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MSK信号调制与研究
摘要
由于数字通信的高速发展,信息传输的带宽效率一直为人们所关注,对高效调制技术的探索具有重大的现实意义。
随着社会信息化进程的加快,人们对通信的需求日益迫切,对通信质量的要求也越来越高。
然而通信频谱是有限的,频率资源严重不足与高速可靠的信息传输存在着日益突出的矛盾,高效频谱利用率的数据传输已经成为当代通信技术梦寐以求的目标。
怎样更有效的使用这些有限的频谱,如何节省频谱,高效利用频带成为通信领域研究的焦点。
MSK是移频键控FSK的一种改进形式,他是许多调制方案中的一种类型,MSK可以解决OQPSK调制方式中不能解决包络起伏的问题,从而能够产生恒定包络、相位连续的调制信号[1]。
因此对MSK进行了深入的理论研究,为完善数字通信技术做出一点贡献。
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,从而减少频率占用。
本文的研究对象就是恒包络技术中的最小频移键控调制技术,其优良的特性使其在当今无线电通信系统中得到了大量的应用。
本文还引出了最小频移键控的基本原理、调制原理、及其几种调制方式,并且比较了几种调制方式的优劣,最终选用了使用C52单片机进行调制,matlab进行仿真。
关键词:
最小频移键控;单片机;调制器;matlab仿真
Abstract
Duetotherapiddevelopmentofdigitalcommunications,bandwidthefficienttransmissionofinformationhasbeenofconcernforpeople,ofgreatpracticalsignificancetoexploreefficientmodulationtechniques.Withtheaccelerationoftheprocessofinformationsociety,peopleincreasinglyurgentneedforcommunication,communicationqualityrequirementsareincreasing.Communicationsspectrumislimited,however,aseriousshortageofinformationtransmissionfrequencyresourcesandthepresenceofhigh-speedandreliableincreasinglyprominentcontradiction,efficientspectrumutilizationdatatransferhasbecometheholygrailofmoderncommunicationstechnology.Howtomoreefficientuseofthelimitedspectrumofthesewaystoreducethespectralefficientuseofthebandbecomesthefocusofresearchinthefieldofcommunication.FSKFrequencyShiftKeyingMSKisamodificationofthatheisoneofmanytypesofmodulationschemes,MSKOQPSKmodulationmethodcansolvetheenvelopefluctuationcannotsolvetheproblem,itispossibletogenerateaconstantenvelope,continuousphasemodulationsignal.ThereforeMSK-depththeoreticalstudy,toimprovedigitalcommunicationstechnologytomakethatcontribution.
Developmentdirectionofmoderndigitalmodulationtechniquesisthesmallestshareofthepowerspectrumofconstantenvelopedigitalmodulationtechniques.Thekeytechnologyofmoderndigitalmodulationofthephasechangeiscontinuous,therebyreducingthefrequencyofusage.Theobjectofstudyistheconstantenvelopetechniquesminimumshiftkeyingmodulationtechnology,itsexcellentfeaturesmakeitgetalotofapplicationsintoday'sradiocommunicationsystem.Italsoleadstothebasicprinciplesofminimumshiftkeyingmodulationprinciple,andseveralmodulationschemes,andcomparetheadvantagesanddisadvantagesofseveralmodulationschemes,thefinalselectionismodulatedusingaC52microcontroller,matlabsimulation.
