MSK信号调制与研究-USB迷|专注于互联网分享

2024年4月20日发(作者：鲜于顺美)

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

Due to the rapid development of digital communications, bandwidth efficient

transmission of information has been of concern for people, of great practical significance

to explore efficient modulation techniques. With the acceleration of the process of

information society, people increasingly urgent need for communication, communication

quality requirements are increasing. Communications spectrum is limited, however, a

serious shortage of information transmission frequency resources and the presence of

high-speed and reliable increasingly prominent contradiction, efficient spectrum

utilization data transfer has become the holy grail of modern communications technology.

How to more efficient use of the limited spectrum of these ways to reduce the spectral

efficient use of the band becomes the focus of research in the field of communication.

FSK Frequency Shift Keying MSK is a modification of that he is one of many types of

modulation schemes, MSK OQPSK modulation method can solve the envelope fluctuation

can not solve the problem, it is possible to generate a constant envelope, continuous phase

modulation signal. Therefore MSK-depth theoretical study, to improve digital

communications technology to make that contribution.

Development direction of modern digital modulation techniques is the smallest share of

the power spectrum of constant envelope digital modulation techniques. The key

technology of modern digital modulation of the phase change is continuous, thereby

reducing the frequency of usage. The object of study is the constant envelope techniques

minimum shift keying modulation technology, its excellent features make it get a lot of

applications in today's radio communication system. It also leads to the basic principles of

minimum shift keying modulation principle, and several modulation schemes, and

compare the advantages and disadvantages of several modulation schemes, the final

selection is modulated using a C52 microcontroller, matlab simulation.

Key words:

Minimum Shift Keying;

MCU;

Modulator; matlab simulation

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Joe Mitola在美国电信系统会议上第一次明

确提出了“软件无线电(Software Radio)”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，Ad Hoc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。

2 MSK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。

2.1 MSK信号调制

MSK (Minimum Frequency Shift Keying)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。

2.1.1 MSK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：





t







k1



tkT

1

MSK

(t)cos





t



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：



(t)



t



MSK

(t)cos





t



(t)

















;









当a

1时:f

















当a

1时:f





ff

f



1f

调制指数h0.5

如下图2-1-1为MSK信号时间波形图

图2-1-1

2.1.2 MSK信号调制原理

最小频移键控信号一般表示形式：

MSK

(t)cos[



t



(t)]cos



(t)cos



tsin



(t)sin



因为

(t)tj

?1,jk 0或P

所以

cos



(t)cos(

cos



t



)



tcos



sin



tsin



cos



tcos



令

cosj

同相分量

a

cosj

正交分量

则

ptpt

MSK

(t)cosj

coscos



ta

cosj

sinsin



ptpt

I

coscos



tQ

sinsin



ptpt

和sin称为加权函数

其中cos

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 2-1-2 MSK的调制框图

ptpt

msk

(t)I

coscos



tQ

sinsin



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。

2.2 MSK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。

2.3 MSK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 a

和b

的值都为±1

假设MSK的信号序列是P

，可得出下式为两种定义的等价条件

[11]

：

时，P

=﹣1，且发送符号的频率为f

；

≠b

时，P

=1，且发送符号的频率为f

[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。

2.3.2 LC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，f

和f

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 2-3-2 LC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CMOS 8位单片机，其片内

含有8K bytes的可以不断重复擦写的Flash只读程序存储器，并且具有256 bytes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

unsigned char code S_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 };

void send_A()

{

int i=0;

for(i=0;i<60;i++)

}

波形1

WriteDAC(S_A[i]);

unsigned char code S_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};

void send_A1()

{

int i=0;

for(i=0;i<60;i++)

}

波形2

WriteDAC(S_A1[i]);

unsigned char code S_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};

void send_B()

{

int i=0;

for(i=0;i<60;i++)

}

波形3

WriteDAC(S_B[i]);

unsigned char code S_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};

void send_B1()

{

int i=0;

for(i=0;i<60;i++)

}

波形4

WriteDAC(S_B1[i]);

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3.1 MSK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

4.1 MSK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

简单的说明其工作原理的模型。MSK信号是一种恒包络的已调波，不仅仅具有功率

谱特性好的特点，而且更加适合在非线性信道中传输，例如无线移动通信通常采用

的就是MSK。作为2FSK的一种特殊的情况，MSK拥有正交信号的最小频差，传输

带宽小等特性，并且可以使相位连续在相邻的符号交界点。这些特性使得MSK可以

大量的应用于无线通信。

4.2 最小频移键控MSK的发展前景

由于笔者的知识水平有限以及时间关系，本文只做了对于最小频移键控调制模块

这一方面的基础研究，因此，还有许多的问题有待进一步去分析探讨与研究。

伴随着信息社会的进程的加快，人们对通信的需求也就变高了，众所周知，信

息传输的带宽一直被人们所关注。通信技术正在以前所未有的速度发展着，在人们

对通信系统的应用越来越广泛的同时，通信频谱是有限的，怎样更有效的使用这些

有限的频谱，如何提高频带利用率成为通信领域研究的焦点。因此，对于高效的调

制技术的探索具有巨大的现实意义，于是作为性能卓越的数字调制信号msk已经得

到了广泛的应用。由于最小频移键控的优良特性，相信不久的将来将会有本质的突

破，通信的发展也会进入一个新的阶段。

参考文献

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统．第二版．西安．西安交通大学出版社．1998.3

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