MSK調(diào)制仿真通信課設(shè)

1、沈陽理工大學(xué)通信系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告MSK調(diào)制仿真1.課程設(shè)計(jì)目的（1） 加深對MSK基本理論知識的理解。（2） 培養(yǎng)獨(dú)立開展科研的能力和編程能力。（3） 研究MSK連續(xù)相位技術(shù)，通過MATLAB軟件對其進(jìn)行仿真觀察其調(diào)制過程。2.課程設(shè)計(jì)要求（1） 分有噪聲和無噪聲兩種情況給出MSK已調(diào)信號的時(shí)域波形、頻譜（功率譜）。（2） 對上述圖進(jìn)行必要的分析，以得出MSK的相關(guān)結(jié)論。3.相關(guān)知識數(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)制波是二進(jìn)制（或M進(jìn)制）的已編碼的數(shù)字基帶碼流。調(diào)制的過程就是輸入數(shù)據(jù)控制（鍵控）載波的幅度、頻率和相位。MSK 是在數(shù)字調(diào)制技術(shù)上發(fā)展起來的。它是二進(jìn)制連續(xù)

2、相位頻移鍵控（CPFSK）的一種特殊情況。3.1最小頻移鍵控頻移鍵控和相位鍵控一樣，由于調(diào)制信號包絡(luò)恒定，有利于在非線性的信道中傳輸。MSK是二進(jìn)制連續(xù)相位FSK 的一種特殊情況，有時(shí)叫做快速頻移鍵控（FFSK），有時(shí)也叫做最小頻移鍵控（MSK）。這兩種名稱的側(cè)重點(diǎn)不同：MSK 的“最小（minimum）”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，而FFSK 的“快速”二字指的是對于給定的頻帶，它能比BPSK 傳輸更高速率的數(shù)據(jù)。3.2 MSK的基本概念若CPFSK 信號表示為： 式中相位(t )是時(shí)間t 的連續(xù)函數(shù)，標(biāo)稱載頻fc是f2和f1的算術(shù)平均值，即:式

3、中，頻率f2代表所傳輸數(shù)字序列ak中符號“1”，f1代表符號“1”。（實(shí)際上傳輸數(shù)字序列ak中符號“1”和“1”，相當(dāng)于二進(jìn)制數(shù)據(jù)中的“1”和“0”，如圖3-2）。這樣CPFSK信號用以下形式區(qū)分符號“1”和“1”：式中，k是t=kTb時(shí)刻(t)的值，它與調(diào)制過程的以往狀態(tài)有關(guān)，它是為了保證t=kTb時(shí)相位連續(xù)而加入的相位常數(shù)。調(diào)制指數(shù)為： .(1)考慮k取值和調(diào)制指數(shù)h，可把（1）式統(tǒng)一表達(dá)式如下: .(2)當(dāng)（2）式中的h=0.5時(shí)，就得到了MSK信號的數(shù)學(xué)表達(dá)式：式中，ak取值1。而波形相位為：.(3)可以看出：式中(t)是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)，而MSK本身smsk(t)也是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)（包

4、括隨機(jī)符號轉(zhuǎn)換 t的瞬間在內(nèi)）。這使得信號smsk(t)的譜密度隨頻率（遠(yuǎn)離信號帶寬中心）倒數(shù)的四次冪而下降，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 信號在帶外產(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(diǎn)。由式（3）可得：由上式可知，MSK在第k個(gè)比特區(qū)間內(nèi)：當(dāng)ak=+1時(shí)，發(fā)送的頻率為f2=(fc+1/4Tb);當(dāng)ak=-1時(shí)，發(fā)送的頻率則為f2=(fc-1/4Tb)。由此可得頻率間隔2f=(f2-f1)=1/2Tb。其頻偏：上式表明了MSK 調(diào)制中的頻移剛好等于碼元速率的1/4，這是所有MSK 具體實(shí)現(xiàn)方案中都必須滿足的條件。對于MSK調(diào)制，

