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现代数字调制技术之MSK
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摘要：
最小频移键控（Minimum-Shift Keying，缩写：MSK），是数字通信中一种连续相位的频移键控调制方式。类似于偏移四相相移键控（OQPSK），MSK同样将正交路基带信号相对于同相路基带信号延时符号间隔的一半，从而消除了已调信号中180°相位突变的现象。与OQPSK不同的是，MSK采用正弦型脉冲代替了OQPSK基带信号的矩形波形，因此得到恒定包络的调制信号，这有助于减少非线性失真带来的解调问题，可以用于特殊的一些场合。
关键词：MSK 正交性相位连续性调制解调功率谱特性
1、最小频移键控（MSK）的介绍
最小频移键控（Minimum-Shift Keying，缩写：MSK），是数字通信中一种连续相位的频移键控调制方式。
OQPSK和π/4-QPSK因为避免了QPSK信号相位突变180度的现象，所以改善了包络起伏，但并没有完全解决这一问题。由于包络起伏的根本原因在于相位的非连续变化，如果使用相位连续变化的调制方式就能从根本上解决包络起伏问题，这种方式称为连续相位调制。
最小频移键控（MSK）是2FSK的改进，它是二进制连续相位频移键控的一种特殊情况。2FSK信号虽然性能优良，易于实现，并得到了广泛的应用，但它还存在一些不足之处。首先，它的频带利用率较低，所占用的频带宽度比2PSK 大；其次，用开关法产生的2FSK信号其相邻码元的载波波形的相位可能不连续，通过带限系统后，会产生影响系统性能的包络起伏。此外，2FSK信号的两种波形不一定保证严格正交，而对于二进制数字调制信号来说，两种信号相互正交将改善系统的误码性能。为了克服上述缺点，对2FSK信号进行改进，提出MSK 调制方式。
MSK称为最小频移键控，有时也称为快速频移键控，所谓最小是指这种调制方式能以最小的调制指数（0.5）获得正交信号；而快速的含义是指在给定同样的频带内，MSK能比2PSK的数据传输速率更高，且带外频谱分量衰减得比2PSK快。
总结如下：
1.1、FSK的不足之处
（1）频带利用率低，所占频带宽度比2PSK大；
（2）存在包络起伏，用开关法产生的2FSK信号其相邻码元的载波波形的相位可能不连续，会出现包络的起伏；
（3）FSK信号的两种波形不一定保证严格正交。
1.2 、MSK信号的特点
（1）MSK信号的包络恒定不变；
（2）MSK是调制指数为0.5的正交信号，频率偏移等于（±1/4Ts）Hz；
（3）MSK波形的相位在码元转换时刻是连续的；
（4）MSK波形的附加相位在一个码元持续时间内线性地变化±π/2 。
2、MSK 信号的正交性 MSK 信号可以表示为
式中， 表示载频； 表示相对载频的频偏； 表示第k 个码元的起始相位；
是数字基带信号； 称为附加相位函数，它是除载波相
位之外的附加相位。
当时，信号频率为
当
时，信号频率为
由此可计算出频差为
即最小频差等于码元传递速率的一半。
对应的调制指数为
和
的频差是2FSK 的两信号正交的最小频率间隔，所以称之为最小频移
键控。
)]
(cos[)(c MSK t t t s k θω+=)
2πcos(s
c k k
t T a t ?ω++=s
s )1(T k t kT +≤≤c ω
s 2/πT a k k ?)(t k θk
k
k t T a t ?θ+=s
2π)(s
c 241
T f f +
=s
c 141
T f f -
=s
1221
T f f f =
-=?5.021s s
s s =?=??=?=
T T T f f f β
3、MSK 信号的相位连续性
根据相位 连续条件，要求在 时满足
可以得到
可见，MSK 信号在第k 个码元的起始相位不仅与当前的 有关，还与前面的 和 有关。
为简便起见，设第一个码元的起始相位为0，则
或 由 可知， 是MSK 信号的总相位减去随时间线
性增长的载波相位得到的剩余相位，它是一个直线方程式。
在一个码元间隔内
当 时， 增大 当
时，
减小
图中正斜率直线表示传“1”码时的 相位轨迹，负斜率直线表示传“0” 码时的相位轨迹，这种由相位轨迹
构成的图形称为相位网格图。
（MSK 相位网格图）
)(t k θs kT t =k
k
k k T kT
a T kT a ??+=+--s
s
1s
s
1
2π2π??
