课程设计（论文）-MSK通信系统的仿真与分析.doc

msk通信系统的仿真与分析1 绪 论1.1 概述 20世纪50年代后期，随着计算机技术、微电子技术、传感技术，激光技术、 卫星通信和移动通信技术、航空航天技术等新技术的发展和应用，尤其近代以计算机为主体的互联网技术的兴起和发展，它们相互结合、相互促进，将人类社会推入到高度信息化时代 。通信的目的是传输含有信息的消息。消息有多种形式，话音、文字、数据、符号、图像等等都是消息 。原始的数据信号有两种基本形式，一种是模拟的，另一种是数字的。模拟数据信号是在某一数值范围内可以连续取值的信号。数字数据信号是只取有限个离散值的数字序列。由于数字数据更便于存储、处理和传输，而模拟数据经过取样、量化和编码，可以转换成数字数据。因此，模拟数据的传输只有在特定条件下才被使用，而数字数据的应用越来越多。信号的调制方式也由模拟方式持续广泛地向数字方式转换。 数字调制有三种基本形式:移幅键控法ask、移频键控法fsk、移相键控法 psk。在ask方式下，用载波的两种不同幅度来表示二进制的两种状态。ask方式容易受增益变化的影响，是一种低效的调制技术。在电话线路上，通常只能达到1200bps的速率。在fsk方式下，用载波频率附近的两种不同频率来表示二进制的两种状态。在电话线路上，使用fsk可以实现全双工操作，通常可达1200bps的速率。在psk方式下，用载波信号相位移动来表示数据。psk可以使用二相或多于二相的相移，利用这种技术可对传输速率起到加倍的作用。 在fsk调制解调器的使用范围较广，目前已经不完全局限在有线网络通信里。它已经延伸到无线电通信，生物医学，机械等领域。fsk调制解调器的设计的模型简单，设计方式也不仅仅建立在电器元件上，利用软件搭建模型也成为目前很常用的方法。但是在fsk方式中，相邻码元的频率不变或者跳变一个固定值，在两个相邻的频率跳变的码元之间，其相位通常是不连续的。如果对fsk信号做某种改进，使其相位始终保持连续，就产生了msk信号，msk是fsk的一种特殊情况 。msk调制后的波形在时域内具有恒定包络结构,在频域内频谱具有很小的旁瓣,主瓣宽度窄,带外辐射小的优点，并且在主瓣带宽之外功率谱旁瓣的下降也更加迅速，从而克服了一般fsk、psk、qam等调制方式具有相位突变而影响已调信号高频分量衰减的缺点。正是因为msk具有诸多的性能优势，所以它比较适合在窄带信道中传输，广泛应用于无线移动通信的数据传输中。1.2数字调制方式的发展状况数字信号调制技术是从最基本、最简单的二进制数字调制的2ask，2fsk， 2psk的基础上发展起来的。幅度键控信号的调制原理就是使载波的幅度随数字 基带信号的变化而变化；频率键控信号的调制原理就是使载波的频率随数字基带信号的变化而变化；相位键控信号的调制原理就是使载波的相位随数字基带信号的变化而变化。数字信号调制的分类如图1-1所示。图1-1 数字信号调制的分类众所周知，一个通信系统的质量，在很大程度上依赖于所采用的调制方式 。 调制是为了使信号特性与信道特性相匹配，因此调制方式的选择是由系统中的信道特性决定的。随着大容量下，远距离数字通信的发展，譬如卫星数字通信、数字微波接力通信、卫星广播通信的发展 ，系统中出现了个新问题：信道中同时存在着带限与非线性的特性。在这种信道条件下，传统的数字调制方式则面临着一场新的挑战。为适应这类信道的特性，迫使人们在传统的数字调制基础上，探索新的数字调制技术：恒包络数字调制技术 。约在1976年，从理论上和实践上比较完整的总结出了msk这种调制方式 。msk属于恒包络数字调制技术，现代数字调制技术的研究，主要是围绕着充分节省频谱和高效率地利用可用频带这个中心而展开的。msk具有包络恒定或包络起伏很小、最小功率谱占用率两个特点，因此受到广泛的研究和利用。 gmsk(高斯型最小频移键控)调制技术是从msk调制的基础上发展起来的一种数字调制方式 ，应高速无线数据业务的需求,当前通信常用的gprs（通用分组无线业务）是一种基于gmsk的技术，是构架在传统gsm网络之上的一种标准化的分组交换数据业务，可以提供高达115kbit每秒速率的分组数据业务，从而使得包括图片、话音和视频的多媒体业务在无线网络中的传输成为现实。gprs采用分组交换技术、在通信的过程中不需要建立和保持电路，符合数据通信突发性的特点，并且呼叫建立时间很短。gprs不再根据用户实际的数据流量来计费， 这样就允许用户始终在线，享受方便快捷的服务。因此，gprs被认为是第二代移动通信系统向第三代移动通信演进的重要一步。