MSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的設計講解

1、MS儂制解調(diào)系統(tǒng)的設計摘要最小頻移鍵控（MSK是恒定包絡調(diào)制技術，它具有相位連續(xù)、頻帶利用率高的特點，是在無線通信領域中很有吸引力的數(shù)字調(diào)制方式，目前在短波、微波和衛(wèi)星通信中均被采用。本文研究了最小頻移鍵控系統(tǒng)調(diào)制與解調(diào)的工作原理，并給出了基于MATLA瞅件環(huán)境下的程序仿真及 simulink下系統(tǒng)的模塊搭建實現(xiàn)兩種方式的實現(xiàn)。運用m語言進行仿真，主要是依照MSK系統(tǒng)的工作原理繪制出流程圖，最后寫出程序進行仿真，并給出每一步驟的仿真結果圖形。運用 simulink進行系統(tǒng)的模塊搭建，是將系統(tǒng)分為調(diào)制與解調(diào)兩個子模塊，再將這兩個子模塊 連接成整體的MSK（統(tǒng)模塊進行仿真。最后給出全系統(tǒng)的仿真運行

2、結果及其分析研究結果。關鍵字MSK Matlab ； Simulink ；調(diào)制解調(diào)Simulation of MSK Modulation and Demodulation SystemAbstract Minimum Shift Keying (MSK) is a constant envelope modulation techniques, it has a continuous phase, high bandwidth efficiency characteristics, is very attractive in the field of wireless communicati

3、ons, digital modulation, shortwave, microwave and satellite communicationsmedium were used. In this paper, the working principle of minimum shift keying modulation and demodulation, and gives the realization of program simulation and simulink system module in the MATLAB software environment to build

4、 in two ways. M language simulation, the main draw a flow chart in accordance with the MSK system works, and finally write the program simulation, and gives each step of the simulation results graphics. Use simulink module of the system construction, the two sub-modules of the system is divided into

5、 modulation and demodulation, and then two sub-modules connected into the overall MSK system module for simulation. Finally, the simulation run of the system-wide results and their analysis results.Key words MSK; Matlab ;Simulink; Modulation and Demodulation目錄弓I言11方案的論證與選擇 31.1 基于 SystemView 的設計 31.

6、2 基于Matlab的設計31.3 基于FPGA勺設計31.4 方案選擇 42 MSK信號調(diào)制解調(diào)原理 52.1 MSK的特點52.2 MSK的調(diào)制原理52.3 MSK的解調(diào)原理102.4 MSK的性能分析113基于Matlab的MSK制解調(diào)系統(tǒng)的設計 133.1 Matlab 中的m語言和Simulink簡介 133.2 運用m語言設計MSKM制解調(diào)系統(tǒng) 143.2.1 運用m語言設計的流程圖 143.2.2 測試結果及分析 153.3 運用Simulink設計MSKM制解調(diào)系統(tǒng) 183.3.1 Simulink MSK 調(diào)制模塊設計 183.3.2 Simulink MSK 解調(diào)模塊設計

7、193.3.3 測試波形分析 21結束語 25致謝26參考文獻27附錄A英文文獻原文 28附錄B英文文獻譯文 38附錄C m程序 49引言隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人們對通信系統(tǒng)的需求越來越來高。通信系統(tǒng)也由原來的單一對點傳輸。 逐漸發(fā)展成大容量高速的網(wǎng)絡通信體制。通信系統(tǒng)的增多，通信的頻率資源就顯得相對緊張，如何能在現(xiàn)有的頻率資源的條件下實現(xiàn)大容量的通信是現(xiàn)在通信考慮的主要問題。根據(jù)通信系統(tǒng)的基點，人們在實踐中相繼研發(fā)出很多種通信的調(diào)制方式，主要有：振幅鍵控（ASK）、移頻鍵控（FSK）、移相鍵控（PSK）等。從頻譜的利用率上人們又研究出MSK GMS除頻譜利用率較高的調(diào)制方式。在數(shù)字通信、網(wǎng)絡、視頻

8、和圖像處理領域，MSKB經(jīng)成為高性能數(shù)字信號處理系統(tǒng)的關鍵元件。MS愿一種在無線移動通信中很有吸引力的數(shù)字調(diào)制方式，它具有以下兩種主要的特點：1 .信號能量的99.5%被限制在數(shù)據(jù)傳輸速率的 1.5倍的帶寬內(nèi)。譜密度隨頻率（遠離信號 帶寬中心）倒數(shù)的四次哥而下降，而通常的離散相位 FSK信號的譜密度卻隨頻率倒數(shù)的平方下降。 因此，MSK言號在帶外產(chǎn)生的干擾非常小。這正是限帶工作情況下所希望有的寶貴特點。2 .信號包絡是恒定的，系統(tǒng)可以使用廉價高效的非線性器件。無線通信技術的迅猛發(fā)展對數(shù)據(jù)傳輸速率、傳輸效率和頻帶利用率提出了更高的要求。選擇高效可行的調(diào)制解調(diào)手段，對提高信號的有效性和可靠性起著至

