云南师范大学通信原理实验-12(MSK调制及解调)_

1、本科学生综合性实验报告云南师范大学教务处编印一、实验设计方案实验序号12实验名称MSK调制与解调实验时间2014年6月10日实验室同析3-1111实验目的1.1 认识Matlab/Simulink的基本功能。1.2 了解Simulink的基本图符库，并能做出MSK调制与解调的仿真。1.3 理解MSK信号的调制与解调原理。2实验原理、实验流程或装置示意图2.1 MSK调制与解调MSK信号是调制指数h为1/2的连续相位调制（CPFSK）.文献2给出了MSK信号的第n个码元的时间函数 （1）式中，二进制数码的取值为+1或-1；是载波频率；A是载波幅度；T是码元周期；是nT时刻的相位累积值。从式（1）

2、可以看到，MSK的调制可以通过两路正交的幅度调制载波信号相加来实现，其中两路正交载波分别是和，幅度都为A，调制在上的基带信号称为I路，调制在上的基带信号称为Q路。具体的MSK调制器和解调器实现框图（图1和图2）实现的依据就是上述的MSK调制和解调的等效I-Q正交x(t)MSK差分编码串/并变换延时Tb相乘相乘相乘相乘相加ak码a(t)bk码b(t)bQ(t)bI(t)图1 MSK信号的调制器原理框图取样判决取样判决并/串差分解码IQx(t)速率为时钟t=(2n+1)TbbI(t)t=(2n+2)TbbQ(t)a输出图2 MSK信号的解调器原理框图值得注意点是，串/并转换前后的信号应该符合如图(

3、3)所示的时间关系。本实验根据上述原理框图仿真MSK信号的调制与解调。b(t)bI(t)bQ(t)OOOb0b1b2b3b4b5b6b0b0b2b2b4b4b6b6b1b1b3b3b5b51234567ttt图3 串/并转换前后的信号时序关系2.2 实验方案设计本实验的仿真模型文件是msk.mdl，打开msk.mdl可以看到仿真模型分为两个主要部分：MSK调制和解调。1）MSK调制MSK调制的仿真模型结构如图4所示，该模型用I-Q正交形式实现了MSK信号的调制。首先由随机整数发生器产生随机的0,1序列，然后进行差分编码（为了有更多的连续信号），并转化为-1，+1的序列；接着经过串/并转换转化为

4、I、Q两路信号，其中Q路信号要经过额外的Tb时间的延迟；然后I、Q两路分别进行正交幅度调制，最后两路信号相加即得到MSK信号。仿真中随机0,1序列的发生周期是1ms，即Tb=1ms。图4 MSK调制仿真模型图2）MSK解调MSK信号的解调模型如图5所示，该模块采用相干解调的方式实现了MSK信号的解调，正确恢复出发送数据。首先，接收到已调MSK信号分别经过I路和Q路正交幅度解调；然后通过积分器，积分时间长度是2Tb,之后进行抽样判决；判决结果通过串/并转换和差分解码恢复出发送数据。图5 MSK解调仿真模型结构图3实验设备及材料3.1 Windows XP/Windows 73.2 Matlab

5、R2009a4实验方法步骤及注意事项4.1 打开matlab应用软件，如图6所示。4.2 在图6中右边的命令窗(Command Window)的光标处输入：simulink,回车。图6 Matlab界面4.3 在图6中，选择：FileNewModel新建文件，保存在matlab工作目录下，并取名 为msk.mdl。4.4 在Find命令行处输入：XOR Exclusive OR，就在窗口的右边找到了该仿真模块图标。用鼠标右键选择该模块，将其添加到创建的msk窗口中。4.5 用相同的方法创建帧状态转换模块（Frame Status Conversion）、选择输出模块（Selector）、传输延

6、时模块（Transport Delay）、脉冲序列发生器（Pulse Generator）、积分器（Intergrator）、关系符操作模块（Relational Operator）和矩阵合并模块（Matrix Concatenation）,观察每个设备的连接点，用鼠标左键把设备连接起来，如图4、图5所示。4.6 用鼠标点击“运行仿真模型按钮”即可运行msk.mdl,观察实验结果。4.7 注意： （1）MSK调制中关键的子模块差分编码由一个异或模块和一个延迟模块构成，如图7所示。图7 差分编码串/并转换由图8中的4个模块组成，其中缓存器模块（Buffer）将串行单比特数据流缓冲成两个比特一组，

7、缓存器模块的输出是基于帧的数据流；接着通过一个帧状态转换模块将基于帧的数据流转换位基于采样的数据流，取消每一组的两个比特之间的采样时间差异；最后通过两个选择模块将每一组的两个比特分别分配到I、Q两路。图8 串/并转换调制模型的最后部分是正交幅度调制部分，如图9所示。对于I路，前一个正弦波模块产生，而对于Q路，前一个正弦波模块产生。比较仿真中串/并转换模块的输出（包括Q路延迟Tb）和图1中的时序关系，可以看到仿真中的信号比图1中的信号延迟了3Tb,所以在这两个正弦波模块中要各自增加的相位延迟。I、Q两路的后一个正弦波模块产生载波信号，仿真中设定载波频率是2kHz。最后将I、Q两路信号相加得到已调

