1、NORMAL UNIVERSITYYUNNAN本科學生綜合性實驗報告云南師范大學教務處編印、頭驗設計萬案實驗序號12實驗名稱MSK調制與解調實驗時間2014年6月10日實驗室同析3-1111.實驗目的1.1認識Matlab/Simulink 的基本功能。1.2 了解Simulink的基本圖符庫，并能做出MSK調制與解調的仿真。1.3理解MSK言號的調制與解調原理。2. 實驗原理、實驗流程或裝置示意圖2.1 MSK調制與解調MSK言號是調制指數h為1/2的連續相位調制（CPFS）.文獻2 給出了 MSK言號的第n個碼元的時間函數<兀t1、SmSK "cogz 齊 InYn磯+6

2、丿=A cos 磯 tcos51cI nn 兀I n + 日 n12T2117n0+nT <t <(n +1)Tf Ct1 Asin ©ot sinn兀I nl2T2式中，二進制數碼L 的取值為+1或-1 ；0是載波頻率；A是載波幅度; T是碼元周期；n 2=k是nT時刻的相位累積值。從式（1）可以看到，MSK勺調制可以通過兩路正交的幅度調制載波信號相加來實現， 其中兩路正交載波分別是cos肌t和sing,幅度都為A,調制在co沁t上 的基帶信號稱為I路，調制在sint上的基帶信號稱為Q路。具體的MSK調制器和解調器實現框圖（圖1和圖2）實現的依據 就是上述的MSK調制和

3、解調的等效I-Q正交相乘相乘bI(t)ak碼 > a(t)差分編碼b(t)串併變換延時cos2Tbco 0tTbsin2TbSin ot相1 x(t)bQ(t)相乘相乘圖1 MSK信號的調制器原理框圖x(t) >sinsin o0t2Tb圖2 MSK信號的解調器原理框圖MSK言號的調制與解調。值得注意點是，串/并轉換前后的信號應該符合如圖（3）所示的時 間關系。本實驗根據上述原理框圖仿真I b(t):bobob2 J b3b5 J b6 JObI(t);b0；b2；b2O:IIbQ(t)i；bib4b4! b4b6 ! b6 J1II:itb3；b3 ! b5 ；b5 !clIII

4、IIO b1 !b1!:!IIIIIIIIIriII1i2i3i4：5!6：7圖3串/并轉換前后的信號時序關系2.2實驗方案設計本實驗的仿真模型文件是 msk.mdl，打開msk.mdl可以看到仿真 模型分為兩個主要部分：MSK調制和解調。1）MSK調制MSKM制的仿真模型結構如圖4所示，該模型用I-Q正交形式實 現了 MSK言號的調制。首先由隨機整數發生器產生隨機的0,1序列, 然后進行差分編碼（為了有更多的連續信號），并轉化為-1，+1的 序列；接著經過串/并轉換轉化為I、Q兩路信號，其中Q路信號要經 過額外的Tb時間的延遲；然后I、Q兩路分別進行正交幅度調制，最 后兩路信號相加即得到 M

5、SK言號。仿真中隨機0,1序列的發生周期 是 1ms 即 Tb=1ms圖4 MSK調制仿真模型圖2） MSK解調MSK言號的解調模型如圖5所示，該模塊采用相干解調的方式實 現了 MSK言號的解調，正確恢復出發送數據。首先，接收到已調 MSK 信號分別經過I路和Q路正交幅度解調；然后通過積分器，積分時間 長度是2Tb,之后進行抽樣判決；判決結果通過串/并轉換和差分解碼 恢復出發送數據。ar Fql!k Ioi?(5 bclp3. 實驗設備及材料3.1 Win dows XP/Win dows 73.2 Matlab R2009a4. 實驗方法步驟及注意事項4.1打開matlab應用軟件，如圖6所

6、示。4.2在圖6中右邊的命令窗 (Command Window的光標處輸入:simuli nk,回車。MATLAB 7.10 ifi. Jj cJ土弓益I 刊 e fl? iWt*亡jr嚴bmATLAfllE工pierim亡ndlShrtcutf 21 Hcfwtfl Add 2jl 'A'h.iff 忖州CurfnC D"-pdlDry“ 鼻 k | Comouind indobV #D4 Dab* Middled>> siwuli-nijNameMatlab豈前工作目5ViJuE圖6 Matlab界面4.6結果。4.7注意：(1) MSK調制中關鍵的子