5、若載頻fc為頻偏f的整數(shù)倍時(shí)，MSK是一種正交調(diào)制方式。3.3MSK調(diào)制的特點(diǎn)最小頻移鍵控（MSK）有時(shí)也稱做快速頻移鍵控（FFSK）。這種調(diào)制可以看成是調(diào)制指數(shù)為0.5 的連續(xù)相位二進(jìn)制頻移鍵控。MSK 具有如下特點(diǎn)：1.恒定包絡(luò)，允許用非線性幅度飽和器件放大。2.連續(xù)相位，使得功率譜密度按f-4速率降低。功率譜在主瓣以后衰減得較快。3.在碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻，信號的相位是連續(xù)的，或者說，信號的波形沒有突變。4.碼元轉(zhuǎn)換可在瞬時(shí)幅度為零時(shí)發(fā)生，從而使調(diào)制器開關(guān)過程的波形失真最小。5.頻譜帶寬窄，99的能量集中在1.15/Tb的帶寬內(nèi)，從而可允許帶通濾波器帶寬較窄。與QPSK相比，MSK具有較寬的主瓣

6、，其第一個(gè)零點(diǎn)出現(xiàn)在0.75fs處，而QPSK的第一個(gè)零點(diǎn)出現(xiàn)在0.5fs處。由于信號能量在0.75fs之外下降很快，所以典型帶寬取0.75fs即可。由于上述特點(diǎn)及恒定包絡(luò)特點(diǎn)，MSK信號在幅度和頻率受限時(shí)能量損失不大。4.課程設(shè)計(jì)分析實(shí)現(xiàn)MSK調(diào)制過程為：先對輸入基帶信號進(jìn)行差分編碼；再將差分編碼輸出數(shù)據(jù)用串并變換器分成I、Q 兩路，并相互交錯(cuò)一個(gè)碼元寬度；用加權(quán)函數(shù)cos(t/2Tb)和sin(t/2Tb)分別對I、Q 兩路數(shù)據(jù)加權(quán)；對加權(quán)后的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行正交載波調(diào)制。4.1 MSK信號的基本原理MSK是一種特殊的2FSK（二進(jìn)制頻移鍵控）。2FSK信號通常只有兩個(gè)獨(dú)立的震蕩源產(chǎn)生，一般來

7、說在頻率轉(zhuǎn)換相位不連續(xù)。因此，會造成功率頻譜產(chǎn)生很大的旁瓣分亮，若是通過帶限系統(tǒng)后會產(chǎn)生信號包絡(luò)的起伏變化。為了克服以上的的缺點(diǎn)，需控制在頻率轉(zhuǎn)換出相位變化是連續(xù)性的，這種形式的數(shù)字頻率調(diào)制成為相位連續(xù)的頻移鍵控（CPFSK），MSK屬于CPFSK,但因其調(diào)制調(diào)制指數(shù)最小，在每個(gè)碼元持續(xù)時(shí)間Ts內(nèi)，頻移恰好引起為/2相移變化,所以稱為這種調(diào)制方式為最小頻移鍵控MSK。 MSK信號可表示為 下面討論第k個(gè)碼元相位變化情況 根據(jù)相位連續(xù)的條件，要求在t=kTs時(shí)滿足 即 可得 所以： 式中 可得 式中 為同相分量 ； 為正交分量。4.2 MSK通信系統(tǒng)基本模型信號源 MSK調(diào)制 AWGN通道 MS

8、K解調(diào)4.3MSK調(diào)制器的實(shí)現(xiàn)根據(jù)以上的分析，可采取正交調(diào)幅方式產(chǎn)生MSK信號。首先將輸入的二進(jìn)制信號進(jìn)行差分編碼。經(jīng)串/并變換，將一路延時(shí)Ts，得到相互交錯(cuò)一個(gè)碼元寬度的兩路信號Ik和Qk ，然后用加權(quán)函數(shù)cos(t/2Ts)和sin分別對兩路信號I和Q進(jìn)行加權(quán)，加權(quán)后的兩路信號再分別對正交載波cos和sin進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制后的信號相加后通過帶通濾波器，就得到MSK信號。圖4-3 MSK 調(diào)制器原理圖5仿真5.1MSK信號調(diào)制系統(tǒng)atlab/Simulink仿真模型圖5-1仿真模型5.2 在仿真過程中參數(shù)的設(shè)置5-2-1伯努利二進(jìn)制隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器參數(shù)設(shè)置圖將伯努利二進(jìn)制隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器 0 出現(xiàn)的概

