MSK調(diào)制解調(diào)器及同步性能的仿真分析

1、重慶交通大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)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(jí)學(xué) 號(hào)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 通信工程專業(yè)課程設(shè)計(jì)成績(jī)鑒定表進(jìn)行時(shí)間2013-2014學(xué)年下學(xué)期第1、2周成績(jī)鑒定學(xué)習(xí)內(nèi)容（20分）與教學(xué)任務(wù)計(jì)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(píng)價(jià)（20分）實(shí)踐能力（10分）學(xué)習(xí)態(tài)度（5分）學(xué)習(xí)紀(jì)律（5分）報(bào)告鑒定（60分） 報(bào)告內(nèi)容與實(shí)踐過程緊密結(jié)合（15分）報(bào)告內(nèi)容與教學(xué)計(jì)劃內(nèi)容緊密結(jié)合（15分）報(bào)告質(zhì)量(主題、結(jié)構(gòu)、觀點(diǎn)、邏輯、資料、字?jǐn)?shù) 30分)指導(dǎo)教師姓名吳仕勛職稱 講師成績(jī)摘 要 最小頻移鍵控又稱快速頻

2、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(hào)。最小頻移鍵控(MSK)是2FSK的改進(jìn)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(yán)格正交的特點(diǎn)，其改進(jìn)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(gè)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(shí)現(xiàn)仿真運(yùn)行結(jié)果。關(guān)鍵詞：數(shù)字通信；調(diào)制；解調(diào)；系統(tǒng)仿真目 錄摘 要II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)

3、制解調(diào)原理32.1 MSK信號(hào)的產(chǎn)生32.2 MSK信號(hào)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11參考文獻(xiàn)12附錄13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(hào)，消息與電信號(hào)之間必須建立單一的對(duì)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(hào)的某一參量上，如果電信號(hào)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(hào)就稱為數(shù)字信號(hào)。如果電信號(hào)的參量連續(xù)取值，則稱這樣的信號(hào)為模擬信號(hào)。按照信道中傳輸?shù)氖悄M信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)，可以相應(yīng)地把通信系統(tǒng)分為兩類：數(shù)字通信

4、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(bào)以來 ，電報(bào)通信已經(jīng)經(jīng)歷了150多年。但是長(zhǎng)期以來，由于電報(bào)通信不如電話通信方便，作為數(shù)字通信主要形式的電報(bào)卻比1876年貝爾發(fā)明的電話發(fā)展緩慢。直到20世紀(jì)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(duì)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(qiáng)，尤其是在中繼時(shí)，數(shù)字信號(hào)可以再生而消除噪聲的積累；第二，傳輸差錯(cuò)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(hào)處理技術(shù)來對(duì)數(shù)字信息進(jìn)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

5、以綜合傳遞各種消息，使通信系統(tǒng)功能增強(qiáng)。然而，數(shù)字通信的許多優(yōu)點(diǎn)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(chǎng)合，數(shù)字通信這一缺點(diǎn)顯得很突出，但是在系統(tǒng)頻帶富裕的場(chǎng)合，比如毫米波通信，光通信等場(chǎng)合，數(shù)字通信幾乎成了唯一的選擇。隨著計(jì)算機(jī)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(qiáng)大的生命力，它沖破了傳統(tǒng)模擬通信方式的統(tǒng)治，逐步地發(fā)展、完善。可以預(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(shí)用

6、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(dāng)今社會(huì)已經(jīng)步入信息時(shí)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(cuò)控制和保密性都比較容易，而且能夠進(jìn)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(hào)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

7、能力差而無法滿足移動(dòng)通信的要求，為此，需要專門研究一些抗干擾性強(qiáng)、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(dòng)通信窄帶數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。MSK因具有：（1）已調(diào)信號(hào)振幅是恒定的。（2）信號(hào)的頻率偏移嚴(yán)格等于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(gè)碼元期間內(nèi)準(zhǔn)確地線性變化pi/2；（4）在一個(gè)碼元期間內(nèi)，信號(hào)應(yīng)包含四分子一載波周期的整數(shù)倍。(5)在碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻信號(hào)的相位是連續(xù)的，或者說，信號(hào)的波形沒有突變。的特點(diǎn)使得msk通信系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)適用于移動(dòng)通信等窄帶數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆Ｔ谠O(shè)計(jì)新系統(tǒng)或者對(duì)原有的通信系

