通信1001-程煜钧-基于MATLAB的MSK调制仿真

研讨题目：基于MATLAB的MSK调制的仿真实验学生姓名：程煜钧10211004指导教师：郭宇春2基于MATLAB的MSK调制的仿真实验摘要：MSK作为FSK的一种特殊形式，以其优良的性能被广泛用于通信调制的很多领域。本文简单介绍了MSK的调制方法和原理，并用MATLAB软件里的simulink组件对其性能进行仿真，并对其结果进行分析。关键词：MATLAB、MSK调制、simulink、仿真一．MSK调制简介MSK全称MinimumShiftKeying。它是移频键控(FSK）的一种改进型。在FSK方式中，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，而MSK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。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。MSK是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：⒈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）倒数的四次幂而下降，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信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。⒉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）”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。3二．MSK技术的基本原理2.1msk调制的原理MSK是2FSK的一种特殊情况，即为相位连续的2FSK信号，但是其频率f1和f2有一定的约束关系。设在一个码元时间内2FSK信号为定义两个码元波形的相关系数为在通信中，我们希望s1(t)和s2(t)不相关（或称为正交），即ρ=0。这样要求公式（6.6-4）中的两项均为零。公式（6.6-4）中的第一项为零时的条件是h=0.5是s1(t)和s2(t)满足正交条件时频差的最小值，所以称为最小频移。4公式（6.6-4）中的第二项为零时的条件是公式(6.6-7)说明MSK信号在每一个码元周期内，必须包含四分之一载波周期（1/fc）的整数倍。显然，公式(6.6-8)可以整理为如下形式根据公式（6.6-5）和公式（6.6-9）相应有当N=1，m=3时，根据公式（6.6-10）、（6.6-11）有此时的信号波形如图6.6-4所示。若基带二进制数字信号一个码元的周期为Ts，显然在每一个码元周期内包含4个半周的f2信号，包含3个半周的f1信号。图6.6-4MSK调制信号波形（N＝1，m=3）2、MSK信号的数学表达式5根据MSK信号的定义，要求FSK信号的相位连续，也就是说在t=（k-1）Ts时满足以下约束条件上式表明，MSK信号的相位常数不仅与当前的码元ak有关，而且与相邻的前一码元ak-1及其相位常数φk-1有关。也就是说前后码元之间存在一定的相关性。若φk的起始参考值可以假设为零，这样根据公式（6.6-13），有三．仿真软件matlab的simulink组件简介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，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6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。在本实验中，我们利用simulink对MSK系统进行仿真。四．仿真结果设计流程图如下：而在simulink中仿真连接图如下：信号源AWGN通道MSK调制MSK解调误码率分析、眼图分析7主要单元参数设置如下：1．信号发生器，采用伪随机序列产生器，初始种子设为61，抽样时间为0.12.选择MSK调制模块接收的数据类型为Bit(位)型，因为输入的数据是0、1的序列。phaseoffset设置为pi/4，这是MSK系统调制的基本参数，而抽样的值设为8。83.本设计使用相对较简单的一个加性高斯白噪声信道作为噪声信道。4.将误码率计算器接收数据的延时设为16，计算延时（computationdelay）设置为0，将计算模式（computationmode）设置为整帧（entireframe）模式。由于将误码率计算后的值显示出来以便观察，所以输出数据（Outputdata）类型选择端口（PORT)类型，这样输出可以接一个显示器（display）显示当前的误码率值9参数设置如上，点击仿真开始按钮，开始仿真，仿真结果如下。1.MSK信号的功率谱由图可知，在MSK调制方式下，旁瓣下降较快，正因为它具有优良的功率谱特性（功率谱旁瓣快衰减特性），在对信号频带严格限制的各种数字通信领域中得到广泛的应用。2.MSK误码率分析通过DISPLAY可以观测出该系统的误码率，但在该实验中由于各方面原因导致结果不正确，在此仅给出MSK误码率理论分析，理论分析如下：对于msk通信系统设信道特性为恒参信道，噪声为加斯白噪声，MSK解调器输入、信号与噪声的合波为：式中是均值为0，方差为的窄带高斯噪声。经过相乘、低通滤波器滤波和抽样，在时刻I支路的样值为在时刻Q支路的样值为：)](2cos[)(tntTattrkacttnttntncsccsin)(cos)()(2skTt2nckskakTQ)1(cos)2(sTkt)1(2nckkkaakQ)1(cos)12(10式中和分别为和在取样时刻的样本值。在I支路和Q支路数据等概率的情况下，支路的误码率为：式中，为信噪比。经过交替门输出和差分译码后，总比特率为：以上为MSK系统的误码率分析。3.调制解调之后的波形对比：如图，上方所示波形为调制之后的波形，而下方为解调之后的波形，此时信道信噪比SNR=40dB,可见此时波形并无明显失真。cnsn)(tnc)(tns)(212)(exp21)(0120rerfcdaxdxfPxxs222ar)1(2ssePPP11而当信道信噪比SNR=5dB时，可得如下波形，波形已经严重失真。4.眼图分析眼图是指利用实验的方法估计和改善（通过调整）传输系统性能时在示波器上观察到的一种图形。从“眼图”上可以观察出码间串扰和噪声的影响，从而估计系统优劣程度。如下图所示，其为信噪比SNR=40dB时的眼图图像，图像清晰，可知此时码间串扰和噪声影响较小。12下图为信噪比SNR=5dB时的眼图图像，可知噪声影响严重。四．实验体会这次通信原理研究性学习，我研究的是MSK系统，通过这次实验更加深入地了解了MSK的原理，同时也了解了MATLAB中SIMULINK组件的使用。研究性学习的目的就是让我们自己动手，将课本上学习到的抽象的知识运用到实际中来，而这次实验把书上的知识更加直观地呈现在我的面前，让我大有顿悟之感。而该实验中碰到的遗留的没有解决的问题（如误码率的仿真）也让我明白了自己的知识还远远不够，要想在这条路上走得更远，必须更加努力地学习知识。