?≠±==-+=------1
11111π2
π)
(k k k k k k k k k k a a ,k a a ,k
a a ????k a 1-k a 1-k ?0
=k ?π
k k
k t T
a
t ?θ+=s 2π)()(t k θ)(t k θ2
/π)(t k θ2/
π
4、 MSK 信号的产生和调制原理
考虑到 ， 或 ，MSK 信号可以用两个正交分量表示为
式中， 为同相分量；
为正交分量。
由此可以得到MSK 信号的产生框图。
图中输入数据序列为，它经过差分编码后变成序列
。
经过串/并转换，将一路延迟Ts ，得到相互交错一个码元宽度的两路信号和
加权函数 和
分别对两路数据信号 和
进行加权，
加权后的两路信号再分别对正交载波 和 进行调制，调制后的信号相加再通过带通滤波器，就得到MSK 信号。
5、MSK 的解调原理
由于MSK 信号是一种FSK 信号，所以它可以采用相干解调和非相干解调。MSK 信号经过带通滤波器滤除带外噪声，然后借助正交的相干载波与输入信号相乘，将和
两路信号区分开，再经低通滤波器后输出。同相支路在 2kTs 时刻抽样，
正交支路在(2k+1)Ts 时刻抽样，判决器根据抽样后的信号极性进行判决，大于0
1±=k a 0=k ?π
t T t
a t T t t s k k k c s
c s MSK sin 2πsin cos cos 2πcos cos )(ω?ω?-=t T
t Q t T t I k k c s
c s sin 2πsin cos 2πcos ωω+=k k I ?cos =k k k a Q ?cos -
=s T t 2/πcos s T t 2/πsin t
c cos ωt c sin ω
判为“1”，小于0判为“0”，经串/并变换，变为串行数据。与调制器相对应，因在发送端经差分编码，故接收端输出需经差分译码后，即可恢复原始数据。
6、MSK 信号的功率谱特性
6.1、功率谱特性：
经推导,MSK 信号的归一化双边功率频谱密度 的表达式为
式中，
为载频，
为码元宽度。
按照上式可以画出MSK 信号的功率谱曲线。
图中实线为MSK
功率谱曲线。图中横坐标是以载频为中心画的，即横坐标
)(s f P 2
2s 2c s c 2s s )(161)(π2cos π16)(????????---=T f f T f f T f
P
代表频率 ；Ts 表示二进制码元间隔。
图中还给出了其他几种调制信号的功率谱密度曲线作为比较。由图可见，与QPSK 和OQPSK 信号相比，MSK 信号功率谱更为集中，即其旁瓣下降得更快。故它对相邻频道的干扰较小。
具体的计算数据表明，包含99%信号功率的带宽近似值中，MSK 最小，约为1.2/Ts ；QPSK 及OQPSK 其次，为6/ Ts ；BPSK 最大，为9/ Ts 。
由此可见，MSK 信号的带外功率下降非常快。
6.2、 MSK 的误码率：
MSK 信号是用极性相反的半个正（余）弦波形去调制两个正交的载波。因次，当用匹配滤波器分别接收每个正交分量时，MSK 信号的误比特率性能和2PSK 、QPSK 的性能一样。但是，若把它当做FSK 信号用相干解调法在每个码元持续时间Ts 内解调，则其性能将比2PSK 信号的性能差3dB 。
7、MSK 的应用举例
基于串行最小频移键控的８进制调制的研究 7.1、SMSK 调制及其多维多阶调制原理 7.1.1、基于SMSK 的8进制信号发射机：
在传统的MSK 信号调制方案中，发射机的结构是并行的，并且利用马赫—曾德尔延时干涉仪（MZDI ）对产生的MSK 信号进行直接解调。SMSK 信号发射机的主要特点是将MDZI 应用到发射机端，利用MDZI 延时干涉的特性使得能够利用串行结构产生SMSK 信号。
如图1(a)所示，从激光器发出的光经过由射频源驱动的MZM1调制产生载波抑制归零（CSRZ ）信号，调制产生载波抑制归零(CSRZ)信号，传输的比特信息通过MZM2加载到CSRZ 信号上，然后被调制的光波在MIDI 入射端分为两路，一路进行Tb / 2 ( Tb 为码元时间)延时，一路进行π/2的相移，两路光在MIDI 输出端进行耦合，最后产生了SMSK 信号，如图1(b)所示，可以看到该信号在幅度上有一定的抖动，在相位上是连续的。值得指出的是，该信号的相位在一个
)(c f f
码元时间内有两次π/2的相移，而典型的MSK信号一个码元时间内只有一次π/2的相移。SMSK信号产生方案相对于传统的MSK方案来说，是降低发射机的复杂度，并且由于是串行方式，提高了系统的稳定性，同时该信号还具备传统MSK信号相位连续的特点。
为了进一步利用信号频带，提高调制的频谱效率，因而将对SMSK信号再进行多维多阶调制。将在该基于串行结构的SMSK信号上进行2阶幅度调制，发射机结构如图1(a)所示。产生的连续相位调制信号藕合进入第三个MZM，利用一个四电平的电信号驱动MZM3，产生8进制(3 bit/baud)2ASK-SMSK调制信号。图1(c)所示为产生的8进制信号的轨迹图，可以发现信号在相位是连续的，幅度上的变化说明信号受到了2阶幅度调制。
7.1.2、该部分将理论推导串行MSK方案的产生原理。
MZM的传输方程为
式中分别是MZM上下臂驱动信号引起的相位变化，是由偏置电压引起的光相移。假设MZM工作在推挽方式下，则(1)式可以变为
假设理想的输入光场表达式为S=，输入的MZM驱动电信号表达式为输入的调制比特信号表达式为
这里A表示光信号幅度，fo为激光器发射频率，是在MZM一个臂上引起π
相位变化的
电压大小，a(t)为承载的数字传输信号。
在串行SMSK方案中，MZM1的偏置点设置在调制器的传输零点处，MZM2的偏置点设置在调制器的传输最大点处，因而从激光器出射的光波经过MZM1之后的表达式为
经过MZM2之后的表达式为
（4）
经过MZMI之后的表达式为
由于输入的数据信号a（t）有两个幅度，分别代表比特“0”和“1"，因此
等于1或者-1，从(5)式可以得到输出光信号功率表达式为
（6）利用三角函数展开和雅可比-安格尔恒等式并忽略六阶贝塞尔量，(6)式可变为