9、關重要的作用。因此具有頻帶利 用率高，在相同誤比特率下所需的信噪比比較低，電路結構比較簡的 MSK技術已經(jīng)廣泛應用到現(xiàn)代通信領域。調(diào)制是移動通信系統(tǒng)中提高通信質(zhì)量的一項關鍵技術，調(diào)制是為了使信號特性與信道特性相匹配?，F(xiàn)代移動通信系統(tǒng)大多數(shù)使用的是數(shù)字調(diào)制技術，這主要是由于數(shù)字通信網(wǎng)建網(wǎng)靈活，并且數(shù)字加密技術便于集成化。因此，通信系統(tǒng)都在由模擬方式向數(shù)字方式轉(zhuǎn)換，這也是移動通信的發(fā)展趨勢。但是，一般的數(shù)字調(diào)制技術， 如振幅鍵控（ASK、頻移鍵控（FSK）和相移鍵控（PSR 等都無法滿足移動通信的要求。因此，尋找性能優(yōu)越的高效調(diào)制方式以適應現(xiàn)代移動通信的要求， 一直是重要的研究課題。MS碉制的出現(xiàn)

10、，是為了獲取更好的通信質(zhì)量。當信道中存在非線性的問題和帶寬限制時，幅度變化的數(shù)字信號通過信道會使己濾除的帶外頻率分量恢復，發(fā)生頻譜擴展現(xiàn)象，同時還要滿足頻率資源限制的要求。因此，對己調(diào)信號有兩 點要求，一是要求包絡恒定；二是具有最小功率譜占用率。因此，現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制技術的發(fā)展方向 是最小功率譜占有率的恒包絡數(shù)字調(diào)制技術?，F(xiàn)代數(shù)字調(diào)制技術的關鍵在于相位變化的連續(xù)性， 從而減少頻率占用。近年來新發(fā)展起來的技術主要分兩大類：一是連續(xù)相位調(diào)制技術（CPFSK,在碼元轉(zhuǎn)換期間無相位突變，如 MSK GMSK;二是相關相移鍵控技術（COR- PSK>,利用部分響 應技術，對傳輸數(shù)據(jù)先進行相位編碼，再進

11、行調(diào)相（或調(diào)頻）。MS是Doelz和Heald在他們的一項專利中提出的一種信號的調(diào)制方式。1972年，DeBudak為MS就是一種特殊的CPFS調(diào)制方式，經(jīng)過一段時間的發(fā)展，MS酸認為是正弦加權的 OQPSK形式。 1977年，Amoroso and Kivett通過一系列的變化把 MS簡化成了 SMSK目前，MSKE實際的通信系 統(tǒng)中已經(jīng)得到了廣泛的應用。 例如，SMSK1應用在美國航空和宇宙航行局的高級通信衛(wèi)星上，GMSK已經(jīng)應用于歐洲GSM!信系統(tǒng)中。對MSK勺功率譜進行仿真，從結果看，MS領制方式并不適用于數(shù) 字移動通信，需對其進行改進.由此，產(chǎn)生了高斯最小頻移鍵控（GMSK調(diào)制方式，

12、從仿真結果來看， 其性能大大改善.目前，GMS調(diào)制方式廣泛用于GSM對不同參數(shù)的GMSK制的功率譜進行仿真，可 得到一種較好的GMSK制方式，又GMSK實際中的應用進行了有益的理論指導。最小移頻鍵控（MSK）是移頻鍵控（FSK）的一種改進型。在FS防式中，相鄰碼元的頻率不變或 者跳變一個固定值。在兩個相鄰的頻率跳變的碼元之間，其相位通常是不連續(xù)的。MS是對FSK信號作某種改進，使其相位始終保持連續(xù)不變的一種調(diào)制信號。MS調(diào)制指數(shù)為0. 5,包絡恒定、相位連續(xù)、頻帶利用率高、功率譜緊湊，且頻譜滾降快，產(chǎn)生帶外干擾小.抗干擾性能好，因此 在軍用和民用通信領域中均獲得了廣泛的應用。用數(shù)字基帶信號去控

13、制可變分頻器的分頻比來改變輸出載波頻率，使輸出信號頻率發(fā)生變化的同時，相位保持連續(xù)，從而實現(xiàn)MS調(diào)制。第1頁共60頁本次畢業(yè)設計采用MATLB勺函數(shù)編程和Simulink兩種方法對MS調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)進行設計，并通 過測試分析MSK勺調(diào)制解調(diào)原理以及 MSK勺基本特點。由于 MSK為模擬信號，因此，需對正弦信 號采樣再經(jīng)過數(shù)/模變換得到所需的MSK信號。通過利用數(shù)字基帶信號去控制可變分頻器的分頻 比來改變輸出載波頻率，使輸出信號頻率發(fā)生變化的同時，相位保持連續(xù)，從而實現(xiàn)MS調(diào)制。第2頁共60頁1方案的論證與選擇1.1 基于SystemView的設計SystemView是美國ELANIX公司推出的，

14、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。使用它，用戶可以用圖符(Token)去描述自己的系統(tǒng)，無需與復雜的程序語言打交道，不用寫代碼即可完成各種系統(tǒng)的設計與仿真。利用SystemView,可以構造各種復雜的模擬、數(shù)字、數(shù)?；旌舷到y(tǒng)和各種多速率系統(tǒng)，它可用于各種線性或非線性控制系統(tǒng)的設計和仿真。用戶在進行系統(tǒng)設計時，只需從SystemView配置的圖符庫中調(diào)出有關圖符，進行各個圖符的參數(shù)設置和相互間的連線，即可進行仿真操作， 給出分析結果。SystemView提供功能強大的分析計算器，以根據(jù)用戶的需要對結果進行各種分 析，對系統(tǒng)設計和修改十分有利。在系統(tǒng)

