(论文)基于MATLAB的MSK系统的仿真研究

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Ｏ一三年三月二十五日目录1.绪论.........................................................................................................................................................11.1概述...............................................................................................................................................11.2数字调制方式的发展状况...........................................................................................................12.MSK理论研究.......................................................................................................................................22.1MSK基本原理和特点...................................................................................................................22.1.1MSK的基本原理......................................................................................................................22.1.2MSK的特点..............................................................................................................................42.2MSK调制原理...............................................................................................................................43.基于MATLAB的MSK系统原理仿真..............................................................................................53.1MSK系统仿真模型.......................................................................................................................53.2仿真结果及相应的分析................................................................................................................63.2.1误码率分析...............................................................................................................................63.2.2MSK功率谱密度分析..............................................................................................................73.2.3MSK系统眼图分析..................................................................................................................74.总结..........................................................................................................................................................95.参考文献..................................................................................................................................................101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FSK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2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]。2MSK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2.1MSK基本原理和特点2.1.1MSK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2-2MSK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：costSMSKkkctTsat2(1)3kTstTsk)1(式中，φk称为附加相位函数；ωc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；φk为第k个码元的相位常数，在时间kTs≤t≤(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ka＝＋1时，信号的频率为：2f＝cf＋Ts41当ka＝－1时，信号的频率为：1f＝cf－Ts41由此可得频率之差为：f＝2f－1f＝Ts21H=fTs=Ts21xTs=0.5那么MSK信号波形如图示：＋－－＋＋＋－－图2-3MSK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π为了保持相位的连续，在t=kTs时间内应有下式成立：k=1k＋（1ka－ka）2（1k）(3)即：当ka＝1ka时，k=1k；当ka≠1ka时，k=1k±（1k）π；(4)若令0＝0，则k＝0或±π，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θk(t)的表示式可以看出，θk(t)是一直线方程，其斜率为截距为φk。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θk(t)线性增加；若ak=-1，则θk(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θk(t)的波形如图所示。对于各种可()2kkcsdtawdtTfp=+=2cSwTp+2cSwTp-1a=+1a4能的输入信号序列，θk(t)的所有可能路径是一个从-2π到+2π的网格图。2.1.2MSK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±π/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±Ts41。2.2MSK调制原理MSK具有两种调制方式，当把MSK看作是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