输出信号的相位表达式如下：
（8）（8）式可以化简为
从(7)式可以看出，由于四阶贝塞尔函数值较小，产生的SMSK信号幅度为一个常量加上一个很小的变化量。从(9)式可以得到该信号相位是连续的，如图1(b)所示。然后对SMSK信号上再进行2阶幅度调制，产生8进制2ASK-SMSK 调制信号。
7.1.3、仿真及结果分析
为了分析2节提到的8进制SMSK调制信号的传输特性，基于通用的商业软件VPI按图2所示进行了系统搭建和仿真。仿真基本参数如表1所示，为了更好的分析，将在相同仿真环境下，比较另外两种8进制的调制方式2ASK-DPSK 和ASK-DQPSK。在仿真系统中，设定的系统码元速率为40 Gbaud/s，则于8进制系统来说，其传输速率为120 Gb/s。为了获得各种方案的最优性能，各种方案用于在相位调制之后的幅度调制的驱动电平均进行了优化。在接收机端，对这三种方案均进行相干解调。
7.2、频谱分析和色散容限
7.2.1、频谱分析
图3给出了三种调制方式的频谱图。为了较好的分析其频带特性，在仿真中加入了频率分辨率的限制，其分辨率为0.01nm。可以看出，ASK-DQPSK与2ASK-DPSK方案的频谱接近，但ASK-DQPSK方案能量较为集中在主瓣，因而衰落稍快。对于本文提出的2ASK-SMSK方案，可以发现其频谱具有不对称性，其主要原因是在发射机中MIDI模块既具有形成连续相位的功能，也具有梳状滤波的功能，其波长衰落点由MIDI上下臂延时与相移决定。在前而部分提到该SMSK方案近似与MSK方案，从其频谱也可以看出，与MSK方案一样，频谱能量集中，并且具有较快的衰落。
7.2.2、残留色散容限
在仿真中，为了评估三种方案的残留色散容限，将传输距离固定为一个环路，改变色散补偿光纤的色散系数来实现不同的残留色散。同时将入纤功率降低到0. 5 mW，
从而使得光纤非线性的影响可以忽略不计。
图4给出了三种调制方式的残留色散容限图。在仿真中当残留色散增加18 ps/nm以上或降低到-20 ps/nm以下时，在误码率Rbe.等于1/1000时功率代价急剧增大。从变化趋势中可以看出ASKDQPSK方案具有最好的残留色散容限，而对于其它两种调制方案，在正残留色散和负残留处各有优势。这主要是由于2ASK-SMSK方案由于滤波带来的频谱不对称性导致的正负残留色散容限不同。
7.2.3、SPM
为了分析三种方案的非线性的容限，将传输距离固定为4个环路，共350 km，改变入纤功率，从而估测三种方案对SPM的容限。整个传输链路中每个环路色散完全补偿，并且利用掺饵光纤放大器EDFA)进行功率补偿。
图5给出了三种调制方式的对SPM容限图，可以发现2ASK-DPSK具有最优的对SPM的容限，而ASK-DQPSK的容限最差，这是因为由于功率变化带来的自相位调制对于DQPSK相位的影响更大。还可以发现，三种方案整体对SPM 的容限并不高，当功率达到0. 8 mW时，就会引起较大的功率代价，主要原因是三种方案均进行了幅度调制，功率变化较快，在入纤功率升高时，带来的自相位调制对信号产生的影响较大。
7.2.4、滤波效应
由于网络传输系统中，信号的传输带宽是受限的，受到各种有源无源光器件的影响，了解信号对于滤波效应的容限是必要的。在仿真中，传输链路为350 km，入纤功率为0. 5 mW，以降低光纤非线性的影响，利用EDFA补偿功率衰减，并且链路进行完全的色散补偿。通过调节接收机端滤波器的带宽，分析滤波带宽对三种方案的影响。
从图6可以看出，ASK-DQPSK方案具有较好的滤波容限，因为其信号频谱的能量更加集中在主瓣，边带衰落较快，而2ASK-DPSK的滤波容限不如2ASK-SMSK，这是因为其频谱边带衰落比2ASK-SMSK的缓慢。
7.2.5、传输BER特性
最后，将分析三种方案的传输误码率特性。在仿真中，传输链路为4个环路共350 km，入纤功率为0. 5 mW，以降低光纤非线性的影响，利用EDFA补偿功率衰减，并且链路进行完全的色散补偿。由于传输比特速率为120 Gb/s，故将在Rbe.等于10的负6次方处比较各方案的性能。在图7给出了背靠背(BTB )传输和经过光纤传输链路传输的R,}}.曲线，可以发现在BTB传输方式下，2ASK-DPSK性能最优(如方形符号所示)，而另外两种方案性能接近，而当经过350 km光纤传输链路后，ASK-DQPSK方案的Rbe特性严重劣化(如圆形符号所示)，而本文提出的2ASK-SMSK方案在误码率Rbe等于10负6次方处有4 dB 的劣化(如三角符号所示)。
7.3、结论
提出了一种串行改进的MSK调制方案，产生的信号具有相位连续，频带能量集中且存在非对称特性，每码元时间有两次π/2相移，具备传统MSK信号的特点，由于发射机结构为串行，降低了系统实现的复杂度并提高了发射机的稳定性。同时将该串行调制方式应用于多维多阶调制中，产生了8进制2ASK-SMSK 信号，并与同等条件下其他8进制调制方式进行了比较，与其他两种8进制调制方案2ASK-DPSK和ASK-DQPSK相比，发现这三种方案在残留色散容限，SPM 容限和对滤波器带宽的容限方而性能各有优劣，本文提出的方案在各种性能分析方而均具有适中的性能。最后仿真实现了经过350 km光纤的120 Gb/s的数据传输，相对于背靠背传输，在误码率为十的负六次方处，接收机性能有4 dB的劣化。
8、前景
随着社会的发展，人们对通信的需求日益迫切，对通信的要求也越来越高。通信的理想目标是能在任何时候、任何地方、与任何人都能及时沟通联系和交流信息，因此通信的环境日益复杂，并且面临各种干扰和电波传播影响。为了适应通信需求的快速增长，各种数字调制方式也在不断地改进和发展，现代通信系统中出现了很多性能良好的数字调制技术。
MSK 调制技术是数字调制技术中的重要技术，它的优点在于包络特性恒定、占据的射频带宽较窄、相干检测时的误码率性能较好。这些特点对于卫星通信或者移动无线电通信系统来说极为重要。正是因为MSK 具有诸多的性能优势，所以它比较适合在窄带信道中传输，广泛应用于卫星通信、移动通信、无线电通信、生物医学、机械等领域。作为MSK 的改进，高斯滤波最小频移键控（GMSK）在GSM 系统中得到了广泛的应用。在MSK 的基础上，GMSK 提高了数字移动通信的频谱利用率和通信质量。
