MSK调制解调系统的设计讲解

1、MS侬制解调系统的设计摘要最小频移键控（MSK是恒定包络调制技术，它具有相位连续、频带利用率高的特点，是在无线通信领域中很有吸引力的数字调制方式，目前在短波、微波和卫星通信中均被采用。本文研究了最小频移键控系统调制与解调的工作原理，并给出了基于MATLA瞅件环境下的程序仿真及 simulink下系统的模块搭建实现两种方式的实现。运用m语言进行仿真，主要是依照MSK系统的工作原理绘制出流程图，最后写出程序进行仿真，并给出每一步骤的仿真结果图形。运用 simulink进行系统的模块搭建，是将系统分为调制与解调两个子模块，再将这两个子模块 连接成整体的MSK（统模块进行仿真。最后给出全系统的仿真运行

2、结果及其分析研究结果。关键字MSK Matlab ； Simulink ；调制解调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目录弓I言11方案的论证与选择 31.1 基于 SystemView 的设计 31.

6、2 基于Matlab的设计31.3 基于FPGA勺设计31.4 方案选择 42 MSK信号调制解调原理 52.1 MSK的特点52.2 MSK的调制原理52.3 MSK的解调原理102.4 MSK的性能分析113基于Matlab的MSK制解调系统的设计 133.1 Matlab 中的m语言和Simulink简介 133.2 运用m语言设计MSKM制解调系统 143.2.1 运用m语言设计的流程图 143.2.2 测试结果及分析 153.3 运用Simulink设计MSKM制解调系统 183.3.1 Simulink MSK 调制模块设计 183.3.2 Simulink MSK 解调模块设计

7、193.3.3 测试波形分析 21结束语 25致谢26参考文献27附录A英文文献原文 28附录B英文文献译文 38附录C m程序 49引言随着经济的发展，人们对通信系统的需求越来越来高。通信系统也由原来的单一对点传输。 逐渐发展成大容量高速的网络通信体制。通信系统的增多，通信的频率资源就显得相对紧张，如何能在现有的频率资源的条件下实现大容量的通信是现在通信考虑的主要问题。根据通信系统的基点，人们在实践中相继研发出很多种通信的调制方式，主要有：振幅键控（ASK）、移频键控（FSK）、移相键控（PSK）等。从频谱的利用率上人们又研究出MSK GMS除频谱利用率较高的调制方式。在数字通信、网络、视频

8、和图像处理领域，MSKB经成为高性能数字信号处理系统的关键元件。MS愿一种在无线移动通信中很有吸引力的数字调制方式，它具有以下两种主要的特点：1 .信号能量的99.5%被限制在数据传输速率的 1.5倍的带宽内。谱密度随频率（远离信号 带宽中心）倒数的四次哥而下降，而通常的离散相位 FSK信号的谱密度却随频率倒数的平方下降。 因此，MSK言号在带外产生的干扰非常小。这正是限带工作情况下所希望有的宝贵特点。2 .信号包络是恒定的，系统可以使用廉价高效的非线性器件。无线通信技术的迅猛发展对数据传输速率、传输效率和频带利用率提出了更高的要求。选择高效可行的调制解调手段，对提高信号的有效性和可靠性起着至

9、关重要的作用。因此具有频带利 用率高，在相同误比特率下所需的信噪比比较低，电路结构比较简的 MSK技术已经广泛应用到现代通信领域。调制是移动通信系统中提高通信质量的一项关键技术，调制是为了使信号特性与信道特性相匹配。现代移动通信系统大多数使用的是数字调制技术，这主要是由于数字通信网建网灵活，并且数字加密技术便于集成化。因此，通信系统都在由模拟方式向数字方式转换，这也是移动通信的发展趋势。但是，一般的数字调制技术， 如振幅键控（ASK、频移键控（FSK）和相移键控（PSR 等都无法满足移动通信的要求。因此，寻找性能优越的高效调制方式以适应现代移动通信的要求， 一直是重要的研究课题。MS碉制的出现

