基于SystemView的多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制仿真(MSK)

1、四川師范大學(xué)現(xiàn)代通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)四川師范大學(xué)現(xiàn)代通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn) 基于基于 systemviewsystemview 的多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制的多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制仿真（仿真（mskmsk）學(xué)生姓名學(xué)生姓名學(xué)學(xué) 號(hào)號(hào)所在學(xué)院所在學(xué)院通信工程學(xué)院通信工程學(xué)院專業(yè)名稱專業(yè)名稱通信工程通信工程班班 級(jí)級(jí)20122012 級(jí)寬帶級(jí)寬帶 1 1 班班指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師成成 績績四川師范大學(xué)四川師范大學(xué)二二一五年六月一五年六月目 錄1 systemview 仿真系統(tǒng)簡介 .11.1 systemview 仿真系統(tǒng)概述 .11.2 systemview 仿真系統(tǒng)的特點(diǎn) .11.3 systemview 仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分析窗口 .1

2、2 msk 的原理 .52.1 msk 信號(hào) .52.2 msk 的調(diào)制原理 .92.3 msk 的解調(diào)原理 .103 msk 調(diào)制與解調(diào)仿真電路 .113.1 msk 信號(hào)的調(diào)制 .113.2 msk 信號(hào)的解調(diào) .13附 錄.15附錄 1：基帶信號(hào)波形 .15附錄 2: msk 調(diào)制信號(hào).15附錄 3：msk 解調(diào)波形.15基于基于 systemviewsystemview 的多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制仿真（的多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制仿真（mskmsk）1 1 systemviewsystemview 仿真系統(tǒng)簡介仿真系統(tǒng)簡介1.1 systemview 仿真系統(tǒng)概述systemview 是美國 elanix

3、公司推出的，基于 windows 環(huán)境的用于系統(tǒng)仿真分析的可視化軟件工具。它界面友好，使用方便，為用戶提供了一個(gè)嵌入式的分析引擎。使用它，用戶可以用圖符（token）去描述自己的系統(tǒng)，無需與復(fù)雜的程序語言打交道，不用花費(fèi)大量的時(shí)間和精力通過編程來建立系統(tǒng)仿真模型。1.2 systemview 仿真系統(tǒng)的特點(diǎn) 能仿真大量的應(yīng)用系統(tǒng) 快速方便的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與仿真 在報(bào)告中方便地加入 systemview 的結(jié)論 提供基于組織結(jié)構(gòu)圖方式的設(shè)計(jì) 多速率系統(tǒng)和并行系統(tǒng) 完備的濾波器和線性系統(tǒng)設(shè)計(jì) 先進(jìn)的信號(hào)分析和數(shù)據(jù)塊處理 提供了一個(gè)真實(shí)而靈活的窗口 可擴(kuò)展性 完善的自我診斷功能1.3 systemview

4、 仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分析窗口system view 包括兩個(gè)主要的工作環(huán)境：設(shè)計(jì)窗口和分析窗口。其中設(shè)計(jì)窗口用于完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為用戶提供了圖形化的便捷設(shè)計(jì)編輯環(huán)境，是 systemview 最主要的工作環(huán)境之一。設(shè)計(jì)窗口如圖 1-1 所示：圖圖 1-11-1 設(shè)計(jì)窗口設(shè)計(jì)窗口它包括標(biāo)題欄、菜單欄、工具欄、滾動(dòng)條、提示欄、圖符庫和設(shè)計(jì)窗工作區(qū)。其中，設(shè)計(jì)窗工作區(qū)用于設(shè)置、連接各種圖符以創(chuàng)建系統(tǒng)，進(jìn)行系統(tǒng)仿真等操作；提示欄用于調(diào)整當(dāng)前的工作區(qū)域；當(dāng)鼠標(biāo)器位于功能圖符上時(shí)該圖符的具體參數(shù)就會(huì)自動(dòng)彈出顯示。systemview 系統(tǒng)是一個(gè)離散時(shí)間系統(tǒng)，首先要對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，然后對(duì)各個(gè)采樣點(diǎn)的值進(jìn)行分析計(jì)

5、算，最后輸出時(shí)，在分析窗口內(nèi)，按要求畫出各個(gè)點(diǎn)的值或模擬曲線。所以在仿真前必須對(duì)采樣起始/終止時(shí)間、采樣頻率、采樣間隔和采樣點(diǎn)數(shù)進(jìn)行設(shè)置。如果設(shè)置不合理，仿真運(yùn)行后的結(jié)果往往不能令人滿意，甚至根本得不到預(yù)期的結(jié)果。單擊工具欄中的系統(tǒng)定時(shí)按鈕可以進(jìn)入系統(tǒng)定時(shí)設(shè)定窗口。圖圖 1-21-2 系統(tǒng)定時(shí)設(shè)定窗口系統(tǒng)定時(shí)設(shè)定窗口一般為了獲得較好的仿真波形，系統(tǒng)的采樣率不能低于系統(tǒng)信號(hào)最高頻率的 4 倍。當(dāng)達(dá)到 10 倍時(shí)，仿真波形就幾乎沒有失真了。采樣點(diǎn)數(shù)是由系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間和采樣率共同決定的，他們的關(guān)系如下： 采樣點(diǎn)數(shù)=（終止時(shí)間起始時(shí)間） 采樣率+1 （1-1）這個(gè)等式中幾個(gè)變量是相互聯(lián)系的，修改其中一

