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1、 基于MATLAB的MSK系统的仿真研究 姓 名 牛爱 专 业 通信工程 学 院 信息工程学院 学 号 1005140123 指导教师 李春晖 二 一三 年 三 月 二十五 日 目 录 1.绪论.1 1.1概述.1 1.2数字调制方式的发展状况.12 .MSK理论研究.2 2.1MSK基本原理和特点.2 2.1.1MSK的基本原理.2 2.1.2MSK的特点.4 2.2MSK调制原理.43.基于MATLAB的MSK系统原理仿真.5 3.1MSK系统仿真模型.5 3.2仿真结果及相应的分析.6 3.2.1误码率分析.6 3.2.2MSK功率谱密度分析.7 3.2.3MSK系统眼图分析.74.总结
2、.95.参考文献.10 基于MATLAB的MSK系统的仿真研究 摘要：当今社会已经步入了信息时代，在各种信息技术中，信息的传输和通信起着支撑作用。对于信息的传输，数字通信已成为重要的手段。信号的调制方式也由模拟方式持续广泛地向数字方式转换，于是，数字调制就成了人们研究的重点，常用的数字调制有：移幅键控(ASK)调制、移频键控(FSK)调制和移相键控(PSK)调制。最小移频键控(MSK)是移频键控(FSK)的一种改进型,MSK调制是一种性能比较优良的新颖的数字调制，它以独特的性能吸引着工程设计人员，正在不断地被应用于各类通信系统中，成为非线性数字无线电通信系统使用的最有效的调制方式之一。本文采用
3、理论研究和实验分析相结合的方法，系统介绍MSK调制解调原理及其特点，并通过使用Matlab的Simulink仿真模块对其进行仿真，同时简介MSK调制解调的应用及研究发展前景。关键词：MSK；MATLAB；Simulink; 仿真分析；调制解调；1 绪论1.1 概述20世纪50年代后期，随着计算机技术、微电子技术、传感技术，激光技术、卫星通信和移动通信技术、航空航天技术等新技术的发展和应用，尤其近代以计算机为主体的互联网技术的兴起和发展，它们相互结合、相互促进，将人类社会推入到高度信息化时代1。通信的目的是传输含有信息的消息。消息有多种形式，话音、文字、数据、符号、图像等等都是消息2。原始的数据
4、信号有两种基本形式，一种是模拟的，另一种是数字的。模拟数据信号是在某一数值范围内可以连续取值的信号。数字数据信号是只取有限个离散值的数字序列。由于数字数据更便于存储、处理和传输，而模拟数据经过取样、量化和编码，可以转换成数字数据。因此，模拟数据的传输只有在特定条件下才被使用，而数字数据的应用越来越多。信号的调制方式也由模拟方式持续广泛地向数字方式转换。数字调制有三种基本形式:移幅键控法ASK、移频键控法FSK、移相键控法PSK。在ASK方式下，用载波的两种不同幅度来表示二进制的两种状态。ASK方式容易受增益变化的影响，是一种低效的调制技术。在电话线路上，通常只能达到1200bps的速率。在FS
5、K方式下，用载波频率附近的两种不同频率来表示二进制的两种状态。在电话线路上，使用FSK可以实现全双工操作，通常可达1200bps的速率。在PSK方式下，用载波信号相位移动来表示数据。PSK可以使用二相或多于二相的相移，利用这种技术可对传输速率起到加倍的作用3。1.2 数字调制方式的发展状况众所周知，一个通信系统的质量，在很大程度上依赖于所采用的调制方式4。调制是为了使信号特性与信道特性相匹配，因此调制方式的选择是由系统中的信道特性决定的。随着大容量下，远距离数字通信的发展，譬如卫星数字通信、数字微波接力通信、卫星广播通信的发展5，系统中出现了个新问题：信道中同时存在着带限与非线性的特性。在这种