8、統(tǒng)做出修改或者進(jìn)行相關(guān)的研究時(shí)，通常要進(jìn)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(shí)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(duì)通信系統(tǒng)實(shí)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(duì)系統(tǒng)的仿真,可以不需要實(shí)際的硬件環(huán)境就可以分析系統(tǒng)的特點(diǎn)。人們能夠通過仿真實(shí)驗(yàn)就可以了解msk數(shù)字通信系統(tǒng)性能。這樣大大的減少實(shí)驗(yàn)的開銷，對(duì)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(qiáng)大的工程技術(shù)數(shù)值運(yùn)算和系統(tǒng)仿真軟件。第2章

9、 MSK調(diào)制解調(diào)原理2.1 MSK信號(hào)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(shí)，它被廣泛采用。Fsk信號(hào)是0符號(hào)對(duì)應(yīng)載頻1，而1符號(hào)對(duì)應(yīng)于載頻2（與1不同的另一載頻）的已調(diào)波形，而且1與2之間的改變是瞬間完成的?；菊{(diào)制方法有模擬調(diào)頻法和鍵控法.一般來說，鍵控法得到的得到的調(diào)制信號(hào)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(shí)相位連續(xù)） 圖2-1 二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)的時(shí)間波形MSK叫最小移頻鍵控，它是移頻鍵控（FSK）的一種改進(jìn)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(hào)，它能比PSK傳送更高的比特速率。二進(jìn)制MSK信號(hào)的表達(dá)式可寫為：

10、(2-1) 式中，k稱為附加相位函數(shù)；c為載波角頻率；Tk為第k個(gè)輸入碼元，s為碼元寬度；a取值為1；k為第k個(gè)碼元的相位常數(shù)，在時(shí)間kTst(k+1)Ts中保持不變，其作用是保證在t=kTs時(shí)刻信號(hào)相位連續(xù)。由 (2-2)可知當(dāng)1時(shí)，信號(hào)的頻率為：當(dāng)1時(shí)，信號(hào)的頻率為：由此可得頻率之差為：H=Ts=x Ts=0.5那么MSK信號(hào)波形如圖示： 圖2-2 MSK信號(hào)波形從圖中可以看出，+信號(hào)和信號(hào)在一個(gè)碼元期間恰好相差二分之一周，即相差為了保持相位的連續(xù)，在t=時(shí)間內(nèi)應(yīng)有下式成立：=（）（） (2-3) 即：當(dāng)時(shí)，=；當(dāng)時(shí)，=（）； (2-4) 若令0，則0或，此式說明本比特內(nèi)的相位常數(shù)不僅與本

11、比特區(qū)間的輸入有關(guān)，還與前一個(gè)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)k(t)的表示式可以看出，k(t)是一直線方程，其斜率為 截距為k。由于ak的取值為1，故是分段線性的相位函數(shù)。因此，MSK的整個(gè)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(gè)碼元期間Ts，若ak=+1，則k(t)線性增加；若ak=-1， 則k(t)線性減小 。對(duì)于給定的輸入信號(hào)序列ak，相應(yīng)的附加相位函數(shù)k(t)的波形如圖所示。對(duì)于各種可能的輸入信號(hào)序列，k(t)的所有可能路徑是一個(gè)從-2到+2的網(wǎng)格圖。 圖3-3 附加相位函數(shù)k(t)的波形圖 圖4-4 附加相位路徑網(wǎng)格從以上分析總結(jié)得出，MSK信號(hào)具有

12、以下特點(diǎn)： （1）MSK信號(hào)是恒定包絡(luò)信號(hào)； （2）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)線性地變化/2 ； （3） 在一個(gè)碼元期間內(nèi)， 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)h=0.5。 (4)信號(hào)頻率偏移嚴(yán)格等于 。 2.2 MSK信號(hào)調(diào)制解調(diào)方法二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)fsk很容易用一個(gè)矩形脈沖序列對(duì)一個(gè)載波進(jìn)行調(diào)頻而獲得。這正是頻率鍵控通信方式早期采用的實(shí)現(xiàn)方法，也是利用模擬調(diào)頻法實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)頻的方法。對(duì)2fsk信號(hào)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(duì)兩個(gè)不同的獨(dú)立頻率源進(jìn)行選通4。二進(jìn)制移頻鍵