15、設計和仿真分析方面，SystemView還提供了一個真實而靈活的窗口用以檢查、分析系統(tǒng)波形。另外，分析窗中還帶有一個功能強大的“接收計算器” 可以完成對仿真運行結果的各種運算、頻譜分析、濾波。1.2 基于Matlab的設計Matlab是一種使用簡便的、特別適用于科學研究和工程計算的高級語言，與其他計算機語言相比。它的特點是簡潔和智能化，具有極高的編程和調(diào)試效率。應用Matlab語言開發(fā)通信信號源 模擬系統(tǒng)是高效實用的?；贛atlab語言的多功能通信信號源仿真系統(tǒng)主要由信號的輸入模塊，調(diào)制模塊，源噪聲模塊，以及頻譜分析等模塊組成，不僅可以產(chǎn)生模擬調(diào)制數(shù)字載波調(diào)制兩大類通信信號，還可以計算信號的

16、特征參數(shù)，進行相應的時域和頻域分析，并在給定信噪比的情況下仿真考慮噪聲后總信號的時頻信息。另外，亦從宏觀上介紹了此通信信號源，給出了它的實際應用。應用Matlab語言開發(fā)的一個高效通信信號源模擬仿真系統(tǒng)在現(xiàn)代通信技術中是很有意義和實 用價值的課題。Matlab (Matrix Laboratory) 為美國 Mathworks公司1983年首次推出的一套高性能的數(shù)值 分析和計算軟件，其功能不斷擴充，版本不斷升級，1992年推出劃時代的4.0版，1993年推出了可以配合 Microsoft Windous使用的微機版，95年4.2版，97年5.0版，99年5.3版，5.X版無論是界面還是內(nèi)容都有

17、長足的進展，其幫助信息采用超文本格式和PDF格式，可以方便的瀏覽。至2001年6月推出6.1版，2002年6月推出6.5版，繼而推出6.5.1版，2004年7月Matlab7 和Simulink6.0 被推出，目前的最新版本為7.1版。Matlab將矩陣運算、數(shù)值分析、圖形處理、編程技術結合在一起，為用戶提供了一個強有 力的科學及工程問題的分析計算和程序設計工具，它還提供了專業(yè)水平的符號計算、文字處理、 可視化建模仿真和實時控制等功能，是具有全部語言功能和特征的新一代軟件開發(fā)平臺。Matlab已發(fā)展成為適合眾多學科，多種工作平臺、功能強大的大型軟件。在歐美等國家的 高校，Matlab已成為線性

18、代數(shù)、自動控制理論、數(shù)理統(tǒng)計、數(shù)字信號處理、時間序列分析、動 態(tài)系統(tǒng)仿真等高級課程的基本教學工具。成為攻讀學位的本科、碩士、博士生必須掌握的基本技能。在設計研究單位和工業(yè)開發(fā)部門，Matlab被廣泛的應用于研究和解決各種具體問題。在中國，Matlab也已日益受到重視，短時間內(nèi)就將盛行起來，因為無論哪個學科或工程領域都可以 從Matlab中找到合適的功能。1.3 基于FPGA勺設計Quartus n是Altera 公司提供的FPGA/CPLDF發(fā)集成環(huán)境，在Quartus n上可以完成設計輸 入、元件適配、時序仿真和功能仿真、編程下載整個流程，它提供了一種與結構無關的設計環(huán)境， 是設計者能方便地

19、進行設計輸入、快速處理和器件編程。第3頁共60頁其時序仿真就是接近真實器件運行特性的仿真，仿真文件中已包含了器件硬件特性參數(shù)，因而，仿真精度高。但時序仿真的仿真文件必須來自針對具體器件的綜合器和適配器。綜合后所得的EDIF等網(wǎng)表文件通常作為 FPGA適配器的輸入文件，產(chǎn)生的仿真文件中包含了精確的硬件延遲 信息。a. 基于Simulink的MSK模型的仿真b.將模型文件轉(zhuǎn)化為 VHDL語言文件c. 驗證VHDL代碼d.在FPGA器件中實現(xiàn)MSK信號要解決的關鍵問題：a. 在MATLAB/simulink中將模型文件轉(zhuǎn)化為 VHDL語言文件b. 在Quartus II中如何測試，調(diào)整 MSK信號c

20、.根據(jù)MSK信號的解調(diào)算法搭建模型并且仿真實現(xiàn)1.4方案選擇本文基于軟件仿真實現(xiàn) MSKC統(tǒng)調(diào)制解調(diào)，SystemView和Matlab這兩個軟件都能針對通信 系統(tǒng)做出相應的模型， 而基于FPGA勺仿真一些模塊需要通過編寫VHD晤言實現(xiàn)一些模塊，故實現(xiàn)比較麻煩。SystemView是基于Windows境下運行的用于系統(tǒng)仿真分析的可視化軟件工具，它功能模 塊使用（Token）描述程序。它軟件的界面比較友好，圖符和連續(xù)都是彩色的，視覺效果好，而且 都可以根據(jù)個人喜好進行調(diào)整，工具欄的快捷鍵布局合理，其中圖符庫與模塊版圖在同一窗口內(nèi)，這給操作帶來了便利。相比之下，Simulink的界面設計偏向簡潔，