6、信道条件下，传统的数字调制方式则面临着一场新的挑战。为适应这类信道的特性，迫使人们在传统的数字调制基础上，探索新的数字调制技术：恒包络数字调制技术6。2 MSK理论研究数字通信系统的一般模型如图2-1所示。本章主要研究MSK理论知识，首先介绍MSK的基本原理及一般特点，然后分别就调制和解调原理分别进行详细分析。 图2-1数字通信系统的一般模型2.1 MSK基本原理和特点2.1.1 MSK基本原理 MSK是2FSK的改进，2FSK体制虽然性能优良、易于实现，并得到了广泛的应用，但它也有一些不足之处2。首先，它占用的频带宽度比2PSK大，即频带利用率低；其次，若用开关法产生2FSK信号，则相邻码元
7、波形的相位可能比连续，因此在通过带通特性的电路后由于通频带的限制，使得信号波形的包络产生较大起伏。为了克服这些缺点，将2FSK作相应的改进就发展出MSK信号，其波形图如图2-2所示。 图2-2 MSK信号波形示例MSK有时叫做快速频移键控（FFSK），有时也叫做最小频移键控（MSK）7。二进制MSK信号的表达式可写为： (1) 式中，k称为附加相位函数；c为载波角频率；Tk为第k个输入码元，s为码元宽度；a取值为1；k为第k个码元的相位常数，在时间kTst(k+1)Ts中保持不变，其作用是保证在t=kTs时刻信号相位连续。由 (2)可知当1时，信号的频率为：当1时，信号的频率为：由此可得频率之
8、差为：H=Ts=x Ts=0.5那么MSK信号波形如图示： 图2-3 MSK信号波形从图中可以看出，+信号和信号在一个码元期间恰好相差二分之一周，即相差为了保持相位的连续，在t=时间内应有下式成立：=（）（） (3) 即：当时，=；当时，=（）； (4) 若令0，则0或，此式说明本比特内的相位常数不仅与本比特区间的输入有关，还与前一个比特区间内的输入及相位常数有关。由附加相位函数k(t)的表示式可以看出，k(t)是一直线方程，其斜率为 截距为k。由于ak的取值为1，故是分段线性的相位函数。因此，MSK的整个相位路径是由间隔为Ts的一系列直线段所连成的折线。在任一个码元期间Ts，若ak=+1，则
9、k(t)线性增加；若ak=-1， 则k(t)线性减小 。对于给定的输入信号序列ak，相应的附加相位函数k(t)的波形如图所示。对于各种可能的输入信号序列，k(t)的所有可能路径是一个从-2到+2的网格图。2.1.2 MSK的特点MSK信号具有以下特点：8 （1）MSK信号是恒定包络信号。 （2）在码元转换时刻，信号的相位是连续的，以载波相位为基准的信号相位在一个码元期间内线性地变化/2 。 （3） 在一个码元期间内， 信号应包括四分之一载波周期的整数倍，信号的频率偏移等于，相应的调制指数h=0.5。 (4)信号频率偏移严格等于 。 2.2 MSK调制原理 MSK具有两种调制方式，当把MSK看作
10、是OQPSK时，称作正交调制；而把MSK看作是CPFSK调制时，叫做CPE调制，这是由于CPFSK也是CPM的一种，而CPM可由连续相位编码（CPE）加无记忆信道（MM）的形式进行分解调制4。所以称这种调制方式为CPE+MM调制。而本文只重点阐述正交调制。由于MSK信号是一种2FSK信号，所以它也像2FSK信号那样，可以采用相干解调或非相干解调方法，除此之外，MSK信号还可以采用延时判决相干解调的方法2。非相干解调方法如图2-4所示，相干解调方法如图2-5所示。 图2-4非相干解调方框图 图2-5相干解调方框图3基于MATLAB的MSK系统原理仿真本章主要使用MATLAB及MATLAB中的Si
11、mulink仿真模块对MSK调制解调系统进行仿真，并深入分析相关结果。3.1MSK系统仿真模型数字通信系统的仿真流程可以概括为：信号的产生与输出、编码与解码、调制与解调、滤波器以及传输介质的模型。根据Simulink提供的仿真模块，数字调制系统的仿真可以简化成如图3-1所示的模型8： 图3-1数字调制系统基本仿真框图MSK仿真系统是数字调制系统的一种，基本的构成可按图3-1搭建相应模块。Simulink通信工具箱中提供了专门的MSK调制和解调模块，利用Simulink通信工具箱中的MSK调制解调模块及合适的信号源与信道即可。其Simulink仿真模型如图3-2所示： 图3-2 MSK系统的Si
