MSK調(diào)制解調(diào)器及同步性能的仿真分析

1、2西南交通大學本科畢業(yè)設計（論文） 第 頁重慶交通大學信息科學與工程學院課程設計報告題 目MSK調(diào)制解調(diào)器及同步性能的仿真分析專 業(yè)班 級學 號姓 名指導教師信息科學與技術學院二一四年九月 15信息科學與工程學院通信工程專業(yè)方向課程設計 通信工程專業(yè)課程設計成績鑒定表進行時間2013-2014學年下學期第1、2周成績鑒定學習內(nèi)容（20分）與教學任務計劃結合程度（10分）與專業(yè)培養(yǎng)結合程度（5分）其它（5分）過程評價（20分）實踐能力（10分）學習態(tài)度（5分）學習紀律（5分）報告鑒定（60分） 報告內(nèi)容與實踐過程緊密結合（15分）報告內(nèi)容與教學計劃內(nèi)容緊密結合（15分）報告質量(主題、結構、觀點

2、、邏輯、資料、字數(shù) 30分)指導教師姓名吳仕勛職稱 講師成績摘 要 最小頻移鍵控又稱快速頻移鍵控，他可以解決OQPsK調(diào)制方式不能解決包絡起伏的問題，從而能夠產(chǎn)生恒定包絡、相位連續(xù)的調(diào)制信號。最小頻移鍵控(MSK)是2FSK的改進調(diào)制方式，它具有波形連續(xù)，相位穩(wěn)定，帶寬最小并且嚴格正交的特點，其改進型GMSK在無線通信GSM系統(tǒng)中得到了廣泛地應用。之所以稱為最小頻移鍵控，是由于其頻移指數(shù)=0.5，即他的兩個頻率差是最小的正交頻率差。本文研究了最小頻移鍵控系統(tǒng)MSK調(diào)制與解調(diào)的工作原理，并給出了基于Matlab軟件環(huán)境的仿真實現(xiàn)仿真運行結果。關鍵詞：數(shù)字通信；調(diào)制；解調(diào)；系統(tǒng)仿真目 錄摘 要II

3、目 錄III第1章 緒論11.1 數(shù)字通信的發(fā)展11.2 課題背景及意義1第2章 MSK調(diào)制解調(diào)原理32.1 MSK信號的產(chǎn)生32.2 MSK信號調(diào)制解調(diào)方法52.3 msk通信系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)原理框圖7第三章 仿真分析9結論11參考文獻12附錄13 信息科學與工程學院通信工程專業(yè)方向課程設計 第1章 緒論1.1 數(shù)字通信的發(fā)展通信按照傳統(tǒng)的理解就是信息的傳輸與交換,為了傳遞消息，各種消息需要轉換成電信號，消息與電信號之間必須建立單一的對應關系，否則在接收端就無法復制出原來的消息。通常，消息被載荷到電信號的某一參量上，如果電信號的該參量攜帶著離散消息，則該參量必將是離散取值的。這樣的信號就稱為數(shù)字

4、信號。如果電信號的參量連續(xù)取值，則稱這樣的信號為模擬信號。按照信道中傳輸?shù)氖悄M信號還是數(shù)字信號，可以相應地把通信系統(tǒng)分為兩類：數(shù)字通信系統(tǒng)和模擬通信系統(tǒng)。自1844年5月24日莫爾斯在華盛頓和巴爾的摩之間發(fā)送世界上斯一份電報以來 ，電報通信已經(jīng)經(jīng)歷了150多年。但是長期以來，由于電報通信不如電話通信方便，作為數(shù)字通信主要形式的電報卻比1876年貝爾發(fā)明的電話發(fā)展緩慢。直到20世紀60年代已后，數(shù)字通信才日益興旺起來，數(shù)字通信迅速發(fā)展的基本原因是它與模擬通信相比，更能適應對通信技術越來越高的要求。第一數(shù)字傳輸抗干擾能力強，尤其是在中繼時，數(shù)字信號可以再生而消除噪聲的積累；第二，傳輸差錯可以控制