21、模塊圖都是黑色框圖，連線也是單一黑色。Simulink的模塊瀏覽器是獨立的，但它的功能更強大。涉及額領域比SystemView廣。簡潔風格的好處在于：當仿真的系統(tǒng)偏大，模塊較多時，視覺上不會覺得繁雜，有利于整個 仿真系統(tǒng)的檢查。而且Simulink的幫助文檔的優(yōu)點是無論在哪個模塊哪個窗口點擊幫助。立即出現(xiàn)的是相關模塊、窗El的幫助。這對使用者，尤其足初學者是說相當方便的。因此，從幫助文檔的易用性角度 來看，Simulink相當出色。Simulink是包含在Matlab之中的仿真工具，而Matlab本身具有強大的編程仿真功能Simulink與Matlab、C/C+語青、DSPA及與硬件工作環(huán)境等

22、都可以方便地實現(xiàn)。就此而言，SystemView與Simulink足無法比擬的。所以為了能更清楚地了解 MS源統(tǒng)，本文采用 Matlab語言編程和Simulink實現(xiàn)MS繇統(tǒng)。第4頁共60頁2 MSK信號調(diào)制解調(diào)原理2.1 MSK的特點MS愿數(shù)字調(diào)制技術的一種。數(shù)字調(diào)制是數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為與信道特性相匹配的波形的過程。 調(diào)制過程就是輸入數(shù)據(jù)控制 （鍵控）載波的幅度、頻率和相位。MSKW于恒包絡數(shù)字調(diào)制技術?，F(xiàn)代數(shù)字調(diào)制技術的研究，主要是圍繞著充分的節(jié)省頻譜和 高效率地利用可用頻帶這個中心而展開的。隨著通信容量的迅速增加，致使射頻頻譜非常擁擠， 這就要求必須控制射頻輸出信號的頻譜。但是由于現(xiàn)代通信系

23、統(tǒng)中非線性器件的存在，引入了頻譜擴展，抵消了發(fā)送端中頻或基帶濾波器對減小帶外衰減所做的貢獻。這是因為器件的非線性具有幅相轉(zhuǎn)換（AM/PM）效應，會使己經(jīng)濾除的帶外份量幾乎又都被恢復出來了。為了適應這類信道 的特點，必須設法尋找一些新的調(diào)制方式，要求它所產(chǎn)生的己調(diào)信號，經(jīng)過發(fā)端帶限后，雖然仍 舊通過非線性器件，但是，非線性器件輸出信號只產(chǎn)生很小的頻譜擴展。為了適應這類信道的特性，已調(diào)信號須有以下兩個特點：包絡恒定或包絡起伏很小由于信道中具有非線性的輸入輸出特性，所以已調(diào)波包絡不能起伏，即不能用包絡來攜帶信息，需要采用頻移鍵控（FSK）或相移鍵控（PSK）來傳遞信息。具有最小功率譜占用率已調(diào)波要具

24、有快速高頻滾降的頻譜特性，要求旁瓣必須很小，這種信號經(jīng)過帶限濾波之后， 只要讓主瓣無失真通過，由于旁瓣功率很小， 所以濾波器的輸出信號（即非線性器件的輸入信號）的包絡起伏就會很小， 大大減小了 AM/PM應，繼而頻譜擴展的現(xiàn)象也會隨之而減小。由于已調(diào)波具有快速高頻滾降的頻譜特性，使信號能量大部分集中在一定的帶寬內(nèi)，因此提高了頻帶的利用率。根據(jù)這些要求，人們在實踐中創(chuàng)造了各式各樣的調(diào)制方式，我們稱之為現(xiàn)代恒包絡數(shù)字調(diào)制技術?，F(xiàn)代數(shù)字調(diào)制技術的發(fā)展方向是最小功率譜占有率的恒包絡數(shù)字調(diào)制技術?，F(xiàn)代數(shù)字調(diào)制技術的關鍵在于相位變化的連續(xù)性。MSK最小頻移鍵控）是移頻鍵控FSK的一種改進形式。在二進制FS

25、K方式中載波頻率隨著調(diào)制信號“ 1”或“0”而變，其相位通常是不連續(xù)的。所謂 MSK 方式，就是FSK信號的相位始終保持連續(xù)變化的一種特殊方式?？梢钥闯墒钦{(diào)制指數(shù)為0. 5的一種 CPFSKW號。MS愿一種在無線移動通信中很有吸引力的數(shù)字調(diào)制方式，因為它有以下兩種主要的特點：信號能量的99. 5%被限制在數(shù)據(jù)傳輸速率的1.5倍的帶寬內(nèi)。譜密度隨頻率 （遠離信號帶寬中心）倒數(shù)的四次哥而下降，而通常的離散相位 FSK信號的譜密度卻隨頻率倒數(shù)的平方下降。 因此，MSK言號在帶外產(chǎn)生的干擾非常小。這正是限帶工作情況下所希望有的寶貴特點。信號包絡是恒定的，系統(tǒng)可以使用廉價高效的非線性器件。從相位路徑的角

26、度來看，MSK屬于線性連續(xù)相位路徑數(shù)字調(diào)制，是連續(xù)相位頻移鍵控（CPFSK）的一種特殊情況，有時也叫做最小頻移鍵控（MSK ）。MSK的“最?。∕inimum ）”二字指的是這種調(diào)制方式能以最小的調(diào)制指數(shù) （h=0.5 ）獲得正交的調(diào)制信號。2.2 MSK的調(diào)制原理最小移頻鍵控又稱快速移頻鍵控（FFSK）。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；而“快速”指的是對于給定的頻帶，它能比PSK傳送更高的比特速率。第5頁共60頁二進制MSK言號的表達式可寫為SMSK(t)=cosg ct+|Dt+k) ; (k-1)Ts<t<kT2 I s(2-1)或者 Smsk

