課程設計 ---msk通信系統(tǒng)的仿真與分析

1、<p><b>　　1 緒 論</b></p><p><b>　　1.1 概述 </b></p><p>　　20世紀50年代后期，隨著計算機技術、微電子技術、傳感技術，激光技術、 衛(wèi)星通信和移動通信技術、航空航天技術等新技術的發(fā)展和應用，尤其近代以計算機為主體的互聯(lián)網技術的興起和發(fā)展，它們相互結合、相互促進，將人類社會推入到高度信

2、息化時代 。通信的目的是傳輸含有信息的消息。消息有多種形式，話音、文字、數據、符號、圖像等等都是消息 。原始的數據信號有兩種基本形式，一種是模擬的，另一種是數字的。模擬數據信號是在某一數值范圍內可以連續(xù)取值的信號。數字數據信號是只取有限個離散值的數字序列。由于數字數據更便于存儲、處理和傳輸，而模擬數據經過取樣、量化和編碼，可以轉換成數字數據。因此，模擬數據的傳輸只有在特定條件下才被使用，而數字數據的應用越來越多。信號的調制方式也由模擬方

3、式持續(xù)廣泛地向數字方式轉換。 </p><p>　　數字調制有三種基本形式:移幅鍵控法ASK、移頻鍵控法FSK、移相鍵控法 PSK。在ASK方式下，用載波的兩種不同幅度來表示二進制的兩種狀態(tài)。ASK方式容易受增益變化的影響，是一種低效的調制技術。在電話線路上，通常只能達到1200bps的速率。在FSK方式下，用載波頻率附近的兩種不同頻率來表示二進制的兩種狀態(tài)。在電話線路上，使用FSK可以實現(xiàn)全雙工操作，通?？蛇_1

4、200bps的速率。在PSK方式下，用載波信號相位移動來表示數據。PSK可以使用二相或多于二相的相移，利用這種技術可對傳輸速率起到加倍的作用。 </p><p>　　在FSK調制解調器的使用范圍較廣，目前已經不完全局限在有線網絡通信里。它已經延伸到無線電通信，生物醫(yī)學，機械等領域。FSK調制解調器的設計的模型簡單，設計方式也不僅僅建立在電器元件上，利用軟件搭建模型也成為目前很常用的方法。但是在FSK方式中，相鄰碼

5、元的頻率不變或者跳變一個固定值，在兩個相鄰的頻率跳變的碼元之間，其相位通常是不連續(xù)的。如果對FSK信號做某種改進，使其相位始終保持連續(xù)，就產生了MSK信號，MSK是FSK的一種特殊情況 。MSK調制后的波形在時域內具有恒定包絡結構,在頻域內頻譜具有很小的旁瓣,主瓣寬度窄,帶外輻射小的優(yōu)點，并且在主瓣帶寬之外功率譜旁瓣的下降也更加迅速，從而克服了一般FSK、PSK、QAM等調制方式具有相位突變而影響已調信號高頻分量衰減的缺點。正是因為MS

6、K具有諸多的性能優(yōu)勢，所以它比較適合在窄帶信道中傳輸，廣泛應用于無線移動通信的數據傳輸中。</p><p>　　1.2數字調制方式的發(fā)展狀況</p><p>　　數字信號調制技術是從最基本、最簡單的二進制數字調制的2ASK，2FSK， </p><p>　　2PSK的基礎上發(fā)展起來的。幅度鍵控信號的調制原理就是使載波的幅度隨數字 </p><p&

7、gt;　　基帶信號的變化而變化；頻率鍵控信號的調制原理就是使載波的頻率隨數字基帶信號的變化而變化；相位鍵控信號的調制原理就是使載波的相位隨數字基帶信號的變化而變化。數字信號調制的分類如圖1-1所示。</p><p>　　圖1-1 數字信號調制的分類</p><p>　　眾所周知，一個通信系統(tǒng)的質量，在很大程度上依賴于所采用的調制方式 。 </p><p>　　調制是

