MSK调制解调系统的设计

MSK调制解调系统的设计[摘要]最小频移键控(MSK)是恒定包络调制技术，它具有相位连续、频带利用率高的特点，是在无线通信领域中很有吸引力的数字调制方式，目前在短波、微波和卫星通信中均被采用。本文研究了最小频移键控系统调制与解调的工作原理，并给出了基于MATLAB软件环境下的程序仿真及simulink下系统的模块搭建实现两种方式的实现。运用m语言进行仿真，主要是依照MSK系统的工作原理绘制出流程图，最后写出程序进行仿真，并给出每一步骤的仿真结果图形。运用simulink进行系统的模块搭建，是将系统分为调制与解调两个子模块，再将这两个子模块连接成整体的MSK系统模块进行仿真。最后给出全系统的仿真运行结果及其分析研究结果。[关键字]MSK;Matlab;Simulink；调制解调SimulationofMSKModulationandDemodulationSystem[Abstract]MinimumShiftKeying(MSK)isaconstantenvelopemodulationtechniques,ithasacontinuousphase,highbandwidthefficiencycharacteristics,isveryattractiveinthefieldofwirelesscommunications,digitalmodulation,shortwave,microwaveandsatellitecommunicationsmediumwereused.Inthispaper,theworkingprincipleofminimumshiftkeyingmodulationanddemodulation,andgivestherealizationofprogramsimulationandsimulinksystemmoduleintheMATLABsoftwareenvironmenttobuildintwoways.Mlanguagesimulation,themaindrawaflowchartinaccordancewiththeMSKsystemworks,andfinallywritetheprogramsimulation,andgiveseachstepofthesimulationresultsgraphics.Usesimulinkmoduleofthesystemconstruction,thetwosub-modulesofthesystemisdividedintomodulationanddemodulation,andthentwosub-modulesconnectedintotheoverallMSKsystemmoduleforsimulation.Finally,thesimulationrunofthesystem-wideresultsandtheiranalysisresults.[Keywords]MSK;Matlab;Simulink;ModulationandDemodulation目录引言 TOC\o"1-5"\h\z1方案的论证与选择 3基于SystemView的设计 31.2基于Matlab的设计 31.3基于FPGA的设计 31.4方案选择 42MSK信号调制解调原理 5MSK的特点 5MSK的调制原理 5MSK的解调原理 10MSK的性能分析 113基于3基于Matlab的MSK调制解调系统的设计13Matlab中的m语言和Simulink简介 13运用m语言设计MSK调制解调系统 143.2.1运用m语言设计的流程图 143.2.2测试结果及分析 153.3运用Simulink设计MSK调制解调系统 18SimulinkMSK调制模块设计 18SimulinkMSK解调模块设计 193.3.3测试波形分析 21结束语 致谢 参考文献 附录A英文文献原文 28附录B英文文献译文 3849附录Cm程序49引言随着经济的发展，人们对通信系统的需求越来越来高。通信系统也由原来的单一对点传输。逐渐发展成大容量高速的网络通信体制。通信系统的增多，通信的频率资源就显得相对紧张，如何能在现有的频率资源的条件下实现大容量的通信是现在通信考虑的主要问题。根据通信系统的基点，人们在实践中相继研发出很多种通信的调制方式，主要有：振幅键控(ASK)、移频键控(FSK)、移相键控(PSK)等。从频谱的利用率上人们又研究出MSK、GMSK等频谱利用率较高的调制方式。在数字通信、网络、视频和图像处理领域，MSK已经成为高性能数字信号处理系统的关键元件。MSK是一种在无线移动通信中很有吸引力的数字调制方式，它具有以下两种主要的特点：1．