中頻數(shù)字接收機(jī)的MSK調(diào)制解調(diào)仿真

黃 嵩， 姚遠(yuǎn)程, 蔡曉麗

（西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010）

0 引言

經(jīng)典的數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)包括幅度鍵控(ASK)、頻移鍵控(FSK)以及相移鍵控(PSK)，它們?cè)跀?shù)據(jù)改變的瞬間，波形相位是不連續(xù)的，而這種相位突變將給信號(hào)頻譜造成較大的旁瓣[1]，同時(shí)可能對(duì)相鄰信道產(chǎn)生干擾，對(duì)于某些場(chǎng)合，這些調(diào)制方式都是不合適的。而利用窄帶濾波器清楚PSK信號(hào)的旁瓣雖然可以不影響信息的傳輸，但是濾波后的信號(hào)不再是等包絡(luò)的，經(jīng)過(guò)非線(xiàn)性信道之后會(huì)產(chǎn)生包絡(luò)失真[3]，因此需要對(duì)已濾除的旁瓣重新恢復(fù)，降低了信道頻譜的利用率[4]。連續(xù)相位頻移鍵控（CPFSK）信號(hào)功率譜的帶外衰減遠(yuǎn)快于其他相位不連續(xù)的數(shù)字調(diào)制信號(hào)的功率譜。而最小頻移鍵控（MSK）調(diào)制是CPFSK中調(diào)制指數(shù) 1/2h= 的特例。因?yàn)槠浜愣òj(luò)、頻帶利用率高等特點(diǎn)，在無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，這里提出了一種利用Simulink模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)MSK調(diào)制解調(diào)的方法，這對(duì)利用軟件無(wú)線(xiàn)電平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)MSK是有重要意義的。

1 MSK信號(hào)模型

MSK信號(hào)可以表示為：

其中：

這里的A為載波幅度；cf為載波頻率；rect為矩形函數(shù)，na和nb取值均為1±，分別對(duì)應(yīng)于1和0，他們是輸入信息序列經(jīng)過(guò)串/并變換得到的兩個(gè)二進(jìn)制序列。所以這里可以寫(xiě)成I/Q兩路正交調(diào)制的形式[5]。在下面 Simulink仿真軟件中也采用這種方式來(lái)生成調(diào)制模塊。

2 MSK模塊的構(gòu)成

2.1 MSK調(diào)制部分Simulink模塊的構(gòu)成

MSK作為一種調(diào)制解調(diào)模式，具有和其他數(shù)字發(fā)射機(jī)和接收機(jī)相同的模塊，如圖1所示：即發(fā)射機(jī)、加性高斯白噪聲信道（AWGN信道）和接收機(jī)三部分組成[4]。

圖1 數(shù)字調(diào)制解調(diào)的基本模塊

在這里以數(shù)據(jù)率 Rb= 1 00Kb/s,載波頻率 fc= 4 00kHz的信號(hào)為例，仿真MSK調(diào)制解調(diào)的過(guò)程。根據(jù)公式（1），這里可以寫(xiě)成I/Q兩路正交調(diào)制的形式，在這里采用這種方式來(lái)生成調(diào)制模塊。

其中發(fā)射機(jī)部分組成為圖2。

圖2 MSK調(diào)制的Simulink模塊

2.2 加性高斯白噪聲信道

加性高斯白噪聲信道（AWGN信道）是直接利用Simulink自帶的AWGN模塊，可以通過(guò)設(shè)置其中的信噪比來(lái)改變信道的性能。

2.3 MSK解調(diào)部分Simulink模塊的構(gòu)成

MSK作為一種特殊的2FSK，如果把MSK看成是正交2FSK，用2FSK方法進(jìn)行相干解調(diào)，并且每隔bT時(shí)刻做出判決，則與最佳接收時(shí)相比性能要下降3 dB。而如果把MSK看成正交 2FSK，采用鑒頻器的方法進(jìn)行非相干解調(diào)，其誤碼性能與正交2FSK相干解調(diào)時(shí)相比還要下降約3.6 dB。因此此處采用一種 MSK最佳接收機(jī)的方式對(duì)其解調(diào)[2,6]。MSK解調(diào)的Simulink模塊如圖3所示。

圖3 MSK解調(diào)的Simulink模塊

3 仿真結(jié)果

由發(fā)射機(jī)構(gòu)成框圖可以觀察到，輸入的信息序列依次經(jīng)過(guò)差分預(yù)編碼、串并轉(zhuǎn)換之后形成IQ兩路信號(hào)，在Q路經(jīng)過(guò)bT延遲之后，并行的兩路信號(hào)經(jīng)過(guò)波形成形與載波信號(hào)相乘最終得到MSK的調(diào)制信號(hào)，由Scope可以觀察到MSK調(diào)制信號(hào)的波形如圖4、圖5所示。

圖4 MSK調(diào)制波形

圖5 MSK調(diào)制局部放大波形

由圖4與圖5可以看到MSK調(diào)制以后的波形為包絡(luò)恒定的波形，并且波形的相位是連續(xù)的。

通過(guò)改變 AWGN信道的信噪比（SNR）參數(shù)可以得到不同的誤比特率（BER）如表1所示。

表1 信噪比與誤比特率

在MSK調(diào)制信號(hào)通過(guò)干擾信道以后，可以觀察到如圖4的MSK調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)AWGN信道的波形如圖6所示。

圖6 MSK經(jīng)過(guò)AWGN信道之后的波形

從圖 3解調(diào)部分的框圖中可以看到，通過(guò)噪聲信道的MSK信號(hào)經(jīng)過(guò)載波恢復(fù)，數(shù)字低通濾波器，然后經(jīng)過(guò)最佳狀態(tài)接收機(jī)處理[2]，由判別電路實(shí)現(xiàn)并/串轉(zhuǎn)換，最后通過(guò)差分解碼恢復(fù)出信息序列。

從圖7可以觀察到解調(diào)之后的信息序列基本對(duì)輸入序列進(jìn)行了恢復(fù)，達(dá)到了預(yù)期的效果，達(dá)到了設(shè)計(jì)的目的。

圖7 延遲后的輸入信息序列和解調(diào)信息序列

4 結(jié)語(yǔ)

MSK作為數(shù)字通信中最重要的調(diào)制方式之一，在移動(dòng)通信等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，根據(jù)一款中頻數(shù)字軟件無(wú)線(xiàn)電接收機(jī)的研制要求，分析了 MSK在數(shù)字通信中調(diào)制解調(diào)的原理，并用Simulink對(duì)其進(jìn)行了仿真，通過(guò)仿真驗(yàn)證了 MSK調(diào)制解調(diào)的正確性，從而保證了工程可實(shí)現(xiàn)性。

[1] HANY LEIB, SUBBARAYAN PASUPATHY. Error-Control Properties of Minimum Shift Keying[J]. IEEE Communications Magazine,1993(01)：52-61.

[2] ZHAO DANFENG, ZHU TIELIN. A New Digital Method of Demodulation for MSK[C].USA： 2009：1792-1795.

[3] LIN Z, AULIN T. New Lwer Bounds on Symbol Error Probability for MLSD of CPM Signals on AWGN Channel[J].IEEE Communications Proceedings，2003，10(150)：312-316.

[4] 陳國(guó)通. 數(shù)字通信[M]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2002：286-288.

[5] 曹志剛，錢(qián)亞生. 現(xiàn)代通信原理[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，1992：301-305.

[6] 蔡振浩，于宏毅，郭金淮，等. MSK信號(hào)解調(diào)算法研究[J]. 通信技術(shù)，2006(S1)：111-113.