MSK調(diào)制技術(shù)分析與性能仿真

劉倩楠，梁進(jìn)波，盧　山

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

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MSK調(diào)制技術(shù)分析與性能仿真

劉倩楠，梁進(jìn)波，盧山

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

摘要針對當(dāng)前射頻頻譜資源日益緊張的問題，給出了一種適于窄帶傳輸?shù)幕谧钚☆l移鍵控(MSK)的調(diào)制解調(diào)方法。通過對MSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)的分析與研究，給出系統(tǒng)的模型。對接收端的時鐘同步算法和載波同步算法進(jìn)行了詳細(xì)分析與改進(jìn)，并利用Matlab軟件進(jìn)行了仿真。與一般相位調(diào)制BPSK的性能進(jìn)行比較，進(jìn)一步說明了MSK調(diào)制解調(diào)方法在通信系統(tǒng)傳輸中可以提高頻譜利用率，有效節(jié)省頻帶資源。

關(guān)鍵詞最小頻移鍵控；相位連續(xù)；時鐘同步；載波恢復(fù)

Performance Simulation and Analysis of MSK

Modulation Technology

LIU Qian-nan,LIANG Jin-bo,LU Shan

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

AbstractIn order to solve the problem that the radio spectrum resources become scarce increasingly,this paper presents a minimum-shift keying(MSK)modulation-demodulation scheme suitable to narrow-band transmission.By analyzing and studying MSK modulation-demodulation technology,the system model of MSK is introduced.The clock synchronization algorithm and carrier synchronization algorithm are analyzed in detail and improved,and the simulation is performed by using Matlab software.The results show that the MSK modulation-demodulation scheme can improve spectrum utilization and save effectively the frequency band resource,comparing with BPSK.

Key wordsMSK;phase continuous;clock synchronization;carrier recovery

0引言

當(dāng)今社會，隨著通信系統(tǒng)的快速發(fā)展，通信容量也迅速增加，使得射頻頻譜資源非常緊張，為了改善這一問題，可以在調(diào)制體制上做突破性改變，采用最小頻移鍵控(MSK)調(diào)制解調(diào)技術(shù)。MSK信號具有包絡(luò)恒定、相位連續(xù)、帶寬小且頻譜利用率高等優(yōu)良特性，這樣不僅能節(jié)省傳輸帶寬，而且能降低噪聲對信息干擾的影響[1,2]。目前，MSK在實際的通信系統(tǒng)中已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用。

本文將MSK調(diào)制技術(shù)應(yīng)用于窄帶通信系統(tǒng)中，對MSK的調(diào)制解調(diào)過程做了詳細(xì)介紹，采用了改進(jìn)的Gardner算法和載波恢復(fù)算法對接收到的MSK信號分別做時鐘同步和頻偏恢復(fù)，并用Matlab軟件對其進(jìn)行了仿真[3]，最后與二進(jìn)制相位鍵控調(diào)制(BPSK)進(jìn)行比較，對其性能進(jìn)行了分析驗證。

1MSK信號模型

MSK信號是一種相位連續(xù)、包絡(luò)恒定并且占用帶寬最小的二進(jìn)制正交2FSK信號。MSK信號的表達(dá)式為：

式中，wc=2πfc為載波角頻率；am=±1為輸入碼元；Ts為碼元寬度；φm為第m個碼元的初始相位，它在一個碼元寬度中是不變的[4]。根據(jù)相位的連續(xù)性，即上一個碼元終端總相位等于下一碼元初始總相位，可得φm必須滿足：

φm=φm-1+πm(am-1-am)/2，

從而

圖1　MSK調(diào)制解調(diào)框圖

2算法分析

2.1時鐘同步算法

對于解調(diào)端來說,信號的同步是至關(guān)重要的,許多載波和相位同步算法都需要定時信息的輔助,因此提高定時誤差的估計精度就顯得十分重要[8]。在信號接收時，為了求得碼元的能量以及對每個接收碼元抽樣判決，需對信號進(jìn)行積分運(yùn)算，這樣就必須知道每個碼元準(zhǔn)確的起始時刻。Gardner 算法是一種經(jīng)典的基于反饋的時鐘恢復(fù)方法，是基于過零檢測的無數(shù)據(jù)輔助的定時誤差算法。由于Gardner算法實現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡單，獨立于調(diào)制方式，在進(jìn)行位同步時對載波相位不敏感，所以在時鐘同步方法中，Gardner算法在數(shù)字接收機(jī)的定時恢復(fù)環(huán)路中應(yīng)用很廣泛[9]。