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。谱密度随频率(远离信号带宽中心)倒数的四次幕而下降，而通常的离散相位FSK信号的谱密度却随频率倒数的平方下降。因此，MSK信号在带外产生的干扰非常小。这正是限带工作情况下所希望有的宝贵特点。2．信号包络是恒定的，系统可以使用廉价高效的非线性器件。无线通信技术的迅猛发展对数据传输速率、传输效率和频带利用率提出了更高的要求。选择高效可行的调制解调手段,对提高信号的有效性和可靠性起着至关重要的作用。因此具有频带利用率高,在相同误比特率下所需的信噪比比较低，电路结构比较简的MSK技术已经广泛应用到现代通信领域。调制是移动通信系统中提高通信质量的一项关键技术，调制是为了使信号特性与信道特性相匹配。现代移动通信系统大多数使用的是数字调制技术，这主要是由于数字通信网建网灵活，并且数字加密技术便于集成化。因此，通信系统都在由模拟方式向数字方式转换，这也是移动通信的发展趋势。但是，一般的数字调制技术，如振幅键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控(PSK)等都无法满足移动通信的要求。因此，寻找性能优越的高效调制方式以适应现代移动通信的要求，一直是重要的研究课题。MSK调制的出现，是为了获取更好的通信质量。当信道中存在非线性的问题和带宽限制时，幅度变化的数字信号通过信道会使己滤除的带外频率分量恢复，发生频谱扩展现象，同时还要满足频率资源限制的要求。因此，对己调信号有两点要求，一是要求包络恒定；二是具有最小功率谱占用率。因此，现代数字调制技术的发展方向是最小功率谱占有率的恒包络数字调制技术。现代数字调制技术的关键在于相位变化的连续性，从而减少频率占用。近年来新发展起来的技术主要分两大类：一是连续相位调制技术(CPFSK)，在码元转换期间无相位突变，如MSK,GMSK等；二是相关相移键控技术(COR—PSK)，利用部分响应技术，对传输数据先进行相位编码，再进行调相(或调频)。MSK是Doelz和Heald在他们的一项专利中提出的一种信号的调制方式。1972年，DeBuda认为MSK就是一种特殊的CPFSK调制方式，经过一段时间的发展，MSK被认为是正弦加权的OQPSK的形式。1977年，AmorosoandKivett通过一系列的变化把MSK简化成了SMSK。目前，MSK在实际的通信系统中已经得到了广泛的应用。例如，SMSK已应用在美国航空和宇宙航行局的高级通信卫星上，GMSK已经应用于欧洲GSM通信系统中。对MSK的功率谱进行仿真，从结果看,MSK调制方式并不适用于数字移动通信，需对其进行改进.由此，产生了高斯最小频移键控(GMSK)调制方式，从仿真结果来看，其性能大大改善.目前,GMSK调制方式广泛用于GSM，对不同参数的GMSK调制的功率谱进行仿真，可得到一种较好的GMSK调制方式，对GMSK在实际中的应用进行了有益的理论指导。最小移频键控(MSK)是移频键控(FSK)的一种改进型。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。MSK是对FSK信号作某种改进，使其相位始终保持连续不变的一种调制信号。MSK调制指数为0.5,包络恒定、相位连续、频带利用率高、功率谱紧凑，且频谱滚降快，产生带外干扰小．抗干扰性能好，因此在军用和民用通信领域中均获得了广泛的应用。用数字基带信号去控制可变分频器的分频比来改变输出载波频率，使输出信号频率发生变化的同时，相位保持连续，从而实现MSK调制。本次毕业设计采用MATLB的函数编程和Simulink两种方法对MSK调制解调系统进行设计，并通过测试分析MSK的调制解调原理以及MSK的基本特点。由于MSK为模拟信号，因此，需对正弦信号采样再经过数/模变换得到所需的MSK信号。通过利用数字基带信号去控制可变分频器的分频比来改变输出载波频率，使输出信号频率发生变化的同时，相位保持连续，从而实现MSK调制。1方案的论证与选择1.1基于SystemView的设计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。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，不用写代码即可完成各种系统的设计与仿真。利用SystemView，可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合系统和各种多速率系统，它可用于各种线性或非线性控制系统的设计和仿真。用户在进行系统设计时，只需从SystemView配置的图符库中调出有关图符，进行各个图符的参数设置和相互间的连线，即可进行仿真操作，给出分析结果。