MSK調(diào)制解調(diào)器及同步性能的仿真分析解讀

1、重慶交通大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院課程設(shè)計報告題 目MSK調(diào)制解調(diào)器及同步性能的仿真分析專 業(yè)班 級學(xué) 號姓 名指導(dǎo)教師信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院二一四年九月1信息科學(xué)與工程學(xué)院通信工程專業(yè)方向課程設(shè)計通信工程專業(yè)課程設(shè)計成績鑒定表進行時間2013-2014學(xué)年下學(xué)期第1、2周成績鑒定學(xué)習內(nèi)容（20 分）與教學(xué)任務(wù)計劃結(jié)合程度（10分）與專業(yè)培養(yǎng)結(jié)合程度（5分）其它（5分）過程評價（20 分）實踐能力（10分）學(xué)習態(tài)度（5分）學(xué)習紀律（5分）報告鑒定（60 分）報告內(nèi)容與實踐過程緊密結(jié)合（15分）報告內(nèi)容與教學(xué)計劃內(nèi)容緊密結(jié)合（15分）報告質(zhì)量（主題、結(jié)構(gòu)、觀點、邏輯、資料、字數(shù)30分）指導(dǎo)教師姓名吳仕勛

2、職稱講師成績摘要最小頻移鍵控又稱快速頻移鍵控，他可以解決OQPsK調(diào)制方式不能解決包絡(luò)起伏的問題，從而能夠產(chǎn)生恒定包絡(luò)、相位連續(xù)的調(diào)制信號。最小頻移鍵控（MSK）是2FSK的改進調(diào)制方式，它具有波形連續(xù)，相位穩(wěn)定，帶寬最小并且嚴格正交的特點，其改進 型GMSK在無線通信GSM系統(tǒng)中得到了廣泛地應(yīng)用。之所以稱為最小頻移鍵控，是由 于其頻移指數(shù)=0.5,即他的兩個頻率差是最小的正交頻率差。本文研究了最小頻移鍵控 系統(tǒng)MSK調(diào)制與解調(diào)的工作原理，并給出了基于 Matlab軟件環(huán)境的仿真實現(xiàn)仿真運行 結(jié)果。關(guān)鍵詞：數(shù)字通信；調(diào)制；解調(diào)；系統(tǒng)仿真II信息科學(xué)與工程學(xué)院通信工程專業(yè)方向課程設(shè)計目錄摘要II

3、目錄III第1章緒論11.1數(shù)字通信的發(fā)展11.2課題背景及意義1第2章MSK調(diào)制解調(diào)原理32.1 MSK信號的產(chǎn)生 32.2 MSK信號調(diào)制解調(diào)方法 52.3 msk通信系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)原理框圖 7第三章仿真分析9結(jié)論12參考文獻13附錄14iii信息科學(xué)與工程學(xué)院通信工程專業(yè)方向課程設(shè)計第1章緒論1.1數(shù)字通信的發(fā)展通信按照傳統(tǒng)的理解就是信息的傳輸與交換，為了傳遞消息，各種消息需要轉(zhuǎn)換成電 信號，消息與電信號之間必須建立單一的對應(yīng)關(guān)系，否則在接收端就無法復(fù)制出原來的 消息。通常，消息被載荷到電信號的某一參量上，如果電信號的該參量攜帶著離散消息， 則該參量必將是離散取值的。這樣的信號就稱為數(shù)字信

4、號。如果電信號的參量連續(xù)取值， 則稱這樣的信號為模擬信號。按照信道中傳輸?shù)氖悄M信號還是數(shù)字信號，可以相應(yīng)地 把通信系統(tǒng)分為兩類：數(shù)字通信系統(tǒng)和模擬通信系統(tǒng)。自1844年5月24日莫爾斯在華盛頓和巴爾的摩之間發(fā)送世界上斯一份電報以來，電報通信已經(jīng)經(jīng)歷了 150多年。但是長期以來，由于電報通信不如電話通信方便，作為 數(shù)字通信主要形式的電報卻比1876年貝爾發(fā)明的電話發(fā)展緩慢。直到20世紀60年代已 后，數(shù)字通信才日益興旺起來，數(shù)字通信迅速發(fā)展的基本原因是它與模擬通信相比，更 能適應(yīng)對通信技術(shù)越來越高的要求。第一數(shù)字傳輸抗干擾能力強，尤其是在中繼時，數(shù) 字信號可以再生而消除噪聲的積累； 第二，傳輸