13、控信號(hào)的解調(diào)方法很多，有模擬鑒頻法和數(shù)字檢測(cè)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(jìn)制移頻鍵控信號(hào)分解為上下兩路二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)，分別進(jìn)行解調(diào)，通過對(duì)上下兩路的抽樣值進(jìn)行比較最終判決出輸出信號(hào)。 圖5-5二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)解調(diào)器原理圖 (a) 非相干解調(diào); (b) 相干解調(diào)MSK信號(hào)屬于數(shù)字頻率調(diào)制信號(hào)，可以采用相干解調(diào)，也可以采用非相干解調(diào)方式。由 = (2-5) 令， 則： (2-6)所以msk信號(hào)可以看成是由兩個(gè)彼此正交的載波和分別進(jìn)行振幅調(diào)制而合成的。根據(jù)上面表達(dá)式的描述可構(gòu)成一種MSK調(diào)制器由MSK信號(hào)的一般表示式可得 (2-7)因?yàn)?代入式可得 (2-8) 上式即

14、為MSK信號(hào)的正交表示形式。其同相分量為 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)。Q支路信號(hào)先延遲Ts，經(jīng)sinct加權(quán)調(diào)制和正交載波sinct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信號(hào)。 MSK信號(hào)屬于數(shù)字頻率調(diào)制信號(hào)，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。本設(shè)計(jì)模塊中采用一種相干解調(diào)的方式。已知： (2-9)把該信號(hào)進(jìn)行正交解調(diào)可得到：Ik路 (2-10)=+Qk路 (2-11)=+我們需要的是、

15、兩路信號(hào)，所以必須將其它頻率成份、通過低通濾波器濾除掉，然后對(duì)、采樣即可還原成、兩路信號(hào)。根據(jù)上面描述可構(gòu)成MSK解調(diào)器.2.3 msk通信系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)原理框圖 到目前為止，已經(jīng)把整個(gè)設(shè)計(jì)做了詳盡的闡述了，接下來便只是需要把以上的幾個(gè)設(shè)計(jì)模匯總了，形成一個(gè)完整的原理圖。 介紹MSK調(diào)制的基本原理，研究MSK信號(hào)的特點(diǎn)及一種正交實(shí)現(xiàn)MSK信號(hào)的方法，并對(duì)這方法進(jìn)行理論的分析和仿真。 圖2-6 Msk通信系統(tǒng)調(diào)制原理圖 圖2-7 Msk通信系統(tǒng)解調(diào)原理圖第三章 仿真分析 打開matlab simulink啟動(dòng)msk通信系統(tǒng)仿真框圖程序.首先觀察兩種系統(tǒng)調(diào)制信號(hào)波形： 圖3-1 Msk的傳輸數(shù)據(jù)和差

16、分后的波形 圖3-1為MSK傳輸數(shù)據(jù)，和經(jīng)過差分變換后的數(shù)據(jù)波形。 圖3-2 I路Q路波形 下面我們?cè)賮矸治鲆幌?，msk信號(hào)可以看成是由兩個(gè)彼此正交的載波和分別進(jìn)行振幅調(diào)制而合成的。經(jīng)sinct加權(quán)調(diào)制和正交載波sinct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信號(hào)。 圖3-3 Msk的已調(diào)和加噪后的波形 通過上面的仿真結(jié)果，我們可以看到通過信道后，信號(hào)上疊加了很大的噪聲，使信號(hào)產(chǎn)生了很大的畸變。從msk通信系統(tǒng)傳輸方針結(jié)果來看信號(hào)在傳輸過程中高低電平寬度基本一致，在誤碼上沒有很明顯的誤判現(xiàn)象，在接收端接收信號(hào)只是偶爾會(huì)出現(xiàn)毛刺。通過比較我們看出在衰落很嚴(yán)重和干