Keywords:
MinimumShiftKeying;MCU;Modulator;matlabsimulation
1绪论
1.1课题背景
十九世纪以来,由于通信理论的研究和元器件技术的提高,计算机技术和数字通信技术得到高速发展。
二十一世纪是信息时代,人类社会生活对通信的需求不断提升,在飞速发展的信息时代,国民经济中的信息产业主要以开发现代通信技术和发展现代综合通信网络建设作为首要目标,以促进国民生活。
在现代通信技术中移动通信是必不可少的,现阶段,从模拟移动通信到数字移动通信的发展阶段可看出数字通信无论在传输质量还是在经济方面都有其显著的优势。
数字通信的抗干扰能力强并且数字设备的体积小、功耗低、价格便宜,再加上便于加密处理的优点,结合以上数字通信的种种优势使其成为现代通信的发展趋势。
为了适应通信技术的飞速发展,首先需要解决不同通信系统之间的互通问题。
1992年5月,MILTR公司的JoeMitola在美国电信系统会议上第一次明确提出了“软件无线电(SoftwareRadio)”的概念[2],从字面意思上理解就是一种通过软件来替代传统模拟电路,处理信号的无线电平台。
最小频移键控信号(MSK)的调制原理频繁应用于无线电通信之中。
MSK信号相比于其他数字调制信号有很多自身的优点,这就使其得到了广泛的应用。
1.2课题的研究目的与意义
随着信息社会的进程的加快,越来越多的人对通信的需求变高,众所周知,使用的调制方法在很大程度上决定了通信系统的通信质量,通信频谱是有限的,如何更有效地使用这些有限的频谱,成为研究在通信领域的焦点。
为了提高传输能力和网络带宽的利用率,在各式各样的信号处理算法中,调制算法占有不可或缺的地位。
各种调制技术被用于现代通信之中,MSK(最小频移键控)调制作为一种性能卓越的数字调制信号具有恒定的包络、带外辐射小、频带利用率高、信号的相位连续性等突出优点。
这种具有恒包络的调制可以维持已调波形的包络恒定,非常适合于非线性传输信道,已经获得了广泛的在现代通信系统中的应用。
因此,过去几十年,越来越多的应用于军事和民用通信之中。
课题研究的目的是:
探讨MSK信号的调制系统的理论和设计原则,在此基础上,进一步提出具体建议对于MSK调制信号数字化和软件仿真手段的可行性和性能指标进行研究。
1.3国内外研究现状
最早在军事运用中提出了软件无线电的应用和概念,现如今对于软件无线电的研究趋势不断上涨。
Speakeasy多频段多模式电台已经被美军成功地研制了出来,这种电台同时能够处理四种不同信号的波形(包括AM到M-QAM等)[3],并且可以兼容的美军的电台数量达到了七种以上,尽管这些电台在通信方式、频段、语音速率、组网方式、信息保密方法、调制方法以及编码方式上都有很大的差异[4]。
近年来,在各种民用通信系统中透露出一个广阔的应用前景。
在民用通信方面,全球通信系统在经历过第一代和第二代的更新后,并加速朝着进化到第三代移动通信系统发展着,软件无线电技术广泛的应用在全球定位系统、卫星通信等方面。
在军事通信方面,AdHoc网络等技术使得无线通信攻防技术在当代战争中的地位变得至关重要[5]。
Motorla、Ericsson等公司通过软件无线电在移动通信领域进行了深入的研究[2]。
美国Arinet公司研制出来能够灵活配置的移动通信基台。
在我国,软件无线电技术也越来越受到重视。
在1996年,软件无线电被列为国家"863"计划通信主题的研究项目;在1999年,被列入国家自然科学基金重点资助的项目[2];在1998年,结合DSP、软件无线电等技术向ITU提交了有关于第三代通信方案TD-SCDMA。
现如今,各大通信厂商们开发出来大量软件无线电所需芯片并在实际中发挥作用,软件无线电的将来不可限量。
1.4论文的主要流程
本课题主要研究最小频移键控系统的调制模块设计,对其调制原理进行了深入的研究探索并利用matlab对结果进行了仿真。
第一章首先介绍了课题的背景,及研究目的与意义,并且对国内外的研究现状前景进行了简单的描述。
第二章对MSK信号的调制原理、特点及其几种调制方式进行了介绍与讨论。