参考文献
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数字信号调制与解调技术 张海超(天津712) 摘要 调制技术是把基带信号变换成传输信号的技术。它将模拟信号抽样量化后，以二进制数字信号“1”或“0”对光载波进行通断调制，并进行脉冲编码（PCM）。数字调制的优点是抗干扰能力强，中继时噪声及色散的影响不积累，因此可实现长距离传输。它的缺点是需要较宽的频带，设备也复杂。 调制技术又分为模拟调制技术与数字调制技术，其主要区别是：模拟调制是对载波信号的某些参量进行连续调制，在接收端对载波信号的调制参量连续估值，而数字调制是用载波信号的某些离散状态来表征所传送信息，在接收端只对载波信号的离散调制参量进行检测。与模拟调制系统中的调幅、调频和调相相对应，数字调制系统中也有幅度键控(ASK)、移频键控(FSK)和移相键控(PSK)三种方式，其中移相键控调制方式具有抗噪声能力强、占用频带窄的特点，在数字化设备中应用广泛，具体的数字调制方式有2FSK、2ASK、2PSK、QPSK、QAM、GSMK、MSK等。 数字调制的优点是抗干扰能力强，中继时噪声及色散的影响不积累，因此可实现长距离传输。在现在文明高速发展的今天，人们越来越离不开数字信息，数字通信也越来越重要，因此数字调制解调技术越来越被广泛应用。 由于信道资源的紧张与人们越来越希望更快的通信速度与更好通信质量的要求的矛盾，将来必然还要寻找更加好的调制技术，它要求功率效率高，频带利用率高，并且易于实现，节能低碳，环保。激光调制通信、卫星通信、非恒包络调制等都是研究方向。数字调制解调的发展，必定会有力地推进通信、数字技术等各个领域的进步。 关键字：数字、调制方式、解调方式
一、概述 调制是将各种基带信号转换成适于信道传输的调制信号(已调信号或频带信号)，就是用基带信号去控制载波信号的某个或几个参量的变化，将信息荷载在其上形成已调信号传输，而解调是调制的反过程，通过具体的方法从已调信号的参量变化中将恢复原始的基带信号。 调制技术分为模拟调制技术与数字调制技术，其主要区别是：模拟调制是对载波信号的某些参量进行连续调制，在接收端对载波信号的调制参量连续估值，而数字调制是用载波信号的某些离散状态来表征所传送信息，在接收端只对载波信号的离散调制参量进行检测。 1934年美国学者李佛西提出脉冲编码调制（PCM）的概念，从此之后通信数字化的时代应该说已经开始了，但是数字通信的高速发展却是20世纪70年代以后才开始的。随着时代的发展，用户不再满足于听到声音，而且还要看到图像；通信终端也不局限于单一的电话机，而且还有传真机和计算机等数据终端。现有的传输媒介电缆、微波中继和卫星通信等将更多地采用数字传输。常用的数字调制技术有2ASK（Amplitude Shift Keying，幅移键控）、4ASK、8ASK、BIT/SK（Phase Shift Keying，相移键控）、QPSK、8PSK、2FSK、4FSK等，频带利用率从1bit/s/Hz～3bit/s/Hz。更有将幅度与相位联合调制的QAM（Quadrature Amplitude Modulation，正交振幅调制）技术，目前数字微波中广泛使用的256QAM，其频带利用率可达8bit/s/Hz，8倍于2ASK或BIT/SK。此外，还有可采用减小相位跳变的MSK等特殊的调制技术，为某些专门应用环境提供了强大的工具。近年来，四维调制等高维调制技术的研究也得到了迅速发展，并已应用于高速MODEM中，为进一步提高传输效率奠定了基础。 数字通信所能够达到的传输效率远远高于模拟通信，调制技术的种类也远远多于模拟通信，大大提高了用户根据实际应用需要选择系统配置的灵活性，除此之外，数字调制抗干扰能力强，中继时噪声及色散的影响不积累，因此可实现长距离传输。在现在文明高速发展的今天，人们越来越离不开数字信息，数字通信也越来越重要，因此数字调制解调技术越来越被广泛应用。
数字调制技术 一般情况下，信道不能直接传输由信息源产生的原始信号，信息源产生的信号需要变换成适合信号，才能在信道中传输。将信息源产生的信号变换成适合于信道传输的信号的过程称为调制。在调制电路中，调制信号是数字信号，因此这种调制称为数字调制。数字调制是现代通信的重要方法，它与模拟调制相比有许多优点：数字调制具有更好的抗干扰性能、更强的抗信道损耗及更高的安全性。在数字调制中，调制信号可以表示为符号或脉冲的时间序列，其中每个符号可以有m种有限状态，而每个符号又可采用n比特来表示。主要的数字调制方式包括幅移键控（amplitude shift keying，ASK）、频移键控（frequency shift keying，FSK）、相移键控（phase shift keying，PSK）、多电平正交调幅（multi level quadrature amplitude modulation，mQAM）、多相相移键控（multiphase shift keying，mPSK），也包括近期发展起来的网格编码调制（trellis coded modulation，TCM）、残留边带（vestigial sideband，VSB）调制、正交频分复用（orthogonal frequency division multiplexing，OFDM）调制等。 1.幅移键控 幅移键控就是用数字信号控制高频振荡的幅度，可以通过乘法器和开关电路来实现。幅移键控载波在数字信号1或0的控制下通或断。在信号为1的状态下，载波接通，此时传输信道上有载波出现；在信号为0的状态下，载波被关断，此时传输信道上无载波传送。那么，在接收端就可以根据载波的有无还原出数字信号1和0。移动通信要求调制方式抗干扰能力强、误码性能好、频谱利用率高。二进制幅移键控的抗干扰能力和抗衰落能力差，误码率高于其他调制方式，因此一般不在移动通信中使用。 2. 频移键控 频移键控或称数字频率控制，是数字通信中较早使用的一种调制方式。频移键控广泛应用于低速数据传输设备中。它的调制方法简单、易于实现，解调不需要回复本地载波，可以异步传输，抗噪声和抗衰落能力强。因此，频移键控成为在模拟电话网上传输数据的低速、低成本异步调制解调器的一种主要调制方式。频移键控是用载波的频率来传送数字消息的，即用所传送的数字消息控制载波的