5、，從而改善了傳輸?shù)馁|量；第三，便于使用現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術來對數(shù)字信息進行處理；第四，數(shù)字信息易于做高保密性的加密處理；第五，數(shù)字通信可以綜合傳遞各種消息，使通信系統(tǒng)功能增強。然而，數(shù)字通信的許多優(yōu)點都是用比模擬通信占據(jù)更寬的帶寬的系統(tǒng)頻帶而換來的。以電話為例，一路模擬電話只占據(jù)4khz的帶寬，而一路傳輸質量相同的數(shù)字電話這可能要占用數(shù)十千赫茲的帶寬。 在系統(tǒng)頻帶緊張的場合，數(shù)字通信這一缺點顯得很突出，但是在系統(tǒng)頻帶富裕的場合，比如毫米波通信，光通信等場合，數(shù)字通信幾乎成了唯一的選擇。隨著計算機技木和大規(guī)模集成技術的發(fā)展，數(shù)字通信在其發(fā)展過程中表現(xiàn)出了強大的生命力，它沖破了傳統(tǒng)模擬通信方式的統(tǒng)

6、治，逐步地發(fā)展、完善?？梢灶A言：隨著通信事業(yè)的發(fā)展，特別是各種寬帶傳輸技術(例如光纖傳輸、數(shù)字微波等)、綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)(ISDN)的實用化，全數(shù)字化的通信方式必將逐步取代模擬通信方式而得到蓬勃發(fā)展1。1.2 課題背景及意義 當今社會已經(jīng)步入信息時代，在各種信息技術中信息的傳輸及通信起著支撐作用。而在頻帶資源日益緊張的今天，為了提高系統(tǒng)的容量（滿足更多的用戶）信道間隔已經(jīng)是一減再減已經(jīng)由最初的100khz減到了今天的12.5khz甚至更小。數(shù)字通信系統(tǒng)因其組網(wǎng)靈活，差錯控制和保密性都比較容易，而且能夠進入ISDN網(wǎng)所以通信系統(tǒng)已逐步由模擬制式向數(shù)字制式過渡，信號的調(diào)制方式也逐步由模擬方式持續(xù)、廣

7、泛地向數(shù)字方式轉化，數(shù)字通信系統(tǒng)成為了信息的傳輸?shù)囊环N重要手段。 然而，一般的數(shù)字調(diào)制技術，如ASK、PSK和FSK因傳輸效率低和抗干擾能力差而無法滿足移動通信的要求，為此，需要專門研究一些抗干擾性強、誤碼性能好、頻譜利用率高的數(shù)字調(diào)制技術，盡可能地提高單位頻譜內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)的比特率，以適用于移動通信窄帶數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。MSK因具有：（1）已調(diào)信號振幅是恒定的。（2）信號的頻率偏移嚴格等于±1/4TS ，相應的調(diào)制指數(shù)H=（f2-f1）ts =0.5。(3)以載波相位在一個碼元期間內(nèi)準確地線性變化±pi/2；（4）在一個碼元期間內(nèi)，信號應包含四分子一載波周期的整數(shù)倍。(5)在碼

8、元轉換時刻信號的相位是連續(xù)的，或者說，信號的波形沒有突變。的特點使得msk通信系統(tǒng)抗干擾能力強適用于移動通信等窄帶數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆Ｔ谠O計新系統(tǒng)或者對原有的通信系統(tǒng)做出修改或者進行相關的研究時，通常要進行建模和仿真，通過仿真結果衡量方案的可行性，從中選擇最合理的系統(tǒng)配置和參數(shù)設置，然后再應用于實際系統(tǒng)中。通過仿真，可以提高研究開發(fā)工作的效率，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中潛在的問題，優(yōu)化系統(tǒng)整體性能。與一般的仿真過程類似，在對通信系統(tǒng)實施仿真之前，首先需要研究通信系統(tǒng)的特性，通過歸納和抽象建立通信系統(tǒng)的仿真模型。通過對系統(tǒng)的仿真,可以不需要實際的硬件環(huán)境就可以分析系統(tǒng)的特點。人們能夠通過仿真實驗就可以了解msk數(shù)字

