实验三基带恒包络载波调制技术实验 一、实验目的 1、研究恒包络线性载波调制技术原理： 2、熟悉频移键控(FSK)技术的原理： 3、观察16FSK调制信号波形及频谱： 4、熟悉最小频移键控(MSK)技术的原理： 5、观察MSK调制信号波形及频谱； 6、熟悉高斯最小频移键控(GMSK)技术的原理； 7、观察GMSK调制信号波形及频谱。 二、实验原理 1、频移键控(FSK) 许多实际的移动无线通信系统都使用非线性调制方法，这时不管调制信号如何改 变，载波的幅度是恒定的。恒包络调制具有可以满足多种应用环境的优点，可以使用 功率效率高的C类放大器，而不会使发送信号占有的频谱增大。带外辐射低，可达-60B 至-70B。可用限幅器-鉴频器检测，从而简化接收机的设计，并能很好地抵抗随机噪声 和由Rayleigh衰落引起的信号波动。恒包络调制有很多优点，但他们占用的带宽比线性 调制大。 2、最小频移键控(MSK) 相移键控和正交幅度键控信号在码元交替处发生相位突变，这意味着已调信号的 功率谱的高频含量较大，这种信号通过频带受限信道，因高频分量被滤除和非线性，使 信号的包络产生起伏，从而影响信号的解调质量。下面将讨论的MSK(Minimum Frequency Shift Keying)是二进制连续相位FSK的一种特殊形式。连续相位频移键控信号 具有恒包络，频谱旁瓣小，抗干扰性能也较强，因此在卫星通信和移动通信中应用较多。 6
6 实验三基带恒包络载波调制技术实验 一、实验目的 1、研究恒包络线性载波调制技术原理； 2、熟悉频移键控(FSK)技术的原理； 3、观察16FSK调制信号波形及频谱； 4、熟悉最小频移键控(MSK)技术的原理； 5、观察MSK调制信号波形及频谱； 6、熟悉高斯最小频移键控(GMSK)技术的原理； 7、观察GMSK调制信号波形及频谱。 二、实验原理 1、频移键控（FSK） 许多实际的移动无线通信系统都使用非线性调制方法，这时不管调制信号如何改 变，载波的幅度是恒定的。恒包络调制具有可以满足多种应用环境的优点， 可以使用 功率效率高的C类放大器，而不会使发送信号占有的频谱增大。带外辐射低，可达-60dB 至-70dB。可用限幅器-鉴频器检测，从而简化接收机的设计，并能很好地抵抗随机噪声 和由Rayleigh衰落引起的信号波动。恒包络调制有很多优点，但他们占用的带宽比线性 调制大。 2、最小频移键控（MSK） 相移键控和正交幅度键控信号在码元交替处发生相位突变，这意味着已调信号的 功率谱的高频含量较大，这种信号通过频带受限信道，因高频分量被滤除和非线性，使 信号的包络产生起伏，从而影响信号的解调质量。下面将讨论的MSK(Minimum Frequency Shift Keying)是二进制连续相位FSK的一种特殊形式。连续相位频移键控信号 具有恒包络，频谱旁瓣小，抗干扰性能也较强，因此在卫星通信和移动通信中应用较多
最小频移键控(MSK)是一种特殊的连续相位的频移键控(CPFSK),其最大频移为比特率 的1/4。换句话说，MSK是调制系数为0.5的连续相位的FSK。FSK信号的调制系数类似 于FM调制系数，定义为（)bFskRFk/2△=，其中FA是最大射频频移，是比特率。调制系 数0.5对应着能够容纳两路正交FSK信号的最小频带，最小频移键控的由来就是指这种 调制方法的频率间隔（带宽）是可以进行正交检测的最小带宽。 MSK有时称为快速FSK,因为其使用的频率空间仅为常规非相干FSK空间的一半。 MSK是一种高效的调制方法，特别适合在移动无线通信系统中使用。它有很多好的特 性，例如恒包络、频谱利用率高、误比特率低和自同步性能。 MSK信号也可以看成是一类特殊形式的OQPSK。在MSK中，OQPSK的基带矩形脉 冲被半正弦脉冲取代。这些脉冲在周期中形状类似于St.Louis曲线。考虑t比特流交错的 OQPSK信号。 MSK信号可看作一种特殊形式的连续相位的路K信号，MSK信号具存恒定幅值。