27、(t) =cos(. ct Ft)這里8(t) = 71 Dk t +中 (k _1)t s <t <kT s2Ts k11(2-2)式中c載波角頻率；碼元寬度；（在程序中用Tb來表示）第k個碼元中的信息，其取值為 ±1;（在程序中對應a里面的內(nèi)容）<Pk第k個碼元的相位常數(shù)，它在時間 （k_1）TsWtWkT中保持不變。由式可見，當 D k = +1時，信號的頻率為f1；(, 2 二W)(2-3)當D k = -1時，信號的頻率為f0(，) 2Ts(2-4)由此可得頻率間隔為(2-5)2Ts1T s = = 0.5s 2(2-6)MSK言號與普通2FSK信號的差別

28、在于:選擇兩個傳信頻率f1與f 0 ,使這兩個頻率的信號在一個碼元期間的相位積累嚴格的相差180°。由圖1.1MSK的波形可以看出，“ +”信號與MSK言號的頻率間隔是如何確定的。信號在一個碼元期間恰好相差二分之一周期。下面來說明若初始相位為零，則 中 取值為?；蛉?。由式（1）可推出其正交表達式為: kyMSK =COs ： kcos( )cos( - ct) -u2Tbkcosksin( -)sin( ，/)k 2TbMSK言號的頻率間隔第6頁共60頁對于一般移頻鍵控(2FSK),兩個信號波形具有以下的相關系數(shù)一 sin 2-( f 1- f 0)Tsr =2 二(f 1 - f

29、0斤 s,sin 4 二 f cT s4二 fcTs(2-7)一 一 1 一 一 式中，f c = (f 0+f 1)是載波頻率。MS癌一種正交調(diào)制，其信號波形的相關系數(shù)等于零。因此，對于MSK言號來說，式(2-7)應為零，也就是上式右邊兩項均應為零。第一項等于零的條件是(2n(f1 - f 0)Ts = kn(2-8)(k =1,2,3,)令3等于其最小值1,則fi-f這正是 MSK信號所要求的頻率間隔。第二項等于零的條件是4n f Ts= nn(n =1,2,3,)，即(2-9)這說明，MSK言號在每一碼元周期內(nèi)，必須包含四分之一載波周期的整倍數(shù)。由此可得(n為正整數(shù);1f = n = (

30、 N -c4Tsm =0,1,2,3,)(2-10)相應地ffc1+4Tsm - 11二(N)4 Ts(2-11)圖2.1中的信號波形是N =1, m=(Nc 4T s=3的特殊情況。- mJ)，4 Ts(2-12)相位常數(shù)中 的選擇應保證信號相位在碼元轉(zhuǎn)換時刻是連續(xù)的。根據(jù)這一要求，由式 k(2-2)可以導出以下的相位遞歸條件，或者稱為相位約束條件，即n中，當時二 (- (k -1) = yak ak-1k 7 (D3 Dk2("邛 土(k-1)n,當時k 1, ak a 7(2-13)上式表明，MSK言號在第k個碼元的相位常數(shù)不僅與當前的 Dk有關，而且與前面的D 一及相位常數(shù)中

31、 有關。或者說，前后碼元之間存在相關性。對于相干解調(diào)來說, k 4邛的起始參考值 k第7頁共60頁可以假定為零，因此，從式 (2-13)可以得到中=0或冗(模2冗)式(2-2)中的8 (t)稱為附加相位函數(shù)，它是MSK信號的總相位減去隨時間線性增長的載波相位而得到的剩余相位。式(1-2)是一直線方程式，其斜率為n D k ,截距是邛卜°另外，由于D k2Tsk的取值為±1 ,故n D k t是分段線性的相位函數(shù)(以碼元寬度Ts為段)°在任一個碼元期間內(nèi)，T76(t)的變化量總是 °當d k = +1時，增大 1；當D k = -1時，減小°鼠t

32、)311 -11 -1 +1 -1 +1 +1| +1 -11 +1 a(a)附加相位函數(shù)(b)附加相位路徑網(wǎng)絡圖2.1附加相位函數(shù)9(t)及附加相位路徑網(wǎng)絡;圖2.1(b)表示的是附加相位路徑的2.1中給出了設與Dk之間關系圖2.1(a)是針對一特定數(shù)據(jù)序列畫出的附加相位軌跡 網(wǎng)格圖，它是附加相位函數(shù)由零開始可能經(jīng)歷的全部路徑。表 的一個例子。表2.1相位常數(shù)k與Dk的關系K123456Dk1-1-1111中k0兀兀-2 二-2 二-2 二9(模 2 二)0兀兀000k第8頁共60頁因為 cosL ct + 6(t = cos6(t Jcos® 3 sin8(t pin。J,所以

33、msMbei也可以看作是由兩個彼此正交的載波 cos© ct與sin0 ct分別被函數(shù)cos6(t彩sin 8。世行振幅調(diào)制而合成的。已知 d t = D±t 2Ts+叫，D k = ±1，邛卜=味幾(模2n),因而一.tcos r t = cos( ：) cos 2Tsk(2-16)故MSK(言號可表示為t = -D ksin( /(2-17)Smsk (t) =COS '： kcos(_L) cos( ct) -D kcos ： ksin('2_：) sin(，ct) (k)T21s21s(2-18)式中，等號右邊的第一項是同相分量，也稱為 I