9、通信系統(tǒng)性能。這樣大大的減少實驗的開銷，對科學技術的發(fā)展是很重要的。matrix公司的matlab軟件是一套功能非常強大的工程技術數(shù)值運算和系統(tǒng)仿真軟件。第2章 MSK調(diào)制解調(diào)原理2.1 MSK信號的產(chǎn)生 頻移鍵控是數(shù)字通信中用得較廣的一種形式，在衰落信道中傳輸數(shù)據(jù)時，它被廣泛采用。Fsk信號是0符號對應載頻1，而1符號對應于載頻2（與1不同的另一載頻）的已調(diào)波形，而且1與2之間的改變是瞬間完成的。基本調(diào)制方法有模擬調(diào)頻法和鍵控法.一般來說，鍵控法得到的得到的調(diào)制信號的相位是不連續(xù)的（兩載波頻率相差為pi/2的整數(shù)倍時相位連續(xù)） 圖2-1 二進制移頻鍵控信號的時間波形MSK叫最小移頻鍵控，它是

10、移頻鍵控（FSK）的一種改進型。這里“最小”指的是能以最小的調(diào)制指數(shù)（即0.5）獲得正交信號，它能比PSK傳送更高的比特速率。二進制MSK信號的表達式可寫為： (2-1) 式中，k稱為附加相位函數(shù)；c為載波角頻率；Tk為第k個輸入碼元，s為碼元寬度；a取值為±1；k為第k個碼元的相位常數(shù)，在時間kTst(k+1)Ts中保持不變，其作用是保證在t=kTs時刻信號相位連續(xù)。由 (2-2)可知當1時，信號的頻率為：當1時，信號的頻率為：由此可得頻率之差為：H=Ts=x Ts=0.5那么MSK信號波形如圖示： 圖2-2 MSK信號波形從圖中可以看出，+信號和信號在一個碼元期間恰好相差二分之一

11、周，即相差為了保持相位的連續(xù)，在t=時間內(nèi)應有下式成立：=（）（） (2-3) 即：當時，=；當時，=±（）； (2-4) 若令0，則0或±，此式說明本比特內(nèi)的相位常數(shù)不僅與本比特區(qū)間的輸入有關，還與前一個比特區(qū)間內(nèi)的輸入及相位常數(shù)有關。由附加相位函數(shù)k(t)的表示式可以看出，k(t)是一直線方程，其斜率為 截距為k。由于ak的取值為±1，故是分段線性的相位函數(shù)。因此，MSK的整個相位路徑是由間隔為Ts的一系列直線段所連成的折線。在任一個碼元期間Ts，若ak=+1，則k(t)線性增加；若ak=-1， 則k(t)線性減小 。對于給定的輸入信號序列ak，相應的附加相位

12、函數(shù)k(t)的波形如圖所示。對于各種可能的輸入信號序列，k(t)的所有可能路徑是一個從-2到+2的網(wǎng)格圖。 圖3-3 附加相位函數(shù)k(t)的波形圖 圖4-4 附加相位路徑網(wǎng)格從以上分析總結得出，MSK信號具有以下特點： （1）MSK信號是恒定包絡信號； （2）在碼元轉換時刻，信號的相位是連續(xù)的，以載波相位為基準的信號相位在一個碼元期間內(nèi)線性地變化±/2 ； （3） 在一個碼元期間內(nèi)， 信號應包括四分之一載波周期的整數(shù)倍，信號的頻率偏移等于，相應的調(diào)制指數(shù)h=0.5。 (4)信號頻率偏移嚴格等于 ± 。 2.2 MSK信號調(diào)制解調(diào)方法二進制移頻鍵控信號fsk很容易用一個矩形脈

13、沖序列對一個載波進行調(diào)頻而獲得。這正是頻率鍵控通信方式早期采用的實現(xiàn)方法，也是利用模擬調(diào)頻法實現(xiàn)數(shù)字調(diào)頻的方法。對2fsk信號產(chǎn)生的另一方法是采用鍵控法，即利用受矩形脈沖序列控制的開關電路對兩個不同的獨立頻率源進行選通4。二進制移頻鍵控信號的解調(diào)方法很多，有模擬鑒頻法和數(shù)字檢測法，有非相干解調(diào)方法也有相干解調(diào)方法。其解調(diào)原理是將二進制移頻鍵控信號分解為上下兩路二進制振幅鍵控信號，分別進行解調(diào)，通過對上下兩路的抽樣值進行比較最終判決出輸出信號。 圖5-5二進制移頻鍵控信號解調(diào)器原理圖 (a) 非相干解調(diào); (b) 相干解調(diào)MSK信號屬于數(shù)字頻率調(diào)制信號，可以采用相干解調(diào)，也可以采用非相干解調(diào)方式