6、個(gè)或兩個(gè)后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)修改其它參數(shù)。分析窗口是觀察系統(tǒng)仿真結(jié)果數(shù)據(jù)的基本載體，利用它可以觀察某一系統(tǒng)仿真的結(jié)果進(jìn)行的各種分析。在分析窗口 中單擊（分析窗口）按鈕，即可激活分析窗口。如圖 2.3 所示。在窗口界面中，有多種選項(xiàng)可以增強(qiáng)顯示的靈活性和系統(tǒng)的用途等功能。圖圖 1-31-3 分析窗口分析窗口 這些功能可以通過單擊分析窗口工具欄上的快捷鍵按鈕或下拉菜單來激活。分析窗口包括標(biāo)題欄、菜單欄、工具欄、滾動(dòng)條、活動(dòng)圖形和提示信息欄。其中工具欄右側(cè)的提示信息欄提供和圖形窗口相關(guān)的信息，當(dāng)鼠標(biāo)位于圖形窗口顯示區(qū)時(shí)該處顯示坐標(biāo)信息。顏色列表提示用于顯示活動(dòng)圖形窗口各種不同顏色的線條代表的意義。分析窗口的

7、一個(gè)重要特點(diǎn)是能夠幫助用戶獲得各種輸出數(shù)據(jù)的時(shí)域和頻域參數(shù)，并對(duì)其進(jìn)行分析、處理、比較，或進(jìn)行進(jìn)一步組合運(yùn)算，而接收計(jì)算器就是完成這些工作的必要工具。在分析窗口下面的提示欄中按鍵就可以進(jìn)入接收計(jì)算器。利用接收計(jì)算器可以繪制信號(hào)的頻譜、功率譜、眼圖，將多個(gè)圖形置于同一坐標(biāo)中進(jìn)行比較等等。接收計(jì)算器是信號(hào)分析的強(qiáng)大工具。主要有 11 種運(yùn)算，包括 operators(操作)、arithmetic(算術(shù)運(yùn)算)、algebraic(代數(shù)運(yùn)算)、corr/conv(相關(guān)與卷積)、complex(綜合 ftt)、spectrum(頻譜分析)、style(式樣顯示)、scale(比例尺)、data(摘取數(shù)據(jù)

8、)、custom(自定義計(jì)算)、comm(常用調(diào)制 ber)，這些操作和運(yùn)算都是以選定的活動(dòng)窗口中顯示的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行運(yùn)算的，從而得到一個(gè)新的活動(dòng)窗口。2 2 mskmsk 的原理的原理msk(minimum frequency shift keying)是二進(jìn)制連續(xù)相位 fsk 的一種特殊形式。msk 稱為最小移頻鍵控，有時(shí)也稱為快速移頻鍵控（ffsk） 。所謂“最小”是指這種調(diào)制方式能以最小的調(diào)制指數(shù)（0.5）獲得正交信號(hào)；而“快速”是指在給定同樣的頻帶內(nèi)，msk 能比 2psk 的傳輸速率更高，且在帶外的頻譜分量要比 2psk 衰減的快。2.1 msk 信號(hào)msk 是恒定包絡(luò)連續(xù)相位頻率

9、調(diào)制，其信號(hào)的表示式為 (2-1) cos2kmskcksastttt其中 , =0,1,令1sskttkt k , (2-2) 2kkksattt1sskttkt 則式（2-1）可表示為 (2-3) cosmskcksttt式中，稱為附加相位函數(shù)；為載波角頻率；為碼元寬度；為第 ktcstka個(gè)輸入碼元，取值為；為第個(gè)碼元的相位常數(shù)，在時(shí)間kkk中保持不變，其作用是保證在時(shí)刻信號(hào)相位連續(xù)。1sskttkt stkt （2- 2kkcksatttt4）則 （2- 2kkcsdtadtt5）由式（2-5）可以看出，msk 信號(hào)的兩個(gè)頻率分別為 (2-6)114csfft (2-7)214csff