SystemView提供功能强大的分析计算器，以根据用户的需要对结果进行各种分析，对系统设计和修改十分有利。在系统设计和仿真分析方面，SystemView还提供了一个真实而灵活的窗口用以检查、分析系统波形。另外，分析窗中还带有一个功能强大的“接收计算器”，可以完成对仿真运行结果的各种运算、频谱分析、滤波。1.2基于Matlab的设计Matlab是一种使用简便的、特别适用于科学研究和工程计算的高级语言，与其他计算机语言相比。它的特点是简洁和智能化，具有极高的编程和调试效率。应用Matlab语言开发通信信号源模拟系统是高效实用的。基于Matlab语言的多功能通信信号源仿真系统主要由信号的输入模块，调制模块，源噪声模块，以及频谱分析等模块组成，不仅可以产生模拟调制数字载波调制两大类通信信号，还可以计算信号的特征参数，进行相应的时域和频域分析，并在给定信噪比的情况下仿真考虑噪声后总信号的时频信息。另外，亦从宏观上介绍了此通信信号源，给出了它的实际应用。应用Matlab语言开发的一个高效通信信号源模拟仿真系统在现代通信技术中是很有意义和实用价值的课题。Matlab(MatrixLaboratory)为美国Mathworks公司1983年首次推出的一套高性能的数值分析和计算软件，其功能不断扩充，版本不断升级，1992年推出划时代的4.0版，1993年推出了可以配合MicrosoftWindous使用的微机版，95年4.2版，97年5.0版，99年5.3版，5.X版无论是界面还是内容都有长足的进展，其帮助信息采用超文本格式和PDF格式，可以方便的浏览。至2001年6月推出6.1版，2002年6月推出6.5版，继而推出6.5.1版，2004年7月Matlab7和Simulink6.0被推出，目前的最新版本为7.1版。Matlab将矩阵运算、数值分析、图形处理、编程技术结合在一起，为用户提供了一个强有力的科学及工程问题的分析计算和程序设计工具，它还提供了专业水平的符号计算、文字处理、可视化建模仿真和实时控制等功能，是具有全部语言功能和特征的新一代软件开发平台。Matlab已发展成为适合众多学科，多种工作平台、功能强大的大型软件。在欧美等国家的高校，Matlab已成为线性代数、自动控制理论、数理统计、数字信号处理、时间序列分析、动态系统仿真等高级课程的基本教学工具。成为攻读学位的本科、硕士、博士生必须掌握的基本技能。在设计研究单位和工业开发部门，Matlab被广泛的应用于研究和解决各种具体问题。在中国，Matlab也已日益受到重视，短时间内就将盛行起来，因为无论哪个学科或工程领域都可以从Matlab中找到合适的功能。1.3基于FPGA的设计QuartusII是Altera公司提供的FPGA/CPLD开发集成环境，在QuartusII上可以完成设计输入、元件适配、时序仿真和功能仿真、编程下载整个流程，它提供了一种与结构无关的设计环境，是设计者能方便地进行设计输入、快速处理和器件编程。其时序仿真就是接近真实器件运行特性的仿真，仿真文件中已包含了器件硬件特性参数，因而，仿真精度高。但时序仿真的仿真文件必须来自针对具体器件的综合器和适配器。综合后所得的EDIF等网表文件通常作为FPGA适配器的输入文件，产生的仿真文件中包含了精确的硬件延迟信息。基于Simulink的MSK模型的仿真将模型文件转化为VHDL语言文件验证VHDL代码d.在FPGA器件中实现MSK信号要解决的关键问题：在MATLAB/simulink中将模型文件转化为VHDL语言文件在QuartusII中如何测试，调整MSK信号根据MSK信号的解调算法搭建模型并且仿真实现1.4方案选择本文基于软件仿真实现MSK系统调制解调，SystemView和Matlab这两个软件都能针对通信系统做出相应的模型，而基于FPGA的仿真一些模块需要通过编写VHDL语言实现一些模块，故实现比较麻烦。SystemView是基于Windows环境下运行的用于系统仿真分析的可视化软件工具，它功能模块使用(Token)描述程序。它软件的界面比较友好，图符和连续都是彩色的，视觉效果好，而且都可以根据个人喜好进行调整，工具栏的快捷键布局合理，其中图符库与模块版图在同一窗口内，这给操作带来了便利。相比之下，Simulink的界面设计偏向简洁，模块图都是黑色框图，连线也是单一黑色。Simulink的模块浏览器是独立的，但它的功能更强大。涉及额领域比SystemView广。简洁风格的好处在于：当仿真的系统偏大，模块较多时，视觉上不会觉得繁杂，有利于整个仿真系统的检查。而且Simulink的帮助文档的优点是无论在哪个模块哪个窗口点击帮助。立即出现的是相关模块、窗El的帮助。