10、，是为了获取更好的通信质量。当信道中存在非线性的问题和带宽限制时，幅度变化的数字信号通过信道会使己滤除的带外频率分量恢复，发生频谱扩展现象，同时还要满足频率资源限制的要求。因此，对己调信号有两 点要求，一是要求包络恒定；二是具有最小功率谱占用率。因此，现代数字调制技术的发展方向 是最小功率谱占有率的恒包络数字调制技术。现代数字调制技术的关键在于相位变化的连续性， 从而减少频率占用。近年来新发展起来的技术主要分两大类：一是连续相位调制技术（CPFSK,在码元转换期间无相位突变，如 MSK GMSK;二是相关相移键控技术（COR- PSK>,利用部分响 应技术，对传输数据先进行相位编码，再进

11、行调相（或调频）。MS是Doelz和Heald在他们的一项专利中提出的一种信号的调制方式。1972年，DeBudak为MS就是一种特殊的CPFS调制方式，经过一段时间的发展，MS酸认为是正弦加权的 OQPSK形式。 1977年，Amoroso and Kivett通过一系列的变化把 MS简化成了 SMSK目前，MSKE实际的通信系 统中已经得到了广泛的应用。 例如，SMSK1应用在美国航空和宇宙航行局的高级通信卫星上，GMSK已经应用于欧洲GSM!信系统中。对MSK勺功率谱进行仿真，从结果看，MS领制方式并不适用于数 字移动通信，需对其进行改进.由此，产生了高斯最小频移键控（GMSK调制方式，

12、从仿真结果来看， 其性能大大改善.目前，GMS调制方式广泛用于GSM对不同参数的GMSK制的功率谱进行仿真，可 得到一种较好的GMSK制方式，又GMSK实际中的应用进行了有益的理论指导。最小移频键控（MSK）是移频键控（FSK）的一种改进型。在FS防式中，相邻码元的频率不变或 者跳变一个固定值。在两个相邻的频率跳变的码元之间，其相位通常是不连续的。MS是对FSK信号作某种改进，使其相位始终保持连续不变的一种调制信号。MS调制指数为0. 5,包络恒定、相位连续、频带利用率高、功率谱紧凑，且频谱滚降快，产生带外干扰小.抗干扰性能好，因此 在军用和民用通信领域中均获得了广泛的应用。用数字基带信号去控

13、制可变分频器的分频比来改变输出载波频率，使输出信号频率发生变化的同时，相位保持连续，从而实现MS调制。第1页共60页本次毕业设计采用MATLB勺函数编程和Simulink两种方法对MS调制解调系统进行设计，并通 过测试分析MSK勺调制解调原理以及 MSK勺基本特点。由于 MSK为模拟信号，因此，需对正弦信 号采样再经过数/模变换得到所需的MSK信号。通过利用数字基带信号去控制可变分频器的分频 比来改变输出载波频率，使输出信号频率发生变化的同时，相位保持连续，从而实现MS调制。第2页共60页1方案的论证与选择1.1 基于SystemView的设计SystemView是美国ELANIX公司推出的，

14、基于Windows环境的用于系统仿真分析的可视化软 件工具。它界面友好，使用方便。使用它，用户可以用图符(Token)去描述自己的系统，无需与复杂的程序语言打交道，不用写代码即可完成各种系统的设计与仿真。利用SystemView,可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合系统和各种多速率系统，它可用于各种线性或非线性控制系统的设计和仿真。用户在进行系统设计时，只需从SystemView配置的图符库中调出有关图符，进行各个图符的参数设置和相互间的连线，即可进行仿真操作， 给出分析结果。SystemView提供功能强大的分析计算器，以根据用户的需要对结果进行各种分 析，对系统设计和修改十分有利。在系统

15、设计和仿真分析方面，SystemView还提供了一个真实而灵活的窗口用以检查、分析系统波形。另外，分析窗中还带有一个功能强大的“接收计算器” 可以完成对仿真运行结果的各种运算、频谱分析、滤波。1.2 基于Matlab的设计Matlab是一种使用简便的、特别适用于科学研究和工程计算的高级语言，与其他计算机语言相比。它的特点是简洁和智能化，具有极高的编程和调试效率。应用Matlab语言开发通信信号源 模拟系统是高效实用的。基于Matlab语言的多功能通信信号源仿真系统主要由信号的输入模块，调制模块，源噪声模块，以及频谱分析等模块组成，不仅可以产生模拟调制数字载波调制两大类通信信号，还可以计算信号的

