基于SystemView的多进制数字调制仿真(MSK).doc

四川师范大学现代通信系统实验四川师范大学现代通信系统实验 基于基于 systemviewsystemview 的多进制数字调制的多进制数字调制 仿真（仿真（mskmsk） 学生姓名学生姓名 学学 号号 所在学院所在学院通信工程学院通信工程学院 专业名称专业名称通信工程通信工程 班班 级级20122012 级宽带级宽带 1 1 班班 指导教师指导教师 成成 绩绩 四川师范大学四川师范大学 二二一五年六月一五年六月 四川师范大学成都学院课程设计报告 i 目 录 1 systemview 仿真系统简介 .1 1.1 systemview 仿真系统概述 .1 1.2 systemview 仿真系统的特点 .1 1.3 systemview 仿真系统设计、分析窗口 .1 2 msk 的原理 5 2.1 msk 信号 5 2.2 msk 的调制原理 9 2.3 msk 的解调原理 .10 3 msk 调制与解调仿真电路 11 3.1 msk 信号的调制 .11 3.2 msk 信号的解调 .13 附 录15 附录 1：基带信号波形 .15 附录 2: msk 调制信号15 附录 3：msk 解调波形15 四川师范大学成都学院课程设计报告 1 基于基于 systemviewsystemview 的多进制数字调制仿真（的多进制数字调制仿真（mskmsk） 1 1 systemviewsystemview 仿真系统简介仿真系统简介 1.1 systemview 仿真系统概述 systemview 是美国 elanix 公司推出的，基于 windows 环境的用于系统仿 真分析的可视化软件工具。它界面友好，使用方便，为用户提供了一个嵌入式 的分析引擎。使用它，用户可以用图符（token）去描述自己的系统，无需与复 杂的程序语言打交道，不用花费大量的时间和精力通过编程来建立系统仿真模 型。 1.2 systemview 仿真系统的特点 能仿真大量的应用系统 快速方便的动态设计与仿真 在报告中方便地加入 systemview 的结论 提供基于组织结构图方式的设计 多速率系统和并行系统 完备的滤波器和线性系统设计 先进的信号分析和数据块处理 提供了一个真实而灵活的窗口 可扩展性 完善的自我诊断功能 1.3 systemview 仿真系统设计、分析窗口 system view 包括两个主要的工作环境：设计窗口和分析窗口。 其中设计窗口用于完成系统的设计，为用户提供了图形化的便捷设计编辑 环境，是 systemview 最主要的工作环境之一。设计窗口如图 1-1 所示： 四川师范大学成都学院课程设计报告 2 图图 1-11-1 设计窗口设计窗口 它包括标题栏、菜单栏、工具栏、滚动条、提示栏、图符库和设计窗工作 区。 其中，设计窗工作区用于设置、连接各种图符以创建系统，进行系统仿真等操 作；提示栏用于调整当前的工作区域；当鼠标器位于功能图符上时该图符的具 体参数就会自动弹出显示。 systemview 系统是一个离散时间系统，首先要对信号进行采样，然后对各 个采样点的值进行分析计算，最后输出时，在分析窗口内，按要求画出各个点 的值或模拟曲线。所以在仿真前必须对采样起始/终止时间、采样频率、采样间 隔和采样点数进行设置。如果设置不合理，仿真运行后的结果往往不能令人满 意，甚至根本得不到预期的结果。单击工具栏中的系统定时按钮可以进入系统 定时设定窗口。 四川师范大学成都学院课程设计报告 3 图图 1-21-2 系统定时设定窗口系统定时设定窗口 一般为了获得较好的仿真波形，系统的采样率不能低于系统信号最高频率 的 4 倍。当达到 10 倍时，仿真波形就几乎没有失真了。采样点数是由系统的运 行时间和采样率共同决定的，他们的关系如下： 采样点数=（终止时间起始时间） 采样率+1 （1- 1） 这个等式中几个变量是相互联系的，修改其中一个或两个后系统会自动修改其 它参数。 分析窗口是观察系统仿真结果数据的基本载体，利用它可以观察某一系统 仿真的结果进行的各种分析。在分析窗口 中单击（分析窗口）按钮，即 可激活分析窗口。如图 2.3 所示。在窗口界面中，有多种选项可以增强显示的 灵活性和系统的用途等功能。 四川师范大学成都学院课程设计报告 4 图图 1-31-3 分析窗口分析窗口 这些功能可以通过单击分析窗口工具栏上的快捷键按钮或下拉菜单来激活。 分析窗口包括标题栏、菜单栏、工具栏、滚动条、活动图形和提示信息栏。其 中工具栏右侧的提示信息栏提供和图形窗口相关的信息，当鼠标位于图形窗口 显示区时该处显示坐标信息。颜色列表提示用于显示活动图形窗口各种不同颜 色的线条代表的意义。 分析窗口的一个重要特点是能够帮助用户获得各种输出数据的时域和频域 参数，并对其进行分析、处理、比较，或进行进一步组合运算，而接收计算器 就是完成这些工作的必要工具。在分析窗口下面的提示栏中按键就可以进 入接收计算器。利用接收计算器可以绘制信号的频谱、功率谱、眼图，将多个 图形置于同一坐标中进行比较等等。接收计算器是信号分析的强大工具。主要 有 11 种运算，包括 operators(操作)、arithmetic(算术运算)、algebraic(代 数运算)、corr/conv(相关与卷积)、complex(综合 ftt)、spectrum(频谱分析)、 style(式样显示)、scale(比例尺)、data(摘取数据)、custom(自定义计算)、 comm(常用调制 ber)，这些操作和运算都是以选定的活动窗口中显示的数据为 基础进行运算的，从而得到一个新的活动窗口。 