17、擾的窄帶通信系統(tǒng)中使用msk調(diào)制解調(diào)的通信系統(tǒng)更具優(yōu)勢(shì). 圖3-4 Msk解調(diào)后的波形和誤碼曲線從3-4中可看出，解調(diào)后的波形與傳輸?shù)臄?shù)據(jù)波形幾乎一致，MSK傳輸數(shù)據(jù)經(jīng)過調(diào)制后在進(jìn)行加噪，模擬傳輸信道的噪聲干擾，然而在解調(diào)之后，MSK解調(diào)數(shù)據(jù)與傳輸數(shù)據(jù)間的誤差很小，可看出MSK調(diào)制的抗干擾性能確實(shí)很好。同時(shí)圖3-5的誤碼曲線也證明如此。 結(jié)論 通信系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)主要從：1.抗噪聲性能（從誤碼率體現(xiàn)）。2.調(diào)制信號(hào)頻帶寬度。3.信道特性變化的敏感性來衡量。MSK調(diào)制方式具有相位連續(xù)、包絡(luò)恒定、頻譜利用率高等優(yōu)點(diǎn)。在通信系統(tǒng)中低誤碼率的MSK調(diào)制解調(diào)器硬件方案一直為研究的熱點(diǎn)?？梢妋sk調(diào)制解調(diào)數(shù)字

18、通信系統(tǒng)更適合應(yīng)用于信道衰落嚴(yán)重的通信系統(tǒng)。通過實(shí)驗(yàn)仿真我們可以設(shè)計(jì)出合理的系統(tǒng)參數(shù)。仿真技術(shù)作為一門綜合性科學(xué)，將隨著其相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)的深入發(fā)展，繼續(xù)向縱深快速發(fā)展，同時(shí)將擴(kuò)大其綜合應(yīng)用的領(lǐng)域，發(fā)揮更大的作用。但是，作為一門綜合性技術(shù)學(xué)科，仿真技術(shù)還有許多理論及技術(shù)問題需要繼續(xù)進(jìn)行深入的研究探討。我國(guó)應(yīng)大力開展仿真技術(shù)的理論研究和技術(shù)應(yīng)用研究，盡快縮短與先進(jìn)發(fā)達(dá)國(guó)家在技術(shù)上的差距。仿真技術(shù)的發(fā)展，必將推動(dòng)我國(guó)科學(xué)技術(shù)水平的進(jìn)一步提高。參考文獻(xiàn) 1張志勇等.精通matlab6.5J.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003.3.3樊昌信,張甫詡、徐炳祥、吳成柯 .通信原理M .北京:國(guó)防工業(yè)出版社

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20、應(yīng)用J. 西安. 西安電子科技大學(xué)出版社, 2005.6 11田麗華等.編碼理論J.西安 西安電子科技大學(xué)出版社, 2003.8附錄部分代碼：%MSK調(diào)制，解調(diào) clear all data_len = 30000; %碼元個(gè)數(shù) sample_number = 8;%采樣個(gè)數(shù) Rb = 24000; %碼元速率fc = 96000; %載波頻率 data = rand_binary(data_len); %MSK基帶調(diào)制 signal_out,I_out,Q_out = mod_msk(data,data_len,sample_number,Rb); %中頻搬移 multi = fc/Rb;

21、I_temp=interp(I_out,multi); Q_temp=interp(Q_out,multi);Fs=fc*sample_number; t=1/Fs:1/Fs:length(I_temp)*1/Fs; signal_i=I_temp.*cos(2*pi*fc*t); signal_q=Q_temp.*sin(2*pi*fc*t); signal_mod=I_temp.*cos(2*pi*fc*t)-Q_temp.*sin(2*pi*fc*t); % signal_mod1=real(I_temp+j*Q_temp).*exp(j*2*pi*fc*t); %加噪聲 for SNR = 0:8 signal_mod1 = 0.01 * awgn(signal_mod,SNR); N=300; % 濾波器的階數(shù)為(N+1)? ? F=0,fc-1000,fc+1000,Fs/2*2/Fs; A=1,1,0,0; lpf=firls(N,F,A); amp_lpf,w=freqz(lpf); I_dem=signal_mod1.*cos(2*pi*fc*t)*2 .* cos(pi*t*Rb/2); I_dem=conv