通 过选定载波频率为四分之一比特率(14T)的整数倍，可以保证MSK信号在比特转换处的 相位连续性。 MSK信号具有以下特点： 1)已调信号的振幅是恒定的： 2)信号的频率偏移严格地等于()6T4/1相应的调制指数为0.5： 3)以载波相位为基准的信号相位在一个码元期间内准确地线性变化2/π： 4)在一个码元期间内，信号应包括上载波周期的整数倍： 5)在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跳。 3、高斯最小频移键控(GMSK) 在数字移运通信中进行高速率数据传输时，为了满足邻道带外辐射功率低于 -80-60dB的指标，要求信号要有更加紧凑的功率谱。通过前面的介绍，从MSK信号的 功率谱可以看出。MSK信号仍不能满足这样的要求。 高斯最小频移键控(GMSK)就是针对上述要求提出来的。GMSK调制方式能满足移 动通信环境下对邻道干扰的严格要求，以其良好的生能在公共移动通信系统中得到了广 7
7 最小频移键控(MSK)是一种特殊的连续相位的频移键控(CPFSK)，其最大频移为比特率 的1/4。换句话说，MSK是调制系数为0.5的连续相位的FSK。FSK信号的调制系数类似 于FM调制系数，定义为()bFSKRFk/2Δ=，其中FΔ是最大射频频移，是比特率。调制系 数0.5对应着能够容纳两路正交FSK信号的最小频带，最小频移键控的由来就是指这种 调制方法的频率间隔(带宽)是可以进行正交检测的最小带宽。 MSK有时称为快速FSK，因为其使用的频率空间仅为常规非相干FSK空间的一半。 MSK是一种高效的调制方法，特别适合在移动无线通信系统中使用。它有很多好的特 性，例如恒包络、频谱利用率高、误比特率低和自同步性能。 MSK信号也可以看成是一类特殊形式的OQPSK。在MSK中，OQPSK的基带矩形脉 冲被半正弦脉冲取代。这些脉冲在周期中形状类似于St.Louis曲线。考虑t比特流交错的 OQPSK信号。 MSK信号可看作一种特殊形式的连续相位的路K信号，MSK信号具存恒定幅值。通 过选定载波频率为四分之一比特率(1/4T)的整数倍，可以保证MSK信号在比特转换处的 相位连续性。 MSK信号具有以下特点： 1)已调信号的振幅是恒定的； 2)信号的频率偏移严格地等于()bT4/1相应的调制指数为0.5； 3)以载波相位为基准的信号相位在一个码元期间内准确地线性变化2/π； 4)在一个码元期间内，信号应包括上载波周期的整数倍； 5)在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跳。 3、高斯最小频移键控（GMSK） 在数字移运通信中进行高速率数据传输时，为了满足邻道带外辐射功率低于 -80-60dB的指标，要求信号要有更加紧凑的功率谱。通过前面的介绍，从MSK信号的 功率谱可以看出。MSK信号仍不能满足这样的要求。 高斯最小频移键控 (GMSK)就是针对上述要求提出来的。GMSK调制方式能满足移 动通信环境下对邻道干扰的严格要求，以其良好的生能在公共移动通信系统中得到了广
泛应用，并且被确定为欧洲新一代移动通信的标准调制方式。 为了减小已调波的主瓣宽度和邻道申的带外辐射，在平滑调频(T℉M)调制方式中 调制前对基带信号进行了相关编码处理。如果调制前对基带信号进行高斯滤波处理也能 达到上述目的。这就是另一种在移动通信中得到广泛应用的恒包络调制方法一调带立 高斯滤波的最小频移键控，简称高斯最小频移键控。 GMSK的基本原理是让基带信号先经过高斯滤波器滤波，便基带信号形成高斯脉冲 之后进行M$K调制。由于滤波形成的高斯脉冲包络无陡峭的边沿，亦无拐点所以经调 带后的已调波相位路径在MSK的基础上进一步得到平滑。GM5K将MSK信号的相立路 径的尖角平滑掉了，因此频谱特性优于MSK和SFSK。 GMSK的基带信号先经过高斯滤波器滤波，使基带信号形成高斯脉冲，之后进行 MSK调制。由于滤波形成的高斯脉冲包络无陡峭的边沿，亦无捞点，所以经调制后的 已调波相位路径在MSK的基础上进一步得到平滑。采用高斯滤波器进行预凋制滤波是 因为高斯滤波器具有以下特性： 1)窄带锐截止特性，以便抑制高频分量： 2)冲激响应过冲量小，以防止过大的瞬时频偏： 3)滤波器输出冲激响应曲线下的面积对应于2/π的相移，以使调制指数为0.5高斯低 通滤波器的单位冲激响应 三、实验系统的组成 本实验设备是由实验平台、示波器和终端计算机组成，使用FPGA实现对FSK、MSK 和GMSK调制实验的仿真。 四、实验系统功能 1FSK调制； 2MSK调制： 3GMSK调制