******************* 实践教学 ******************* 兰州理工大学 计算机与通信学院 2013年春季学期 通信系统仿真课程设计 题目：2ASK的数字调制与解调 专业班级：通信工程2班 姓名：李晗 学号：10250228 指导教师：李英堂 成绩：
摘要 现代通信系统要求通信距离远、通信容量大、传输质量好。作为其关键技术之一的调制解调技术一直是人们研究的一个重要方向。从最早的模拟调幅调频技术的日臻完善，到现在数字调制技术的广泛运用，使得信息的传输更为有效和可靠。二进制数字振幅键控是一种古老的调制方式，也是各种数字调制的基础。本课程设计主要是利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台,设计一个2ASK 调制与解调系统。用示波器观察调制前后的信号波形；用频谱分析模块观察调制前后信号频谱的变化；加上各种噪声源,用误码测试模块测量误码率；最后根据运行结果和波形来分析该系统性能。文中还介绍了基于MATLAB 如何实现2ASK 调制解调的系统仿真。仿真主要采用MATLAB 脚本文件编写程序。结果表明了该设计的正确性。本文研究了基于MATLAB 的2ASK(幅度键控)调制解调的系统仿真，并给出了M 文件环境下的仿真结果。通过Simulink的仿真功能摸拟到了实际中的2ASK调制与解调情况。 关键词：2ASK；Matlab；调制；解调
目录 摘要............................................. 错误！未定义书签。 一、前言 (3) 二、2ASK调制与解调原理 (4) 2.1 2ASK调制原理 (4) 2.2 2ASK解调原理 (6) 三、程序设计 (8) 3.1 数字信号的ASK调制 (8) 3.2 数字信号的ASK相干解调 (9) 四、系统仿真及结果分析 (11) 总结 (12) 参考文献 (13) 致谢 (14)
数字调制解调技术中英文资料外文翻译文献 英文文献 Technology of digital modulation and demodulation plays a important role in digital communication system, the combination of digital communication technology and FPGA is a certainly trend . With the development of software radio, the requirement for technology of modulation and demodulation is higher and higher. This paper starts with studying digital modulation and demodulation theory at first, and analyses basic principle of three kinds of important modulation and demodulation way ( FSK, MSK, GMSK ).The Rohde &Schwarz SME03, Signal Generator, provides AM modulation and External FSK digital modulation required for the development and testing of digital mobile radio receivers.The application of PWM in digital modulation and demodulation for analog communication signals in several modulation modes
调制是所有无线通信的基础，调制是一个将数据传送到无线电载波上用于发射的过程。如今的大多数无线传输都是数字过程，并且可用的频谱有限，因此调制方式变得前所未有地重要。 如今的调制的主要目的是将尽可能多的数据压缩到最少的频谱中。此目标被称为频谱效率，量度数据在分配的带宽中传输的速度。此度量的单位是比特每秒每赫兹（b/s/Hz）。现在已现出现了多种用来实现和提高频谱效率的技术。 幅移键控（ASK）和频移键控（FSK） 调制正弦无线电载波有三种基本方法：更改振幅、频率或相位。比较先进的方法则通过整合两个或者更多这些方法的变体来提高频谱效率。如今，这些基本的调制方式仍在数字信号领域中使用。 图1显示了二进制零的基本串行数字信号和用于发射的信号以及经过调制后的相应AM和FM信号。有两种AM信号：开关调制（OOK）和幅移键控（ASK）。在图1a中 ,载波振幅在两个振幅级之间变化，从而产生ASK调制。在图1b中，二进制信号关断和导通载波，从而产生OOK调制。 图1:三种基本的数字调制方式仍在低数据速率短距离无线应用中相当流行： 幅移键控（a）、开关键控（b）和频移键控（c）。在载波零交叉点发生二进制状态变化时，这些波形是相 干的。 AM在与调制信号的最高频率含量相等的载波频率之上和之下产生边带。所需的带宽是最高频率含量的两倍，包括二进制脉冲调制信号的谐波。 频移键控（FSK）使载波在两个不同的频率（称为标记频率和空间频率，即fm和fs）之间变换（图1c）。FM会在载波频率之上和之下产生多个边带频率。产生的带宽是最高调制频率（包含谐波和调制指数）的函数，即： m = Δf（T） Δf是标记频率与空间频率之间的频率偏移，或者： Δf = fs –fm T是数据的时间间隔或者数据速率的倒数（1/bit/s）。