第三章基于51单片机实现了对msk调制模块的设计与仿真。
第四章对论文的大体过程进行了简要总结,并对未来最小频移键控的发展进行了展望。
2MSK信号调制研究
尽管传统的FSK系统已经广泛应用于生活的许多方面,但它在性能上还有许多不尽如人意的地方。
FSK在频带利用率方面比起2PSK不仅低许多,而且当实现FSK调制时用的是开关法的话,则会导致相邻码元相位突变的可能情况,从而使得调制信号传输时出现起伏并且包络不恒定。
除此之外,如果二进制信号的两种码元可以相互正交,这样可以使其误码率性能变得更佳,但是一般是不一定能够严格正交的。
因此,为了弥补上述FSK的缺点,所以对其进行了改进,MSK信号应运而生。
本章首先简要介绍了MSK信号的基本原理和MSK信号的一些特性,然后对MSK信号的一些调制方式进行了介绍分析。
2.1MSK信号调制
MSK(MinimumFrequencyShiftKeying)又被称为快速移频键控(FFSK),作为2FSK的改进形式,它能够产生相位连续、包络恒定的调制信号,它的数据传输速率能比起2psk也更高,并且在带外频谱分量衰减方面比2psk快。
之所以把MSK称为“最小”是因为它是以最小调制指数0.5获得正交信号的一种调制方式。
MSK信号的带宽较窄并且频带利用率较高,再加上频谱主瓣能量集中和旁瓣滚降衰减快等优良特性,使得其在当今这个信息时代得到了非常广泛的应用。
将信号转化成同信道特性匹配的波形这一过程就是数字调制,而调制的过程是输入数据键控(控制)载波幅度、相位、频率[6]。
MSK作为一种数字调制技术,它属于恒包络数字调制。
现如今对数字调制的技术研究,重点是对于尽可能多的节约频谱,并且高效利用频带为研究核心。
由于通信容量的飞速上升,导致射频频谱的拥挤,所以需要使其输出的信号频谱得到有效的控制。
可是在当代通信中有非线性器件的影响,使我们必须去找到一种新的调制方法,这种调制方式产生的已调信号具有包络恒定和最小功率谱的占用率的两个特点,这样可以在通过发端带线后,即使还是经过非线性器件,可是非线性器件的输出信号产生的频谱扩展非常小。
2.1.1MSK信号的基本原理
MSK是一种恒定包络的连续相位频率调制,该信号被表示为下式:
其中ak是第k个的输入码元,取值为±1,Ts是码元的宽度,ωc是载波的角频率,φk是第k个码元的相位常数,在时间kTs≤t≤(k+1)Ts的区间种保持不变,该作用是用来保证在t=kTs时刻信号的相位连续。
信号的表达式:
如下图2-1-1为MSK信号时间波形图
图2-1-1
2.1.2MSK信号调制原理
最小频移键控信号一般表示形式:
因为
所以
令
则
所以由上可得出产生MSK信号可用到正交调幅的方式,其调制图解如下:
图2-1-2MSK的调制框图
产生MSK信号的过程可由上图得出:
1、先将输入数据的序列进行差分编码;
2、再将差分编码器的输出数据通过串/并变换器将其分成两路,并且相互交错一个比特的宽度Ts;
3、使cos(
/2Ts)和sin(
/2Ts)这两个加权函数分别对两路的数据进行加权;
4、将加权后的数据分别对正交载波cos
和sin
进行调制;
5、最终将两路输出的信号进行相加。
2.2MSK信号的特点
最小频移键控系统有如下特性:
MSK信号是一种恒包络的已调波形,适用于对功率有限制而进行非线性增大的情况,它不仅功率谱的特性优良,而且非常适合在非线性的信道中传输,比如在无线通信中经常用到MSK。
其每一个比特的码元之间的间隔包含四分之一的载波周期的整数倍,这里的载波指的是频率的载波[7]。
在码元的转换期间,信号波形如果未曾发生突变,所以其相位也是连续的。
频谱中的高频分量比较少,衰减很快,功率谱的密度非常集中,频带的利用率较高[8][9]。
在0码和1码波形之间的正交可以比较有效的促成形成最优的接收系统,这样可减少误码率。
总之,MSK是一种包络恒定,相位连续的特殊的FSK调制方式,并且MSK功率谱特性的主瓣比较窄且更加的紧凑,带外的辐射非常小,不仅抗干扰的能力极强,而且对于邻道的干扰较小,非常适合在非线性并限制带宽的窄带信道中传送数字等信息。
上述这些特点决定了MSK在微波、短波、卫星等通信中的应用。