5、差錯可以控制，從而改善了傳輸?shù)馁|(zhì)量； 第三，便于使用現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)來對數(shù)字信息進行處理；第四，數(shù)字信息易于做 高保密性的加密處理；第五，數(shù)字通信可以綜合傳遞各種消息，使通信系統(tǒng)功能增強。然而，數(shù)字通信的許多優(yōu)點都是用比模擬通信占據(jù)更寬的帶寬的系統(tǒng)頻帶而換來的。 以電話為例，一路模擬電話只占據(jù)4khz的帶寬，而一路傳輸質(zhì)量相同的數(shù)字電話這可能 要占用數(shù)十千赫茲的帶寬。 在系統(tǒng)頻帶緊張的場合，數(shù)字通信這一缺點顯得很突出，但 是在系統(tǒng)頻帶富裕的場合，比如毫米波通信，光通信等場合，數(shù)字通信幾乎成了唯一的 選擇。隨著計算機技木和大規(guī)模集成技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字通信在其發(fā)展過程中表現(xiàn)出了強大 的生命力，它

6、沖破了傳統(tǒng)模擬通信方式的統(tǒng)治，逐步地發(fā)展、完善?？梢灶A(yù)言：隨著通 信事業(yè)的發(fā)展，特別是各種寬帶傳輸技術(shù)（例如光纖傳輸、數(shù)字微波等）、綜合業(yè)務(wù)數(shù)字 網(wǎng)（ISDN）的實用化，全數(shù)字化的通信方式必將逐步取代模擬通信方式而得到蓬勃發(fā)展1。1.2課題背景及意義當今社會已經(jīng)步入信息時代，在各種信息技術(shù)中信息的傳輸及通信起著支撐作用。 而在頻帶資源日益緊張的今天，為了提高系統(tǒng)的容量（滿足更多的用戶）信道間隔已經(jīng) 是一減再減已經(jīng)由最初的100khz減到了今天的12.5khz甚至更小。數(shù)字通信系統(tǒng)因其組 網(wǎng)靈活，差錯控制和保密性都比較容易，而且能夠進入ISDN網(wǎng)所以通信系統(tǒng)已逐步由模 擬制式向數(shù)字制式過渡，信號

7、的調(diào)制方式也逐步由模擬方式持續(xù)、廣泛地向數(shù)字方式轉(zhuǎn) 化，數(shù)字通信系統(tǒng)成為了信息的傳輸?shù)囊环N重要手段。然而，一般的數(shù)字調(diào)制技術(shù)，如 ASK PSK和FSK因傳輸效率低和抗干擾能力差而 無法滿足移動通信的要求，為此，需要專門研究一些抗干擾性強、誤碼性能好、頻譜利 用率高的數(shù)字調(diào)制技術(shù)，盡可能地提高單位頻譜內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)的比特率，以適用于移動通 信窄帶數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆SK因具有：（1）已調(diào)信號振幅是恒定的。（2）信號的頻率偏 移嚴格等于土 1/4TS，相應(yīng)的調(diào)制指數(shù) H=（ f2-f1）ts =0.5 。3以載波相位在一個碼 元期間內(nèi)準確地線性變化土 pi/2 ；（4）在一個碼元期間內(nèi)，信號應(yīng)包含四分

8、子一載波周 期的整數(shù)倍。（5）在碼元轉(zhuǎn)換時刻信號的相位是連續(xù)的，或者說，信號的波形沒有突變。 的特點使得msk通信系統(tǒng)抗干擾能力強適用于移動通信等窄帶數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆Ｔ谠O(shè)計新系統(tǒng)或者對原有的通信系統(tǒng)做出修改或者進行相關(guān)的研究時，通常要進行 建模和仿真，通過仿真結(jié)果衡量方案的可行性，從中選擇最合理的系統(tǒng)配置和參數(shù)設(shè)置， 然后再應(yīng)用于實際系統(tǒng)中。通過仿真，可以提高研究開發(fā)工作的效率，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中潛在 的問題，優(yōu)化系統(tǒng)整體性能。與一般的仿真過程類似，在對通信系統(tǒng)實施仿真之前，首 先需要研究通信系統(tǒng)的特性，通過歸納和抽象建立通信系統(tǒng)的仿真模型。通過對系統(tǒng)的 仿真,可以不需要實際的硬件環(huán)境就可以分析系統(tǒng)的

