特点。 2.信号包络是恒定的，系统可以使用廉价高效的非线性器件。 从相位路径的角度来看， MSK 属于线性连续相位路径数字调制，是连续相位频移键控 (CPFSK)的一种特殊情况，有时也叫做最小频移键控 (MSK) 。 MSK 的“最小 (Minimum)”二字指的是这种调制方式能以最小的调制指数 (h=0.5)获得正交的
12、调制信号。 MSK 原理 MSK 波形有多种表示形式。下面是其中一种 : S(t)=A cos2 威 t+p(t)l(2.2-1) 关 .为载波频率， A 为振幅，信号的功率 E 与 A成正比，相位州 t)携带了所有的 信息。 dk E士 1。 q(t)为相位平滑函数，它很大程度上决定了信号的形状 继而影响到性能。 q(t)为一个分段函数 :当 t s0 时 q(t) = 0，当 t_LT时， q(t)二 0.5。 其中 L 可以被看作调制方法的记忆长度，它决定了每一个符号究竟影响到该符号以 后的多少个符号间隔。实际上 MSK 属于连续 相位调制 (CPM)的一种，在 CPM 中 L=1 时被
13、称作全响应调制，当 L_2 时被称作部分响应调制。 MSK 属于全响应调制，即 从 MSK 的表达式可以得知， MSK 的相位是由两部分组成的，一部分是载波随 时间连续增加的相位 2 磷 t，另外一部分是携带信息的附加相位，它与原始数据息息 相关，可以被称为基带相位。 MSK 是一种正交调制，其信号波形的相关系数等于零，所 以上式等号右侧的第一项和第二项均应为零。 1.当时间 t 为 Tb 的奇数倍时，即 t=(2k+1)Tb 时，式中的 k 为任意的整数，则帆 O 总是二 /2 的奇数倍。而当时间 t 为几的偶数倍时，即 t=2kTb，则城O 总是二 /2 的偶 数倍。对余弦函数而言，它总是
14、以 2 二为模的，所以当 t=(2k+l)Tb时， (P(t)取值只 有士 rcl2(以 2 二为模 )。当 t=2kTb 时，诚 O 取值只有 0 或二 (以 2二为模 )。 2.在任何一个码元内，其截距 p*不是为 0 就是的整数倍。同样，由于余 弦函数总以 2为模，所以 v*的取值只有 0 或 n(以 2n 为模 )。 图 2-2 MSK 可能的基带相位路径 2. 2. 2 MSK 调制的特点 由以上讨论可知， MSK 信号具有如下特点 : 1.恒定包络，允许用非线性幅度饱和器件放大。 2.连续相位，使得功率谱密度按 .f -4 速率降低。功率谱在主瓣以后衰减得 较快。 。以载波相位为基
15、准的信号相位，在一个码元内准确地线性变 在一个码元期间内，信号应包括四分之一个载波周期的整数倍。 4.码元转换时刻，信号的相位是连续的，或者说，信号的波形没有突变。码元 转换可在瞬时幅度为零时发生，从而使调制器开关过程的波形失真最小。 5.频谱带宽窄，从而可允许带通滤波器带宽较窄。与 QPSK 相比，MSK 具有 较宽的主瓣，其第一个零点出现在 f.一关 = 0.75 f,处，而 QPSK 的第一个零点出现 .5fh 处。由于信号能量在 0.75, fh 之外下降很快，所以典型带宽取0.75f h 即一可。由于 I-述特点以及恒定包络特点， MSKMS 信号在幅度和频带受限时能量损失不 大，对 E(/No 性能的影响较小。