四种现代数字调制解调技术 摘要：高斯最小移频键控（GMSK ）、4π DQPSK 、DS-CDMA 的调制解调技术相比于其改进前的通信调制解调技术都有较高的性能。高斯最小移频键控 （GMSK ）是基于MSK 和FSK 改进的一种技术，使得信号有较好的频谱特性。4π DQPSK 弥补了DQPSK 的π相位跳变的缺点。DS-CDMA 比CDMA 有更高的抗干扰能力。当前最受热议的LiFi 技术是也可能改善当下通信网络的不足，实现高速、实时、安全的信息传输。 关键字：高斯最小移频键控（GMSK ）； 4 πDQPSK ；DS-CDMA ；LiFi 技术；调制解调 第一章 引言 数字调制与解调方式的选择需要根据现实需要的具体要求，在各个调制与解调方式的优缺点上进行取舍。常常考虑的因素有：接收信噪比、误比特率（BER ）的大小、对抗多径的衰落情况性能、占用最小的带宽、实现的难易程度以及成本的高低等等。 由于信道资源的紧张与人们越来越希望更快的通信速度与更好通信质量的要求的矛盾，数字调制解调技术的发展成为科学家们迫切追求的一个课题，将来必然还会出现更加好的调制技术，它要求功率效率高，频带利用率高，并且易于实现，节能低碳，环保。现今，激光调制通信、卫星通信、非恒包络调制等都是研究方向。数字调制解调的发展，必定会有力地推进通信、数字技术等各个领域的进步。
第二章高斯最小移频键控（GMSK） 2.1. GMSK的简介 GMSK调制技术是在MSK基础上经过改进得到的，MSK（Minimum Frequency Shift Keying，最小频移键控）是二进制连续相位FSK（Frequency Shift Keying，频移键控）的一种改进形式。在FSK方式中，每一码元的频率不变或者跳变一个固定值，在两个相邻的频率跳变码元信号之间，其相位通常是不连续的。MSK就是FSK信号的相位始终保持连续变化的调制方式。采用高斯滤波器制作前基带滤波器，将基带信号成型为高斯脉冲，在进行MSK调制，称为GMSK 调制。 2.2 GMSK调制的一般原理 MSK调制是调制指数为0.5的二进制调频，其基带信号为矩形波形。为了压缩MSK信号的功率，可在MSK调制前加入高斯低通滤波器，称为预调制滤波器。对矩形进行滤波后，得到一种新型的基带波形，使其本身和尽可能高阶的导数连续，从而得到较好的频谱特性。GMSK调制原理方框图如下所示： 图2-1 GSMK调制原理图 为了有效地抑制MSK的带外辐射并保证经过预调制滤波后的已调信号能采用简单的MSK相干检测电路，预调制滤波器必须具有以下特性： 1、带宽窄并且具有陡峭的截止特性； 2、冲击响应的过冲较小； 3、滤波器输出脉冲面积为一常量，该常量对应的一个码元内的载波相移为 。 2 其中，条件1是为了抑制高频分量；条件2是为了防止过大的瞬时频偏；条
第9章现代数字调制技术 对数字调制技术的设计和改进，一般主要在以下几个方面： （1）在现有的带宽内，尽可能提高传输信息的速率，即提高频带利用率。 （2）压缩信号功率谱主瓣的宽度。数字信号很多具有无限的带宽，实际传输中只能对其进行带限，即保留信号功率谱的主瓣。压缩主瓣宽度能压缩信号占用带宽，同样也能提高频带利用率。 （3）提高功率谱集中程度，抑制旁瓣功率，减少带外辐射。即尽可能使信号功率谱集中在主瓣中，减少相互之间的频带干扰。 （4）抗多径效应，抗码间串扰，提高纠错能力等。多经效应指的是信号在传输过程中，通过了两条或更多的信道达到接收方（典型的，例如移动通信中无线电波的多点反射），这样接收方收到的信号实际上是经过多条路径传输来的信号的叠加。由于多条信道之间在距离、信道频率特性、衰减以及移动速度等方面存在的差别，造成多径信号各分量到达接收方时间和幅度、相位等都不同，由此造成了信号在时域上展宽、在频域上产生多普勒频移等失真。 （5）综合考虑系统的复杂程度、实现难度和成本等。
9.1 偏移四相相移键控 9.1.1 QPSK信号的缺点 理想方波信号带宽无限，带限信号引起包络起伏； 当信号发生相位跳变时，会造成包络起伏； QPSK的相位星座存在180度的跳变，造成零包络。 QPSK信号的星座图 滤波引起的包络起伏相位跳变
9.1.2 偏移四相相移键控（OQPSK）的特点 恒包络数字调制技术又称交错正交相移键控，参差四相相移键控，双二相相移键控。 用两路二进制信号合成一路四相信号，两路基带信号错开半个码元周期，其表达式为 因为码元周期，故而不会出现“对角线”的跳变，而是沿着四边变化，从而抑止了零包络现象。 OQPSK的星座图和相位变化 OQPSK的调制和解调电路
<<现代调制与调制解调技术>> -- OFDM系统原理及仿真实现 OFDM系统原理及仿真实现 一、摘要： OFDM是一种无线环境下的高速传输技术，该技术的基本原理是将高速串行数据变换成多路相对低速的并行数据并对不同的载波进行调制。这种并行传输体制大大扩展了符号的脉冲宽度，提高了抗多径衰落的性能。 OFDM的思想早在60年代就已经提出，由于使用模拟滤波器实现起来的系统复杂度较高，所以一直没有发展起来；70年代，S.B.Weinstein提出用离散傅立叶变换（DFT）实现多载波调制，为OFDM的实用化奠定了理论基础；80年代，L.J.Cimini首先分析了OFDM在移动通信中应用存在的问题和解决方法。从此以后，OFDM在移动通信中的应用才如火如荼地开展起来。 二、OFDM系统原理及结构的基本介绍: OFDM系统结构: OFDM 调制采用信道编码来抑制多径效应，数据符号映射到一个相应的星座图上(如QPSK，QAM)，结果I(Iraage，虚部)和R(Real，实部)值存储在缓冲器中，并应用IF—FT在正交载波上进行调制，数据被准备发送并被串行化；另外为抵抗多径效应加上一个循环前缀。经过处理的信号被送到天线上发送出去。 OFDM 的功能模块主要包括以下几部分： 前向纠错(Forward Error Correction)：信道编码采用Reed-Solomon码、卷积纠错码、维特比码或TURB0码。 交错器：交错器用于降低在数据信道中的突发错误， 交错后的数据通过一个串并行转换器，将I、R值映射到一个相应的星座图上。 星座图：多载波OFDM 被认为优于N个独立的由单载波调制的子频带。星座图将符号映射到相应的星座点上。这一过程产生IR值，它们被滤波并送到IFFT 上进行变换。 缓冲：用于存储送到IFFT前的IR值。IFFT 可快速、高效应用离散傅立叶变换功能并数学生成用于OFDM传输的正交载波。OFDM 的核心为IFFT，IFFT调制每一个子信道到高精度的正交载波上，信道化后的数据注入到一个并串缓冲器，串行数据通过DAC变换为发送做准备。 并串转换器：用于将并行数据转换为串行数据。 循环前缀：循环前缀为单个的OFDM符号个体创建一个保护带，在信噪比边缘损耗中被丢掉可以极大的减少ISI。整形有限激励响应过滤器(Shaper-FIR)用于整形信号。