1.3 可行性分析 simulink是matlab中的一种可视化仿真工具， 是一种基于matlab的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(gui) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。simulink是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。2 msk通信系统 最小频移键控(msk)调制是恒包络调制方式的一种，能够产生包络恒定、相位连续的调制信号。其带宽窄，频谱主瓣能量集中，旁瓣滚降衰减快，频带利用率高，在现代通信中得到了较为广泛地应用。本课题主要是分析和研究msk信号的调制解调原理。数字通信系统的一般模型如图2-1所示。本章主要研究msk理论知识，首先介绍msk的基本原理及一般特点，然后分别就调制和解调原理分别进行详细分析。图2-1数字通信系统的一般模型2.1 msk基本原理和特点2.1.1 msk的基本原理msk是2fsk的改进，2fsk体制虽然性能优良、易于实现，并得到了广泛的应用，但它也有一些不足之处 。首先，它占用的频带宽度比2psk大，即频带利用率低；其次，若用开关法产生2fsk信号，则相邻码元波形的相位可能比连续，因此在通过带通特性的电路后由于通频带的限制，使得信号波形的包络产生较大起伏。为了克服这些缺点，将2fsk作相应的改进就发展出msk信号，其波形图如图2-2所示。 图2-2 msk信号波形示例msk有时叫做快速频移键控（ffsk），有时也叫做最小频移键控（msk） 。 msk信号的表达式可写为或者这里2.1.2 msk的特点1、恒定包络，允许用非线性幅度饱和器件放大。 2、连续相位，使得功率谱密度按f 速率降低。功率谱在主瓣以后衰减地 较快。msk信号的功率谱表示式为2.2 msk调制原理 msk具有两种调制方式，当把msk看作是oqpsk时，称作正交调制；而把msk看作是cpfsk调制时，叫做cpe调制，这是由于cpfsk也是cpm的一种，而cpm 可由连续相位编码（cpe）加无记忆信道（mm）的形式进行分解调制。所以称这种调制方式为cpe+mm调制。而本文只重点阐述正交调制。2.21 msk的正交表示2.2.2 msk的正交调制2.3 msk通信系统的性能指标 最小移频键控是相位连续的fsk的一个特例msk有称快速移频键控它的特点有以下几点：(1)msk信号是恒定包络的信号，适用于功率受限进行非线性放大的场合； (2)信号的频率偏移为af=l4tb，相应的调制指数为h=0.5； (3)在一个码元周期内，msk信号应包括14载波周期的整数倍； (4)以载波相位为基准的信号相位，在一个码元期间线性地变化； (5)在码元转换时刻，信号的波形没有突变，即信号的相位是连续的； (6) 1码和0码的波形正交，有利于构成最佳接收系统来降低误码率； (7) 频谱中高频分量少，衰减快，功率谱密度集中，频带利于率高。(8) 信号在第码元的相位不仅与当前码元有关，而且与前面的码元 及其相位有关4 基于matlab的msk系统原理仿真本章主要使用matlab及matlab中的simulink仿真模块对msk调制解调 系统进行仿真，并深入分析相关结果。4.1 msk系统仿真模型数字通信系统的仿真流程可以概括为：信号的产生与输出、编码与解码、调制与解调、滤波器以及传输介质的模型。根据simulink提供的仿真模块，数字调制系统的仿真可以简化成如图4-1所示的模型 ：msk仿真系统是数字调制系统的一种，基本的构成可按图4-1搭建相应模块。 simulink通信工具箱中提供了专门的msk调制和解调模块，利用simulink通信 工具箱中的msk调制解调模块及合适的信号源与信道即可。其simulink仿真模 型如图4-2所示：4.2 msk系统仿真中的参数设置（1）simulink通信工具箱中的comm sources/data sources提供了数字信号源bernoulli binary generator，这是一个按bernoulli分布提供随机二进制数字信号的通用信号发生器 。bernoulli binary generator的参数设置如图4-3所示。 图4-3 bernoulli binary generator的参数设置（2）msk调制器和解调器的参数设置如图4-4所示：图4-4 msk调制器和解调器的参数设置因为输入的数据是0、1序列，所以选择msk调制模块接收的数据类型bit(位) 型，阶段性补偿（phase offset）设置为pi/4，这是msk系统调制的基本参数， 而抽样的值（samples per symbol)设为8。