8、為了使信號特性與信道特性相匹配，因此調制方式的選擇是由系統(tǒng)中的信道特性決定的。隨著大容量下，遠距離數字通信的發(fā)展，譬如衛(wèi)星數字通信、數字微波接力通信、衛(wèi)星廣播通信的發(fā)展 ，系統(tǒng)中出現(xiàn)了個新問題：信道中同時存在著帶限與非線性的特性。在這種信道條件下，傳統(tǒng)的數字調制方式則面臨著一場新的挑戰(zhàn)。為適應這類信道的特性，迫使人們在傳統(tǒng)的數字調制基礎上，探索新的數字調制技術：恒包絡數字調制技術 。約在1976年，從理論上和實踐上比較完整的總結出了MS

9、K這種調制方式 。MSK屬于恒包絡數字調制技術，現(xiàn)代數字調制技術的研究，主要是圍繞著充分節(jié)省頻譜和高效率地利用可用頻帶這個中心而展開的。MSK具有包絡恒定或包絡起伏很小、最小功率譜占用率兩個特點，因此受到廣泛的研究和利用。 GMSK(高斯型最小頻移鍵控)調制技術是從MSK調制的基礎上發(fā)展起來的一種數字調制方式 ，應高速無線數據業(yè)務的需求,當前通信常用的GPRS（通用分組無線業(yè)務）是一種基于GMSK的技術，是構架在傳統(tǒng)GSM網絡之上的一種

10、標準化的分組交換數據業(yè)務，可以提供高達115kbit每秒速率的分組數據業(yè)務，從而使得包括圖片、話音和視頻的多媒體業(yè)</p><p>　　1.3 可行性分析</p><p>　　Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具， 是一種基于MATLAB的框圖設計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數字控制及數字信號處理的建模和仿真中。Si

11、mulink可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結果。</p><p>　　Simulink是用于動態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領域仿

12、真和基于模型的設計工具。對各種時變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)，Simulink提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫來對其進行設計、仿真、執(zhí)行和測試。</p><p>　　2 MSK通信系統(tǒng)</p><p>　　最小頻移鍵控(MSK)調制是恒包絡調制方式的一種，能夠產生包絡恒定、</p><p>　　相位連續(xù)的調制信號。其帶寬窄，頻譜主瓣

13、能量集中，旁瓣滾降衰減快，頻帶利用率高，在現(xiàn)代通信中得到了較為廣泛地應用。本課題主要是分析和研究MSK信號的調制解調原理。數字通信系統(tǒng)的一般模型如圖2-1所示。本章主要研究MSK理論知識，首先介紹MSK的基本原理及一般特點，然后分別就調制和解調原理分別進行詳細分析。</p><p>　　圖2-1數字通信系統(tǒng)的一般模型</p><p>　　2.1 MSK基本原理和特點</p>

14、<p>　　2.1.1 MSK的基本原理</p><p>　　MSK是2FSK的改進，2FSK體制雖然性能優(yōu)良、易于實現(xiàn)，并得到了廣泛的應用，但它也有一些不足之處 。首先，它占用的頻帶寬度比2PSK大，即頻帶利用率低；其次，若用開關法產生2FSK信號，則相鄰碼元波形的相位可能比連續(xù)，因此在通過帶通特性的電路后由于通頻帶的限制，使得信號波形的包絡產生較大起伏。為了克服這些缺點，將2FSK作相應的改進就發(fā)展

15、出MSK信號，其波形圖如圖2-2所示。 </p><p>　　圖2-2 MSK信號波形示例</p><p>　　MSK有時叫做快速頻移鍵控（FFSK），有時也叫做最小頻移鍵控（MSK） 。 </p><p>　　MSK信號的表達式可寫為</p><p><b>　　或者</b></p><p>&

16、lt;b>　　這里</b></p><p>　　2.1.2 MSK的特點</p><p>　　1、恒定包絡，允許用非線性幅度飽和器件放大。 </p><p>　　2、連續(xù)相位，使得功率譜密度按f 速率降低。功率譜在主瓣以后衰減地 </p><p>　　較快。MSK信號的功率譜表示式為</p><p>

