现代数字调制设计与仿真.doc

目 录1 数字通信的发展11.1 研究MSK数字通信系统的意义21.2 通信系统仿真的意义22 MSK 数字调制解调原理32.1 MSK信号的产生32.2 MSK信号调制解调方法62.3 MSK通信系统的性能82.3.1 MSK功率谱密度82.3.2 MSK抗噪声性能102.4 MSK通信系统调制解调原理框图113 MATLAB仿真设计123.1 Matlab（simulink）与通信系统的仿真123.2 MSK通信系统的MATLAB仿真133.2.1 总体设计方案133.2.2 MSK系统各模块在Matlab（Simulink）中的参数设置133.3设计结果及分析173.3.1 误码率分析173.3.2 眼图分析183.3.3 功率谱分析194 总结19参考文献20 现代数字调制设计与仿真1 数字通信的发展通信按照传统的理解就是信息的传输与交换,为了传递消息，各种消息需要转换成电信号，消息与电信号之间必须建立单一的对应关系，否则在接收端就无法复制出原来的消息。通常，消息被载荷到电信号的某一参量上，如果电信号的该参量携带着离散消息，则该参量必将是离散取值的。这样的信号就称为数字信号。如果电信号的参量连续取值，则称这样的信号为模拟信号。按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，可以相应地把通信系统分为两类：数字通信系统和模拟通信系统。自1844年5月24日莫尔斯在华盛顿和巴尔的摩之间发送世界上斯一份电报以来 ，电报通信已经经历了150多年。但是长期以来，由于电报通信不如电话通信方便，作为数字通信主要形式的电报却比1876年贝尔发明的电话发展缓慢。直到20世纪60年代已后，数字通信才日益兴旺起来，数字通信迅速发展的基本原因是它与模拟通信相比，更能适应对通信技术越来越高的要求。第一数字传输抗干扰能力强，尤其是在中中继时，数字信号可以再生而消除噪声的积累；第二，传输差错可以控制，从而改善了传输的质量；第三，便于使用现代数字信号处理技术来对数字信息进行处理；第四，数字信息易于做高保密性的加密处理；第五，数字通信可以综合传递各种消息，使通信系统功能增强。然而，数字通信的许多优点都是用比模拟通信占据更宽的带宽的系统频带而换来的。以电话为例，一路模拟电话只占据4khz的带宽，而一路传输质量相同的数字电话这可能要占用数十千赫兹的带宽。 在系统频带紧张的场合，数字通信这一缺点显得很突出，但是在系统频带富裕的场合，比如毫米波通信，光通信等场合，数字通信几乎成了唯一的选择。随着计算机技木和大规模集成技术的发展，数字通信在其发展过程中表现出了强大的生命力，它冲破了传统模拟通信方式的统治，逐步地发展、完善。可以预言：随着通信事业的发展，特别是各种宽带传输技术(例如光纤传输、数字微波等)、综合业务数字网(ISDN)的实用化，全数字化的通信方式必将逐步取代模拟通信方式而得到蓬勃发展。1.1 研究MSK数字通信系统的意义当今社会已经步入信息时代，在各种信息技术中信息的传输及通信起着支撑作用。而在频带资源日益紧张的今天，为了提高系统的容量（满足更多的用户）信道间隔已经是一减再减已经由最初的100khz减到了今天的12.5khz甚至更小。数字通信系统因其组网灵活，差错控制和保密性都比较容易，而且能够进入ISDN网所以通信系统已逐步由模拟制式向数字制式过渡，信号的调制方式也逐步由模拟方式持续、广泛地向数字方式转化，数字通信系统成为了信息的传输的一种重要手段。然而，一般的数字调制技术，如ASK、PSK和FSK因传输效率低和抗干扰能力差而无法满足移动通信的要求，为此，需要专门研究一些抗干扰性强、误码性能好、频谱利用率高的数字调制技术，尽可能地提高单位频谱内传输数据的比特率，以适用于移动通信窄带数据传输的要求。MSK因具有：（1）已调信号振幅是恒定的。（2）信号的频率偏移严格等于 ，相应的调制指数H=（f2-f1）ts =0.5。(3)以载波相位在一个码元期间内准确地线性变化pi/2；（4）在一个码元期间内，信号应包含四分子一载波周期的整数倍。(5)在码元转换时刻信号的相位是连续的，或者说，信号的波形没有突变。的特点使得msk通信系统抗干扰能力强适用于移动通信等窄带数据传输的要求。1.2 通信系统仿真的意义在设计新系统或者对原有的通信系统做出修改或者进行相关的研究时，通常要进行建模和仿真，通过仿真结果衡量方案的可行性，从中选择最合理的系统配置和参数设置，然后再应用于实际系统中。通过仿真，可以提高研究开发工作的效率，发现系统中潜在的问题，优化系统整体性能。与一般的仿真过程类似，在对通信系统实施仿真之前，首先需要研究通信系统的特性，通过归纳和抽象建立通信系统的仿真模型。通过对系统的仿真,可以不需要实际的硬件环境就可以分析系统的特点。人们能够通过仿真实验就可以了解MSK数字通信系统性能。这样大大的减少实验的开销，对科学技术的发展是很重要的。