2西南交通大學本科畢業設計（論文） 第 頁重慶交通大學信息科學與工程學院課程設計報告題 目MSK調制解調器及同步性能的仿真分析專 業班 級學 號姓 名指導教師信息科學與技術學院二一四年九月 15信息科學與工程學院通信工程專業方向課程設計 通信工程專業課程設計成績鑒定表進行時間2013-2014學年下學期第1、2周成績鑒定學習內容（20分）與教學任務計劃結合程度（10分）與專業培養結合程度（5分）其它（5分）過程評價（20分）實踐能力（10分）學習態度（5分）學習紀律（5分）報告鑒定（60分） 報告內容與實踐過程緊密結合（15分）報告內容與教學計劃內容緊密結合（15分）報告質量(主題、結構、觀點、邏輯、資料、字數 30分)指導教師姓名吳仕勛職稱 講師成績摘 要 最小頻移鍵控又稱快速頻移鍵控，他可以解決OQPsK調制方式不能解決包絡起伏的問題，從而能夠產生恒定包絡、相位連續的調制信號。最小頻移鍵控(MSK)是2FSK的改進調制方式，它具有波形連續，相位穩定，帶寬最小并且嚴格正交的特點，其改進型GMSK在無線通信GSM系統中得到了廣泛地應用。之所以稱為最小頻移鍵控，是由于其頻移指數=0.5，即他的兩個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MSK調制與解調的工作原理，并給出了基于Matlab軟件環境的仿真實現仿真運行結果。關鍵詞：數字通信；調制；解調；系統仿真目 錄摘 要II目 錄III第1章 緒論11.1 數字通信的發展11.2 課題背景及意義1第2章 MSK調制解調原理32.1 MSK信號的產生32.2 MSK信號調制解調方法52.3 msk通信系統調制解調原理框圖7第三章 仿真分析9結論11參考文獻12附錄13 信息科學與工程學院通信工程專業方向課程設計 第1章 緒論1.1 數字通信的發展通信按照傳統的理解就是信息的傳輸與交換,為了傳遞消息，各種消息需要轉換成電信號，消息與電信號之間必須建立單一的對應關系，否則在接收端就無法復制出原來的消息。通常，消息被載荷到電信號的某一參量上，如果電信號的該參量攜帶著離散消息，則該參量必將是離散取值的。這樣的信號就稱為數字信號。如果電信號的參量連續取值，則稱這樣的信號為模擬信號。按照信道中傳輸的是模擬信號還是數字信號，可以相應地把通信系統分為兩類：數字通信系統和模擬通信系統。自1844年5月24日莫爾斯在華盛頓和巴爾的摩之間發送世界上斯一份電報以來 ，電報通信已經經歷了150多年。但是長期以來，由于電報通信不如電話通信方便，作為數字通信主要形式的電報卻比1876年貝爾發明的電話發展緩慢。直到20世紀60年代已后，數字通信才日益興旺起來，數字通信迅速發展的基本原因是它與模擬通信相比，更能適應對通信技術越來越高的要求。第一數字傳輸抗干擾能力強，尤其是在中繼時，數字信號可以再生而消除噪聲的積累；第二，傳輸差錯可以控制，從而改善了傳輸的質量；第三，便于使用現代數字信號處理技術來對數字信息進行處理；第四，數字信息易于做高保密性的加密處理；第五，數字通信可以綜合傳遞各種消息，使通信系統功能增強。然而，數字通信的許多優點都是用比模擬通信占據更寬的帶寬的系統頻帶而換來的。以電話為例，一路模擬電話只占據4khz的帶寬，而一路傳輸質量相同的數字電話這可能要占用數十千赫茲的帶寬。 在系統頻帶緊張的場合，數字通信這一缺點顯得很突出，但是在系統頻帶富裕的場合，比如毫米波通信，光通信等場合，數字通信幾乎成了唯一的選擇。隨著計算機技木和大規模集成技術的發展，數字通信在其發展過程中表現出了強大的生命力，它沖破了傳統模擬通信方式的統治，逐步地發展、完善。可以預言：隨著通信事業的發展，特別是各種寬帶傳輸技術(例如光纖傳輸、數字微波等)、綜合業務數字網(ISDN)的實用化，全數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展1。1.2 課題背景及意義 當今社會已經步入信息時代，在各種信息技術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，為了提高系統的容量（滿足更多的用戶）信道間隔已經是一減再減已經由最初的100khz減到了今天的12.5khz甚至更小。數字通信系統因其組網靈活，差錯控制和保密性都比較容易，而且能夠進入ISDN網所以通信系統已逐步由模擬制式向數字制式過渡，信號的調制方式也逐步由模擬方式持續、廣泛地向數字方式轉化，數字通信系統成為了信息的傳輸的一種重要手段。 然而，一般的數字調制技術，如ASK、PSK和FSK因傳輸效率低和抗干擾能力差而無法滿足移動通信的要求，為此，需要專門研究一些抗干擾性強、誤碼性能好、頻譜利用率高的數字調制技術，盡可能地提高單位頻譜內傳輸數據的比特率，以適用于移動通信窄帶數據傳輸的要求。MSK因具有：（1）已調信號振幅是恒定的。（2）信號的頻率偏移嚴格等于1/4TS ，相應的調制指數H=（f2-f1）ts =0.5。