这对使用者，尤其足初学者是说相当方便的。因此，从帮助文档的易用性角度来看，Simulink相当出色。Simulink是包含在Matlab之中的仿真工具，而Matlab本身具有强大的编程仿真功能Simulink与Matlab、C/C++语青、DSP以及与硬件工作环境等都可以方便地实现。就此而言，SystemView与Simulink足无法比拟的。所以为了能更清楚地了解MSK系统，本文采用Matlab语言编程和Simulink实现MSK系统。2MSK信号调制解调原理MSK的特点MSK是数字调制技术的一种。数字调制是数字信号转换为与信道特性相匹配的波形的过程。调制过程就是输入数据控制(键控)载波的幅度、频率和相位。MSK属于恒包络数字调制技术。现代数字调制技术的研究，主要是围绕着充分的节省频谱和高效率地利用可用频带这个中心而展开的。随着通信容量的迅速增加，致使射频频谱非常拥挤，这就要求必须控制射频输出信号的频谱。但是由于现代通信系统中非线性器件的存在，引入了频谱扩展，抵消了发送端中频或基带滤波器对减小带外衰减所做的贡献。这是因为器件的非线性具有幅相转换(AM/PM)效应，会使己经滤除的带外份量几乎又都被恢复出来了。为了适应这类信道的特点，必须设法寻找一些新的调制方式，要求它所产生的己调信号，经过发端带限后，虽然仍旧通过非线性器件，但是，非线性器件输出信号只产生很小的频谱扩展。为了适应这类信道的特性，已调信号须有以下两个特点:包络恒定或包络起伏很小由于信道中具有非线性的输入输出特性，所以已调波包络不能起伏，即不能用包络来携带信息，需要采用频移键控(FSK)或相移键控(PSK)来传递信息。具有最小功率谱占用率已调波要具有快速高频滚降的频谱特性，要求旁瓣必须很小，这种信号经过带限滤波之后，只要让主瓣无失真通过，由于旁瓣功率很小，所以滤波器的输出信号(即非线性器件的输入信号)的包络起伏就会很小，大大减小了AM/PM效应，继而频谱扩展的现象也会随之而减小。由于已调波具有快速高频滚降的频谱特性，使信号能量大部分集中在一定的带宽内，因此提高了频带的利用率。根据这些要求，人们在实践中创造了各式各样的调制方式，我们称之为现代恒包络数字调制技术。现代数字调制技术的发展方向是最小功率谱占有率的恒包络数字调制技术。现代数字调制技术的关键在于相位变化的连续性。MSK(最小频移键控)是移频键控FSK的一种改进形式。在二进制FSK方式中载波频率随着调制信号“1”或“0”而变，其相位通常是不连续的。所谓MSK方式，就是FSK信号的相位始终保持连续变化的一种特殊方式。可以看成是调制指数为0.5的一种CPFSK信号。MSK是一种在无线移动通信中很有吸引力的数字调制方式，因为它有以下两种主要的特点：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。谱密度随频率(远离信号带宽中心)倒数的四次幕而下降，而通常的离散相位FSK信号的谱密度却随频率倒数的平方下降。因此，MSK信号在带外产生的干扰非常小。这正是限带工作情况下所希望有的宝贵特点。信号包络是恒定的，系统可以使用廉价高效的非线性器件。从相位路径的角度来看，MSK属于线性连续相位路径数字调制，是连续相位频移键控(CPFSK)的一种特殊情况，有时也叫做最小频移键控(MSK)。MSK的“最小(Minimum)”二字指的是这种调制方式能以最小的调制指数(h=0.5)获得正交的调制信号。MSK的调制原理最小移频键控又称快速移频键控(FFSK)。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;而“快速”指的是对于给定的频带，它能比PSK传送更高的比特速率。①二进制MSK信号的表达式可写为S(t)=cos(S(t)=cos(°t+

MSK c兀DIT<t<kTss2-1)或者S(t)=cos(°t+0(t))2-2)MSK c2-2)，(k-1)T<t<kT

式中W--载波角频率;cT--码元宽度；(在程序中用Tb来表示)s]里面的内容)D—第k个码元中的信息，其取值为±1;(在程序中对应]里面的内容)k9—第k个码元的相位常数，它在时间(k-1)T<t<kT中保持不变。k s s由式①可见，当Dk=+1时，信号的频率为(2-3)(2-3)当当D=-1时，信号的频率为k(2-4)由此可得频率间隔为12T(2-5)2=0-5(2-6)MSK信号与普通2FSK信号的差别在于:选择两个传信频率f1与(2-4)由此可得频率间隔为12T(2-5)2=0-5(2-6)MSK信号与普通2FSK信号的差别在于:选择两个传信频率f1与f0，使这两个频率的信号在一个码元期间的相位积累严格的相差180o。由图1.1MSK的波形可以看出，“+”信号与“-”信号在一个码元期间恰好相差二分之一周期。