四川师范大学成都学院课程设计报告 5 2 2 mskmsk 的原理的原理 msk(minimum frequency shift keying)是二进制连续相位 fsk 的一种特 殊形式。msk 称为最小移频键控，有时也称为快速移频键控（ffsk） 。所谓“最 小”是指这种调制方式能以最小的调制指数（0.5）获得正交信号；而“快速” 是指在给定同样的频带内，msk 能比 2psk 的传输速率更高，且在带外的频谱分 量要比 2psk 衰减的快。 2.1 msk 信号 msk 是恒定包络连续相位频率调制，其信号的表示式为 (2-1) cos 2 k mskck s a sttt t 其中 , =0,1,令1 ss kttkt k , (2-2) 2 k kk s a tt t 1 ss kttkt 则式（2-1）可表示为 (2-3) cos mskck sttt 式中，称为附加相位函数；为载波角频率；为码元宽度；为第 k t c s t k a 个输入码元，取值为；为第个码元的相位常数，在时间k k k 中保持不变，其作用是保证在时刻信号相位连续。1 ss kttkt s tkt （2- 2 k kck s a ttt t 4） 则 （2- 2 k k c s dta dtt 5） 由式（2-5）可以看出，msk 信号的两个频率分别为 四川师范大学成都学院课程设计报告 6 (2-6) 1 1 4 c s ff t (2-7) 2 1 4 c s ff t 中心频率应选为 c f =1,2, (2-8) 4 c s n f t n 式（2-8）表明，msk 信号在每一码元周期内必须包含四分之一载波周期的整数 倍。还可以表示为 （n 为正整数；m=0，1，2，3， ） （2- c f 1 4 c s m fn t 9） 相应地 msk 信号的两个频率可表示为 (2-10) 1 111 44 c ss m ffn tt (2-11) 2 111 44 c ss m ffn tt 由此可得频率间隔为 (2-12) 21 1 2 s fff t msk 信号的调制指数为 (2-13) 11 0.5 22 ss s hftt t 当取 n=1，m=0 时，msk 信号的时间波形如图 2-1 所示 四川师范大学成都学院课程设计报告 7 图图 2-12-1 mskmsk 信号的时间波形信号的时间波形 对第个码元的相位常数的选择应保证 msk 信号相位在码元转换时刻是k k 连续的。根据这一要求，由式（2-2）可以得到相位约束条件为： （2- 11 1 2 kkkk aak 14） 式中，若取的初始参考值，则 k 0 0 （模）=0，1，2， （2-0 k 或2k 15） 上式即反映了 msk 信号前后码元区间的相位约束关系，这表明了 msk 信号在第 个码元的相位常数不仅与当前码元的取值有关，而且还与前一码元的取值及k 相位常数有关。 由附加相位函数的表示式（2-2）可以看出，是一直线方程，其 k t k t 斜率为，截距为。由于的取值为，故是分段线形的相位函数。 2 k s a t t k k 2 k s a t t 因此，msk 的整个相位路径是由间隔为的一系列直线段所连成的折线。在任 s t 一个码元期间 ，若，则线性增加；若，则线性 s t1 k a k t 2 1 k a k t 减少。对于给定的输入信号 序列，相应的附加相位函数的波形如 2 k a k t 图 2-2 所示。 四川师范大学成都学院课程设计报告 8 图图 2-22-2 附加相位函数附加相位函数的波形图的波形图 k t 对于各种可能的输入信号序列，的所有可能路径如图 2-3 所示，它是 k t 一个从到的网格图。22 图图 2-32-3 mskmsk 的相位网格图的相位网格图 从以上分析总结得出，msk 信号具有以下特点： msk 信号是恒定包络信号 在码元转换时刻，信号的相位是连续的，以载波相位为基准的信号相位 在一个码元期间内线性地变换 2 在一个码元期间内，信号应包括四分之一载波周期的整数倍，信号的频 率偏移等于，相应的调制指数 1 4 s t 0.5h 下面简要讨论一下 msk 信号的功率谱。对于由式（1.1-1）定义的 msk 信号， 其单边功率谱密度可表示为 四川师范大学成都学院课程设计报告 9 （2- 16） 根据（2-16）画出 msk 信号的功率谱如图 2-4 所示。为了便于比较，图中 还画出了 2psk 信号的功率谱。 图图 2-42-4 mskmsk 信号的归一化功率谱信号的归一化功率谱 由图 d 可以看出，与 2psk 相比，msk 信号的功率谱更加紧凑，其第一个零 点出现在处，而 2psk 的第一个零点出现在处。这表明， msk 信号0.75 s t1 s t 功率谱的主瓣所占的频带宽度比 2psk 信号的窄；当时，msk 的功 c ff 率谱以的速率衰减，它要比 2psk 的衰减速率快得多，因此对邻道的 4 c ff 干扰也较小。 