本節(jié)將針對 MSK 調(diào)制信號的特殊性，采用了一種改進(jìn)的Gardner算法實現(xiàn)時鐘同步，首先選擇4倍時鐘速率采樣，對接收到的連續(xù)3個采樣點計算時鐘誤差τ={Sm(k+1)Ts-Sm(k-1)Ts}*Sm(kTs),然后經(jīng)環(huán)路濾波后，通過判斷τ值的大小做內(nèi)插控制，如果τ>1，則取τ=|ι-τ|,ι是τ的整數(shù)部分。最后利用估計的τ值進(jìn)行時鐘調(diào)整從而可以準(zhǔn)確恢復(fù)MSK信號。通過Matlab仿真得到的時鐘環(huán)路濾波曲線如圖2所示。

圖2　時鐘環(huán)路濾波曲線

2.2載波恢復(fù)算法

對于相位鍵控信號而言，載波同步不良引起的相位誤差直接影響著接收信號的誤碼率[10]。希望提取的載頻和接收信號的載頻盡量保持同頻同相，但是實際上無論采用何種方法提取的載波相位總是存在一定的誤差[11]。本文載波同步采用載波頻偏和相位偏差聯(lián)合恢復(fù)算法[12,13]對接收信號進(jìn)行調(diào)整，其原理是先對同步后的數(shù)據(jù)先進(jìn)行預(yù)旋轉(zhuǎn)消除載頻，然后利用以下公式來估計相偏：

sinΔφ=sin(ωt+φ+Δφ)*cos(ωt+φ)-

cos(ωt+φ+Δφ)sin(ωt+φ)。

式中，sin(ωt+φ+Δφ)和cos(ωt+φ+Δφ)為實際采樣數(shù)據(jù)對應(yīng)的I路和Q路相位余弦值，sin(ωt+φ) 和cos(ωt+φ)為理想無相位偏移時I路和Q路所對應(yīng)的相位余弦值。再經(jīng)過查余弦表，從而能估算出Δφ，對應(yīng)Matlab代碼為：

err=sign(al_decI(m))*al_decQ(m)-

sign(al_decQ(m))*al_decI(m)。

當(dāng)檢測誤差為零時，輸出最終數(shù)據(jù),即為解調(diào)出的信號，通過Matlab仿真得到載波環(huán)路濾波曲線，經(jīng)一段時間后環(huán)路收斂輸出趨于穩(wěn)定如圖3所示。

圖3　載波環(huán)路濾波曲線

3性能分析

3.1MSK信號的Matlab仿真

MSK信號是一種包絡(luò)恒定、相位連續(xù)的信號，與PSK信號一樣，信息體現(xiàn)在相位變化中，相位承載所有有效信息，MSK信號與PSK信號仿真如圖4所示。

圖4　MSK信號與PSK信號仿真

通過Matlab仿真結(jié)果可知，經(jīng)MSK調(diào)制的信號波形相比于PSK信號，其相鄰碼元波形相位連續(xù)不存在相位突變，去除了干擾對幅度的影響，有助于減少非線性失真帶來的問題，克服了一般PSK信號相位突變所帶來的頻譜泄露等缺點，這樣可以最大程度的降低頻譜寬度，提高頻帶利用率，減小誤碼傳輸，提高了傳信效率。

3.2功率譜密度比較

MSK信號的歸一化單邊功率譜密度的計算結(jié)果為：

式中，fc為信號載波；Ts為碼元持續(xù)時間。

PSK信號的功率譜密度為：

這2種調(diào)制信號的功率譜密度曲線如圖5所示。與2PSK相比，MSK信號占用帶寬小，旁瓣衰減的幅度和速率要比BPSK快，功率譜密度更為集中，帶外功率下降非?？?。因此它對于相鄰頻道的干擾更小，MSK調(diào)制方式更加有優(yōu)勢。