matrix公司的MATLAB软件是一套功能非常强大的工程技术数值运算和系统仿真软件。Msk通信系统的仿真设计主要就是使用MATLAB的Simulink工具箱进行仿真。本次课程设计的主要任务是对MSK数字通信系统进行MATLAB环境下的仿真。首先通过收集资料和学习来理解msk通信系统的工作原理，然后使用MATLAB软件对msk数字通信系统的调制解调以及传输进行仿真，通过仿真结果分析得出系统的性能和优势。目的就是让人们可以通过本次仿真就可以了解到MSK数字通信系统的特点。2 MSK 数字调制解调原理2.1 MSK信号的产生 频移键控是数字通信中用得较广的一 种形式，在衰落信道中传输数据时，它被广泛采用。Fsk信号是0符号对应载频1，而1符号对应于载频2（与1不同的另一载频）的已调波形，而且1与2之间的改变是瞬间完成的。基本调制方法有模拟调频法和键控法3.一般来说，键控法得到的调制信号的相位是不连续的（两载波频率相差为pi/2的整数倍时相位连续）。是一种非线性调制，因此研究它的频谱特性比较困难。 图1 二进制移频键控信号的时间波形MSK叫最小移频键控，它是移频键控（FSK）的一种改进型。这里“最小”指的是能以最小的调制指数（即0.5）获得正交信号，它能比PSK传送更高的比特速率。二进制MSK信号的表达式可写为：(1) 式中，k称为附加相位函数；c为载波角频率；Tk为第k个输入码元，s为码元宽度；a取值为1；k为第k个码元的相位常数，在时间kTst(k+1)Ts中保持不变，其作用是保证在t=kTs时刻信号相位连续。由 (2)可知当1时，信号的频率为：当1时，信号的频率为：由此可得频率之差为：H=Ts=x Ts=0.5那么MSK信号波形如图示：图2 MSK信号波形从图中可以看出，+信号和信号在一个码元期间恰好相差二分之一周，即相差为了保持相位的连续，在t=时间内应有下式成立：=（）（） (3) 即：当时，=；当时，=（）； (4) 若令0，则0或，此式说明本比特内的相位常数不仅与本比特区间的输入有关，还与前一个比特区间内的输入及相位常数有关。由附加相位函数k(t)的表示式可以看出，k(t)是一直线方程，其斜率为 截距为k。由于ak的取值为1，故是分段线性的相位函数。因此，MSK的整个相位路径是由间隔为Ts的一系列直线段所连成的折线。在任一个码元期间Ts，若ak=+1，则k(t)线性增加；若ak=-1， 则k(t)线性减小 。对于给定的输入信号序列ak，相应的附加相位函数k(t)的波形如图所示。对于各种可能的输入信号序列，k(t)的所有可能路径是一个从-2到+2的网格图。 图3 附加相位函数k(t)的波形图 图4 附加相位路径网格从以上分析总结得出，MSK信号具有以下特点： （1）MSK信号是恒定包络信号； （2）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化/2 ； （3） 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h=0.5。 (4)信号频率偏移严格等于 。 2.2 MSK信号调制解调方法二进制移频键控信号FSK很容易用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调频而获得。这正是频率键控通信方式早期采用的实现方法，也是利用模拟调频法实现数字调频的方法。对2FSK信号产生的另一方法是采用键控法，即利用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的独立频率源进行选通4。二进制移频键控信号的解调方法很多，有模拟鉴频法和数字检测法，有非相干解调方法也有相干解调方法。其解调原理是将二进制移频键控信号分解为上下两路二进制振幅键控信号，分别进行解调，通过对上下两路的抽样值进行比较最终判决出输出信号。图5二进制移频键控信号解调器原理图(a) 非相干解调; (b) 相干解调MSK信号属于数字频率调制信号，可以采用相干解调，也可以采用非相干解调方式。由= (5) 令， 则： (6)所以msk信号可以看成是由两个彼此正交的载波和分别进行振幅调制而合成的。根据上面表达式的描述可构成一种MSK调制器由MSK信号的一般表示式可得 (7)因为 代入式可得 (8) 上式即为MSK信号的正交表示形式。其同相分量为 也称为I支路。 其正交分量为 也称为Q支路。cos 和sin 称为加权函数。Q支路信号先延迟Ts，经sinct加权调制和正交载波sinct相乘输出正交分量xQ(t)。xI(t)和xQ(t)相减就可得到已调MSK信号。 MSK信号属于数字频率调制信号，可以采用相干解调，也可以采用非相干解调方式。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4。本设计模块中采用一种相干解调的方式。