14、。由 = (2-5) 令， 則： (2-6)所以msk信號可以看成是由兩個彼此正交的載波和分別進行振幅調(diào)制而合成的。根據(jù)上面表達式的描述可構成一種MSK調(diào)制器由MSK信號的一般表示式可得 (2-7)因為 代入式可得 (2-8) 上式即為MSK信號的正交表示形式。其同相分量為 也稱為I支路。 其正交分量為 也稱為Q支路。Cos 和sin 稱為加權函數(shù)。Q支路信號先延遲Ts，經(jīng)sinct加權調(diào)制和正交載波sinct相乘輸出正交分量xQ(t)。xI(t)和xQ(t)相減就可得到已調(diào)MSK信號。 MSK信號屬于數(shù)字頻率調(diào)制信號，可以采用相干解調(diào)，也可以采用非相干解調(diào)方式。由于MSK信號調(diào)制指數(shù)較小，采

15、用一般鑒頻器方式進行解調(diào)誤碼率性能不太好，因此在對誤碼率有較高要求時大多采用相干解調(diào)方式。本設計模塊中采用一種相干解調(diào)的方式。已知： (2-9)把該信號進行正交解調(diào)可得到：Ik路 (2-10)=+Qk路 (2-11)=+我們需要的是、兩路信號，所以必須將其它頻率成份、通過低通濾波器濾除掉，然后對、采樣即可還原成、兩路信號。根據(jù)上面描述可構成MSK解調(diào)器.2.3 msk通信系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)原理框圖 到目前為止，已經(jīng)把整個設計做了詳盡的闡述了，接下來便只是需要把以上的幾個設計模匯總了，形成一個完整的原理圖。 介紹MSK調(diào)制的基本原理，研究MSK信號的特點及一種正交實現(xiàn)MSK信號的方法，并對這方法進行理

16、論的分析和仿真。 圖2-6 Msk通信系統(tǒng)調(diào)制原理圖 圖2-7 Msk通信系統(tǒng)解調(diào)原理圖第三章 仿真分析 打開matlab simulink啟動msk通信系統(tǒng)仿真框圖程序.首先觀察兩種系統(tǒng)調(diào)制信號波形： 圖3-1 Msk的傳輸數(shù)據(jù)和差分后的波形 圖3-1為MSK傳輸數(shù)據(jù)，和經(jīng)過差分變換后的數(shù)據(jù)波形。 圖3-2 I路Q路波形 下面我們再來分析一下，msk信號可以看成是由兩個彼此正交的載波和分別進行振幅調(diào)制而合成的。經(jīng)sinct加權調(diào)制和正交載波sinct相乘輸出正交分量xQ(t)。xI(t)和xQ(t)相減就可得到已調(diào)MSK信號。 圖3-3 Msk的已調(diào)和加噪后的波形 通過上面的仿真結果，我們可

17、以看到通過信道后，信號上疊加了很大的噪聲，使信號產(chǎn)生了很大的畸變。從msk通信系統(tǒng)傳輸方針結果來看信號在傳輸過程中高低電平寬度基本一致，在誤碼上沒有很明顯的誤判現(xiàn)象，在接收端接收信號只是偶爾會出現(xiàn)毛刺。通過比較我們看出在衰落很嚴重和干擾的窄帶通信系統(tǒng)中使用msk調(diào)制解調(diào)的通信系統(tǒng)更具優(yōu)勢. 圖3-4 Msk解調(diào)后的波形和誤碼曲線從3-4中可看出，解調(diào)后的波形與傳輸?shù)臄?shù)據(jù)波形幾乎一致，MSK傳輸數(shù)據(jù)經(jīng)過調(diào)制后在進行加噪，模擬傳輸信道的噪聲干擾，然而在解調(diào)之后，MSK解調(diào)數(shù)據(jù)與傳輸數(shù)據(jù)間的誤差很小，可看出MSK調(diào)制的抗干擾性能確實很好。同時圖3-5的誤碼曲線也證明如此。 結論 通信系統(tǒng)性能評價主要