摘要 我们知道，数字化时代音视频是人们用来传递信息、交流感情的主要方式。为了远距离传输这些信号，我们可以借助于无线电波。但利用无线电波通信时，需满足一个基本条件，即：欲发射信号的波长必须与发射天线的几何尺寸相比拟，该信号才能通过天线有效地发射出去。对于频率较低的信号来说，所需的天线尺寸很大，甚至有些不现实。因此，要想把低频率的音视频信号通过天线发射出去，我们可以将信源产生的原始低频率信号经过调制将其组合到更高频率的载波上。 关键字：数字调制，ADSL，GSM手机，DTV
数字调制技术及其应用 0 数字调制技术 数字调制一般指调制信号是数字的，而载波是连续波的调制方式。调制的过程就是按调制信号的变化规律去改变载波某些参数的过程。若正弦振荡的载波用Asin(2πft+φ)来表示，使其幅度A、频率f或相位φ随调制信号而变化，从而就可在载波上进 行调制。 数字幅度调制又称为振幅键控（Amplitude ShiftKeying，ASK），即载波的振幅随着原始数字信号而变化，例如数字信号“1”用有载波输出表示，数字信号“0”用无载波表示，如图1（a）所示。数字频率调制又称为频移键控（Frequency ShiftKeying，FSK），即载波的频率随着原始数字信号而变化，例如数字信号“1”用频率f1 表示，数字信号“0”用频率f2 表示，如图1（b）所示。 数字相位调制又称为相移键控（Phase ShiftKeying，PSK），即载波的初始相位随着原始数字信号而变化，例如数字信号“1”对应于相位180°，数字信号“0”对应于相位0°，如图1（c）所示。 以上我们讨论了数字调制的三种基本方式：数字幅度调制、数字频率调制和数字相位调制。 这三种数字调制方式是数字调制的基础。然而，这三种数字调制方式都存在某些不足，如频谱利用率低、抗多径衰落能力差、功率谱衰减慢、带外辐射严重等。为了改善这些不足，近几十年来人们陆续提出一些新的数字调制技术，以适应各种新的通信系统的要求。这些调制技术的研究，主要是围绕着寻找频带利用率高，同时抗干扰能力强的调制方式而展开的。现代数字调制技术主要有：正交振幅调制（QAM）、四相移键控（QPSK）、正交频分复用调制（OFDM）、高斯滤波最小频移键控（GMSK）、无载波振幅/相位调制（CAP）、离散多音频调制(DMT)、多电平正交幅度调制（MQAM）、多电平残留边带调制（MVSB ）及正交频分复用调制（OFDM）等。 1 数字调制技术的应用 1.1 数字调制技术在ADSL上的应用
数字调制解调技术 英文文献 Technology of digital modulation and demodulation plays a important role in digital communication system, the combination of digital communication technology and FPGA is a certainly trend . With the development of software radio, the requirement for technology of modulation and demodulation is higher and higher. This paper starts with studying digital modulation and demodulation theory at first, and analyses basic principle of three kinds of important modulation and demodulation way ( FSK, MSK, GMSK ).The Rohde &Schwarz SME03, Signal Generator, provides AM modulation and External FSK digital modulation required for the development and testing of digital mobile radio receivers.The application of PWM in digital modulation and demodulation for analog communication signals in several modulation modes Research results prove that the design of digital IF modulator and demodulator of Software Radio appeases the capability and requirement of Software Radio.A transfusion speed monitor system is designed based on infrared technology with modulation and demodulation.It's the combination of modulator and demodulator.Time synchronization that is key technology of digital