2.3MSK信号的调制方式
2.3.1正交调制法
使用正交调制的方式去完成MSK的调制,其方法是将MSK信号当成是一种特殊的偏移四相相移键控(OQPSK)来考虑,其基本的原理是当MSK调制的时候,正弦脉冲会替代OQPSK的两路基带信号的矩形波形,当采取OQPSK信号正交的表示方法时,MSK的信号能够表示成[10]:
上式中an和bn的值都为±1
假设MSK的信号序列是Pn,可得出下式为两种定义的等价条件[11]:
an=bn时,Pn=﹣1,且发送符号的频率为f1;
an≠bn时,Pn=1,且发送符号的频率为f2[11]。
正交调制的原理图如下所示:
图2-3-1正交调制的原理框图
使用正交调制去完成MSK信号,需要遵守数学中严格的原理,其产生信号的稳定度与精度完全能够达到实际生活应用中的要求,可是却存在一些缺陷,例如硬件的实现有些繁杂、处理的环节较多并且面对延时精度时的要求过于严格,如果不采取FPGA和CPLD技术是不容易实现的,但是这样一来开发和应用的成本将会变得很高,所以正交调制不是实现MSK的最优方式。
2.3.2LC正弦波振荡器直接调频法
LC振荡器法是使数字基带信号去支配LC振荡回路参数的变化,以达到2CPFSK调制的相位连续,f1和f2为符号频率,其值与振荡回路中电感L和能够变化的电容的谐振来决定的;数字基带信号可以直接支配LC振荡回路的附加电容的连接或者切断,这样可完成在两个符号频率间,电路输出信号频率在其中的跳变[11]。
如下图所示为LC振荡器实现MSK调制原理框图
图2-3-2LC振荡器实现MSK调制原理框图
LC正弦波振荡器直接调频法不需要滤波,且相位连续,实现起来比较容易,但是完成需要太多模拟电路的元件,它还存在不少弊端,例如频率的精度和稳定性并不可靠,集成度也较低,并且不能拥有可移植性,因为它的频率的参数是由硬件的参数决定的。
2.3.3集成调制芯片法
伴随着数字通信科技日新月异的高速发展,出现了众多专用的集成芯片,也就是我们通常所说的单片机,这给MSK的调制带来了方便,调制时可以选用合适的芯片再配合一些外部元件就可以实现,并且信号的精度较高,频率的稳定性较好,不过这样硬件的成本增高了。
单片机全称为单片微型计算机,又常常被称作为单片微控制器,这种芯片不是仅仅只能完成一个逻辑功能,而是可以将计算机的系统集成在芯片中。
单片机由五部分构成:
控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备。
对单片机的学习和使用是对掌握计算机原理与结构的最佳途径,同时它也很早就应用在工业控制领域。
被频繁应用于工业控制领域的单片机由仅仅只拥有CPU的专用芯片发展而成,将各式各样的外围设备同CPU集成在芯片中,Intel的8080就是最先按这种构思设计出来的。
8051是Intel中最成功的一款单片机,随后在此基础上发展出MCS51系列的单片机,它具有可靠的优良特性,操作起来简单易懂,从而获得人们的极力认可。
本文所用到的AT89C52作为一种高性能却低功耗的CMOS8位单片机,其片内含有8Kbytes的可以不断重复擦写的Flash只读程序存储器,并且具有256bytes的随机存取数据存储器(RAM),单片机内的器件采用的是ATMEL公司的存储技术生产的,具有高密度和非易失性,并且同时兼容MCS-51指令系统,单片机内部还拥有通用的8位中央处理器,再加上Flash存储单元,所以AT89C52单片机现如今在更新换代如此迅速的电子时代仍然具有自己的一席之地,被广泛的应用着。
3基于52单片机的MSK信号的调制仿真
本文将采用集成调制芯片法,也就是利用单片机来实现MSK信号的调制。
以下将给出MSK调制的仿真及程序代码。
3.1定义四种波形
3.1.1代码及仿真波形
单片机程序,首先需要产生四张表用来存储四种波形,定义如下
依次读取60个点,将每个点发送到DAC进行转换,则就会产生下面的波形