17、　　2.2 MSK調制原理</p><p>　　MSK具有兩種調制方式，當把MSK看作是OQPSK時，稱作正交調制；而把MSK看作是CPFSK調制時，叫做CPE調制，這是由于CPFSK也是CPM的一種，而CPM 可由連續(xù)相位編碼（CPE）加無記憶信道（MM）的形式進行分解調制。所以稱這種調制方式為CPE+MM調制。而本文只重點闡述正交調制。</p><p>　　2.21 MSK的正交表示&

18、lt;/p><p>　　2.2.2 MSK的正交調制</p><p>　　2.3 MSK通信系統(tǒng)的性能指標</p><p>　　最小移頻鍵控ＭＳＫ是相位連續(xù)的FSK的一個特例．MSK有稱快速移頻鍵控．它的特點有以下幾點：</p><p>　　(1)MSK信號是恒定包絡的信號，適用于功率受限進行非線性放大的場合； </p><

19、p>　　(2)信號的頻率偏移為Af=l／4Tb，相應的調制指數為h=0.5； </p><p>　　(3)在一個碼元周期內，MSK信號應包括1／4載波周期的整數倍； </p><p>　　(4)以載波相位為基準的信號相位，在一個碼元期間線性地變化； </p><p>　　(5)在碼元轉換時刻，信號的波形沒有突變，即信號的相位是連續(xù)的； </p>

20、<p>　　(6) 1碼和0碼的波形正交，有利于構成最佳接收系統(tǒng)來降低誤碼率； </p><p>　　頻譜中高頻分量少，衰減快，功率譜密度集中，頻帶利于率高。</p><p>　　ＭＳＫ信號在第Ｋ碼元的相位不僅與當前碼元有關，而且與前面的碼元 及其相位有關．</p><p>　　4 基于MATLAB的MSK系統(tǒng)原理仿真<

21、/p><p>　　本章主要使用MATLAB及MATLAB中的Simulink仿真模塊對MSK調制解調 </p><p>　　系統(tǒng)進行仿真，并深入分析相關結果。</p><p>　　4.1 MSK系統(tǒng)仿真模型</p><p>　　數字通信系統(tǒng)的仿真流程可以概括為：信號的產生與輸出、編碼與解碼、調制與解調、濾波器以及傳輸介質的模型。根據Simulin

22、k提供的仿真模塊，數字調制系統(tǒng)的仿真可以簡化成如圖4-1所示的模型 ：</p><p>　　MSK仿真系統(tǒng)是數字調制系統(tǒng)的一種，基本的構成可按圖4-1搭建相應模塊。 </p><p>　　Simulink通信工具箱中提供了專門的MSK調制和解調模塊，利用Simulink通信 </p><p>　　工具箱中的MSK調制解調模塊及合適的信號源與信道即可。其Simulin

23、k仿真模 </p><p><b>　　型如圖4-2所示：</b></p><p>　　4.2 MSK系統(tǒng)仿真中的參數設置</p><p>　?。?）Simulink通信工具箱中的Comm Sources/Data Sources提供了數字信號源Bernoulli Binary Generator，這是一個按Bernoulli分布提供隨機二進制

24、數字信號的通用信號發(fā)生器 。Bernoulli Binary Generator的參數設置如圖4-3所示。 </p><p>　　圖4-3 Bernoulli Binary Generator的參數設置</p><p>　?。?）MSK調制器和解調器的參數設置如圖4-4所示：</p><p>　　圖4-4 MSK調制器和解調器的參數設置</p><

25、;p>　　因為輸入的數據是0、1序列，所以選擇MSK調制模塊接收的數據類型Bit(位) 型，階段性補償（phase offset）設置為pi/4，這是MSK系統(tǒng)調制的基本參數， 而抽樣的值（Samples per symbol)設為8。選擇MSK解調模塊輸出的數據類型為Bit(位)型，因為輸入調制的數據是0、1的序列，解調后數據應與它為同一類型，階段性補償（phase offset）設置為0，這是MSK系統(tǒng)解調的基本參數，而抽樣的