下面来说明MSK信号的频率间隔是如何确定的。若初始相位为零，则9取值为o或兀。由式(1)可推出其正交表达式为:k②MSK信号的频率间隔对于一般移频键控(2FSK)，两个信号波形具有以下的相关系数sin2兀 Tsin4兀fTP= 1 0s+2兀(J-J)T10(2-7)2(T+c2 0MSK是一种正交调制，其信号波形的相关系数等于零。因此，对于MSK信号来说，式(2-7)应为零，也就是上式右边两项均应为零。第一项等于零的条件是(2兀(f-f)T=k兀10s式中,)是载波频率。1(k=1,2,3,……)令等于其最小值1,则(2-8)这正是MSK信号所要求的频率间隔。第二项等于零的条件是4兀fT—n兀s(n=1,2,3, )，即(2-9)T(1)1(2-9)1=n-()一s4fc这说明，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倍数。由此可得相应地1n4T(N+m严为正整数；m=0丄2'3')s(2-10)1 /“这说明，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倍数。由此可得相应地1n4T(N+m严为正整数；m=0丄2'3')s(2-10)1 /“m+1, 1+TT=(N+4)Tss(2-11)(2-12)1c图2.1中的信号波形是N=1,m=3的特殊情况。相位常数申的选择应保证信号相位在码元转换时刻是连续的。根据这一要求,k导出以下的相位递归条件，或者称为相位约束条件，即由式(2-2)可以99 兀 9 ，当a—a时k k-1 k-1 ?2、 9 土(k-1)兀,当a丰a时k-1 k k-1(2-13)上式表明，MSK信号在第k个码元的相位常数不仅与当前的D有关，而且与前面的D及相k k-1位常数9有关。或者说，前后码元之间存在相关性。对于相干解调来说，申的起始参考值可以k-1假定为零，因此，从式(2-13)可以得到9 =0或兀(模2兀)k式(2-2)中的9(t)称为附加相位函数，它是MSK信号的总相位减去随时间线性增长的载波相位而得到的剩余相位。式(1-2)是一直线方程式，其斜率为，截距是9。另外，由于D的取k k2tks是分段线性的相位函数(以码元宽度1为段)。在任一个码元期间内，9(t)的变srkts兀 兀 兀化量总是—。当D=+1时，增大—；当D=-1时，减小—。2 k 2 k 2图2.1附加相位函数°C)及附加相位路径网络图2.1(a)是针对一特定数据序列画出的附加相位轨迹；图2.1(b)表示的是附加相位路径的网格图，它是附加相位函数由零开始可能经历的全部路径。表2.1中给出了申与D之间关系的一个例kk子。表2.1相位常数9与D的关系kkK1234561-1-11110-2兀-2兀-2兀9濮2兀)0000k因为cos®t+°Q=cos°C)cos®t-sin°(t)sin®t，所以mSK信号也可以看作是由两个彼此正交的载波cos®t与sin®t分别被函数cos°C)与sin°C)进行振幅调制而合成的。已知,r-kt+Dk=±1「k=0或兀(模,r-kt+Dk=±1「k=0或兀(模2"因而cos°C)=cos(- -)cos少2T(2-16)故MSK信号可表示为-sin°(t)=-Dsin(-)cos少k2T(2-17)S (t)=cos9cos(T)cos(®t)-Dcos9sin(T)sin(®t)(k-1)T<t<kTMSK k2T c kk2T cs2-18)cos(2T

s式中，等号右边的第一项是同相分量，也称为I分量；第二项是正交分量，也称为Q分量。耐称为加权函数(或称调制函数)。cos申是同相分量的等效数据,丿 k兀t)和sin(T2T-Dcos9 是正交分量的等效数据，它们都与原始输入数据有确定的关系。令 cos9 =kkk-Dcos申=Q，代入式(2-18)可得S(t)=MSKIcos(t)cos(Lt)+Qsin(t)sin(Lt) (k-1)T<t<kTk 2T c k 2T c s ss s(2-19)根据上式，可构成一种MSK调制器，其方框图如图2.2所示。图2.2MSK调制器的方框图MSK信号的产生步骤:•先对输入数据进行差分编码，这是收端相干载波解调的需要。•把差分编码器的输出用串/并变换器合成两路，并相互错开一个码元宽度T，得到I和S kQ。k用加权函数cos和sin分别对用加权函数cos和sin分别对I和Q进行加权。最后，对加权数据用正交载波cos最后，对加权数据用正交载波cos®t和sin®ct分别进行调制，并相加，相加之后的信c号通过低通滤波器后即可得到MSK信号。MSK的解调原理MSK信号的解调与FSK信号相似，可以采用相干解调，也可以采用非相干解调。