16、特征参数，进行相应的时域和频域分析，并在给定信噪比的情况下仿真考虑噪声后总信号的时频信息。另外，亦从宏观上介绍了此通信信号源，给出了它的实际应用。应用Matlab语言开发的一个高效通信信号源模拟仿真系统在现代通信技术中是很有意义和实 用价值的课题。Matlab (Matrix Laboratory) 为美国 Mathworks公司1983年首次推出的一套高性能的数值 分析和计算软件，其功能不断扩充，版本不断升级，1992年推出划时代的4.0版，1993年推出了可以配合 Microsoft Windous使用的微机版，95年4.2版，97年5.0版，99年5.3版，5.X版无论是界面还是内容都有

17、长足的进展，其帮助信息采用超文本格式和PDF格式，可以方便的浏览。至2001年6月推出6.1版，2002年6月推出6.5版，继而推出6.5.1版，2004年7月Matlab7 和Simulink6.0 被推出，目前的最新版本为7.1版。Matlab将矩阵运算、数值分析、图形处理、编程技术结合在一起，为用户提供了一个强有 力的科学及工程问题的分析计算和程序设计工具，它还提供了专业水平的符号计算、文字处理、 可视化建模仿真和实时控制等功能，是具有全部语言功能和特征的新一代软件开发平台。Matlab已发展成为适合众多学科，多种工作平台、功能强大的大型软件。在欧美等国家的 高校，Matlab已成为线性

18、代数、自动控制理论、数理统计、数字信号处理、时间序列分析、动 态系统仿真等高级课程的基本教学工具。成为攻读学位的本科、硕士、博士生必须掌握的基本技能。在设计研究单位和工业开发部门，Matlab被广泛的应用于研究和解决各种具体问题。在中国，Matlab也已日益受到重视，短时间内就将盛行起来，因为无论哪个学科或工程领域都可以 从Matlab中找到合适的功能。1.3 基于FPGA勺设计Quartus n是Altera 公司提供的FPGA/CPLDF发集成环境，在Quartus n上可以完成设计输 入、元件适配、时序仿真和功能仿真、编程下载整个流程，它提供了一种与结构无关的设计环境， 是设计者能方便地

19、进行设计输入、快速处理和器件编程。第3页共60页其时序仿真就是接近真实器件运行特性的仿真，仿真文件中已包含了器件硬件特性参数，因而，仿真精度高。但时序仿真的仿真文件必须来自针对具体器件的综合器和适配器。综合后所得的EDIF等网表文件通常作为 FPGA适配器的输入文件，产生的仿真文件中包含了精确的硬件延迟 信息。a. 基于Simulink的MSK模型的仿真b.将模型文件转化为 VHDL语言文件c. 验证VHDL代码d.在FPGA器件中实现MSK信号要解决的关键问题：a. 在MATLAB/simulink中将模型文件转化为 VHDL语言文件b. 在Quartus II中如何测试，调整 MSK信号c

20、.根据MSK信号的解调算法搭建模型并且仿真实现1.4方案选择本文基于软件仿真实现 MSKC统调制解调，SystemView和Matlab这两个软件都能针对通信 系统做出相应的模型， 而基于FPGA勺仿真一些模块需要通过编写VHD晤言实现一些模块，故实现比较麻烦。SystemView是基于Windows境下运行的用于系统仿真分析的可视化软件工具，它功能模 块使用（Token）描述程序。它软件的界面比较友好，图符和连续都是彩色的，视觉效果好，而且 都可以根据个人喜好进行调整，工具栏的快捷键布局合理，其中图符库与模块版图在同一窗口内，这给操作带来了便利。相比之下，Simulink的界面设计偏向简洁，

21、模块图都是黑色框图，连线也是单一黑色。Simulink的模块浏览器是独立的，但它的功能更强大。涉及额领域比SystemView广。简洁风格的好处在于：当仿真的系统偏大，模块较多时，视觉上不会觉得繁杂，有利于整个 仿真系统的检查。而且Simulink的帮助文档的优点是无论在哪个模块哪个窗口点击帮助。立即出现的是相关模块、窗El的帮助。这对使用者，尤其足初学者是说相当方便的。因此，从帮助文档的易用性角度 来看，Simulink相当出色。Simulink是包含在Matlab之中的仿真工具，而Matlab本身具有强大的编程仿真功能Simulink与Matlab、C/C+语青、DSPA及与硬件工作环境等