圖5　MSK與2PSK信號的歸一化功率譜

3.3誤碼率性能分析

根據(jù)已知的MSK信號調(diào)制模型可知，MSK信號還可以用2個正交的分量表示[14]：

(m-1)Ts

pm=cosφm=±1,qm=amcosφm=±1。

由此可見，與QPSK類似，MSK也是用極性相反的半個正弦波形去調(diào)制2個正交的載波。通過窄帶高斯信道后，采用相干解調(diào)，在滿足最佳接收條件時，其誤比特率性能略優(yōu)于PSK，具有良好的抗噪聲性能，實際仿真曲線如圖6所示。

圖6　誤碼率曲線

4結(jié)束語

本文對基于MSK的通信系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)做了Matlab仿真，仿真結(jié)果表明，MSK信號具有包絡(luò)恒定、相位連續(xù)等特性。介紹了解調(diào)過程中所采用的時鐘載波同步算法。通過與BPSK進(jìn)行對比，說明MSK信號具有較高的頻帶利用率和良好的抗噪聲性能，適于窄帶系統(tǒng)傳輸。

為了進(jìn)一步提高功率譜利用率，可以在調(diào)制解調(diào)前端加一個低通濾波器[15]，對基帶信號進(jìn)行預(yù)濾波，可以去除信號中的高頻分量，從而使功率譜更緊湊一些，恒包絡(luò)特性更顯著，但同時可能會造成碼間串?dāng)_，因此下一步將會對前置濾波器的選取以及均衡技術(shù)做進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)

[1]高海超.CPM信號干擾和抗干擾技術(shù)研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2013.

[2]張幼明，賈建祥.MSK信號的差分?jǐn)?shù)字解調(diào)方法[J].艦船電子工程,2008(11)：77-79.

[3]劉學(xué)勇.詳解MATLAB/Simulink通信系統(tǒng)建模與仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[4]樊昌信，曹麗娜.通信原理[M].北京：國防工業(yè)出版社，2010.

[5]黃笑笑.CPM信號相位軌跡控制方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2013.

[6]湯巧治.基于SystemView 的MSK通信系統(tǒng)仿真與分析[J].信息技術(shù),2013(11):140-143.

[7]AULIN T,SUNDBERG C W.Continuous Phase Modulation-Part I:Full Response Signaling[J].IEEE Trans.Commun,1981(3):196-209.

[8]劉海偉.CPM 信號解調(diào)技術(shù)研究[D].河南：解放軍信息工程大學(xué),2009.

[9]CHANDRAN P， PERRINS E.Symbol Timing Recovery for CPM with Correlated Data Symbols[J].IEEE Trans.Commun,2009,57(5):1 265-1 270.

[10]ANDREAA D,GINESI A,MENGALI U.Digital Carrier Frequency Estimation for Multilevel CPM Signals[J].IEEE International Conference on Communications Proceedings,1995,2(2):1 041-1 045.

[11]吳義辰.基于GMSK的高速猝發(fā)通信關(guān)鍵技術(shù)研究與實現(xiàn)[D].北京：清華大學(xué)，2012.

[12]MORELLI M,MENGALI U,VITETTA G.Joint Phase and Timing Recovery with CPM Signals[J].IEEE Trans.Commun.,1997,45(7):867-876.

[13]HOSSEINI E,PERRINS E.Timing,Carrier,and Frame Synchronization of Burst-Mode CPM[J].IEEE Trans.Commun,2013,61(12):5 125-5 138.

[14]陸智超，趙旦峰，朱鐵林.一種MSK調(diào)制解調(diào)器的硬件實現(xiàn)方案[J].黑龍江科技信息，2010(5):45.

[15]周于凱.基于數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的實現(xiàn)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2011.

劉倩楠女,(1988—)，在讀研究生。主要研究方向：信號與信息處理、無線通信。

梁進(jìn)波男,(1966—)，研究員。主要研究方向：通信與信息系統(tǒng)、對流層散射通信技術(shù)。

作者簡介

基金項目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(“863”計劃)資助項目(SS2015AA011303)。

收稿日期：2015-09-25

中圖分類號TN911

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號1003-3106(2015)12-0025-04

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2015.12.07

引用格式：劉倩楠，梁進(jìn)波，盧山.MSK調(diào)制技術(shù)分析與性能仿真[J].無線電工程,2015,45(12):25-28.