图2.3给出了一种采用延时判决的相干解调原理方框图。关于相干解调的原理与2FSK信号时没有什么区别。这里，重点讨论延时判决法的原理。下面举例说明在（氏2氏）时间内判决出一个码元信息的基本原理。图2.3MSK信号相干解调原理方框图TOC\o"1-5"\h\z设（0,2T）时间内0，则MSK的eC）的变化规律可用图2.1表示，在t=2T时刻，eC），s S的可能相位为o、土兀。现如果把这时的接收信号cosLt+eC）］与相干载波cosbt+—1相乘，c c2_则相乘输出为cos[L+eC力cos(Lt+—)=c c 2(2-20)(2-21)cos[e(tcos[L+eC力cos(Lt+—)=c c 2(2-20)(2-21)2 2 c 2滤掉高频分量，可得vQ=cos[e(t)-—2]=sine(t)我们可知：如果v（t）经抽样判决后为正极性，则可断定数字信息不是“11”就是“10”，于是可判定第一个比特为“1”，而第二个比特等下一次再作决定。这里，利用了第二个码元提供的条件,所以判决的第一个码元所含信息的的正确性就有所提高。这就是延时判决法的基本含义。

输入MSK信号同时与两路的相应相干载波相乘，并分别进行积分判决。这里的积分判决是交替工作的，每次积分时间为2T。如果一积分在(2iT,2(i+1)T］进行，则另一积分在sssL(i-1)T,2(i+1)T］进行，两者相差T。sssMSK的性能分析①功率谱：MSK信号的时域表达式:S(t)=S(t)=cos(3t+kt+申)’MSK c2T ks(k-1)T<t<kTss2-22)MSK信号的功率谱密度可表示为S(3)=S(3)=32兀2TMSK scos(3-3c(2-23)兀2—4(3-3T)2I cs其归一化功率谱密度如图2.5所示。与2PSK相比较可以看出:•MSK信号的功率谱更加紧凑，并且它的第一个零点是在0.7$；处，而2PSK的第一个零点s是在1卩处。这表明MSK信号功率谱的主瓣所占的频带宽度比2PSK信号窄;在主瓣带宽之s夕卜，功率谱旁瓣的下降也更迅速。即MSK信号的功率主要包含在主瓣之内。因此，MSK信号比较适合在窄带信道中传输，对邻道的干扰也较小。•由于MSK信号占用带宽窄，故MSK信号的抗干扰性能要优于2PSK。这就是目前广泛采用MSK调制的原因。图2.5MSK与2PSK信号的归一化功率谱然而，在某些通信场合，如移动通信中，对信号带夕辐射功率的限制十分严格，要求对邻近信道的衰减达70dB〜80dB以上。因此，近来对MSK信号作些改进，如改进两正交支路的加权函数，称为“高斯最小频移键控”GMSK调制方法等。②误码率性能：2PSK信号和QPSK信号的误码率性能相同，因为可以把QPSK信号看作是两路正交的2PSK信号，在作相干接收时这两路信号是不相关的。0QPSK信号只是将这两路信号偏置了，所以其误比特率也和前两种信号的相同。现在的MSK信号是用极性相反的半个正(余)弦波形去调制两个正交的载波。因此，当用匹配滤波器分别接受每个正交分量，MSK信号的误比特率和2PSK,QPSK及0QPSK等的性能一样。但是，若把它当作FSK信号用相干解调法在每个码元持续时间Ts内解调，贝康性能将比2PSK信号的性能差3dBoMSK调制解调系统的Matlab仿真Matlab中Simulink及m语言的简单介绍在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⑹。同Matlab—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。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。构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。 Simulink与Matlab®紧密集成，可以直接访问Matlab大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。