8、MSK信号。图9 正交调制（2）MSK解调的关键子模块积分器的模型结构如图（10）所示。积分前的延时模块将I、Q两路信号做适当的延迟，使I、Q两路的码元边界对齐2nTb(n为整数)时间点；脉冲发生器的作用是周期性地（在2nTb时间点上）产生积分器的复位脉冲；积分器在复位脉冲的控制下以2Tb为积分周期对码元进行时间积分。图10 积分器抽样判决的模型结构如图11所示。抽样模块的抽样时刻是2nTb，和积分器的复位时间相同，即积分器的输出在2nTb时刻发生跳变，为了防止抽样时信号发生跳变，在抽样判决前用延迟模块将信号做了微小的延迟；抽样采用了零阶抽样保持模块实现，而判决则采用了关系符操作模块实现，判决

9、的结果是0,1二进制序列。图11 抽样判决并/串转换模块由3个Simulink模块组成，如图12所示。矩阵合并模块将I路和Q路的数据流合并为矩阵数据流；帧状态转换器给矩阵中的两个元素赋予不同的时间意义，即将这两个元素视为对同一信号的相邻时刻的两次采样；最后通过解缓存模块将矩阵（并行）数据流转换为串行输出。图12 并/串转换5实验数据处理方法图像法6参考文献1樊昌信，曹丽娜通信原理M北京：国防工业出版社，2010，2412502 张孟喜，丁涛Matlab实用教程M北京：清华大学出版社，2005，1-3253 李永忠，徐静现代通信原理、技术与仿真M西安：西安电子科技大学出版社，2010，27828

10、64 姚俊，马聪辉Simulink建模与仿真M西安：西安电子科技大学出版社，2002，349409二、实验报告2对实验现象、实验结果的分析及其结论实验现象：运行msk.mdl，可以得到如下的仿真结果。如图13给出了已调MSK信号和原始发送数据（输入二进制序列）的比较，可以明显看出，数据0对应较低的频率，而数据1对应较高的频率，而且信号幅度恒定，相位保持连续。另外还可以比较输入二进制序列和解调后的输出二进制序列，除了一个延迟之外，两个序列是相同的。图13 输入二进制序列与输出MSK信号结论：Matlab强大之处在于它可以用编程语言绘制想要模拟的系统最终输出的图形，通过Matlab编程MSK系统，

11、可以得到各环节的图形，编写MSK系统的Matlab语言见附录，接下来就对程序运行后的图形进行分析说明。如下图14所示：原信号为1 0 0 0 0 1 1 0 1 1，其中高电平用“1”表示，低电平“0”表示。从图3.1可以看出数字信号经差分编码后的波形，差分编码的规则是:可以看出参考位为1，利用上式，可以得到差分编码信号为0 0 0 0 0 1 0 0 1 0。再经过串并转换得到同相信号和正交信号，这两路信号，每个码元宽度是串并变换之前信号宽度的2倍。图14 数字信号编码组图Figure4.2.1 Digital signal coding Photos图15 Icos(wct)cos(wt)

12、和Qsin(wct)sin(wt)这两路信号分别是同相分量和正交分量乘以载波后的波形，这两个波形在信号幅值变换时都有明显的波形相位变化，变动相位。当两者相加后就构成了相位连续的MSK信号。即： 第三个图就是MSK信号波形图，可以看出其相位连续，波形疏密和FSK相似。其中密集的代表“1”，稀疏的代表“0”。由其波形图可看出，它所携带的信号为1 0 0 0 0 1 1 0 1 1，和原信号一致。图15 I、Q和MSK信号Figure4.2.2 I, Q, and the MSK signal下图所示为：加噪对信号有一定的干扰，会影响信号的波形。即：MSK信号经过信道传输后，有噪声的干扰。如下图加噪

13、后再通过带通滤波器得到MSK信号dm，噪声频谱宽，信号只有一定的频谱，进过带通滤波器后，带外噪声被滤除，只剩带内的噪声对信号造成影响。同时为了改善信号传输可靠性，可以将信号乘以一高频载波，这样可以抵抗低频干扰，在接受端再乘以该载波就可恢复原信号。ds1波形和ds2波形分别乘以载波，由于载波频率比较高，可以通过低通滤波器滤除载波保留解调后的同相和正交分量。得到的是幅值不是严格一致的s11和s22波形。想得到原波形，还需进行抽样判定。图16 MSK处理过程组图1Figure4.2.3 The MSK Process Photos 1图16 MSK处理过程组图2Figure4.2.4 The MSK

14、 Process Photos 2下图17可以看出程序编写的带通滤波器和低通滤波器，带通参数为150350和-150-350。低通参数为0200和-2000。前两图为其的频谱图，可以看出，MSK具有最小功率谱占用率。sa和sb为还原出的同相分量和正交分量，由于存在噪声，与原来的有一定差别。从图17可以看出，调制和解调信号大致相当，由于程序中MSK信号是加了噪声的，故存在一定的错误，统过计算MSK错误概率为:2.0202%。图17 MSK处理过程组图3Figure4.2.5 The MSK Process Photos 3图18 解调信号与调制信号Figure4.2.6 Demodulated signal and the modulated signal图19看出MSK信号与FSK信号十分相似。但有其独特的特点，即：信号能量的99. 5%被限制在数据传输速率的1. 5倍的带宽内。信号包络是恒定的，系统可以使用廉价高效的非线性器件。其相位始终保持连续不变的一种调制信号。图19 数字信号