demodulation is cc allied by software.The paper provides the design of hardware of digital IF modulator and demodulator of Software Radio which includes Digital Signal Processor、Micro Control Unit and AD/DA convertor etc.Digital Down/Up Converter(DDC/DUC), modulation and demodulation are discussed in the dissertation as some essencial parts of SDR platform. Two Way Automatic Communication System(TWACS) is a new valuable communication technology for distribution networks,which has special of modulation and demodulation. In this paper, we study the OFDM technology based on 802.16a, realize the baseband modulation and demodulation by using TMS320C6201, and optimize the software module. The paper introduces the principle of QPSK modulation and demodulation, the circuit are also be realized based on FPGA.With the improvement of the technology, especially in the fields such as computer technology , data coding and compress , digital modulation and VLSI, the world electronic information industry enter into the digital era. First, the features of fax communication and the mode of modulation and demodulation are described.In automatic classification of digital modulation signal,computing envelope variance after difference has important meaning to distinguish PSK and FSK signal.The science and technology of space flight.The effect on modulation and demodulation of QPSK via carrier phase noise can not be ignored, and it is difficult to analyze.
HEFEI UNIVERSITY 现代数字调制技术之MSK 系别 专业 班级 学号 姓名 指导老师 完成时间
摘要： 最小频移键控（Minimum-Shift Keying，缩写：MSK），是数字通信中一种连续相位的频移键控调制方式。类似于偏移四相相移键控（OQPSK），MSK同样将正交路基带信号相对于同相路基带信号延时符号间隔的一半，从而消除了已调信号中180°相位突变的现象。与OQPSK不同的是，MSK采用正弦型脉冲代替了OQPSK基带信号的矩形波形，因此得到恒定包络的调制信号，这有助于减少非线性失真带来的解调问题，可以用于特殊的一些场合。 关键词：MSK 正交性相位连续性调制解调功率谱特性
1、最小频移键控（MSK）的介绍 最小频移键控（Minimum-Shift Keying，缩写：MSK），是数字通信中一种连续相位的频移键控调制方式。 OQPSK和π/4-QPSK因为避免了QPSK信号相位突变180度的现象，所以改善了包络起伏，但并没有完全解决这一问题。由于包络起伏的根本原因在于相位的非连续变化，如果使用相位连续变化的调制方式就能从根本上解决包络起伏问题，这种方式称为连续相位调制。 最小频移键控（MSK）是2FSK的改进，它是二进制连续相位频移键控的一种特殊情况。2FSK信号虽然性能优良，易于实现，并得到了广泛的应用，但它还存在一些不足之处。首先，它的频带利用率较低，所占用的频带宽度比2PSK 大；其次，用开关法产生的2FSK信号其相邻码元的载波波形的相位可能不连续，通过带限系统后，会产生影响系统性能的包络起伏。此外，2FSK信号的两种波形不一定保证严格正交，而对于二进制数字调制信号来说，两种信号相互正交将改善系统的误码性能。为了克服上述缺点，对2FSK信号进行改进，提出MSK 调制方式。 MSK称为最小频移键控，有时也称为快速频移键控，所谓最小是指这种调制方式能以最小的调制指数（0.5）获得正交信号；而快速的含义是指在给定同样的频带内，MSK能比2PSK的数据传输速率更高，且带外频谱分量衰减得比2PSK快。 总结如下： 1.1、FSK的不足之处 （1）频带利用率低，所占频带宽度比2PSK大； （2）存在包络起伏，用开关法产生的2FSK信号其相邻码元的载波波形的相位可能不连续，会出现包络的起伏； （3）FSK信号的两种波形不一定保证严格正交。 1.2 、MSK信号的特点 （1）MSK信号的包络恒定不变； （2）MSK是调制指数为0.5的正交信号，频率偏移等于（±1/4Ts）Hz； （3）MSK波形的相位在码元转换时刻是连续的； （4）MSK波形的附加相位在一个码元持续时间内线性地变化±π/2 。