3.2运用m语言设计MSK调制解调系统3.2.1运用m语言设计的流程图3.2.2测试结果及分析产生随机输件设序流程图对输入的数据进行差分编码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，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朋tT 串并转换正交分量的等效数据Q示：原信号为3.2.2测试结果及分析产生随机输件设序流程图对输入的数据进行差分编码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，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朋tT 串并转换正交分量的等效数据Q示：原信号为｛1000011011｝，其中高电平用“1”表示，低电平J“0”表示:分编码后的波形，差分编码的规则是： —*从图3.1可以看出数字信号经差兀t T经进行串权00用¥用c(可以看出参考位进行加权利用上式，可以得到差分编码信号为｛00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3.2用正交载波sin°t进行调制用正交载波cos°t进行调制 c )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，变动兀相位。当两者相加后就构

加法器相加，并用低通滤波器滤波成了相位连续的MSK信号。即：S (t)=Icos(T")COS(°t)+QMSK k 2T cssin(k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”，它所携带的信号为｛1000011011｝,和原信号一致。稀疏的代表“0”。由其波形图可看出,下图所示为：加噪对信号有一定噪声的干扰。如下图加噪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，只剩性，可以将信号乘以性为高频载波，这样可以抵抗低频干扰，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丿得到的是幅值不是严格法致的加11和s22波形。想得到原波形，还需进行抽样判定。 I波形。即：MSK信号经过信道传输后，有噪声对信号造成影响。同时为了改善信号传输可靠在接受端再乘以该载波就可恢复原信号。羁3.4结束3.5下图3.6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150~350和-150~-350。低通参数为0~200和-200~0。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3.7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3.6

图3.7图3.8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3.83.3运用Simulink设计MSK调制解调系统SimulinkMSK调制模块在调制模块中运用随机序列产生调制信号，通过增益变化，改变原始信号的极性，由单极性变化为双极性。串并变换采用采样保持方法实现，后级电路采用正交调制法。最后将同相分量和正交叠加构成MSK信号。图3.9产生MSK信号的Simulink模型SimulinkMSK解调模块解调模块先利用相干载波解调方法再通过低通滤波器得出两路信号，然后通过抽样判决电路得出信号图3.10MSK信号过零比较解调的Simulink模型抽样判决类似过零比较电路。等效框图如下。图3.11抽样判决解调但通过仿真得出结果，是在波形上有一定的延迟，但解调信号值没错，可见过零比较可以作为一种可选的解调方式。SimulinkMSK模型参数设置（图号依据模型图中图号为准）RandomIntegerGeneror为随机序列产生模块，用来产生随机序列调制信号。采用二进制信号，米用频率为1ms。Gain为增益模块，改变原始信号的极性，由单极性变化为双极性。采用频率为1ms。Constant为生成一个常量值的模块。PulseGenerator为生成有规则的脉冲模块。Sum为加法器模块。Sample&Hold为采样模块。TransportDelay为定值的延迟模块。SineWave为波形产生模块。Product为乘法器模块。AnalogFilterDesign为滤波器设计模块。Switch为输入选择模块。Scope为示波器模块。MSK的仿真模型用I-Q正交形式实现了MSK信号的调制。受限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，并转换为｛-1,+1｝的序列，接着经过串/并转换为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两路分别经行正交幅度调制，最后两路信号相加，即得到MSK信号。仿真中随机｛0、1｝序列的发生周期为1ms。差分编码由一个异或模块和一个延迟模块组成。