26、值（Samples per symbol)與調制模塊一樣設為8。其中，各參數要滿 足以下的關系：</p><p>　　Symbol period > 1/(Carrier frequency) </p><p>　　Input sample time < 1/[2*Carrier frequency + 2/(Symbol period)] </p><p&

27、gt;　　Output sample time <1/[2*Carrier frequency + 2/(Symbol period)]</p><p>　?。?）AWGN通道參數設置如圖4-5所示： </p><p>　　4-5 AWGN通道參數設置</p><p>　　本設計使用相對較簡單的一個加性高斯白噪聲信道作為噪聲信道，它在二進制相位調制信號中疊加高

28、斯白噪聲。Initialseed（初始種子）既可以是標量也可以是矢量，這個標量或矢量的長度要與信道匹配，這里的Initial seed設置為54321。在設計中選擇Signal to noise ratio(Es/No)模式，Es/No(dB)每符號信號功率與噪聲功率譜密度比，用分貝表示，此值設置為60。Input signal power 設為1w。Symbol period 設為0.1。</p><p>　　

29、（4）Error Rate Calculation的參數設置如圖4-6所示。</p><p>　　圖4-6 Error Rate Calculation的參數設置</p><p>　　將誤碼率計算器 接收數據的延時設為16，計算延時（computation delay）設置為0，將計算模式（computationmode）設置為整幀（entireframe）模式。由于將誤碼率計算后的值顯示

30、出來以便觀察，所以輸出數據（Output data）類型選擇端口類型， 這樣輸出可以接一個顯示器（display）顯示當前的誤碼率值。</p><p>　　4.3 仿真結果及對應分析</p><p>　　4.3.1 誤碼率分析</p><p>　　對比以上兩圖可以看出，MSK信號波形的振幅非常穩(wěn)定，相移較小，這與MSK 信號的定義是相符的。另外，解調后的時域信號波形

31、和源信號波形相比，除了有5個碼元的延遲外，其信號波形與源信號波形是一致的，這說明MSK調制性能較好。</p><p>　　圖4-10 仿真后的誤碼率顯示</p><p>　　圖4-8解調輸出信號</p><p>　　對比以上兩圖可以看出，MSK信號波形的振幅非常穩(wěn)定，相移較小，這與MSK 信號的定義是相符的。另外，解調后的時域信號波形和源信號波形相比，除了有 5個碼

32、元的延遲外，其信號波形與源信號波形是一致的，這說明MSK調制性能較 好。誤碼率的計算器將在一定時間內收到的數字信號中發(fā)生差錯的比特數與同 一時間所收到的數字信號的總比特數的比值通過顯示窗口顯示出來。誤碼率（BER：biterrorratio）是衡量數據在規(guī)定時間內數據傳輸精確性的指</p><p>　　圖4-10 仿真后的誤碼率顯示</p><p>　　標。圖 4-10中的Display顯

33、示的數值是該系統(tǒng)的誤碼率，其數值為0.4235，即誤碼率較小，可知經過MSK調制解調后的信號與原信號相比無明顯失真。</p><p>　　4.3.2 MSK功率譜密度分析</p><p>　　通過正確仿真，可在SpectrumScope中得到MSK系統(tǒng)信號的功率譜如圖4-11 所示：</p><p>　　圖4-11 MSK信號功率譜圖</p><

34、p>　　MSK的功率譜密度很緊湊，它的第一個零點在0.75 / T 處，MSK信號功率譜的主瓣所占的頻帶寬度窄，并且功率譜旁瓣的下降也很迅速，即MSK信號功率譜主 要包含在主瓣內，因此，MSK信號比較適合在窄帶信道中傳輸，對相鄰信道的干 擾較小。從上圖可知，該系統(tǒng)的能量集中在5—10Hz處，即頻率較低處，這與MSK信號的基本特征相一致。</p><p>　　4.3.3 MSK系統(tǒng)眼圖分析</p>