22、都可以方便地实现。就此而言，SystemView与Simulink足无法比拟的。所以为了能更清楚地了解 MS源统，本文采用 Matlab语言编程和Simulink实现MS繇统。第4页共60页2 MSK信号调制解调原理2.1 MSK的特点MS愿数字调制技术的一种。数字调制是数字信号转换为与信道特性相匹配的波形的过程。 调制过程就是输入数据控制 （键控）载波的幅度、频率和相位。MSKW于恒包络数字调制技术。现代数字调制技术的研究，主要是围绕着充分的节省频谱和 高效率地利用可用频带这个中心而展开的。随着通信容量的迅速增加，致使射频频谱非常拥挤， 这就要求必须控制射频输出信号的频谱。但是由于现代通信系

23、统中非线性器件的存在，引入了频谱扩展，抵消了发送端中频或基带滤波器对减小带外衰减所做的贡献。这是因为器件的非线性具有幅相转换（AM/PM）效应，会使己经滤除的带外份量几乎又都被恢复出来了。为了适应这类信道 的特点，必须设法寻找一些新的调制方式，要求它所产生的己调信号，经过发端带限后，虽然仍 旧通过非线性器件，但是，非线性器件输出信号只产生很小的频谱扩展。为了适应这类信道的特性，已调信号须有以下两个特点：包络恒定或包络起伏很小由于信道中具有非线性的输入输出特性，所以已调波包络不能起伏，即不能用包络来携带信息，需要采用频移键控（FSK）或相移键控（PSK）来传递信息。具有最小功率谱占用率已调波要具

24、有快速高频滚降的频谱特性，要求旁瓣必须很小，这种信号经过带限滤波之后， 只要让主瓣无失真通过，由于旁瓣功率很小， 所以滤波器的输出信号（即非线性器件的输入信号）的包络起伏就会很小， 大大减小了 AM/PM应，继而频谱扩展的现象也会随之而减小。由于已调波具有快速高频滚降的频谱特性，使信号能量大部分集中在一定的带宽内，因此提高了频带的利用率。根据这些要求，人们在实践中创造了各式各样的调制方式，我们称之为现代恒包络数字调制技术。现代数字调制技术的发展方向是最小功率谱占有率的恒包络数字调制技术。现代数字调制技术的关键在于相位变化的连续性。MSK最小频移键控）是移频键控FSK的一种改进形式。在二进制FS

25、K方式中载波频率随着调制信号“ 1”或“0”而变，其相位通常是不连续的。所谓 MSK 方式，就是FSK信号的相位始终保持连续变化的一种特殊方式。可以看成是调制指数为0. 5的一种 CPFSKW号。MS愿一种在无线移动通信中很有吸引力的数字调制方式，因为它有以下两种主要的特点：信号能量的99. 5%被限制在数据传输速率的1.5倍的带宽内。谱密度随频率 （远离信号带宽中心）倒数的四次哥而下降，而通常的离散相位 FSK信号的谱密度却随频率倒数的平方下降。 因此，MSK言号在带外产生的干扰非常小。这正是限带工作情况下所希望有的宝贵特点。信号包络是恒定的，系统可以使用廉价高效的非线性器件。从相位路径的角

26、度来看，MSK属于线性连续相位路径数字调制，是连续相位频移键控（CPFSK）的一种特殊情况，有时也叫做最小频移键控（MSK ）。MSK的“最小（Minimum ）”二字指的是这种调制方式能以最小的调制指数 （h=0.5 ）获得正交的调制信号。2.2 MSK的调制原理最小移频键控又称快速移频键控（FFSK）。这里“最小”指的是能以最小的调制指数（即0.5）获得正交信号；而“快速”指的是对于给定的频带，它能比PSK传送更高的比特速率。第5页共60页二进制MSK言号的表达式可写为SMSK(t)=cosg ct+|Dt+k) ; (k-1)Ts<t<kT2 I s(2-1)或者 Smsk

27、(t) =cos(. ct Ft)这里8(t) = 71 Dk t +中 (k _1)t s <t <kT s2Ts k11(2-2)式中c载波角频率；码元宽度；（在程序中用Tb来表示）第k个码元中的信息，其取值为 ±1;（在程序中对应a里面的内容）<Pk第k个码元的相位常数，它在时间 （k_1）TsWtWkT中保持不变。由式可见，当 D k = +1时，信号的频率为f1；(, 2 二W)(2-3)当D k = -1时，信号的频率为f0(，) 2Ts(2-4)由此可得频率间隔为(2-5)2Ts1T s = = 0.5s 2(2-6)MSK言号与普通2FSK信号的差别