串/并转换由四个模块组成，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，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为采样的数据流，取消每一组的两个比特分别分配到I、Q两路。调制模块的最后部分是正交幅度调制部分，对于I路，前一个正弦波模块产生余弦波，而对于Q路，前一个正弦波模块产生正弦波，比仿真中的信号延迟了3Tb，所以在这两个正弦波模块中要各自增加3n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为2kHz。最后将两路信号相加得已调MSK信号。测试波形分析图3.12是经过串并变换之后形成的波形。即：同相信号和正交信号。当两个信号叠加一起的时候就形成了MSK信号。图3.12图3.13为加载波后的同相分量与正交分量。呈现一定的规律，但有一个特点就是相位存在突变。图3.13图3.14为调制信号与MSK信号，可以看出经过载波调制后的MSK信号，在频率变换上与FSK相似，但相位连续。这就是MSK的特点。图3.14图3.15为解调同相分量与解调正交分量，可以看出解调后波形经过低通滤波器呈现模拟状态，且幅值连续变换，故后级模块需要进行抽样判决，并且进行过零比较，如下图模块所示。图3.15经过滤波器的信号图3.16为抽样判决模块，脉冲信号由模块Pulsegenerator2产生，去对输入信号通过SampleandHold4进行采样，然后由开关电路模块Switch3，完成判决。这里说明一下，这里判决有点类似过零比较法，意思就是当采样输入大于等于零是判为1，其余判为0。根据实验仿真，这种判定结果错误码率最少。下面两图为采样（图3.17）和判决后的图（图3.18）。由于现实中加了噪声干扰，所以要进行抽样判决，才能得到原来的波形，如下图所示抽样信号图3.17和判决信号图3.18图3.17抽样信号图3.18判决信号下图为调制与解调信号，在比较的过程中由于整个系统存在延迟，故为了便于比较观察期间，在Scope前加一延迟模块，得到同步的波形，一目了然。有图可以看到调制和解调信号大致相当，由于模块中加了噪声，因此存在一定的错误。图3.19调制信号与解调信号的对比结束语2012年3月，我开始了我的毕业论文工作，到目前位置论文基本完成。从开始的茫然，到慢慢的进入状态，再到对思路逐渐的清晰，整个写作过程难以用语言来表达。历经了几个月的奋战，紧张而又充实的毕业设计终于落下了帷幕。[1]在实现MSK调制时，采用正交调制，其主要的难点在于串并变换模型的设计，在Simulink中采用采样电路，采样脉冲时间取决于随机序列的码元宽度。其中，随机信号产生信号不同，后级电路作相应的变化，例如Simulink随机序列产生的是单极性信号，后级电路就采用增益放大叠加常量的方法构建双极性信号。后面的调制方式两个软件实现的模型方式基本相同。在MSK解调时，难点有三个：对于信号的滤波，本次设计都是信号乘以载波和同相分量及正交分量的加权函数，然后再利用低通滤波器，滤除高频分量，就会得到一个在幅值范围和调制同相分量和解调分量类似的波形，是一曲线。因此合理的设计滤波器的性能，就关系到信号的解调性能，由于矩形函数的频率范围广，但其有一个特点就是，频率越高，其幅值越小对信号影响小，故主要的是载波的二倍频，设计滤波器时，其最大应低于载波的二倍频，最小大于信号码元宽度的倒数。[16]采样保持和判决电路，在Simulink中实现过程复杂，顺便说明一下，Simulink的解调方式可以称为过零检测法。[3]同样的最后一个难点和调制时相对应，并串变换也是解调的一个难点，其解决方法类似于调制，这里就不再赘述。致谢在论文完成之际，我要特别感谢我的指导老师XX老师的热情关怀和悉心指导。在我做毕业设计的整个过程中，XX老师倾注了大量的心血和汗水，无论是在论文的选题、构思和资料的收集方面，还是在论文的研究方法以及成文定稿方面，我都得到了XX老师悉心细致的教诲和无私的帮助，特别是她广博的学识、深厚的学术素养、严谨的治学精神和一丝不苟的工作作风使我很受感动，在此对XX老师表示我深深的谢意。在这期间我学习和掌握了使用MATLAB的工具箱Simulink对数字通信系统的仿真。回想起这期间的经历，感慨万千。毕业设计是对大学四年所学的知识的一次总结、一次检验。同时也是锻炼和进一步提高自己自学能力的一次宝贵机会。在论文的写作过程中，也得到了许多同学的宝贵建议，同时还得到许多在设计过程中许多同学的支持和帮助，在此一并致以诚挚的谢意。感谢所有关心、支持、帮助过我的良师益友。参考文献郭梯云，杨家玮,李建东编著.数字移动通信系统[M].人民邮电出版社,2006,40-100.黄葆华，杨晓静,牟华坤编著.通信原理[M].西安电子科技大学出版社.2004,100-156./r