10、t 中心頻率應(yīng)選為cf =1,2, (2-8)4csnftn式（2-8）表明，msk 信號(hào)在每一碼元周期內(nèi)必須包含四分之一載波周期的整數(shù)倍。還可以表示為 （n 為正整數(shù)；m=0，1，2，3， ） （2-cf14csmfnt9）相應(yīng)地 msk 信號(hào)的兩個(gè)頻率可表示為 (2-10)111144cssmffntt (2-11)211144cssmffntt由此可得頻率間隔為 (2-12)2112sffft msk 信號(hào)的調(diào)制指數(shù)為 (2-13)110.522ssshfttt 當(dāng)取 n=1，m=0 時(shí)，msk 信號(hào)的時(shí)間波形如圖 2-1 所示圖圖 2-12-1 mskmsk 信號(hào)的時(shí)間波形信號(hào)的時(shí)間波

11、形對(duì)第個(gè)碼元的相位常數(shù)的選擇應(yīng)保證 msk 信號(hào)相位在碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻是kk連續(xù)的。根據(jù)這一要求，由式（2-2）可以得到相位約束條件為： （2-1112kkkkaak14）式中，若取的初始參考值，則k00 （模）=0，1，2， （2-0k或2k15）上式即反映了 msk 信號(hào)前后碼元區(qū)間的相位約束關(guān)系，這表明了 msk 信號(hào)在第個(gè)碼元的相位常數(shù)不僅與當(dāng)前碼元的取值有關(guān)，而且還與前一碼元的取值及k相位常數(shù)有關(guān)。由附加相位函數(shù)的表示式（2-2）可以看出，是一直線方程，其 kt kt斜率為，截距為。由于的取值為，故是分段線形的相位函數(shù)。2ksattkk2ksatt因此，msk 的整個(gè)相位路徑是由間隔為的

12、一系列直線段所連成的折線。在任st一個(gè)碼元期間 ，若，則線性增加；若，則線性st1ka kt21ka kt減少。對(duì)于給定的輸入信號(hào) 序列，相應(yīng)的附加相位函數(shù)的波形如2 ka kt圖 2-2 所示。圖圖 2-22-2 附加相位函數(shù)附加相位函數(shù)的波形圖的波形圖 kt對(duì)于各種可能的輸入信號(hào)序列，的所有可能路徑如圖 2-3 所示，它是 kt一個(gè)從到的網(wǎng)格圖。22圖圖 2-32-3 mskmsk 的相位網(wǎng)格圖的相位網(wǎng)格圖從以上分析總結(jié)得出，msk 信號(hào)具有以下特點(diǎn)： msk 信號(hào)是恒定包絡(luò)信號(hào) 在碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻，信號(hào)的相位是連續(xù)的，以載波相位為基準(zhǔn)的信號(hào)相位在一個(gè)碼元期間內(nèi)線性地變換2 在一個(gè)碼元期間內(nèi)，

13、信號(hào)應(yīng)包括四分之一載波周期的整數(shù)倍，信號(hào)的頻率偏移等于，相應(yīng)的調(diào)制指數(shù)14st0.5h 下面簡要討論一下 msk 信號(hào)的功率譜。對(duì)于由式（1.1-1）定義的 msk 信號(hào)，其單邊功率譜密度可表示為 （2-16）根據(jù)（2-16）畫出 msk 信號(hào)的功率譜如圖 2-4 所示。為了便于比較，圖中還畫出了 2psk 信號(hào)的功率譜。圖圖 2-42-4 mskmsk 信號(hào)的歸一化功率譜信號(hào)的歸一化功率譜由圖 d 可以看出，與 2psk 相比，msk 信號(hào)的功率譜更加緊湊，其第一個(gè)零點(diǎn)出現(xiàn)在處，而 2psk 的第一個(gè)零點(diǎn)出現(xiàn)在處。這表明， msk 信號(hào)0.75st1st功率譜的主瓣所占的頻帶寬度比 2psk

14、 信號(hào)的窄；當(dāng)時(shí)，msk 的功cff 率譜以的速率衰減，它要比 2psk 的衰減速率快得多，因此對(duì)鄰道的4cff干擾也較小。2.2 msk 的調(diào)制原理由 msk 信號(hào)的一般表示式（2-3）可得 (2-17) coscoscossinsinmskckkckcsttttttt因?yàn)榇?2-17)可得 2kkksattt coscoscoscossinsin22mskkckkcssttsttattt (2-18) coscossinsin22kckcssttittqtttt上式即為 msk 信號(hào)的正交表示形式。其同相分量為 (2-19) coscoscos2ikcstxttt也成為 i 支路。其正交