(3)以載波相位在一個碼元期間內準確地線性變化pi/2；（4）在一個碼元期間內，信號應包含四分子一載波周期的整數倍。(5)在碼元轉換時刻信號的相位是連續的，或者說，信號的波形沒有突變。的特點使得msk通信系統抗干擾能力強適用于移動通信等窄帶數據傳輸的要求。在設計新系統或者對原有的通信系統做出修改或者進行相關的研究時，通常要進行建模和仿真，通過仿真結果衡量方案的可行性，從中選擇最合理的系統配置和參數設置，然后再應用于實際系統中。通過仿真，可以提高研究開發工作的效率，發現系統中潛在的問題，優化系統整體性能。與一般的仿真過程類似，在對通信系統實施仿真之前，首先需要研究通信系統的特性，通過歸納和抽象建立通信系統的仿真模型。通過對系統的仿真,可以不需要實際的硬件環境就可以分析系統的特點。人們能夠通過仿真實驗就可以了解msk數字通信系統性能。這樣大大的減少實驗的開銷，對科學技術的發展是很重要的。matrix公司的matlab軟件是一套功能非常強大的工程技術數值運算和系統仿真軟件。第2章 MSK調制解調原理2.1 MSK信號的產生 頻移鍵控是數字通信中用得較廣的一種形式，在衰落信道中傳輸數據時，它被廣泛采用。Fsk信號是0符號對應載頻1，而1符號對應于載頻2（與1不同的另一載頻）的已調波形，而且1與2之間的改變是瞬間完成的。基本調制方法有模擬調頻法和鍵控法.一般來說，鍵控法得到的得到的調制信號的相位是不連續的（兩載波頻率相差為pi/2的整數倍時相位連續） 圖2-1 二進制移頻鍵控信號的時間波形MSK叫最小移頻鍵控，它是移頻鍵控（FSK）的一種改進型。這里“最小”指的是能以最小的調制指數（即0.5）獲得正交信號，它能比PSK傳送更高的比特速率。二進制MSK信號的表達式可寫為： (2-1) 式中，k稱為附加相位函數；c為載波角頻率；Tk為第k個輸入碼元，s為碼元寬度；a取值為1；k為第k個碼元的相位常數，在時間kTst(k+1)Ts中保持不變，其作用是保證在t=kTs時刻信號相位連續。由 (2-2)可知當1時，信號的頻率為：當1時，信號的頻率為：由此可得頻率之差為：H=Ts=x Ts=0.5那么MSK信號波形如圖示： 圖2-2 MSK信號波形從圖中可以看出，+信號和信號在一個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，在t=時間內應有下式成立：=（）（） (2-3) 即：當時，=；當時，=（）； (2-4) 若令0，則0或，此式說明本比特內的相位常數不僅與本比特區間的輸入有關，還與前一個比特區間內的輸入及相位常數有關。由附加相位函數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。因此，MSK的整個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 。對于給定的輸入信號序列ak，相應的附加相位函數k(t)的波形如圖所示。對于各種可能的輸入信號序列，k(t)的所有可能路徑是一個從-2到+2的網格圖。 圖3-3 附加相位函數k(t)的波形圖 圖4-4 附加相位路徑網格從以上分析總結得出，MSK信號具有以下特點： （1）MSK信號是恒定包絡信號； （2）在碼元轉換時刻，信號的相位是連續的，以載波相位為基準的信號相位在一個碼元期間內線性地變化/2 ； （3） 在一個碼元期間內， 信號應包括四分之一載波周期的整數倍，信號的頻率偏移等于，相應的調制指數h=0.5。 (4)信號頻率偏移嚴格等于 。 2.2 MSK信號調制解調方法二進制移頻鍵控信號fsk很容易用一個矩形脈沖序列對一個載波進行調頻而獲得。這正是頻率鍵控通信方式早期采用的實現方法，也是利用模擬調頻法實現數字調頻的方法。對2fsk信號產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電路對兩個不同的獨立頻率源進行選通4。二進制移頻鍵控信號的解調方法很多，有模擬鑒頻法和數字檢測法，有非相干解調方法也有相干解調方法。其解調原理是將二進制移頻鍵控信號分解為上下兩路二進制振幅鍵控信號，分別進行解調，通過對上下兩路的抽樣值進行比較最終判決出輸出信號。 圖5-5二進制移頻鍵控信號解調器原理圖 (a) 非相干解調; (b) 相干解調MSK信號屬于數字頻率調制信號，可以采用相干解調，也可以采用非相干解調方式。由 = (2-5) 令， 則： (2-6)所以msk信號可以看成是由兩個彼此正交的載波和分別進行振幅調制而合成的。根據上面表達式的描述可構成一種MSK調制器由MSK信號的一般表示式可得 (2-7)因為 代入式可得 (2-8) 上式即為MSK信號的正交表示形式。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 稱為加權函數。Q支路信號先延遲Ts，經sinct加權調制和正交載波sinct相乘輸出正交分量xQ(t)。