9、率設(shè)為0.5，初始化種子設(shè)為12345，采樣時(shí)間設(shè)為0.1，基于幀輸出選為使能，每幀采樣數(shù)設(shè)為10，輸出字節(jié)類型設(shè)為雙字節(jié)。5-2-2MSK調(diào)制模塊參數(shù)調(diào)制圖選擇MSK調(diào)制模塊接受的數(shù)據(jù)類型為Bit性，應(yīng)為輸入的數(shù)據(jù)是0、1序列。間斷性補(bǔ)償（Phase offset）設(shè)置為0,這是MSK系統(tǒng)的基本參數(shù)，而抽樣的值設(shè)為16。5-2-3加性高斯白噪聲信道參數(shù)設(shè)置圖本設(shè)計(jì)使用相對簡單的一個(gè)加性高斯白噪聲作為噪聲信道，他是二進(jìn)制相位調(diào)制信號中疊加高斯白噪聲。之所以選它是因?yàn)橥ㄐ畔到y(tǒng)中常見的熱噪聲近似為白噪聲，且熱噪聲的取值恰好服從高斯分布。初始種子（Initial seed）選擇18233.在模式中選

10、擇 Singal to noise ratio(SNR)模式，SNR(dB)為20dB。5-2-4MSK調(diào)制模塊參數(shù)設(shè)置圖選擇MSK調(diào)制模塊接受的數(shù)據(jù)類型為Bit性，應(yīng)為輸入的數(shù)據(jù)是0、1序列。間斷性補(bǔ)償（Phase offset）設(shè)置為0,這是MSK系統(tǒng)的基本參數(shù)，而抽樣的值與調(diào)制模塊一樣設(shè)為16。5-2-5誤碼率計(jì)算器參數(shù)設(shè)置圖誤碼率計(jì)算器接收數(shù)據(jù)的延時(shí)設(shè)為16，計(jì)算延時(shí)（computation delay）設(shè)置為0，將計(jì)算模式設(shè)置為整幀（entire frame）模式。6.結(jié)果分析6.1信噪比為-6DB6.1.1誤碼率圖6-1-1誤碼率的計(jì)算器將在一定時(shí)間內(nèi)收到的數(shù)據(jù)信號中發(fā)生差錯(cuò)的比特

11、數(shù)與同一時(shí)間說收到的數(shù)字信號的總比特?cái)?shù)的比值通過顯示窗口顯示出來。誤碼率為0.34%6.1.2星座圖分析圖6-1-2通過Discrete-Time Scatter Plot Scope 窗口可以觀察到MSK系統(tǒng)調(diào)制的星座圖，MSK星座圖的特點(diǎn)在該圖都表現(xiàn)出來，這進(jìn)一步驗(yàn)證了該系統(tǒng)的正確性。6.1.3眼圖分析圖6-1-3圖6-1-3實(shí)際的通信系統(tǒng)中，數(shù)字信號經(jīng)過非理想的傳輸必定要產(chǎn)生畸變，信號通過信道后，會引入噪聲和干擾，也就是說，總在不同程度上存在碼間干擾。為了便于實(shí)際評價(jià)系統(tǒng)的性能，可以通過眼圖直觀地估價(jià)系統(tǒng)碼間干擾和噪聲的影響。6.1.4頻譜分析（系統(tǒng)的功率譜圖）圖6-1-4由圖可以看出，該系統(tǒng)的能量集中在頻率較地處，這與MSK信號的特征相一致。6.2改變信噪比系統(tǒng)性能指標(biāo)的變化分析6.2.1誤碼率圖6-2-1當(dāng)信噪比為正后，誤碼率幾乎為0。6.2.2星座圖分析圖6-2-2信噪比變大時(shí)，星座圖效果更好，傳輸更好，這進(jìn)一步驗(yàn)證了該系統(tǒng)的正確性。應(yīng)為信噪比越小，噪聲功率越大，信號失真越嚴(yán)重。6.2.3眼圖分析6.2.4頻譜分析（系統(tǒng)的功率譜圖）圖6-2-3眼圖遠(yuǎn)比第一個(gè)清晰，應(yīng)為信噪比越大，噪聲功率越小，信號失真越輕。6.2.4頻譜分析（系統(tǒng)的功率譜圖）圖6-2-4由圖可以看出，該系統(tǒng)的能量集中在頻率較地處，這與MSK信號的特征相一致。6.3信噪比與誤