基于msk的链接16调制方式的分析

基于msk的链接16调制方式的分析

0最小频移键控技术基于链接4和链接11的战术数据链构建了互联16。没有改变战术数据链信息交换的基本概念。只在技能上提供了技术和操作的改进，并提供了其他数据链路中的数据采集不足的数据分析。显著的改进主要有:提高抗干扰能力,增强保密性,提高数据吞吐量,减小数据终端尺寸,允许在战斗机和攻击机上安装。它具有数字化、抗干扰、保密语音等特点,具有相对导航、精确定位和识别功能,提高了参与终端的数量,并且可通过许多机载中继设备扩大链接距离范围来实现超视距传输。本文将介绍Link16在调制方式上采用的最小频移键控(MSK)技术,并分析MSK技术的性能。MSK调制技术较频移键控(FSK)、相移键控(PSK)调制技术具有频带利用率高,误码率低,且频谱在主瓣以外的衰减很快的特点。MSK调制技术是Link16具有保密、大容量、抗干扰等性能的原因之一。1系统超视距数据传输Link16是美国防部及海、陆、空三军用于指挥、控制和情报的主要战术数据链。它工作在960～1215MHz频段,数据速率为28.8Kb/s,57.6Kb/s,119Kb/s或238Kb/s,在工作频段内信息发送覆盖范围直接通信时为300海里,中继通信时为500海里,通过机载平台中继在水面舰船之间可实现超视距数据传输。调制方式采用了直接序列扩频、调频、跳时、信道编码、脉冲工作等诸多措施,并使用了“时分多址复用”技术,调频频率51个,频率间隔3MHz,带宽为3.5MHz,调频速率为76923次/s。216位6mk中断技术2.1msk信号为cpm信号2.1.1初始相位t,tCPM信号可以表示为:s(t,a)=√2εΤcos[2πfct+φ(t,Ι)+φ0](1)式中:ε为符号能量;T为符号间隔;fc为载波频率;I=(I0,I1,…)为发送的M进制数据序列;Ii∈[±1,±3,…,±(M-1)];h=k/p(k,p为互质的整数)为调制指数;φ0是初始相位,为了分析方便,通常情况下令φ0=0。携带信息的相位φ(t,I)表示如下:φ(t,Ι)=2π∞∑i=-∞Ιihiq(t-iΤ),nΤ≤y≤(n+1)Τ(2)对于具有固定指数h的CPM信号的载波相位可以表示为:φ(t,Ι)=2πh∞∑i=-∞Ιiq(t-iΤ)=πhn-L∑i=-∞Ιi+2πhn∑i=n-L+1Ιiq(t-iΤ)=θn+θ(t,Ι)‚nΤ≤t≤(n+1)Τ(3)波形q(t)一般可以表示成某个脉冲g(t)积分,即:q(t)=∫t0g(τ)dτ‚0≤t≤+∞(4)t<0和t≥LT时,信号脉冲g(t)=0;当L=1时为全响应CPM;当L>1时(L为整数),为部分响应CPM信号。CPM信号具有记忆,是通过相位的连续性引入的,当L>1时,脉冲g(t)给CPM信号引入了附加的记忆。2.1.2生成符合dsa、b、i-j的最小轴不带乘子的ddbhCPM差错率性能主要由相应于最小欧式距离的项控制,它可以表示为:ΡΜ=ΚδminQ[√εbΝ0δ2min](5)式中:PM表示差错率(误差概率);Kδmin表示具有最小距离的路径数;Q(X)=∫∞x1√2πe-(y2/2)dy;εb/N0为比特信噪比;δ2min=limΝ→∞minijδ2ij=limΝ→∞min{log2ΜΤ∫ΝΤ0[1-cosφ(t,Ιi-Ιj)]dt}。d2ij=2εbδij,表示两个相位轨迹为φ(t,Ii)和φ(t,Ij)的信号si(t)和sj(t)间的最小欧氏距离(注:两个相位轨迹序列Ii和Ij的第一个符号必须是不同的,M表示可研究字符数)。可见,两条路径之间的欧氏距离和信号的相位差有关。只要研究两个信号相位轨迹的相位差序列,就可以得到δ2min的上边界:d2B(h)=min1≤k≤Μ-1{(2log2Μ)(1-sin2kπh2kπh)}(6)式(6)的意思是每确定一个M值,对任一h值取遍[1,M-1]的k值,得到M-1个值中最小的值便是d2B(h)值。经过简单的C语言编程,可以得出它们一一对应的数值关系。通过Matlab仿真,每确定一个M值,就会输出对应的最小距离与调制指数间的关系曲线,如图1所示。其中横轴代表调制指数h,纵轴代表最小值是距离d2B(h)。图中曲线由下至上分别对应M=2,M=4,M=8,M=16时的曲线。