unsignedcharcodeS_A[60]={64,63,62,61,60,58,56,53,51,48,45,42,39,35,32,29,25,22,19,16,13,11,8,6,4,3,2,1,0,0,0,1,2,3,4,6,8,11,13,16,19,22,25,29,32,35,39,42,45,48,51,53,56,58,60,61,62,63,64,64};
voidsend_A()
{
inti=0;
for(i=0;i<60;i++)
WriteDAC(S_A[i]);
}
波形1
unsignedcharcodeS_A1[60]={0,1,2,3,4,6,8,11,13,16,19,22,25,29,32,35,39,42,45,48,51,53,56,58,60,61,62,63,64,64,64,63,62,61,60,58,56,53,51,48,45,42,39,35,32,29,25,22,19,16,13,11,8,6,4,3,2,1,0,0};
voidsend_A1()
{
inti=0;
for(i=0;i<60;i++)
WriteDAC(S_A1[i]);
}
波形2
unsignedcharcodeS_B[60]={64,62,61,58,55,51,47,42,37,32,27,22,17,13,9,6,3,2,0,0,0,2,3,6,9,13,17,22,27,32,37,42,47,51,55,58,61,62,64,64,64,62,61,58,55,51,47,42,37,32,27,22,17,13,9,6,3,2,0,0};
voidsend_B()
{
inti=0;
for(i=0;i<60;i++)
WriteDAC(S_B[i]);
}
波形3
unsignedcharcodeS_B1[60]={0,2,3,6,9,13,17,22,27,32,37,42,47,51,55,58,61,62,64,64,64,62,61,58,55,51,47,42,37,32,27,22,17,13,9,6,3,2,0,0,0,2,3,6,9,13,17,22,27,32,37,42,47,51,55,58,61,62,64,64};
voidsend_B1()
{
inti=0;
for(i=0;i<60;i++)
WriteDAC(S_B1[i]);
}
波形4
实际的MSK调制信号是由上面四种波形拼接而来,假设发送的二进制数据如图3.1.1所示,则实际的MSK调制信号如图3.1所示,MSK调制信号是由上面四种波形拼接而来。
图3.1MSK调制的信号
图3.1.1发送的二进制数据
3.2实际硬件测试波形如下:
1、单片机
2、示波器
3、连接好后并带有最小频移键控调制的输出图像
3.3最小频移键控调制模块设计
主程序中num用来指示当前要发送第几个数据,数据存储在send数组里面,每次发完一个数据之后,NUM++,即等待发送一个数据
if(num>=11)
num=0;
else
num++;//连续累加
每次发送数据之前需要判断上次发送的是哪一个波形,然后根据flag做判断,假设上一次发送的波形是波形1,如果这次要发送数据1的话,则只需要将波形3拼接即可;假设上一次发送的波形是波形2,如果这次要发送数据1的话,则只需要将波形4拼接即可;假设上一次发送的波形是波形3,如果这次要发送数据0的话,则只需要将波形2拼接即可;假设上一次发送的波形是波形4,如果这次要发送数据0的话,则只需要将波形1拼接即可。
4技术分析与发展前景
4.1MSK调制方式的优良特性
本文回顾了数字通信技术的发展和数字调制方式的发展情况,并且阐述了发展中所遇到的问题,以及为了适应通信技术的飞速发展我们需要解决的问题。
针对这些问题提出了MSK调制这一性能卓越的数字调制信号,介绍了最小频移键控调制信号的基本原理和调制原理,并对其特点和几种调制方式的优缺点做出了说明。
由于C52单片机的推广,并且操作相对简单,最终在52单片机上设计出最小频移键控的调制模块,并且利用matlab平台进行了仿真。
通过这段时间对本课题的研究,分析了MSK信号的原理和特点提出了一种可以
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