15、分量為 (2-20) cossinsin2qkkcstxtatt也成為 q 支路。 稱為加權(quán)函數(shù)。cos2sttsin2stt由式（2-18）可以畫出 msk 信號(hào)調(diào)制器原理圖如圖 2-5 所示。圖中，輸入二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列經(jīng)過差分編碼和串/并變換后，i 支路信號(hào)經(jīng)加權(quán)調(diào)制cos2stt和同相載波相乘輸出同相分量。q 支路信號(hào)先延遲，經(jīng)cosct ixtst加權(quán)調(diào)制和正交載波相乘輸出正交分量。和相sin2sttsinct qxt ixt qxt減就可得到已調(diào) msk 信號(hào)。 圖圖 2-52-5 mskmsk 信號(hào)調(diào)制器原理圖信號(hào)調(diào)制器原理圖2.3 msk 的解調(diào)原理msk 信號(hào)屬于數(shù)字頻率調(diào)制信號(hào)

16、，因此可以采取一般鑒頻方式進(jìn)行解調(diào)，其原理圖如圖 2-6 所示。鑒頻器解調(diào)方式結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)。輸入輸出 圖圖 2-62-6 mskmsk 鑒頻器解調(diào)原理圖鑒頻器解調(diào)原理圖由于 msk 信號(hào)調(diào)制指數(shù)較小，采用一般鑒頻器方式進(jìn)行解調(diào)誤碼率性能不太好，因此在對(duì)誤碼率有較高要求時(shí)大多采用相干解調(diào)方式。圖 2-7 是 msk 信號(hào)相干解調(diào)器原理圖，其由相干載波提取和相干解調(diào)兩部分組成。圖圖 2-72-7 mskmsk 信號(hào)相干解調(diào)器原理圖信號(hào)相干解調(diào)器原理圖3 3 mskmsk 調(diào)制與解調(diào)仿真電路調(diào)制與解調(diào)仿真電路3.1 msk 信號(hào)的調(diào)制第二章中已經(jīng)介紹了 msk 系統(tǒng)的組成、原理等。輸入的二進(jìn)制

17、數(shù)據(jù)序列經(jīng)過查分編碼和串/ 并變換，變成兩路速率減半的序列，在經(jīng)過加權(quán)函數(shù)輸出同相分量和正交分量，分別對(duì)兩個(gè)正交的載波進(jìn)行調(diào)制，相減即可得 ixt qxt到需要的 msk 信號(hào)。原理圖如圖 2-5。 根據(jù)原理圖建立的 msk 系統(tǒng)調(diào)制 systemview 模型如圖 3-1 與圖 3-2 所示。bpf鑒頻lpf抽樣判決圖圖 3-13-1 差分編碼器仿真圖差分編碼器仿真圖圖圖 3-23-2 mskmsk 調(diào)制仿真電路調(diào)制仿真電路圖 3-1 合成圖 3-2 中的圖符 9 差分編碼器。這種波形不是用碼元本身的電平表示消息代碼，而是用相鄰碼元的電平的跳變和不便來表示消息代碼。由于差分波形是以相鄰脈沖電

18、平的相對(duì)變化來表示代碼，因此稱它為相對(duì)碼波形。用差分波形傳送代碼可以消除設(shè)備初始狀態(tài)的影響，特別是在相位調(diào)制系統(tǒng)中用于解決載波相位模糊問題。各圖符的設(shè)置如表 3-1 所示表表 3-13-1 調(diào)制過程各圖符參數(shù)調(diào)制過程各圖符參數(shù)圖符編 號(hào)庫/圖符名稱參 數(shù)0meta i/o librarymeta in1,5operator library/sampler holdctrl threshold=0v, signal=t0 output 0,control=t3 output 02,6operator library/delaydelay=100e-3sec, output 0=delay t4,

19、output 1=delay-dt3,8source library/pulse trainamp=1v,freq=5hz,pulsew=1e-3sec,offset=500e-3v,phase=0deg9metasystemmeta out10source library/pn seqamp=1v,offset=0v,rate=10hz,levels=2,phase=0deg11,20sink library/analysisinputoutput12,1316,17multiplier/non parametricinputsoutputs14,15source library /sinu

20、soidamp=1v,freq=2.5hz18operator library/delaydelay=100e-3sec19adderinputs,outputs3.2 msk 信號(hào)的解調(diào)本節(jié)將介紹 msk 信號(hào)的相干解調(diào)電路，原理框圖見圖 2-7。根據(jù)原理圖 systemview 的仿真電路圖如圖 3-3。圖圖 3-33-3 mskmsk 信號(hào)相干解調(diào)總仿真電路信號(hào)相干解調(diào)總仿真電路由上側(cè)進(jìn)入兩個(gè)相乘器的信號(hào)正是上一節(jié)中已調(diào)制的 msk 信號(hào)。各圖符的參數(shù)設(shè)置如表 3-2 所示：表表 3-23-2 解調(diào)部分各圖符參數(shù)解調(diào)部分各圖符參數(shù)圖符編 號(hào)庫/圖符名稱參 數(shù)21,22comm library/intg-dmpamp=1v,freq=10hzamp=1v,freq=10hz23,24,31multiplier/non par