35、<p>　　經過仿真，在Discrete-Time Eye Diagram Scope中得到MSK信號眼圖如圖 4-12所示：</p><p>　　4-12 MSK信號眼圖</p><p>　　眼圖是指通過示波器觀察接收端的基帶信號波形，從而估計和調整系統(tǒng)性能的一種方法。眼圖的“眼睛”張開越大，且眼圖越端正，表示碼間串擾越?。环粗酱?。當存在噪聲時，眼圖的線跡變成比較模糊的帶

36、狀的線，噪聲越大，線條越粗，越模糊，“眼睛”張開得越小。總之，眼圖可以定性反映碼間串擾的大小和噪聲的大小，還可以用來指示接收濾波器的調整，以減小碼間串擾，優(yōu)化系統(tǒng)的性能。在實際的通信系統(tǒng)中，數字信號經過非理想的傳輸系統(tǒng)必定要產生畸變，信號通過信道后，也會引入噪聲和干擾，也就是說，總是在不同程度上存在碼間干擾的。在碼間干擾和噪聲同時存在情況下，系統(tǒng)性能很難進行定量的分析，甚至得不到近似結果。為了便于實際評價系統(tǒng)的性能，可以通過眼圖直觀地估

37、價系統(tǒng)的碼間干擾和噪聲的影響，是一種常用的測試手段。觀察上圖，可得此眼圖中的“眼睛”還算是張開地比較大，線條也比較清晰，也就說此系統(tǒng)的碼間串擾較小，噪聲對其的影響也較小。</p><p>　　4.3.4 MSK系統(tǒng)星座圖分析</p><p>　　經過仿真，可在Discrete-Time Scatter Plot Scope中得到MSK系統(tǒng)星座 </p><p>　　

38、圖如圖4-13所示：</p><p>　　圖4-13 MSK系統(tǒng)星座圖</p><p>　　在MSK信號星座圖中，1比特區(qū)間僅使用圓周的1/4，信號點必是軸上4個 </p><p>　　點中任何一個，因此，相位必然連續(xù)。MSK旁瓣降低得非常明顯，即使不使用截止特性較好的帶通濾波器，也能獲得鄰道干擾少的調制信號。對MSK稍加改進就可以獲得較少旁瓣的調制方式。由MSK信

39、號點配置圖可知，調制時出現(xiàn)旁瓣是由于調制載波相位急劇變化所引起的。MSK的相位變化是連續(xù)的，但相位變化速率（相位的一次微分）在比特變化點變成不連續(xù)。要使相位的一次微分連續(xù)，相位點必須以恒定速度旋轉，若接近比特變化點，旋轉速度就變慢，變化點處速度必須為0。通過Discrete-Time Scatter Plot Scope 窗口可以觀察到該MSK系統(tǒng)調制的星座圖如圖4-13，MSK星座圖的特點在該圖中都明顯的表現(xiàn)出來，這進一步驗證了該系統(tǒng)

40、的正確性。</p><p><b>　　結 論</b></p><p>　　MSK是FSK的一種特例。它是一種恒定包絡的調制方式，MSK信號功率譜密度相對集中，頻帶利用率高，頻帶較寬，信道有效性高，可靠性高，電路設計簡單。而且其頻帶利用率低于QPSK，功率效率與QPSK相同，但其抗非線性的性能要優(yōu)于QPSK,甚至優(yōu)于π/4-QPSK,它的帶外輻射要比QPSK的帶外輻射

41、低。</p><p>　　MSK作為理論發(fā)展最成熟的調制方式之一，對其的研究仍然具有很重大的意 義，因此，我們選擇了MSK調制方式做仿真研究。仿真這幾種理論已經很成熟的數字調制方式，一方面，可以更容易將仿真結果與成熟的理論進行比較，從而驗 證仿真的合理性；另一方面，也可以以此為基礎將仿真系統(tǒng)進行改進擴展，使其 成為仿真更多的數字調制方式的模板。 </p><p>　　基于MATLAB Si