28、在于:选择两个传信频率f1与f 0 ,使这两个频率的信号在一个码元期间的相位积累严格的相差180°。由图1.1MSK的波形可以看出，“ +”信号与MSK言号的频率间隔是如何确定的。信号在一个码元期间恰好相差二分之一周期。下面来说明若初始相位为零，则 中 取值为。或冗。由式（1）可推出其正交表达式为: kyMSK =COs ： kcos( )cos( - ct) -u2Tbkcosksin( -)sin( ，/)k 2TbMSK言号的频率间隔第6页共60页对于一般移频键控(2FSK),两个信号波形具有以下的相关系数一 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)是载波频率。MS癌一种正交调制，其信号波形的相关系数等于零。因此，对于MSK言号来说，式(2-7)应为零，也就是上式右边两项均应为零。第一项等于零的条件是(2n(f1 - f 0)Ts = kn(2-8)(k =1,2,3,)令3等于其最小值1,则fi-f这正是 MSK信号所要求的频率间隔。第二项等于零的条件是4n f Ts= nn(n =1,2,3,)，即(2-9)这说明，MSK言号在每一码元周期内，必须包含四分之一载波周期的整倍数。由此可得(n为正整数;1f = n = (

30、 N -c4Tsm =0,1,2,3,)(2-10)相应地ffc1+4Tsm - 11二(N)4 Ts(2-11)图2.1中的信号波形是N =1, m=(Nc 4T s=3的特殊情况。- mJ)，4 Ts(2-12)相位常数中 的选择应保证信号相位在码元转换时刻是连续的。根据这一要求，由式 k(2-2)可以导出以下的相位递归条件，或者称为相位约束条件，即n中，当时二 (- (k -1) = yak ak-1k 7 (D3 Dk2("邛 土(k-1)n,当时k 1, ak a 7(2-13)上式表明，MSK言号在第k个码元的相位常数不仅与当前的 Dk有关，而且与前面的D 一及相位常数中

31、 有关。或者说，前后码元之间存在相关性。对于相干解调来说, k 4邛的起始参考值 k第7页共60页可以假定为零，因此，从式 (2-13)可以得到中=0或冗(模2冗)式(2-2)中的8 (t)称为附加相位函数，它是MSK信号的总相位减去随时间线性增长的载波相位而得到的剩余相位。式(1-2)是一直线方程式，其斜率为n D k ,截距是邛卜°另外，由于D k2Tsk的取值为±1 ,故n D k t是分段线性的相位函数(以码元宽度Ts为段)°在任一个码元期间内，T76(t)的变化量总是 °当d k = +1时，增大 1；当D k = -1时，减小°鼠t

32、)311 -11 -1 +1 -1 +1 +1| +1 -11 +1 a(a)附加相位函数(b)附加相位路径网络图2.1附加相位函数9(t)及附加相位路径网络;图2.1(b)表示的是附加相位路径的2.1中给出了设与Dk之间关系图2.1(a)是针对一特定数据序列画出的附加相位轨迹 网格图，它是附加相位函数由零开始可能经历的全部路径。表 的一个例子。表2.1相位常数k与Dk的关系K123456Dk1-1-1111中k0兀兀-2 二-2 二-2 二9(模 2 二)0兀兀000k第8页共60页因为 cosL ct + 6(t = cos6(t Jcos® 3 sin8(t pin。J,所以

33、msMbei也可以看作是由两个彼此正交的载波 cos© ct与sin0 ct分别被函数cos6(t彩sin 8。世行振幅调制而合成的。已知 d t = D±t 2Ts+叫，D k = ±1，邛卜=味几(模2n),因而一.tcos r t = cos( ：) cos 2Tsk(2-16)故MSK(言号可表示为t = -D ksin( /(2-17)Smsk (t) =COS '： kcos(_L) cos( ct) -D kcos ： ksin('2_：) sin(，ct) (k)T21s21s(2-18)式中，等号右边的第一项是同相分量，也称为 I