7、模塊差分編碼由一個異或模塊和一個延遲 模塊構成，如圖7所示。differential coding4.3在圖6中，選擇：File>New>Model新建文件，保存在 matlab工 作目錄下，并取名為 msk.mdl。4.4在Find命令行處輸入：XOR Exclusive OR，就在窗口的右邊找 到了該仿真模塊圖標。用鼠標右鍵選擇該模塊，將其添加到創建 的msk窗口中。4.5用相同的方法創建幀狀態轉換模塊 (FrameStatus Con version )、 選擇輸出模塊(Selector )、傳輸延時模塊(Transport Delay )、 脈沖序列發生器(Pulse Ge

8、nerator )、積分器(Intergrator )、 關系符操作模 塊(RelationalOperator )和矩陣合并模塊(Matrix Con cate nati on ),觀察每個設備的連接點，用鼠標左 鍵把設備連接起來，如圖4、圖5所示。用鼠標點擊“運行仿真模型按鈕”即可運行msk.mdl,觀察實驗圖7差分編碼串/并轉換由圖8中的4個模塊組成，其中緩存器模塊(Buffer) 將串行單比特數據流緩沖成兩個比特一組， 緩存器模塊的輸出是基于 幀的數據流；接著通過一個幀狀態轉換模塊將基于幀的數據流轉換位 基于采樣的數據流，取消每一組的兩個比特之間的采樣時間差異；最后通過兩個選擇模塊將每

9、一組的兩個比特分別分配到I、Q兩路。Select orlserial-to- parallel圖8串/并轉換、Q兩2kHz。modulation調制模型的最后部分是正交幅度調制部分，如圖9所示。對于I路，前一個正弦波模塊產生cos旦，而對于Q路，前一個正弦波模塊 產生sin上L。比較仿真中串/并轉T換模塊的輸出（包括 Q路延遲Tb） 和圖1中的時序關系，可以看到仿真中的信號比圖1中的信號延遲了 3Tb,所以在這兩個正弦波模塊中要各自增加 3砒2的相位延遲。 路的后一個正弦波模塊產生載波信號，仿真中設定載波頻率是 最后將I、圖9正交調制（2） MSK解調的關鍵子模塊積分器的模型結構如圖（10）所

10、示。積分前的延時模塊將 兩路信號做適當的延遲，使I、Q兩路的碼元邊界對齊2nTb（n為整數） 時間點；脈沖發生器的作用是周期性地（在2nTb時間點上）產生積分 器的復位脈沖；積分器在復位脈沖的控制下以2Tb為積分周期對碼元進行時間積分。delay 2 TbPu IHGttnvatorintegrators圖10積分器抽樣判決的模型結構如圖11所示。抽樣模塊的抽樣時刻是2nTb, 和積分器的復位時間相同，即積分器的輸出在2nTb時刻發生跳變，為 了防止抽樣時信號發生跳變，在抽樣判決前用延遲模塊將信號做了微 小的延遲；抽樣采用了零階抽樣保持模塊實現，而判決則采用了關系 符操作模塊實現，判決的結果是

11、0,1二進制序列。Constantlsampling and decision圖11抽樣判決并/串轉換模塊由3個Simulink模塊組成，如圖12所示。矩陣合 并模塊將I路和Q路的數據流合并為2"矩陣數據流；幀狀態轉換器 給矩陣中的兩個元素賦予不同的時間意義， 即將這兩個元素視為對同 一信號的相鄰時刻的兩次采樣；最后通過解緩存模塊將2"矩陣（并行）數據流轉換為串行輸出。圖12并/串轉換5. 實驗數據處理方法圖像法 進制序列和解調后的輸出二進制序列，除了一個延遲之外，兩個序列 是相同的。6.參考文獻1樊昌信，曹麗娜.通信原理M.北京：國防工業出版社，2010,241250.2