9、特點。人們能夠通過仿真實驗就可以了解msk數(shù)字通信系統(tǒng)性能。這樣大大的減少實驗的開銷，對科學(xué)技術(shù)的發(fā)展是很重要 的。matrix公司的matlab軟件是一套功能非常強大的工程技術(shù)數(shù)值運算和系統(tǒng)仿真軟 件。23第2章MSK調(diào)制解調(diào)原理2.1 MSK信號的產(chǎn)生頻移鍵控是數(shù)字通信中用得較廣的一種形式， 在衰落信道中傳輸數(shù)據(jù)時，它被廣泛 采用。Fsk信號是0符號對應(yīng)載頻3 1,而1符號對應(yīng)于載頻3 2（與3 1不同的另一載頻） 的已調(diào)波形，而且3 1與3 2之間的改變是瞬間完成的。基本調(diào)制方法有模擬調(diào)頻法和鍵 控法般來說，鍵控法得到的得到的調(diào)制信號的相位是不連續(xù)的（兩載波頻率相差為pi/2的整數(shù)倍時相

10、位連續(xù)）abcdefgaks(t)STT2F SK信號1 0 110 0 1t叫卅.丫 twm/wvww圖2-1二進制移頻鍵控信號的時間波形MSK叫最小移頻鍵控，它是移頻鍵控（FSK的一種改進型。這里“最小”指的是能以最 小的調(diào)制指數(shù)（即0.5 ）獲得正交信號，它能比PSK傳送更高的比特速率。SMSK t = cos二進制MSKB號的表達式可寫為：(2-1)(k - 1)Ts _ t _ k T s式中， k稱為附加相位函數(shù)；3 c為載波角頻率；Tk為第k個輸入碼元，s為碼元寬度;a取值為土 1; k為第k個碼元的相位常數(shù)，在時間kTst （k+1）Ts中保持不變，其作用是保證在t=kTs時刻

11、信號相位連續(xù)。由dfk(t) = wc+PQdt21；wc +衛(wèi)2Sa= + 1(2-2)可知當ak =+ 1時，信號的頻率為:當ak = 1時，信號的頻率為:+Ar 1i =2 = fc +H= vfTs= = x Ts=0.5那么MSK言號波形如圖示: 2Ts+4Tsc 由此可得頻率之差為：-：f4Ts12Ts圖2-2 MSK信號波形從圖中可以看出，+信號和一信號在一個碼元期間恰好相差二分之一周，即相差n為了保持相位的連續(xù)，在t = kTs時間內(nèi)應(yīng)有下式成立：TT：k= ：k j + ( ak i ak) ( k-1)2(2-3)即：當ak =時，=匚；當 ak 工 a 時，k = ( k

12、 一1 ) n ;(2-4)若令-0 = 0,則k = 0或土 n，此式說明本比特內(nèi)的相位常數(shù)不僅與本比特區(qū)間的輸入有關(guān)，還與前一個比特區(qū)間內(nèi)的輸入及相位常數(shù)有關(guān)。由附加相位函數(shù)9 k(t)的表示式可以看出，9 k(t)是一直線方程，其斜率為 截距為 k。由于ak的取值為土 1,故 是分段線性的相位函數(shù)。因此，MSK勺整個相位路徑是由間隔為Ts的一系列直線段所連 成的折線。在任一個碼元期間 Ts，若ak=+1，則9 k(t)線性增加；若ak=-1，則9 k(t) 線性減小。對于給定的輸入信號序列ak，相應(yīng)的附加相位函數(shù)9 k(t)的波形如圖所示。 對于各種可能的輸入信號序列，9 k(t)的所有