34、分量；第二項是正交分量，也稱為 Q分量。cos ( 7Tt)和sin ( E)稱為加權函數(shù)(或稱調(diào)制函數(shù))。cos中 是同相分量的等效數(shù)據(jù)，2Ts (2Ts)k_n coscp是正交分量的等效數(shù)據(jù)，它們都與原始輸入數(shù)據(jù)有確定的關系。令coscp =,ID kkk kd k cos中k = Q ，代入式(2-18)可得_ttSmsk (t) = I k cos( 2)cos( - ct) - Qksin( y-)sin( ct) (k -1)T s -t - kT s T s/ T s(2-19)根據(jù)上式，可構成一種 MSK制器，其方框圖如圖 2.2所示。圖2.2 MSK調(diào)制器的方框圖第9頁共6

35、0頁MSK言號的產(chǎn)生步驟：先對輸入數(shù)據(jù)進行差分編碼，這是收端相干載波解調(diào)的需要。把差分編碼器的輸出用串/并變換器合成兩路，并相互錯開一個碼元寬度 T s，得到1k和 Q k。用加權函數(shù)cos ' nt ）和sin ' nt 分別對I和Q進行加權。<2TsJ<2T sjk k最后，對加權數(shù)據(jù)用正交載波cos « t和sins t分別進行調(diào)制，并相加，相加之后的1c1c信號通過低通濾波器后即可得到MSK言號。2.3 MSK的解調(diào)原理MSK言號的解調(diào)與FSK信號相似，可以采用相干解調(diào)，也可以采用非相干解調(diào)。圖 2.3給出 了一種采用延時判決的相干解調(diào)原理方框圖。

36、關于相干解調(diào)的原理與 2FSK信號時沒有什么區(qū)別。這里，重點討論延時判決法的原理。下面舉例說明在（0,27；）時間內(nèi)判決出一個碼元信息的基本原理。2iTs，2i 1 Ts1s數(shù)據(jù)1 ct+（t 與相干載波cosht 十工I相乘，則相乘輸出為 c 22i-1Ts,2i 51圖2.3 MSK信號相干解調(diào)原理方框圖設（0,21 s用間內(nèi)0（0 ）=0 ,則msk勺e（t）的變化規(guī)律可用圖2.1表示，在t = 2T s時刻,”）的可能相位為0、 士 n?，F(xiàn)如果把這時的接收信號cosJIcos . c t cos( . ct 2): 1 cos t 1 cos 2 . c - t(2-20)濾掉高頻分量

37、，可得第10頁共60頁(2-21)冗v(t )=cos9(t )-y = sin 0(t) 0 <t <2 T s我們可知：如果v(t)經(jīng)抽樣判決后為正極性，則可斷定數(shù)字信息不是“11”就是“10”，于是可判定第一個比特為“ 1”，而第二個比特等下一次再作決定。這里，利用了第二個碼元提供的條 件，所以判決的第一個碼元所含信息的的正確性就有所提高。這就是延時判決法的基本含義。輸入MSK言號同時與兩路的相應相干載波相乘，并分別進行積分判決。這里的積分判決是交替工作的，每次積分時間為2T s。如果一積分在2iT s，2(i +1獷s】進行，則另一積分在2 (i -1 T s,2(i +1

38、 T s進行，兩者相差 T s °2.4 MSK的性能分析功率譜:(2-22)MSK言號的時域表達式：Smsk (t) =cos( 0 ct + ； D k t +邛 k) ； (k -1)T s <t < kT s2TsMSK言號的功率譜密度可表示為S MSK ( 8 ) = 32 冗cos(11 c|T s 1J 2-4(|© -0 c|T s)2(2-23)其歸一化功率譜密度如圖 2.5所示。與2PSK相比較可以看出：MSK言號的功率譜更加緊湊， 并且它的第一個零點是在 0.75/ 處，而2PSK的第一個零點是在1/處。這表明MSK言號功率譜的主瓣所占的頻

39、帶寬度比 2PSK信號窄；在主瓣 帶寬之外，功率譜旁瓣的下降也更迅速。 即MSK言號的功率主要包含在主瓣之內(nèi)。 因此, MSK言號比較適合在窄帶信道中傳輸，對鄰道的干擾也較小。由于MSK言號占用帶寬窄，故 MSK言號的抗干擾TK要優(yōu)于 2PSK)這就是目前廣泛采 用MS明制的原因。第11頁共60頁1 功率譜密度/ dB-20-30-400.75 123TsTsTsTs(f-fc ) / HzMSK 0-10圖2.5 MSK與2PSK信號的歸一化功率譜然而，在某些通信場合，如移動通信中，對信號帶外輻射功率的限制十分嚴格，要求對鄰近 信道的衰減達70dB80dB以上。因此，近來對 MSK言號作些改

40、進，如改進兩正交支路的加權函 數(shù)，稱為“高斯最小頻移鍵控”GMS碉制方法等。誤碼率性能：2PSK信號和QPSK言號的誤碼率性能相同， 因為可以把QPSK言號看作是兩路正交的 2PSK信 號，在作相干接收時這兩路信號是不相關的。OQPS信號只是將這兩路信號偏置了，所以其誤比特率也和前兩種信號的相同?，F(xiàn)在的MSK言號是用極性相反的半個正（余）弦波形去調(diào)制兩個正 交的載波。因此，當用匹配濾波器分別接受每個正交分量，MSKW號的誤比特率和 2PSK,QPS儂OQPS4的性能一樣。但是，若把它當作FSK信號用相干解調(diào)法在每個碼元持續(xù)時間Ts內(nèi)解調(diào)，則其性能將比2PSK信號的T能差3dBo3 MSK調(diào)制解