12、mulink仿真模型3.2仿真结果及相应的分析3.2.1误码率分析在仿真过程中，必须观察各个环节的输入信号和输出信号波形，因此，必须在各个环节加上示波器(scope)以观察波形。输入调制信号的波形如图3-3所示，解调输出信号波形如图3-4所示。 图3-3输入调制信号 图3-4解调输出信号对比以上两图可以看出，MSK信号波形的振幅非常稳定，相移较小，这与MSK信号的定义是相符的。另外，解调后的时域信号波形和源信号波形相比，除了有5个码元的延迟外，其信号波形与源信号波形是一致的，这说明MSK调制性能较好。3.2.2MSK功率谱密度分析通过正确仿真，可在SpectrumScope中得到MSK系统信号
13、的功率谱如图3-5所示： 图3-5MSK信号功率谱图MSK的功率谱密度很紧凑，它的第一个零点在bT / 75 . 0 处，MSK信号功率谱的主瓣所占的频带宽度窄，并且功率谱旁瓣的下降也很迅速，即MSK信号功率谱主要包含在主瓣内，因此，MSK信号比较适合在窄带信道中传输，对相邻信道的干扰较小。从上图可知，该系统的能量集中在510Hz处，即频率较低处，这与MSK信号的基本特征相一致。3.2.3MSK系统眼图分析经过仿真，在Discrete-TimeEyeDiagramScope中得到MSK信号眼图如图3-6所示： 3-6 MSK信号眼图 眼图是指通过示波器观察接收端的基带信号波形，从而估计和调整系
14、统性能的一种方法。眼图的“眼睛”张开越大，且眼图越端正，表示码间串扰越小；反之越大。当存在噪声时，眼图的线迹变成比较模糊的带状的线，噪声越大，线条越粗，越模糊，“眼睛”张开得越小。总之，眼图可以定性反映码间串扰的大小和噪声的大小，还可以用来指示接收滤波器的调整，以减小码间串扰，优化系统的性能。在实际的通信系统中，数字信号经过非理想的传输系统必定要产生畸变，信号通过信道后，也会引入噪声和干扰，也就是说，总是在不同程度上存在码间干扰的。在码间干扰和噪声同时存在情况下，系统性能很难进行定量的分析，甚至得不到近似结果。为了便于实际评价系统的性能，可以通过眼图直观地估价系统的码间干扰和噪声的影响，是一种
15、常用的测试手段。观察上图，可得此眼图中的“眼睛”还算是张开地比较大，线条也比较清晰，也就说此系统的码间串扰较小，噪声对其的影响也较小9。4.总结MSK作为理论发展最成熟的调制方式之一，对其的研究仍然具有很重大的意义，因此，我们选择了MSK调制方式做仿真研究。仿真这几种理论已经很成熟的数字调制方式，一方面，可以更容易将仿真结果与成熟的理论进行比较，从而验证仿真的合理性；另一方面，也可以以此为基础将仿真系统进行改进扩展，使其成为仿真更多的数字调制方式的模板10。基于MATLAB Simulink模块的数字调制信号仿真系统设计具有许多仿真系统无法比拟的优点。该系统使用起来便利、简单、直观,达到了系统
16、仿真和动态显示的设计效果。通过仿真结果分析，我们直观形象的看到了MSK调制系统各环节时域和频域的对比图及相关的特性。5.参考文献1傅祖芸，信息论基础理论与应用.第二版.北京：电子工业出版社，2007年.2樊昌信，曹丽娜.通信原理.第六版.北京：国防工业出版社，2006年.3（美）马格雷伯.MATLAB原理与工程应用.电子工业出版社，2002年.4周廷显.近代通信技术M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1990年.5戴虹，戴悟僧.MATLAB在通信原理仿真中的应用. 上海第二工业大学学报,2001年. 6郭梯云，刘增基，王新梅，詹道庸，杨洽.数据传输M.人民邮电出版社，1986年.7张铁军，胡正名.软件无线电研究的新进展和关键技术J.电信科学.1998年. 8张起晶，隋志勇.调制系统中的MSK，GMSK的仿真分析与应用.现代电子技术，2009年 9沈琪琪，朱德生.短波通信M.西安：西安电子科技大学出版社，1989年.10王立宁等.MATLAB与通信仿真.第二版.北京：人民邮电出版社，2000年.