xI(t)和xQ(t)相減就可得到已調MSK信號。 MSK信號屬于數字頻率調制信號，可以采用相干解調，也可以采用非相干解調方式。由于MSK信號調制指數較小，采用一般鑒頻器方式進行解調誤碼率性能不太好，因此在對誤碼率有較高要求時大多采用相干解調方式。本設計模塊中采用一種相干解調的方式。已知： (2-9)把該信號進行正交解調可得到：Ik路 (2-10)=+Qk路 (2-11)=+我們需要的是、兩路信號，所以必須將其它頻率成份、通過低通濾波器濾除掉，然后對、采樣即可還原成、兩路信號。根據上面描述可構成MSK解調器.2.3 msk通信系統調制解調原理框圖 到目前為止，已經把整個設計做了詳盡的闡述了，接下來便只是需要把以上的幾個設計模匯總了，形成一個完整的原理圖。 介紹MSK調制的基本原理，研究MSK信號的特點及一種正交實現MSK信號的方法，并對這方法進行理論的分析和仿真。 圖2-6 Msk通信系統調制原理圖 圖2-7 Msk通信系統解調原理圖第三章 仿真分析 打開matlab simulink啟動msk通信系統仿真框圖程序.首先觀察兩種系統調制信號波形： 圖3-1 Msk的傳輸數據和差分后的波形 圖3-1為MSK傳輸數據，和經過差分變換后的數據波形。 圖3-2 I路Q路波形 下面我們再來分析一下，msk信號可以看成是由兩個彼此正交的載波和分別進行振幅調制而合成的。經sinct加權調制和正交載波sinct相乘輸出正交分量xQ(t)。xI(t)和xQ(t)相減就可得到已調MSK信號。 圖3-3 Msk的已調和加噪后的波形 通過上面的仿真結果，我們可以看到通過信道后，信號上疊加了很大的噪聲，使信號產生了很大的畸變。從msk通信系統傳輸方針結果來看信號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象，在接收端接收信號只是偶爾會出現毛刺。通過比較我們看出在衰落很嚴重和干擾的窄帶通信系統中使用msk調制解調的通信系統更具優勢. 圖3-4 Msk解調后的波形和誤碼曲線從3-4中可看出，解調后的波形與傳輸的數據波形幾乎一致，MSK傳輸數據經過調制后在進行加噪，模擬傳輸信道的噪聲干擾，然而在解調之后，MSK解調數據與傳輸數據間的誤差很小，可看出MSK調制的抗干擾性能確實很好。同時圖3-5的誤碼曲線也證明如此。 結論 通信系統性能評價主要從：1.抗噪聲性能（從誤碼率體現）。2.調制信號頻帶寬度。3.信道特性變化的敏感性來衡量。MSK調制方式具有相位連續、包絡恒定、頻譜利用率高等優點。在通信系統中低誤碼率的MSK調制解調器硬件方案一直為研究的熱點。可見msk調制解調數字通信系統更適合應用于信道衰落嚴重的通信系統。通過實驗仿真我們可以設計出合理的系統參數。仿真技術作為一門綜合性科學，將隨著其相關領域技術的深入發展，繼續向縱深快速發展，同時將擴大其綜合應用的領域，發揮更大的作用。但是，作為一門綜合性技術學科，仿真技術還有許多理論及技術問題需要繼續進行深入的研究探討。我國應大力開展仿真技術的理論研究和技術應用研究，盡快縮短與先進發達國家在技術上的差距。仿真技術的發展，必將推動我國科學技術水平的進一步提高。參考文獻 1張志勇等.精通matlab6.5J.北京:北京航空航天大學出版社,2003.3.3樊昌信,張甫詡、徐炳祥、吳成柯 .通信原理M .北京:國防工業出版社,2001.5.4王立寧,樂光新,詹菲等.MATLAB與通信仿真M .北京:人民郵電出版社, 1999 5 陳懷琛，吳大正，高西金 matlab 及在信息課程中的應用J北京：電子工業出版社,20066 樓天順、劉曉東、李博涵基于matlab7.x的系統分析與設計M.西安：西安電子科技大學出版社, 2005.5 7張肅文主編 .高頻電子線路M .北京：高等教育出版社, 2004.11 8程佩青編著 .數字信號處理教程M .北京：清華大學出版社, 2006.3 9張輝、曹麗娜、王勇 編著 .通信原理輔導M 西安.西安電子科技大學出版社, 2004.11 10徐明遠 .MATLAB仿真在通信工程中的應用J. 西安. 西安電子科技大學出版社, 2005.6 11田麗華等.編碼理論J.西安 西安電子科技大學出版社, 2003.8附錄部分代碼：%MSK調制，解調 clear all data_len = 30000; %碼元個數 sample_number = 8;%采樣個數 Rb = 24000; %碼元速率fc = 96000; %載波頻率 data = rand_binary(data_len); %MSK基帶調制 signal_out,I_out,Q_out = mod_msk(data,data_len,sample_number,Rb); %中頻搬移 multi = fc/Rb; 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_d