41、調(diào)系統(tǒng)的Matlab仿真3.1 Matlab 中Simulink 及m語言的簡單介紹在MATLAB1信工具箱中有 SLMULIN電真模塊和MATLAB1,形成一個運算函數(shù)和仿真模 塊的集合體，用來進行通信領域的研究、開發(fā)、系統(tǒng)設計和仿真。通信工具箱中的模塊可供直接 使用，并允許修改，使用起來十分方便，因而完全可以滿足使用者設計和運算的需要。MATLAB通信工具箱中的系統(tǒng)仿真，分為用SIMULINK模塊框圖進行仿真和用 MATLAB®數(shù)進行的仿真兩種。在用 SIMULINK模塊框圖的仿真中，每個模塊，在每個時間步長上執(zhí)行一次，就 是說，所有的模塊在每個時間步長上同時執(zhí)行。這種仿真被稱為

42、時間流的仿真。而在用MATLAB函數(shù)的仿真中，函數(shù)按照數(shù)據(jù)流的順序依次執(zhí)行，意味著所處理的數(shù)據(jù)， 首先要經(jīng)過一個運算階段，然后再激活下一個階段，這種仿真被稱為數(shù)據(jù)流仿真。某些特定的應用會要求采用兩種仿真 方式中的一種，但無論是哪種，仿真的結果是相同而且很方便。近幾年來，在學術界和工業(yè)領域，Simulink 已經(jīng)成為動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真領域中應用最為廣泛的軟件之一。Simulink可以很方便地創(chuàng)建和維護一個完整地模塊，評估不同地算法和結 構，并驗證系統(tǒng)的性能。由于 Simulink是采用模塊組合方式來建模，從而可以使得用戶能夠快 速、準確地創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)的計算機仿真模型，特別是對復雜的不確定非線性系

43、統(tǒng)，更為方便。Simulink 模型可以用來模擬線性和非線性、連續(xù)和離散或者兩者的混合系統(tǒng)，也就是說它第12頁共60頁可以用來模擬幾乎所有可能遇到動態(tài)系統(tǒng)。另外Simulink還提供一套圖形動畫的處理方法，使用戶可以方便的觀察到仿真的整個過程。Simulink沒有單獨的語言，但是它提供了 S函數(shù)規(guī)則。所謂的 S函數(shù)可以是一個 M函數(shù)文 件、FORTRA曜序、C或C+語言程序等，通過特殊的語法規(guī)則使之能夠被 Simulink模型或模塊 調(diào)用。S函數(shù)使Simulink更加充實、完備，具有更強的處理能力 。同Matlab 一樣，Simulink也不是封閉的，他允許用戶可以很方便的定制自己的模塊和模塊

44、 庫。同時Simulink也同樣有比較完整的幫助系統(tǒng)，使用戶可以隨時找到對應模塊的說明，便于 應用。綜上所述，Simulink就是一種開放性的，用來模擬線性或非線性的以及連續(xù)或離散的或者 兩者混合的動態(tài)系統(tǒng)的強有力的系統(tǒng)級仿真工具。目前，隨著軟件的升級換代，在軟硬件的接口方面有了長足的進步，使用Simulink可以很方便地進行實時的信號控制和處理、信息通彳t以及DSP的處理。世界上許多知名的大公司已經(jīng)使用Simulink作為他們產(chǎn)品設計和開發(fā)的強有力工具。Simulink 是Matlab中的一種可視化仿真工具，是一種基于 Matlab的框圖設計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，

45、被廣泛應用于線性系統(tǒng)、非線性系 統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分 具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口 （GUI）,這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成，它提供了一種更 快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結果。Simulink&reg是用于動態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領域仿真和基于模型的設計工具。對各種時變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)，Simulink

46、提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫來對其進行設計、仿真、執(zhí)行和測試。構架在Simulink 基礎之上的其他產(chǎn)品擴展了Simulink 多領域建模功能，也提供了用于設計、執(zhí)行、驗證和確認任務的相應工具。Simulink 與Matlab&reg; 緊密集成，可以直接訪問 Matlab大量的工具來進行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、 建模環(huán)境的定制以及信號參數(shù)和測試數(shù)據(jù)的定義。3.2 運用m語言設計MSK制解調(diào)系統(tǒng)3.2.1 運用m語言設計的流程圖第13頁共60頁開始圖3.1軟件設計流程圖3.2.2 測試結果及分析MatlabMatlab強大之處在于它可以用編程語言繪制想要

47、模擬的系統(tǒng)最終輸出的圖形，通過編程MS保統(tǒng)，可以得到各環(huán)節(jié)的圖形，編寫 MS保統(tǒng)的Matlab語言見附錄，接下來就對程序第14頁共60頁 運行后的圖形進行分析說明。如下圖所示：原信號為1 0 0 0 0 1 1 0 1 1)，其中高電平用“ 1”表示，低電平“ 0”表示。從圖3.1可以看出數(shù)字信號經(jīng)差分編碼后的波形，差分編碼的規(guī)則是：5 二 An 二 b可以看出參考位為 1 ,利用上式，可以得到差分編碼信號為 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0) 。再經(jīng) 過串并轉(zhuǎn)換得到同相信號和正交信號，這兩路信號，每個碼元寬度是串并變換之前信號寬度的2倍。圖3.2圖3.3 Icos(wct)cos(wt