通过Matlab语言描述所显示的图形可以看出,只要通过增大字符数M就可以得到大的性能增益,但M值不能无限制增大,因为增大M值的同时会增大比特率。然而δ2min(h)≤d2B(h),也就是说,对所有h值,上边界是不可达到的。2.2前后码元转换的频率间隔MSK是一种正交调制,已调制信号的振幅是恒定的。它的时域表达式为:S(t)=Acos[2πfct+φ(t)]=Acos[2πfct+πant2Τb+θn]‚(n-1)Τs≤t≤nΤs(7)其中:φ(t)表示随时间变化的连续相位;fc表示载波频率;Tb表示二进制基带信号的码元宽度,θn表示第n个码元的载波相位常数,在该码元持续时间内为常数:θn=θn-1+(an-1-an)[π2(n-1)]={θn-1‚an=an-1θn-1±(n-1)π‚an≠an-1(8)MSK信号在第n个码元的相位常数不仅与当前的an有关,而且还与前面的an-1及相位常数θn-1有关,也就是说,前后码元存在相关性。以载波相位为基准的信号相位在一个码元周期内的准确线性变化为±π/2,在码元转换时刻信号的相位是连续的,信号波形没有跳变。an表示二进制信息1或0,这里an=±1。当an分别取+1和-1时,信号的频率间隔为:Δf=f2-f1=[fc+12π⋅π(+1)2Τb]-[fc+12π⋅π(-1)2Τb]=12Τb(9)MSK的频率间隔如图2所示。从图3中MSK的信号波形可看出,Tb=1.5(1/f1),Tb=2(1/f2),Tb为一个码元所持续的时间。两个频率取值f1和f2在一个信号间隔时间内有180°的相差,“+1”和“-1”信号之间的波形之差为半个周期。以这种方式使MSK信号能以最小的频差产生最大的相差,并使“+1”和“-1”转换处信号在相位上保持连续。Link16在通信方式1下,其中的MSK可通过两个频率f1=7.5×106Hz和f2=107Hz之间的相位相干二进制FSK信号来表示,Δf=1/(2Tb),这里Tb=200ns。如图4所示。当相邻的两个数字相同时,用低频传输,否则用高频传输。3msk比其他信号好得多3.1频率选择的限制FSK即频移键控,它是由载波频移产生的,频移量fn=12ΔfΙn‚Ιn∈{±1,±3,⋯,±(Μ-1)},它所反映的是要发送的数字信息,是无记忆的。它从一个频率到另一个频率切换的实现方法是使用M=2k个调谐到期望频率的振荡器,再从M个频率中选择一个频率,选择的依据是在信号间隔时间T=k/Rs内要发生k比特,信号在从一个频率变到另一个频率时,不能保证两个瞬时相位是相等的。虽然FSK是信息传输中使用得较早的一种调制方式,它的主要优点是实现起来较容易,抗噪声与抗衰减的性能较好。但是在连续的信号传输时间间隔中,从一个振荡器输出到另一个的突发式切换会因相位不连续而展宽频谱,造成在信号主要频段之外有比较大的频谱旁瓣,从而需要很宽的频带,且在带限后会引起包络起伏。作为连续频移键控(CPFSK)的一种,MSK克服了上述缺点。如式(8),在一个码元时间内,相角θn为时间的线性函数,它取决于过去码元调制的结果,它的选择主要防止相位的任何不连续性。为了提高频带利用率,Δf要大,MSK信号的Δf=1/(2Tb),等于码元速率的一半,这是最小频差。3.22msk信号的归一化功率谱密度同样作为载波相位不连续信号的2PSK信号,在相位突变时仍会给信号频谱带来较大的旁瓣。尽管可以用窄带滤波器清除2PSK信号的旁瓣而不影响信息的传输,但滤波后的信号会出现包络变化,不再是等包络波形,这种信号经过非线性信道后,会产生包络失真,从而使已滤除的旁瓣重新恢复,降低了信道频谱的利用率。图5为MSK与2PSK信号的归一化功率谱密度。从图中可以很清楚地看出(图中实线为MSK信号的功率谱,虚线为2PSK信号的功率谱),与2PSK相比MSK信号的功率普密度更紧凑一些。MSK的第一个零点是在0.75/Tb处,而2PSK的在1/Tb处,并且MSK功率谱旁瓣衰减的更为迅速,这正是因为MSK信号的相位没有突变。在信号经调制后传输前,为了起到抑制噪声的效果,调制信号往往要进行带限滤波,也就是说只能取主瓣内的信号。MSK信号的功率主要包含在主瓣之内,可以说,MSK的传输有效性要优于2PSK信号。4高安全性和抗干扰性的方向发展随着现代战争形态的改变,战场对武器装