42、mulink模塊的數字調制信號仿真系統(tǒng)設計具有許多仿真系 統(tǒng)無法比擬的優(yōu)點。該系統(tǒng)使用起來便利、簡單、直觀, 達到了系統(tǒng)仿真和動態(tài) 顯示的設計效果。通過仿真結果分析，我們直觀形象的看到了MSK調制系統(tǒng)各環(huán) 節(jié)時域和頻域的對比圖及相關的特性。 </p><p>　　首先從數字調制解調的眾多方式中引出MSK，進而研究MSK的基本特點及調制解調原理，然后簡要介紹 MATLAB及其使用MATLAB中Simulink仿真模

43、塊進行仿真的相關方法和理論；最后使用MATLAB為工具，用Simulink仿真模塊對MSK調制解調原理進仿真， 并進行必要的比較及深入分析。 </p><p>　　通過本次課程設計得到的結論有： </p><p>　　（1）MSK信號是2FSK的改進，具有恒定包絡，連續(xù)相位，頻譜帶寬窄等許多優(yōu) 點。MSK具有兩種調制方式，即正交調制和CPE+MM調制。由于MSK信號是一種 2FSK信號，所

44、以它也像2FSK信號那樣，可以采用相干解調或非相干解調方法， 除此之外，MSK信號還可以采用延時判決相干解調的方法。 </p><p>　?。?）MATLAB是一種跨平臺的超高級語言，具有許多獨特的特點和優(yōu)勢。Simulink是MATLAB提供的動態(tài)仿真工具，用于對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的工具。 通過實驗仿真深刻體會MATLAB語言的優(yōu)勢及使用Simulink仿真的便利。 </p><p

45、>　?。?）在實驗仿真分析階段，結合實驗結果對MSK系統(tǒng)誤碼率、功率譜密度、系 統(tǒng)眼圖、星座圖進行分析后得到：MSK的系統(tǒng)誤碼率較低，波形的振幅非常穩(wěn)定，相移較??；系統(tǒng)的能量集中在5—10Hz處，即頻率較低處；系統(tǒng)眼圖中的“眼睛”張開地比較大，線條也比較清晰，也就說此系統(tǒng)的碼間串擾較小，噪聲對其的影響也較??；在MSK信號星座圖中，1比特區(qū)間僅使用圓周的1/4，信號點必是軸上4個點中任何一個，因此，相位必然連續(xù)。</p>

46、<p><b>　　致 謝</b></p><p>　　作為對本科學習階段的總結和檢驗，本文是在xx老師的直接指導下</p><p>　　完成的。在本文的理論研究、實驗仿真及撰寫論文期間得到了很多老師和同學的 幫助，在這里我主要要感謝的是我的老師李翠華老師。在課程設計的整個過程中， 李老師在理論知識、工作任務、工作進度安排等方面給了我大量的指導和幫助，在

47、此，我向李老師致以由衷的謝意！ </p><p>　　同時，我還要感謝幫助我的學院領導以及各位老師，從他們身上我不僅儲備了理論知識，更學到了一絲不茍、嚴謹治學的科學態(tài)度。另外，還要感謝和我一起做課設的xx同學，她們在課設中給予我很多的幫助和照顧。在這里，我對他們表示感謝。 </p><p>　　最重要的是家人對我的關心和愛護鼓勵著我不斷前進，特別感謝父母在生活上給予的無微不至的關心和對我學

48、業(yè)的鼓勵和支持。 </p><p>　　最后，再一次感謝所有培養(yǎng)、照顧、關心和支持我的師長、家人和朋友們！</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]傅祖蕓.信息論基礎理論與應用.第二版.北京：電子工業(yè)出版社，2007年. </p><p>　　[2]樊昌信，曹麗娜.通信原理.第六版.北京：

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