48、) 和Qsin(wct)sin(wt)這兩路信號分別是同相分量和正交分量乘以載波后的波形，這兩個波形在信號幅值變換時都有明顯的波形相位變化，變動n相位。當兩者相加后就構成了相位連續(xù)的MSK言號。即：Smsk (t) = I k cos( y)cos( . ct) Q ksin( -)sin( - ct) (k 一1)丁 s M t M kT s2Ts2Ts第三個圖就是 MSK言號波形圖，可以看出其相位連續(xù)，波形疏密和FSK相似。其中密集的代表“1”, 稀疏的彳t表“ 0”。由其波形圖可看出，它所攜帶的信號為 1 0 0 0 0 1 1 0 1 1),和原信號一第15頁共60頁圖3.3下圖所示為

49、：加噪對信號有一定的干擾，會影響信號的波形。即：MSK言號經(jīng)過信道傳輸后，有噪聲的干擾。如下圖加噪后再通過帶通濾波器得到MSK信號dm,噪聲頻譜寬，信號只有一定的頻譜，進過帶通濾波器后，帶外噪聲被濾除，只剩帶內(nèi)的噪聲對信號造成影響。同時為了改善 信號傳輸可靠性，可以將信號乘以一高頻載波，這樣可以抵抗低頻干擾，在接受端再乘以該載波就可恢復原信號。ds1波形和ds2波形分別乘以載波，由于載波頻率比較高，可以通過低通濾波器濾除載波保留解調(diào)后的同相和正交分量。得到的是幅值不是嚴格一致的 s11和s22波形。想得到原波形，還需進行抽樣判定。圖3.4第16頁共60頁圖3.5下圖3.6可以看出程序編寫的帶通

50、濾波器和低通濾波器，帶通參數(shù)為150350和-150-350。低通參數(shù)為0200和-2000。前兩圖為其的頻譜圖，可以看出，MSKM有最小功率譜占用率。sa和sb為還原出的同相分量和正交分量，由于存在噪聲，與原來的有一定差別。從圖3.7可以看出，調(diào)制和解調(diào)信號大致相當，由于程序中MSK言號是加了噪聲的，故存在一定的錯誤，統(tǒng)過計算MSK音誤概率為：2.0202% 。帶通濾淞器HI14-1I1Ii11iiiii19i-I_dJ1i _ _ J _ _ .Illi III_ -1141i-1dIid1 1 1 i iiiiii iiii iiii iiiiiiIIII00 01 0 02 0 03

51、0 04 0 05 0 06 。葉 0 08 。的 0 1圖3.6第17頁共60頁經(jīng)過低通后的信號Sbn 111nl|II'00.01 0 02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.C7 0 06 0.090.1圖3.7圖3.8看出MSK言號與FSK信號十分相似。但有其獨特的特點，即：信號能量的99. 5%被限制在數(shù)據(jù)傳輸速率的1.5倍的帶寬內(nèi)。信號包絡是恒定的，系統(tǒng)可以使用廉價高效的非線性器件。其相位始終保持連續(xù)不變的一種調(diào)制信號。0 05 0.06 0.07 0.0S 0,090.100 01 0.02 0.03 0 04 0 05 0.06 Q 07 0 08 0.090

52、 1圖3.83.3運用Simulink設計MSK制解調(diào)系統(tǒng)3.3.1 Simulink MSK 調(diào)制模塊在調(diào)制模塊中運用隨機序列產(chǎn)生調(diào)制信號,通過增益變化，改變原始信號的極性，由單極性變化為雙極性。串并變換采用采樣保持方法實現(xiàn), 后級電路采用正交調(diào)制法。最后將同相分量和正交疊加構成MSK言號。第18頁共60頁U_小小 Random1日1:4&Random I nt” 目GenefstorGainConstantPulseGerrerstcrJUlJSample & HoldlTranspod: Delay3RroduSire Wfi-67Pr«i jgH即HSin*

53、Wav&S1 SineSample & Hold Pr&duciS圖3.9 產(chǎn)生MSK言號的Simulink 模型3.3.2 Simulink MSK解調(diào)模塊然后通過抽樣判決電路Elin. Wbvv9Sin« Wtvtl 1Sine Wave 12-buKt-rP*Eg 習 AnalogFiiCer Design 1PulseSipe WavetDbutte*Productl Analog "FiltEf Desihfi皿PulwGensratwBCcnstBGain1Sample & Hcld2SwitchCcns5snli5C-onsta

54、ntfGonitHn!)4Sample & Hold3InS/HTransportCnl»y5PulSrEGeneratorT皿恒信導Switdn 1ConsEanlfiCDnstantS圖3.10 MSK信號過零比較解調(diào)的Simulink 模型D*lsyfi-APf-MUGt11>JPulseGfrntrtl解調(diào)模塊先利用相干載波解調(diào)方法再通過低通濾波器得出兩路信號, 得出信號抽樣判決類似過零比較電路。等效框圖如下。第19頁共60頁圖3.11抽樣判決解調(diào)但通過仿真得出結果，是在波形上有一定的延遲，但解調(diào)信號值沒錯，可見過零比較可以作為一種可選的解調(diào)方式。Simulink MSK模型參數(shù)設置（圖號依據(jù)模型圖中圖號為準）Random Integer Generor為隨機序列產(chǎn)生模塊，用來產(chǎn)生隨機序列調(diào)制信號。采用二進制信號，采