选择msk解调模块输出的数据类型为bit(位)型，因为输入调制的数据是0、1的序列，解调后数据应与它为同一类型，阶段性补偿（phase offset）设置为0，这是msk系统解调的基本参数，而抽样的值（samples per symbol)与调制模块一样设为8。其中，各参数要满 足以下的关系： symbol period 1/(carrier frequency) input sample time 1/2*carrier frequency + 2/(symbol period) output sample time 1/2*carrier frequency + 2/(symbol period)（3）awgn通道参数设置如图4-5所示： 4-5 awgn通道参数设置本设计使用相对较简单的一个加性高斯白噪声信道作为噪声信道，它在二进制相位调制信号中叠加高斯白噪声。initialseed（初始种子）既可以是标量也可以是矢量，这个标量或矢量的长度要与信道匹配，这里的initial seed设置为54321。在设计中选择signal to noise ratio(es/no)模式，es/no(db)每符号信号功率与噪声功率谱密度比，用分贝表示，此值设置为60。input signal power 设为1w。symbol period 设为0.1。（4）error rate calculation的参数设置如图4-6所示。图4-6 error rate calculation的参数设置将误码率计算器 接收数据的延时设为16，计算延时（computation delay）设置为0，将计算模式（computationmode）设置为整帧（entireframe）模式。由于将误码率计算后的值显示出来以便观察，所以输出数据（output data）类型选择端口类型， 这样输出可以接一个显示器（display）显示当前的误码率值。4.3 仿真结果及对应分析4.3.1 误码率分析对比以上两图可以看出，msk信号波形的振幅非常稳定，相移较小，这与msk 信号的定义是相符的。另外，解调后的时域信号波形和源信号波形相比，除了有5个码元的延迟外，其信号波形与源信号波形是一致的，这说明msk调制性能较好。图4-10 仿真后的误码率显示图4-8解调输出信号对比以上两图可以看出，msk信号波形的振幅非常稳定，相移较小，这与msk 信号的定义是相符的。另外，解调后的时域信号波形和源信号波形相比，除了有 5个码元的延迟外，其信号波形与源信号波形是一致的，这说明msk调制性能较 好。误码率的计算器将在一定时间内收到的数字信号中发生差错的比特数与同 一时间所收到的数字信号的总比特数的比值通过显示窗口显示出来。误码率（ber：biterrorratio）是衡量数据在规定时间内数据传输精确性的指图4-10 仿真后的误码率显示标。图 4-10中的display显示的数值是该系统的误码率，其数值为0.4235，即误码率较小，可知经过msk调制解调后的信号与原信号相比无明显失真。4.3.2 msk功率谱密度分析通过正确仿真，可在spectrumscope中得到msk系统信号的功率谱如图4-11 所示：图4-11 msk信号功率谱图msk的功率谱密度很紧凑，它的第一个零点在0.75 / t 处，msk信号功率谱的主瓣所占的频带宽度窄，并且功率谱旁瓣的下降也很迅速，即msk信号功率谱主 要包含在主瓣内，因此，msk信号比较适合在窄带信道中传输，对相邻信道的干 扰较小。从上图可知，该系统的能量集中在510hz处，即频率较低处，这与msk信号的基本特征相一致。4.3.3 msk系统眼图分析经过仿真，在discrete-time eye diagram scope中得到msk信号眼图如图 4-12所示：4-12 msk信号眼图眼图是指通过示波器观察接收端的基带信号波形，从而估计和调整系统性能的一种方法。眼图的“眼睛”张开越大，且眼图越端正，表示码间串扰越小；反之越大。当存在噪声时，眼图的线迹变成比较模糊的带状的线，噪声越大，线条越粗，越模糊，“眼睛”张开得越小。总之，眼图可以定性反映码间串扰的大小和噪声的大小，还可以用来指示接收滤波器的调整，以减小码间串扰，优化系统的性能。在实际的通信系统中，数字信号经过非理想的传输系统必定要产生畸变，信号通过信道后，也会引入噪声和干扰，也就是说，总是在不同程度上存在码间干扰的。