8 泛应用，并且被确定为欧洲新一代移动通信的标准调制方式。 为了减小已调波的主瓣宽度和邻道申的带外辐射，在平滑调频 (TFM)调制方式中 调制前对基带信号进行了相关编码处理。如果调制前对基带信号进行高斯滤波处理也能 达到上述目的。这就是另一种在移动通信中得到广泛应用的恒包络调制方法——调带立 高斯滤波的最小频移键控，简称高斯最小频移键控。 GMSK的基本原理是让基带信号先经过高斯滤波器滤波，便基带信号形成高斯脉冲 之后进行MSK调制。由于滤波形成的高斯脉冲包络无陡峭的边沿，亦无拐点所以经调 带后的已调波相位路径在MSK的基础上进一步得到平滑。GM5K将MSK信号的相立路 径的尖角平滑掉了，因此频谱特性优于MSK和SFSK。 GMSK的基带信号先经过高斯滤波器滤波，使基带信号形成高斯脉冲，之后进行 MSK调制。由于滤波形成的高斯脉冲包络无陡峭的边沿，亦无捞点，所以经调制后的 已调波相位路径在MSK的基础上进一步得到平滑。采用高斯滤波器进行预凋制滤波是 因为高斯滤波器具有以下特性： 1)窄带锐截止特性，以便抑制高频分量； 2)冲激响应过冲量小，以防止过大的瞬时频偏； 3)滤波器输出冲激响应曲线下的面积对应于2/π的相移，以使调制指数为0.5高斯低 通滤波器的单位冲激响应 三、实验系统的组成 本实验设备是由实验平台、示波器和终端计算机组成，使用FPGA实现对FSK、MSK 和GMSK调制实验的仿真。 四、实验系统功能 1 FSK调制； 2 MSK调制； 3 GMSK调制
五、实验步骤及内容 通过实验平台的菜单窗口提示，利用键盘选择菜单内容，逐级进入该实验操作界面， 根据操作步骤的提示，利用示波器在指定接口进行输出信号波形观察。 具体步骤如下： 1、检查实验平台左上方和右下方的Power Switch是否处于关闭(OFF)状态： 2、检查实验平台的电源线是否连接正确，若连接正确，实验平台右下方的Power Ready指示灯会亮起； 3、将实验平台左上方的Power Switch置为开启(ON)状态，实验系统进入启动状 态，观察实验平台中部的显示屏直至进入“高级软件无线电教学系统”： 4、按下”确认（回车）”键进入系统实验列表： 5、选择“2”按Enter键，进入基带实验列表： 6、选择“1”按Eter键，屏幕显示“进入实验中，请稍候”提示框，直至进入基带调制 实验列表： 1)FSK调制 选择“5”进入FSK调制仿真实验窗，按照软件无线电实验平台界面的提示进行后续操作， 将示波器分别观测实验平台TXI和TXQ端口，通过示波器观察输出波形和频谱。 2)MSK调制方式 选择“6”进入MSK调制仿真实验窗，按照软件无线电实验平台界面的提示进行后续操作， 将示波器分别观测实验平台TXI和TXQ端口，通过示波器观察输出波形和频谱。 3)GMSK调制方式 选择“7”进入GMSK调制仿真实验窗，按照软件无线电实验平台界面的提示进行后续操 作，将示波器分别观测实验平台TXI和TXQ端口，通过示波器观察输出波形和频谱。 9