34、分量；第二项是正交分量，也称为 Q分量。cos ( 7Tt)和sin ( E)称为加权函数(或称调制函数)。cos中 是同相分量的等效数据，2Ts (2Ts)k_n coscp是正交分量的等效数据，它们都与原始输入数据有确定的关系。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)根据上式，可构成一种 MSK制器，其方框图如图 2.2所示。图2.2 MSK调制器的方框图第9页共6

35、0页MSK言号的产生步骤：先对输入数据进行差分编码，这是收端相干载波解调的需要。把差分编码器的输出用串/并变换器合成两路，并相互错开一个码元宽度 T s，得到1k和 Q k。用加权函数cos ' nt ）和sin ' nt 分别对I和Q进行加权。<2TsJ<2T sjk k最后，对加权数据用正交载波cos « t和sins t分别进行调制，并相加，相加之后的1c1c信号通过低通滤波器后即可得到MSK言号。2.3 MSK的解调原理MSK言号的解调与FSK信号相似，可以采用相干解调，也可以采用非相干解调。图 2.3给出 了一种采用延时判决的相干解调原理方框图。

36、关于相干解调的原理与 2FSK信号时没有什么区别。这里，重点讨论延时判决法的原理。下面举例说明在（0,27；）时间内判决出一个码元信息的基本原理。2iTs，2i 1 Ts1s数据1 ct+（t 与相干载波cosht 十工I相乘，则相乘输出为 c 22i-1Ts,2i 51图2.3 MSK信号相干解调原理方框图设（0,21 s用间内0（0 ）=0 ,则msk勺e（t）的变化规律可用图2.1表示，在t = 2T s时刻,”）的可能相位为0、 士 n。现如果把这时的接收信号cosJIcos . c t cos( . ct 2): 1 cos t 1 cos 2 . c - t(2-20)滤掉高频分量

37、，可得第10页共60页(2-21)冗v(t )=cos9(t )-y = sin 0(t) 0 <t <2 T s我们可知：如果v(t)经抽样判决后为正极性，则可断定数字信息不是“11”就是“10”，于是可判定第一个比特为“ 1”，而第二个比特等下一次再作决定。这里，利用了第二个码元提供的条 件，所以判决的第一个码元所含信息的的正确性就有所提高。这就是延时判决法的基本含义。输入MSK言号同时与两路的相应相干载波相乘，并分别进行积分判决。这里的积分判决是交替工作的，每次积分时间为2T s。如果一积分在2iT s，2(i +1犷s】进行，则另一积分在2 (i -1 T s,2(i +1

38、 T s进行，两者相差 T s °2.4 MSK的性能分析功率谱:(2-22)MSK言号的时域表达式：Smsk (t) =cos( 0 ct + ； D k t +邛 k) ； (k -1)T s <t < kT s2TsMSK言号的功率谱密度可表示为S MSK ( 8 ) = 32 冗cos(11 c|T s 1J 2-4(|© -0 c|T s)2(2-23)其归一化功率谱密度如图 2.5所示。与2PSK相比较可以看出：MSK言号的功率谱更加紧凑， 并且它的第一个零点是在 0.75/ 处，而2PSK的第一个零点是在1/处。这表明MSK言号功率谱的主瓣所占的频

39、带宽度比 2PSK信号窄；在主瓣 带宽之外，功率谱旁瓣的下降也更迅速。 即MSK言号的功率主要包含在主瓣之内。 因此, MSK言号比较适合在窄带信道中传输，对邻道的干扰也较小。由于MSK言号占用带宽窄，故 MSK言号的抗干扰TK要优于 2PSK)这就是目前广泛采 用MS明制的原因。第11页共60页1 功率谱密度/ dB-20-30-400.75 123TsTsTsTs(f-fc ) / HzMSK 0-10图2.5 MSK与2PSK信号的归一化功率谱然而，在某些通信场合，如移动通信中，对信号带外辐射功率的限制十分严格，要求对邻近 信道的衰减达70dB80dB以上。因此，近来对 MSK言号作些改