在码间干扰和噪声同时存在情况下，系统性能很难进行定量的分析，甚至得不到近似结果。为了便于实际评价系统的性能，可以通过眼图直观地估价系统的码间干扰和噪声的影响，是一种常用的测试手段。观察上图，可得此眼图中的“眼睛”还算是张开地比较大，线条也比较清晰，也就说此系统的码间串扰较小，噪声对其的影响也较小。4.3.4 msk系统星座图分析经过仿真，可在discrete-time scatter plot scope中得到msk系统星座 图如图4-13所示：图4-13 msk系统星座图在msk信号星座图中，1比特区间仅使用圆周的1/4，信号点必是轴上4个 点中任何一个，因此，相位必然连续。msk旁瓣降低得非常明显，即使不使用截止特性较好的带通滤波器，也能获得邻道干扰少的调制信号。对msk稍加改进就可以获得较少旁瓣的调制方式。由msk信号点配置图可知，调制时出现旁瓣是由于调制载波相位急剧变化所引起的。msk的相位变化是连续的，但相位变化速率（相位的一次微分）在比特变化点变成不连续。要使相位的一次微分连续，相位点必须以恒定速度旋转，若接近比特变化点，旋转速度就变慢，变化点处速度必须为0。通过discrete-time scatter plot scope 窗口可以观察到该msk系统调制的星座图如图4-13，msk星座图的特点在该图中都明显的表现出来，这进一步验证了该系统的正确性。结 论msk是fsk的一种特例。它是一种恒定包络的调制方式，msk信号功率谱密度相对集中，频带利用率高，频带较宽，信道有效性高，可靠性高，电路设计简单。而且其频带利用率低于qpsk，功率效率与qpsk相同，但其抗非线性的性能要优于qpsk,甚至优于/4-qpsk,它的带外辐射要比qpsk的带外辐射低。msk作为理论发展最成熟的调制方式之一，对其的研究仍然具有很重大的意 义，因此，我们选择了msk调制方式做仿真研究。仿真这几种理论已经很成熟的数字调制方式，一方面，可以更容易将仿真结果与成熟的理论进行比较，从而验 证仿真的合理性；另一方面，也可以以此为基础将仿真系统进行改进扩展，使其 成为仿真更多的数字调制方式的模板。 基于matlab simulink模块的数字调制信号仿真系统设计具有许多仿真系 统无法比拟的优点。该系统使用起来便利、简单、直观, 达到了系统仿真和动态 显示的设计效果。通过仿真结果分析，我们直观形象的看到了msk调制系统各环 节时域和频域的对比图及相关的特性。 首先从数字调制解调的众多方式中引出msk，进而研究msk的基本特点及调制解调原理，然后简要介绍 matlab及其使用matlab中simulink仿真模块进行仿真的相关方法和理论；最后使用matlab为工具，用simulink仿真模块对msk调制解调原理进仿真， 并进行必要的比较及深入分析。 通过本次课程设计得到的结论有： （1）msk信号是2fsk的改进，具有恒定包络，连续相位，频谱带宽窄等许多优 点。msk具有两种调制方式，即正交调制和cpe+mm调制。由于msk信号是一种 2fsk信号，所以它也像2fsk信号那样，可以采用相干解调或非相干解调方法， 除此之外，msk信号还可以采用延时判决相干解调的方法。 （2）matlab是一种跨平台的超高级语言，具有许多独特的特点和优势。simulink是matlab提供的动态仿真工具，用于对动态系统进行建模、仿真和分析的工具。 通过实验仿真深刻体会matlab语言的优势及使用simulink仿真的便利。 （3）在实验仿真分析阶段，结合实验结果对msk系统误码率、功率谱密度、系 统眼图、星座图进行分析后得到：msk的系统误码率较低，波形的振幅非常稳定，相移较小；系统的能量集中在510hz处，即频率较低处；系统眼图中的“眼睛”张开地比较大，线条也比较清晰，也就说此系统的码间串扰较小，噪声对其的影响也较小；在msk信号星座图中，1比特区间仅使用圆周的1/4，信号点必是轴上4个点中任何一个，因此，相位必然连续。致 谢作为对本科学习阶段的总结和检验，本文是在李翠华老师的直接指导下完成的。在本文的理论研究、实验仿真及撰写论文期间得到了很多老师和同学的 帮助，在这里我主要要感谢的是我的老师李翠华老师。在课程设计的整个过程中， 李老师在理论知识、工作任务、工作进度安排等方面给了我大量的指导和帮助，在此，我向李老师致以由衷的谢意！ 同时，我还要感谢帮助我的学院领导以及各位老师，从他们身上我不仅储备了理论知识，更学到了一丝不苟、严谨治学的科学态度。另外，还要感谢和我一起做课设的黄瑾，孙方圆同学，她们在课设中给予我很多的帮助和照顾。在这里，我对他