已知： (9)把该信号进行正交解调可得到：Ik路 (10)=+Qk路 (11)=+我们需要的是、两路信号，所以必须将其它频率成份、通过低通滤波器滤除掉，然后对、采样即可还原成、两路信号5。根据上面描述可构成MSK解调器.2.3 MSK通信系统的性能2.3.1 MSK功率谱密度 对相位不连续的二进制移频键控信号，可以看成由两个不同载波的二进制振幅键控信号的叠加，其中一个频率为f1，另一个频率为f2。因此，相位不连续的二进制移频键控信号的功率谱密度可以近似表示成两个不同载波的二进制振幅键控信号功率谱密度的叠加。根据二进制振幅键控信号的功率谱密度，我们可以得到二进制移频键控信号的功率谱密度P2FSK(f)为 (12)令概率P=1/2， 将二进制数字基带信号的功率谱密度公式代入式可得 (13)相位不连续的二进制移频键控信号的功率谱由离散谱和连续谱所组成 离散谱位于两个载频f1和f2处；连续谱由两个中心位于f1和f2处的双边谱叠加形成；若两个载波频差小于fs，则连续谱在fc处出现单峰；若载频差大于fs，则连续谱出现双峰。若以二进制移频键控信号功率谱第一个零点之间的频率间隔计算二进制移频键控信号的带宽，则该二进制移频键控信号的带宽B2FSK为 ： 其中fs=1/Ts。 图6相位不连续2FSK信号的功率谱示意图下面我们简要讨论一下MSK信号的功率谱。由可以得到msk 信号的功率谱密度 (14)与2PSK相比，MSK信号的功率谱更加紧凑，其第一个零点出现在0.75/Ts处，而2PSK的第一个零点出现在1/Ts处。这表明，MSK信号功率谱的主瓣所占的频带宽度比2PSK信号的窄；当(f-fc)时，MSK的功率谱衰减速率更为迅速。它要比2PSK的衰减速率快得多，因此对邻道的干扰也较小。因此msk信号抗干扰性能要优于2psk6。 图7 Msk与2psk信号的归一化功率谱2.3.2 MSK抗噪声性能数字通信系统中，信号的传输过程会受到各种干扰，从而影响对信号的恢复.通信系统的抗噪声性能是指系统克服加性噪声影响的能力。衡量数字通信系统抗噪声性能的重要指标是误码率. 分析二进制数字调制系统的抗噪声性能，得出误码率与信噪比之间的数学关系。在二进制数字调制系统抗噪声性能分析中，假设信道特性是恒参信道，在信号的频带范围内其具有理想矩形的传输特性(可取传输系数为K)。 噪声为等效加性高斯白噪声，其均值为零，方差为25。对2FSK信号解调同样可以采用同步检测法和包络检波法，下面分对同步检测法的系统性能进行分析。2FSK信号采用同步检测法时在码元时间宽度Ts区间，发送端产生的2FSK信号可表示为 (15)S(t)发送“1”符号是为u1(t), S(t)发送“0”符号是为u0(t).其中:式中，1和2分别为发送“1”符号和“0”符号的载波角频率，Ts为码元时间间隔。在(0, Ts)时间间隔，信道输出合成波形yi(t)为 (16)式中，ni(t)为加性高斯白噪声，其均值为零，方差为2。在图 a中，解调器采用两个带通滤波器来区分中心频率分别为1和2的信号。中心频率为1的带通滤波器只允许中心频率为1的信号频谱成分通过，而滤除中心频率为2的信号频谱成分；中心频率为2的带通滤波器只允许中心频率为2的信号频谱成分通过，而滤除中心频率为1的信号频谱成分。 Pe=在大信噪比条件下， (17)对于msk通信系统设信道特性为恒参信道，噪声为加斯白噪声，MSK解调器输入、信号与噪声的合波为： (18)式中 是均值为0，方差为 的窄带高斯噪声。经过相乘、低通滤波器滤波和抽样，在 时刻I支路的样值为 在 时刻Q支路的样值为： 式中 和 分别为 和 在取样时刻的 样本值。在I支路和Q支路数据等概率的情况下，支路的误码率为： (19)式中 为信噪比。经过交替门输出和差分译码后，总比特率为：2.4 MSK通信系统调制解调原理框图 到目前为止，已经把整个设计做了详尽的阐述了，接下来便只是需要把以上的几个设计模汇总了，形成一个完整的原理图6。 图8 MSK通信系统调制原理图3 MATLAB仿真设计3.1 Matlab（simulink）与通信系统的仿真在MATLAB通信工具箱中有SLMULINK仿真模块和MATLAB函数，形成一个运算函数和仿真模块的集合体，用来进行通信领域的研究、开发、系统设计和仿真。通信工具箱中的模块可供直接使用，并允许修改，使用起来十分方便，因而完全可以满足使用者设计和运算的需要。 MATLAB通信工具箱中的系统仿真，分为用SIMULINK模块框图进行仿真和用MATLAB函数进行的仿真两种。在用SIMULINK模块框图的仿真中，每个模块，在每个时间步长上执行一次，就是说，所有的模块在每个时间步长上同时执行。这种仿真被称为时间流的仿真。而在用MATLAB函数的仿真中，函数按照数据流的顺序依次执行，意味着所处理的数据，首先要经过一个运算阶段，然后再激活下一个阶段，这种仿真被称为数据流仿真。