12、張孟喜，丁濤.Matlab實用教程M.北京：清華大學出版社,2005, 1-325.3李永忠，徐靜.現代通信原理、技術與仿真M.西安：西安電子科技大學出版社，2010, 278286.4姚俊，馬聰輝.Simulink建模與仿真M.西安：西安電子科技大學出版社，2002, 349409.二、實驗報告2.對實驗現象、實驗結果的分析及其結論實驗現象：運行msk.mdl，可以得到如下的仿真結果。如圖13給出了已調MSK言號和原始發送數據（輸入二進制序列） 的比較，可以明顯看出，數據0對應較低的頻率，而數據1對應較高 的頻率，而且信號幅度恒定，相位保持連續。另外還可以比較輸入二I A-1fl.11.-2

13、-10.010.0150.0?0.0250.030.0360.04(005Time oftset: 0圖13輸入二進制序列與輸出MSK信號結論:Matlab強大之處在于它可以用編程語言繪制想要模擬的系統最終輸出的圖形，通過Matlab編程MSK系統，可以得到各環節的圖形, 編寫MSK系統的Matlab語言見附錄，接下來就對程序運行后的圖形 進行分析說明。如下圖14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可以看出數字信號經差分編碼后的波形，差分編碼的規則是：bnPbnd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

14、0 0 0 0 1 0 0 1 0。再經過串并轉換得到同相信號和正交信號，這兩20-2-a 01 D 0 01 0 Q2 Q易箱嘗g留件罟6 0 07 C 0B 0陽數字信號路信號，每個碼元寬度是串并變換之前信號寬度的 2倍。2|r1口-HHI i r I I I0 01 0 02 0 03 p W O.OS O.OS 0.07 C 仙 0 09 同相調部信號I卜00102,rDi0.01 C.02 0.03 'O'.CM 0.05 0 血 0.07 0.站 0.0S 正交調制信號Q-0 DI D a 010 D2 0 03 DM 0 050 06 0.07 CDS 0 09&

15、#39;foiD202圖14數字信號編碼組圖Figure4.2.1 Digital sig nal codi ng Photos圖 15 lcos(wct)cos(wt)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 兀相位。當兩者相加后就構成了相位 連續的MSK信號。即:Smsk (t) =I k cos( ；2) cosct) +QkSin(斗)Sing 吐)仆1)T kT s第三個圖就是MSK信號波形圖，可以看出其相位連續，波形疏密和FSK相似。其中密集的代表“ 1”，稀疏的代表“ 0”。由

16、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 致。ICOTliWCf)C0-C 0100 0-1 I0.02 D.G'3 O.OJ 0 OS 0 淀 0 DT D.ce D.C3Q3in(/*ct>sinn«|i?0211111IIHIH丄I-C 010 0_02 缸3 0血 0.06 ODE 0 07 0.08 0.C3MKK肯號QOI n OM 3 02 0小 0 04 0 Q6 0 D& 0 DT DOa Q 眄圖15 I、Q和MSK信號Figure422 I, Q, and the MSK sig nal下圖所示為：

17、加噪對信號有一定的干擾，會影響信號的波形。即:MSK信號經過信道傳輸后，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ds1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。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。0 JWl U Q2 0 030C40 OS 0 OE OS

18、' OOB Cl 'O'? V' 10001 a 020 030.C4 a 05 ODE 0.07 OOB Q.'OS 0 1圖16 MSK處理過程組圖1Figure423 The MSK Process Photos 1取以載湛后的信號ds200 010.020.030.04Q.05&.0S0.07 O.OS &.090.1經過低通后的信號51100 010 020 030 040 貯 0 OS 0 070 080 0901經過低通后的信號空22-200 010 020.030.050 060070.03 Q 030 1圖16 MSK處

19、理過程組圖2Figure4.2.4 The MSK Process Photos 2下圖17可以看出程序編寫的帶通濾波器和低通濾波器，帶通參數為150350和-150-350。低通參數為0-200和-2000。前兩圖為其的頻譜圖，可以看出，MSK具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。MSK信號是加了噪聲的，故存在一定的錯誤，統過計算MSK錯誤概率從圖17可以看出，調制和解調信號大致相當，由于程序中為 20202%。-00 -4000 -3000 -20CO -10000100C 20003000 4G005000低通濾波器H14C00 -3D0C-ItWO 0 1DD0 2000 3QD0 40QD 5Q0D經過低通后的00 C 010 020 030 040 050 060 070 060 陽 01圖17 MSK處理過程組圖3Figure425 The MSK Process Photos 3經過低適后的信號甜000 10.20.30 40.5