13、可能路徑是一個從-2 n到+2n的網(wǎng)格圖。圖3-3附加相位函數(shù)9 k(t)的波形圖從以上分析總結(jié)得出，MSK言號具有以下特點：(1) MSK言號是恒定包絡(luò)信號；(2) 在碼元轉(zhuǎn)換時刻，信號的相位是連續(xù)的，以載波相位為基準的信號相位在一個碼元 期間內(nèi)線性地變化土 n 12 ;(3) 在一個碼元期間內(nèi)， 信號應(yīng)包括四分之一載波周期的整數(shù)倍，信號的頻率偏移等 于，相應(yīng)的調(diào)制指數(shù)h=0.5。1(4) 信號頻率偏移嚴格等于 土 。4Ts2.2 MSK信號調(diào)制解調(diào)方法二進制移頻鍵控信號fsk很容易用一個矩形脈沖序列對一個載波進行調(diào)頻而獲得。 這正是頻率鍵控通信方式早期采用的實現(xiàn)方法，也是利用模擬調(diào)頻法實現(xiàn)

14、數(shù)字調(diào)頻的方 法。對2fsk信號產(chǎn)生的另一方法是采用鍵控法，即利用受矩形脈沖序列控制的開關(guān)電路 對兩個不同的獨立頻率源進行選通4。二進制移頻鍵控信號的解調(diào)方法很多，有模擬鑒頻法和數(shù)字檢測法，有非相干解調(diào) 方法也有相干解調(diào)方法。其解調(diào)原理是將二進制移頻鍵控信號分解為上下兩路二進制振 幅鍵控信號，分別進行解調(diào)，通過對上下兩路的抽樣值進行比較最終判決出輸出信號。抽樣判決器輸田包絡(luò)少11帯通濾液制包絡(luò)1圖5-5二進制移頻鍵控信號解調(diào)器原理圖(a)非相干解調(diào)；(b)相干解調(diào)MSK言號屬于數(shù)字頻率調(diào)制信號，可以采用相干解調(diào)，也可以采用非相干解調(diào)方式。 由 Smsk t Acos - ct 2ts k= c

15、os k cost) cos ct ak cos sin(2Ts2Tst)八(2-5)(k 一 1)Ts t 乞 k T s令 cos k = I k , ak cos k = Qk則：smsk C )= I k cos(1) cos coct + Q k sin (1) sin co ct2Ts2Ts(2-6)(k 一 1)Ts 空 t 乞 kTs所以msk信號可以看成是由兩個彼此正交的載波cos t和sin ct分別進行振幅調(diào)制而合成的。根據(jù)上面表達式的描述可構(gòu)成一種MSK調(diào)制器由MSK言號的一般表示式可得SMSK(t) = cos冏ct +%(t) =cos%(t)cos%tsin%(t

16、)sin%t(2 7)p ak因為qk(t) =Sptpt代入式可得 Smsk (t) = cosf k cos(2t )cosWct - a2COSJk sin(笄怡口SSt+ f kS=Ik(t)cosP)coswct- Qk(t)cosJksin(戲)sin wct 2Ts2Ts上式即為MSK言號的正交表示形式。其同相分量為X| (t) = COSf k COSJk COS(P)COSWct2TsxQ(t) = ak cosf k sin(-P)coswct2Ts也稱為I支路。其正交分量為 也稱為Q支路。Cos()和sin ()稱為加權(quán)函數(shù)。 2Ts2TsQ支路信號先延遲Ts,經(jīng)sin 3 ct加權(quán)調(diào)制和正交載波sin 3 ct相乘輸出正交分量xQ(t) xI(t)和xQ(t)相減就可得到已調(diào)MSK言號。MSK信號屬于數(shù)字頻率調(diào)制信號，可以采用相干解調(diào)，也可以采用非相干解調(diào)方式。 由于MSK言號調(diào)制指數(shù)較小，采用一般鑒頻器方式進行解調(diào)誤碼率性能不太好，因此在 對誤碼率有較高要求時大多采用相干解調(diào)方式。本設(shè)計模塊中采用一種相干解調(diào)的方式。已知:(2-9)Smsk t = I k cos( t) cos -ct + Qk sin ( t) sin ct2Ts2Ts把該信號進行正交解調(diào)可得到:Ik路JII k cos t) cos，ct + Qk sin ( t)