某些特定的应用会要求采用两种仿真方式中的一种，但无论是哪种，仿真的结果是相同而且很方便。近几年来，在学术界和工业领域，Simulink已经成为动态系统建模和仿真领域中应用最为广泛的软件之一。Simulink可以很方便地创建和维护一个完整地模块，评估不同地算法和结构，并验证系统的性能。由于Simulink是采用模块组合方式来建模，从而可以使得用户能够快速、准确地创建动态系统的计算机仿真模型，特别是对复杂的不确定非线性系统，更为方便。Simulink模型可以用来模拟线性和非线性、连续和离散或者两者的混合系统，也就是说它可以用来模拟几乎所有可能遇到动态系统。另外Simulink还提供一套图形动画的处理方法，使用户可以方便的观察到仿真的整个过程。Simulink没有单独的语言，但是它提供了S函数规则。所谓的S函数可以是一个M函数文件、FORTRAN程序、C或C+语言程序等,通过特殊的语法规则使之能够被Simulink模型或模块调用。S函数使Simulink更加充实、完备，具有更强的处理能力6。同Matlab一样，Simulink也不是封闭的,他允许用户可以很方便的定制自己的模块和模块库。同时Simulink也同样有比较完整的帮助系统，使用户可以随时找到对应模块的说明，便于应用。综上所述，Simulink就是一种开放性的，用来模拟线性或非线性的以及连续或离散的或者两者混合的动态系统的强有力的系统级仿真工具。目前，随着软件的升级换代，在软硬件的接口方面有了长足的进步，使用Simulink可以很方便地进行实时的信号控制和处理、信息通信以及DSP的处理。世界上许多知名的大公司已经使用Simulink作为他们产品设计和开发的强有力工具7.3.2 MSK通信系统的MATLAB仿真3.2.1 总体设计方案1. 对MSK数字通信系统调制解调原理进行分析研究并利用MATLAB软件建立仿真模型。2通过前面的研究理解，设置MATLAB软件建立的仿真模型里的信号源，调制单元，解调单元的参数。3运用MATLAB软件的仿真功能，得出msk数字通信系统各点的仿真波形图。4联系理论对各点波形图进行对比，得出结论。具体操作如下：信号源AWGN通道MSK调制MSK解调误码率分析、眼图和星座图 图 9 总体设计框架图3.2.2 MSK系统各模块在Matlab（Simulink）中的参数设置（1）伪随机序列产生器（Bernoulli Binary Generator）图10伪随机序列产生器该模块的设计主要是产生一组随机的0、1等概序列（第一行参数设为0.5）。Initial seed（初始种子）设置为23459，这是信道的基本参数，抽样时间（Sample time）设为0.1s。（2）MSK调制（MSK Modulato Baseband）图11 MSK的调制选择MSK调制模块接收的数据类型为Bit(位)型，因为输入的数据是0、1的序列。阶段性补偿（phase offset）设置为pi/4，这是MSK系统调制的基本参数，而抽样的值设为8。（3）AWGN通道（AWGN Channel）图12 AWGN通道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。Initial seed（初始种子）即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。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。(4)MSK解调（MSK Demodulator Baseband）图13 MSK解调选择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，而抽样的值与调制模块一样设为8。(5)误码率计算器（Error Rate Calculation）图14 误码率计算器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（computation mode）设置为整帧（entire frame）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8。（6）其他观察仪器 输入输出码元观察窗口（Scope） 眼图（Discrete-Time Eye Diagram Scope） 功率谱观察窗口（Spectrum Scope）以上观察窗口的参数设置均按照观察需要来进行设置。3.3设计结果及分析 根据设计原理及设计步骤用Matlab中的Simulink来设计此MSK系统，可以得到如下图所示的设计结果图15 总体设计图3.3.1 误码率分析 图16 输入调制信号（上）、解调后输出信号（下）总体设计图中的Display模块窗口显示的数值是该系统的误码率。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