2.2 msk 的调制原理 由 msk 信号的一般表示式（2-3）可得 (2-17) coscoscossinsin mskckkckc sttttttt 因为代入(2-17)可得 2 k kk s a tt t 四川师范大学成都学院课程设计报告 10 coscoscoscossinsin 22 mskkckkc ss tt sttat tt (2-18) coscossinsin 22 kckc ss tt ittqtt tt 上式即为 msk 信号的正交表示形式。其同相分量为 (2-19) coscoscos 2 ikc s t xtt t 也成为 i 支路。其正交分量为 (2-20) cossinsin 2 qkkc s t xtat t 也成为 q 支路。 称为加权函数。cos 2 s t t sin 2 s t t 由式（2-18）可以画出 msk 信号调制器原理图如图 2-5 所示。图中，输入 二进制数据序列经过差分编码和串/并变换后，i 支路信号经加权调制cos 2 s t t 和同相载波相乘输出同相分量。q 支路信号先延迟，经cos ct i xt s t 加权调制和正交载波相乘输出正交分量。和相sin 2 s t t sin ct q xt i xt q xt 减就可得到已调 msk 信号。 图图 2-52-5 mskmsk 信号调制器原理图信号调制器原理图 2.3 msk 的解调原理 msk 信号属于数字频率调制信号，因此可以采取一般鉴频方式进行解调， 四川师范大学成都学院课程设计报告 11 其原理图如图 2-6 所示。鉴频器解调方式结构简单，容易实现。 输入输出 图图 2-62-6 mskmsk 鉴频器解调原理图鉴频器解调原理图 由于 msk 信号调制指数较小，采用一般鉴频器方式进行解调误码率性能不 太好，因此在对误码率有较高要求时大多采用相干解调方式。图 2-7 是 msk 信 号相干解调器原理图，其由相干载波提取和相干解调两部分组成。 图图 2-72-7 mskmsk 信号相干解调器原理图信号相干解调器原理图 3 3 mskmsk 调制与解调仿真电路调制与解调仿真电路 3.1 msk 信号的调制 第二章中已经介绍了 msk 系统的组成、原理等。输入的二进制数据序列经 过查分编码和串/ 并变换，变成两路速率减半的序列，在经过加权函数输出同 相分量和正交分量，分别对两个正交的载波进行调制，相减即可得 i xt q xt 到需要的 msk 信号。原理图如图 2-5。 根据原理图建立的 msk 系统调制 systemview 模型如图 3-1 与图 3-2 所示。 bpf 鉴频 lpf 抽 样 判 决 四川师范大学成都学院课程设计报告 12 图图 3-13-1 差分编码器仿真图差分编码器仿真图 图图 3-23-2 mskmsk 调制仿真电路调制仿真电路 图 3-1 合成图 3-2 中的图符 9 差分编码器。这种波形不是用码元本身的电 平表示消息代码，而是用相邻码元的电平的跳变和不便来表示消息代码。由于 差分波形是以相邻脉冲电平的相对变化来表示代码，因此称它为相对码波形。 用差分波形传送代码可以消除设备初始状态的影响，特别是在相位调制系统中 用于解决载波相位模糊问题。 各图符的设置如表 3-1 所示 表表 3-13-1 调制过程各图符参数调制过程各图符参数 图符 编 号 库/图符名称参 数 0meta i/o library meta in 1,5operator library/sampler hold ctrl threshold=0v, signal=t0 output 0, control=t3 output 0 四川师范大学成都学院课程设计报告 13 2,6operator library/delay delay=100e-3sec, output 0=delay t4, output 1=delay-dt 3,8source library/pulse train amp=1v,freq=5hz,pulsew=1e-3sec, offset=500e-3v,phase=0deg 9metasystemmeta out 10source library/pn seq amp=1v,offset=0v,rate=10hz,levels=2, phase=0deg 11,20sink library/ analysis input output 12,13 16,17 multiplier/non parametric inputs outputs 14,15source library /sinusoid amp=1v,freq=2.5hz 18operator library/delay delay=100e-3sec 19adderinputs,outputs 3.2 msk 信号的解调 本节将介绍 msk 信号的相干解调电路，原理框图见图 2-7。 根据原理图 systemview 的仿真电路图如图 3-3。 四川师范大学成都学院课程设计报告 14 图图 3-33-3 mskmsk 信号相干解调总仿真电路信号相干解调总仿真电路 由上侧进入两个相乘器的信号正是上一节中已调制的 msk 信号。 各图符的参数设置如表 3-2 所示： 表表 3-23-2 解调部分各图符参数解调部分各图符参数 图符 编 号 库/图符名称参 数 21,22comm library/intg- dmp amp=1v,freq=10hz amp=1v,freq=10hz 23,24 ,31 multiplier/