18、從：1.抗噪聲性能（從誤碼率體現(xiàn)）。2.調(diào)制信號頻帶寬度。3.信道特性變化的敏感性來衡量。MSK調(diào)制方式具有相位連續(xù)、包絡恒定、頻譜利用率高等優(yōu)點。在通信系統(tǒng)中低誤碼率的MSK調(diào)制解調(diào)器硬件方案一直為研究的熱點?？梢妋sk調(diào)制解調(diào)數(shù)字通信系統(tǒng)更適合應用于信道衰落嚴重的通信系統(tǒng)。通過實驗仿真我們可以設計出合理的系統(tǒng)參數(shù)。仿真技術作為一門綜合性科學，將隨著其相關領域技術的深入發(fā)展，繼續(xù)向縱深快速發(fā)展，同時將擴大其綜合應用的領域，發(fā)揮更大的作用。但是，作為一門綜合性技術學科，仿真技術還有許多理論及技術問題需要繼續(xù)進行深入的研究探討。我國應大力開展仿真技術的理論研究和技術應用研究，盡快縮短與先進發(fā)達國

19、家在技術上的差距。仿真技術的發(fā)展，必將推動我國科學技術水平的進一步提高。參考文獻 1張志勇等.精通matlab6.5J.北京:北京航空航天大學出版社,2003.3.3樊昌信,張甫詡、徐炳祥、吳成柯 .通信原理M .北京:國防工業(yè)出版社,2001.5.4王立寧,樂光新,詹菲等.MATLAB與通信仿真M .北京:人民郵電出版社, 1999 5 陳懷琛，吳大正，高西金 matlab 及在信息課程中的應用J北京：電子工業(yè)出版社,20066 樓天順、劉曉東、李博涵基于matlab7.x的系統(tǒng)分析與設計M.西安：西安電子科技大學出版社, 2005.5 7張肅文主編 .高頻電子線路M .北京：高等教育出版社

20、, 2004.11 8程佩青編著 .數(shù)字信號處理教程M .北京：清華大學出版社, 2006.3 9張輝、曹麗娜、王勇 編著 .通信原理輔導M 西安.西安電子科技大學出版社, 2004.11 10徐明遠 .MATLAB仿真在通信工程中的應用J. 西安. 西安電子科技大學出版社, 2005.6 11田麗華等.編碼理論J.西安 西安電子科技大學出版社, 2003.8附錄部分代碼：%MSK調(diào)制，解調(diào) clear all data_len = 30000; %碼元個數(shù) sample_number = 8;%采樣個數(shù) Rb = 24000; %碼元速率fc = 96000; %載波頻率 data = ra

21、nd_binary(data_len); %MSK基帶調(diào)制 signal_out,I_out,Q_out = mod_msk(data,data_len,sample_number,Rb); %中頻搬移 multi = fc/Rb; I_temp=interp(I_out,multi); Q_temp=interp(Q_out,multi);Fs=fc*sample_number; t=1/Fs:1/Fs:length(I_temp)*1/Fs; signal_i=I_temp.*cos(2*pi*fc*t); signal_q=Q_temp.*sin(2*pi*fc*t); signal_m

22、od=I_temp.*cos(2*pi*fc*t)-Q_temp.*sin(2*pi*fc*t); % signal_mod1=real(I_temp+j*Q_temp).*exp(j*2*pi*fc*t); %加噪聲 for SNR = 0:8 signal_mod1 = 0.01 * awgn(signal_mod,SNR); N=300; % 濾波器的階數(shù)為(N+1)? ? F=0,fc-1000,fc+1000,Fs/2*2/Fs; A=1,1,0,0; lpf=firls(N,F,A); amp_lpf,w=freqz(lpf); I_dem=signal_mod1.*cos(2*pi*fc*t)*2 .* cos(pi*t*Rb/2); I_dem