基于MATLAB的MSK系统的仿真研究毕业论文

1、基于 MATLAB的 MSK系统的仿真研究姓 名 牛爱专业通信工程学院信息工程学院学号1005140123指导教师 李春晖二 一三 年 三 月 二十五 日1. 绪论 1矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。1.1 概述 1 聞創沟燴鐺險爱氇谴净。1.2 数字调制方式的发展状况 1 残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。2 .MSK 理论研究 酽2 锕极額閉镇桧猪訣锥。2.1MSK 基本原理和特点 2 彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。2.1.1MSK 的基本原理 2 謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。2.1.2MSK 的特点 4 厦礴恳蹒骈時盡继價骚。2.2MSK 调制原理 4 茕桢广鳓鯡选块网羈泪。3. 基于 MATLAB 的 MSK 系统原理仿

2、真 5鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。3.1MSK 系统仿真模型 5 籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。3.2 仿真结果及相应的分析 6 預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。3.2.1 误码率分析 6 渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。3.2.2MSK 功率谱密度分析 7 铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。3.2.3MSK 系统眼图分析 7 擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。4 总结贓9 熱俣阃歲匱阊邺镓騷。5 参 考 文 献 10坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。基于 MATLAB的 MSK系统的仿真研究摘要： 当今社会已经步入了信息时代， 在各种信息技术中， 信息的传输和通信起着支撑作用。 对于信息 的传输， 数字通信已成为重要的手段。 信号的调制方式也由模拟方式持续广泛

3、地向数字方式转换， 于是， 数字调制就成了人们研究的重点， 常用的数字调制有： 移幅键控 (ASK) 调制、 移频键控 (FSK)调制和移相 键控 (PSK)调制。 最小移频键控 (MSK)是移频键控 (FSK)的一种改进型 ,MSK调制是一种性能比较优良的新 颖的数字调制， 它以独特的性能吸引着工程设计人员， 正在不断地被应用于各类通信系统中， 成为非线 性数字无线电通信系统使用的最有效的调制方式之一。 本文采用理论研究和实验分析相结合的方法， 系 统介绍 MSK调制解调原理及其特点， 并通过使用 Matlab 的 Simulink 仿真模块对其进行仿真， 同时简介 MSK调制解调的应用及研

4、究发展前景。 蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。关键词： MSK；MATLAB； Simulink; 仿真分析；调制解调；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 1 。 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 2 。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

5、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。 買鲷鴯譖昙膚遙闫撷 凄。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

6、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3 。綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。1.2 数字调制方式的发展状况 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 4 。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 5 ，系统中出现了个新问题：信道中同时存在着带限与非线

7、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6 。驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。2 MSK理论研究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。 猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。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 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 2 。

8、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。 锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。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）7(1)二进制 MSK信号的表达式可写为：SMSK t cos ct 2Ts t k 2Ts(k 1)Ts t k T s式中，k 称为附加相位函数； c 为载波角频率；

9、 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 構氽頑黉碩饨荠龈话骛。wc+ p c 2TSa=+1df k(t)= wc+ pakdt2Tsp2TSa1(2)可知当 ak 1 时，信号的频率为：当 ak 1 时，信号的频率为：fc 14Ts1f1 fc 41Ts由此可得频率之差为：f f212Ts1H= f Ts= x Ts=0.5 那么 MSK信号波形如图示： 2Ts 图 2-3 MSK 信号波形+信号和信号在一个码元期间恰好相差二分之一周，即相差

10、从图中可以看出，为了保持相位的连续，在t=kTs 时间内应有下式成立：輒峄陽檉簖疖網儂號泶。( ak 1 ak )( k 1)2(3)即：当 ak ak 1时，当ak ak 1时， k= k 1 ( k 1)； (4) 尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。若令 0 0，则 k 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

11、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。 识饒鎂錕缢灩筧嚌俨 淒。2.1.2 MSK 的特点MSK信号具有以下特点： 81)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 。 凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。( 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=

12、0.5 。 恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。(4) 信号频率偏移严格等于 1 。4Ts2.2 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 4 。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。 鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。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

13、可以采用延时判决相干解调的方法 2 。非相干 解调方法如图 2-4 所示，相干解调方法如图 2-5 所示。 硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。图 2-4 非相干解调方框图图 2-5 相干解调方框图3 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。 阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。3.1MSK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

14、3-1 所示的模型 8 ：氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。图 3-1 数字调制系统基本仿真框图MSK 仿真系统是数字调制系统的一种， 基本的构成可按图 3-1 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 3-2 所示： 釷鹆資贏車贖 孙滅獅赘。图 3-2 MSK 系统的 Simulink 仿真模型3.2 仿真结果及相应的分析3.2.1 误码率分析 在仿真过程中，必须观察各个环节的输入信号和输出信号波形，因此，必须在各个环 节加上示波器 (scop

15、e)以观察波形。输入调制信号的波形如图 3-3 所示，解调输出信号波形 如图 3-4 所示。 怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。图 3-3 输入调制信号图 3-4 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。 谚辞調担鈧谄动禪泻類。3.2.2MSK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 3-5 所示：图 3-5MSK 信号功率谱图MSK 的功率谱密度

16、很紧凑，它的第一个零点在 bT / 75 . 0 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。 嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。3.2.3MSK系统眼图分析经过仿真，在 Discrete-TimeEyeDiagramScope中得到 MSK 信号眼图如图 3-6 所示： 熒绐譏钲 鏌觶鷹緇機库。3-6 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

17、，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

18、 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 9。 鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。4. 总结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 10。纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。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。 颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。5. 参考文献1 傅祖芸，信息论基础理论与应用 .第二版 .北京：电子工业出版社， 2007 年.2 樊昌信，曹丽娜 .通信原理 .第六版 .北京：国防工业出版社， 2006 年 .3 （美）马格雷伯 .MA TLAB 原理与工程应用 .电子工业出版社， 2002 年.4 周廷显 .近代通信技术 M. 哈尔滨：哈