40、进，如改进两正交支路的加权函 数，称为“高斯最小频移键控”GMS碉制方法等。误码率性能：2PSK信号和QPSK言号的误码率性能相同， 因为可以把QPSK言号看作是两路正交的 2PSK信 号，在作相干接收时这两路信号是不相关的。OQPS信号只是将这两路信号偏置了，所以其误比特率也和前两种信号的相同。现在的MSK言号是用极性相反的半个正（余）弦波形去调制两个正 交的载波。因此，当用匹配滤波器分别接受每个正交分量，MSKW号的误比特率和 2PSK,QPS侬OQPS4的性能一样。但是，若把它当作FSK信号用相干解调法在每个码元持续时间Ts内解调，则其性能将比2PSK信号的T能差3dBo3 MSK调制解

41、调系统的Matlab仿真3.1 Matlab 中Simulink 及m语言的简单介绍在MATLAB1信工具箱中有 SLMULIN电真模块和MATLAB1,形成一个运算函数和仿真模 块的集合体，用来进行通信领域的研究、开发、系统设计和仿真。通信工具箱中的模块可供直接 使用，并允许修改，使用起来十分方便，因而完全可以满足使用者设计和运算的需要。MATLAB通信工具箱中的系统仿真，分为用SIMULINK模块框图进行仿真和用 MATLAB®数进行的仿真两种。在用 SIMULINK模块框图的仿真中，每个模块，在每个时间步长上执行一次，就 是说，所有的模块在每个时间步长上同时执行。这种仿真被称为

42、时间流的仿真。而在用MATLAB函数的仿真中，函数按照数据流的顺序依次执行，意味着所处理的数据， 首先要经过一个运算阶段，然后再激活下一个阶段，这种仿真被称为数据流仿真。某些特定的应用会要求采用两种仿真 方式中的一种，但无论是哪种，仿真的结果是相同而且很方便。近几年来，在学术界和工业领域，Simulink 已经成为动态系统建模和仿真领域中应用最为广泛的软件之一。Simulink可以很方便地创建和维护一个完整地模块，评估不同地算法和结 构，并验证系统的性能。由于 Simulink是采用模块组合方式来建模，从而可以使得用户能够快 速、准确地创建动态系统的计算机仿真模型，特别是对复杂的不确定非线性系

43、统，更为方便。Simulink 模型可以用来模拟线性和非线性、连续和离散或者两者的混合系统，也就是说它第12页共60页可以用来模拟几乎所有可能遇到动态系统。另外Simulink还提供一套图形动画的处理方法，使用户可以方便的观察到仿真的整个过程。Simulink没有单独的语言，但是它提供了 S函数规则。所谓的 S函数可以是一个 M函数文 件、FORTRA曜序、C或C+语言程序等，通过特殊的语法规则使之能够被 Simulink模型或模块 调用。S函数使Simulink更加充实、完备，具有更强的处理能力 。同Matlab 一样，Simulink也不是封闭的，他允许用户可以很方便的定制自己的模块和模块

44、 库。同时Simulink也同样有比较完整的帮助系统，使用户可以随时找到对应模块的说明，便于 应用。综上所述，Simulink就是一种开放性的，用来模拟线性或非线性的以及连续或离散的或者 两者混合的动态系统的强有力的系统级仿真工具。目前，随着软件的升级换代，在软硬件的接口方面有了长足的进步，使用Simulink可以很方便地进行实时的信号控制和处理、信息通彳t以及DSP的处理。世界上许多知名的大公司已经使用Simulink作为他们产品设计和开发的强有力工具。Simulink 是Matlab中的一种可视化仿真工具，是一种基于 Matlab的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，

45、被广泛应用于线性系统、非线性系 统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分 具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口 （GUI）,这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更 快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。Simulink&reg是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink

46、提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。构架在Simulink 基础之上的其他产品扩展了Simulink 多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。Simulink 与Matlab&reg; 紧密集成，可以直接访问 Matlab大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、 建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。3.2 运用m语言设计MSK制解调系统3.2.1 运用m语言设计的流程图第13页共60页开始图3.1软件设计流程图3.2.2 测试结果及分析MatlabMatlab强大之处在于它可以用编程语言绘制想要

47、模拟的系统最终输出的图形，通过编程MS保统，可以得到各环节的图形，编写 MS保统的Matlab语言见附录，接下来就对程序第14页共60页 运行后的图形进行分析说明。如下图所示：原信号为1 0 0 0 0 1 1 0 1 1)，其中高电平用“ 1”表示，低电平“ 0”表示。从图3.1可以看出数字信号经差分编码后的波形，差分编码的规则是：5 二 An 二 b可以看出参考位为 1 ,利用上式，可以得到差分编码信号为 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0) 。再经 过串并转换得到同相信号和正交信号，这两路信号，每个码元宽度是串并变换之前信号宽度的2倍。图3.2图3.3 Icos(wct)cos(wt