9 五、实验步骤及内容 通过实验平台的菜单窗口提示，利用键盘选择菜单内容，逐级进入该实验操作界面， 根据操作步骤的提示，利用示波器在指定接口进行输出信号波形观察。 具体步骤如下： 1、检查实验平台左上方和右下方的Power Switch是否处于关闭（OFF）状态； 2、检查实验平台的电源线是否连接正确，若连接正确，实验平台右下方的Power Ready指示灯会亮起； 3、将实验平台左上方的Power Switch置为开启（ON）状态，实验系统进入启动状 态，观察实验平台中部的显示屏直至进入“高级软件无线电教学系统”； 4、按下”确认（回车）”键进入系统实验列表； 5、选择“2”按Enter键，进入基带实验列表； 6、选择“1”按Enter键，屏幕显示“进入实验中，请稍候”提示框，直至进入基带调制 实验列表； 1) FSK调制 选择“5”进入FSK调制仿真实验窗，按照软件无线电实验平台界面的提示进行后续操作， 将示波器分别观测实验平台TXI和TXQ端口，通过示波器观察输出波形和频谱。 2) MSK调制方式 选择“6”进入MSK调制仿真实验窗，按照软件无线电实验平台界面的提示进行后续操作， 将示波器分别观测实验平台TXI和TXQ端口，通过示波器观察输出波形和频谱。 3) GMSK调制方式 选择“7”进入GMSK调制仿真实验窗，按照软件无线电实验平台界面的提示进行后续操 作，将示波器分别观测实验平台TXI和TXQ端口，通过示波器观察输出波形和频谱
实验四 基带线性载波调制技术的解调实验 一、实验目的 1、分析二进制相移键控(BPSK)解调技术的原理： 2、熟悉BPSK接收机的结构： 3、分析四项相移键控(QPSK)解调技术的原理； 4、熟悉QPSK接收机的结构： 5、观察BPSK解调数据结果： 6、观察QPSK解调数据结果： 7、熟悉数据发送与解调之间的关系。 二、实验原理 解调的最终目的是消除频差项，判决出正确的码元数据。如果能跟踪相位的变化， 并且得出正确的相位估计值，那么消除由于的存在而引入的调制相可以通过坐标旋转而 获得，通常设街解调器时都采用锁相环，以实现性能较好的相干解调。 1、二进制相移键控(BPSK) BPSK使用相关，或者叫同步的解调方法，这要求在接收机端知道载波的相位和频 率信息。如果和BPSK信号同时传输一个低幅值的载波导频信号，可以用Costas环或者 平放环从接收到的BPSK信号中，恢复同步载波的相位和频率。 接收信号与本地载波相乘后，通过低通滤波器提取出与发送信息有关的低频信号， 并抑制载波和信道相位对接收信号相位信息的影响。再根据低通滤波器后输出信号的相 位来判断发送信息是1或者0，从而实现数据解调。 此时，是QPSK解调器的同相数据和正交数据的输出，而和两项则是同相和正交 通道之间由于相位误差而引起的互扰。 2、四相相移键控(QPSK) 就如同QPSK调制方式可以等效看成是同相和正交两路分别进行BPSK一样， 10
10 实验四 基带线性载波调制技术的解调实验 一、实验目的 1、分析二进制相移键控(BPSK)解调技术的原理； 2、熟悉BPSK接收机的结构； 3、分析四项相移键控(QPSK) 解调技术的原理； 4、熟悉QPSK接收机的结构； 5、观察BPSK解调数据结果； 6、观察QPSK解调数据结果； 7、熟悉数据发送与解调之间的关系。 二、实验原理 解调的最终目的是消除频差项，判决出正确的码元数据。如果能跟踪相位的变化， 并且得出正确的相位估计值，那么消除由于的存在而引入的调制相可以通过坐标旋转而 获得，通常设街解调器时都采用锁相环，以实现性能较好的相干解调。 1、二进制相移键控（BPSK） BPSK使用相关，或者叫同步的解调方法，这要求在接收机端知道载波的相位和频 率信息。如果和BPSK信号同时传输一个低幅值的载波导频信号，可以用Costas环或者 平放环从接收到的BPSK信号中，恢复同步载波的相位和频率。 接收信号与本地载波相乘后，通过低通滤波器提取出与发送信息有关的低频信号， 并抑制载波和信道相位对接收信号相位信息的影响。再根据低通滤波器后输出信号的相 位来判断发送信息是1或者0，从而实现数据解调。 此时， 是QPSK解调器的同相数据和正交数据的输出，而和 两项则是同相和正交 通道之间由于相位误差 而引起的互扰。 2、四相相移键控（QPSK） 就如同QPSK调制方式可以等效看成是同相和正交两路分别进行BPSK一样