48、) 和Qsin(wct)sin(wt)这两路信号分别是同相分量和正交分量乘以载波后的波形，这两个波形在信号幅值变换时都有明显的波形相位变化，变动n相位。当两者相加后就构成了相位连续的MSK言号。即：Smsk (t) = I k cos( y)cos( . ct) Q ksin( -)sin( - ct) (k 一1)丁 s M t M kT s2Ts2Ts第三个图就是 MSK言号波形图，可以看出其相位连续，波形疏密和FSK相似。其中密集的代表“1”, 稀疏的彳t表“ 0”。由其波形图可看出，它所携带的信号为 1 0 0 0 0 1 1 0 1 1),和原信号一第15页共60页图3.3下图所示为

49、：加噪对信号有一定的干扰，会影响信号的波形。即：MSK言号经过信道传输后，有噪声的干扰。如下图加噪后再通过带通滤波器得到MSK信号dm,噪声频谱宽，信号只有一定的频谱，进过带通滤波器后，带外噪声被滤除，只剩带内的噪声对信号造成影响。同时为了改善 信号传输可靠性，可以将信号乘以一高频载波，这样可以抵抗低频干扰，在接受端再乘以该载波就可恢复原信号。ds1波形和ds2波形分别乘以载波，由于载波频率比较高，可以通过低通滤波器滤除载波保留解调后的同相和正交分量。得到的是幅值不是严格一致的 s11和s22波形。想得到原波形，还需进行抽样判定。图3.4第16页共60页图3.5下图3.6可以看出程序编写的带通

50、滤波器和低通滤波器，带通参数为150350和-150-350。低通参数为0200和-2000。前两图为其的频谱图，可以看出，MSKM有最小功率谱占用率。sa和sb为还原出的同相分量和正交分量，由于存在噪声，与原来的有一定差别。从图3.7可以看出，调制和解调信号大致相当，由于程序中MSK言号是加了噪声的，故存在一定的错误，统过计算MSK音误概率为：2.0202% 。带通滤淞器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 。叶 0 08 。的 0 1图3.6第17页共60页经过低通后的信号Sbn 111nl|II'00.01 0 02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.C7 0 06 0.090.1图3.7图3.8看出MSK言号与FSK信号十分相似。但有其独特的特点，即：信号能量的99. 5%被限制在数据传输速率的1.5倍的带宽内。信号包络是恒定的，系统可以使用廉价高效的非线性器件。其相位始终保持连续不变的一种调制信号。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图3.83.3运用Simulink设计MSK制解调系统3.3.1 Simulink MSK 调制模块在调制模块中运用随机序列产生调制信号,通过增益变化，改变原始信号的极性，由单极性变化为双极性。串并变换采用采样保持方法实现, 后级电路采用正交调制法。最后将同相分量和正交叠加构成MSK言号。第18页共60页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图3.9 产生MSK言号的Simulink 模型3.3.2 Simulink MSK解调模块然后通过抽样判决电路Elin. Wbvv9Sin« Wtvtl 1Sine Wave 12-buKt-rP*Eg 习 AnalogFiiCer Design 1PulseSipe WavetDbutte*Productl Analog "FiltEf Desihfi皿PulwGensratwBCcnstBGain1Sample & Hcld2SwitchCcns5snli5C-onsta

54、ntfGonitHn!)4Sample & Hold3InS/HTransportCnl»y5PulSrEGeneratorT皿恒信导Switdn 1ConsEanlfiCDnstantS图3.10 MSK信号过零比较解调的Simulink 模型D*lsyfi-APf-MUGt11>JPulseGfrntrtl解调模块先利用相干载波解调方法再通过低通滤波器得出两路信号, 得出信号抽样判决类似过零比较电路。等效框图如下。第19页共60页图3.11抽样判决解调但通过仿真得出结果，是在波形上有一定的延迟，但解调信号值没错，可见过零比较可以作为一种可选的解调方式。Simulink MSK模型参数设置（图号依据模型图中图号为准）Random Integer Generor为随机序列产生模块，用来产生随机序列调制信号。采用二进制信号，采