1、 支持正版，从我做起，一切是在为了方便大家！知识就是力量！MSK 调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9JWKffwvG#tYM*Jg Matlab ;Simulink; Modulation and Demodulation目录引言 11 方案的论证与选择 31.1 基于 SystemView 的设计 31.2 基于 Matlab 的设计 31.3 基于 FPGA 的设计 31.4 方案选择 42 MSK 信号调制解
2、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 调制解调系统的设计 133.1 Matlab 中的 m 语言和 Simulink 简介 133.2 运用 m 语言设计 MSK 调制解调系统 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 MSK 调制解调系统 183.3.1 Simulink MSK 调制模块设计 183.3.2 Simulink MSK 解调模块设计 193.3.3 测试波形分析 21结束语
3、 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第 1 页 共 60 页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、GMSK等频谱利用率较高的调制方式。在数字通信、网络、视
4、频和图像处理领域，MSK 已经成为高性能数字信号处理系统的关键元件。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：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。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
5、着至关重要的作用。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（PSK）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。MSK调制
6、的出现，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等；二是相关相移键控技术（CORPSK） ，利用部分响应技术，对传输数据先进行相位编码，再进行调相
7、（或调频） 。MSK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，DeBuda认为MSK就是一种特殊的CPFSK调制方式，经过一段时间的发展，MSK被认为是正弦加权的OQPSK的形式。1977年，Amoroso and Kivett通过一系列的变化把MSK简化成了SMSK。目前，MSK在实际的通信系统中已经得到了广泛的应用。例如，SMSK已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通信系统中。对MSK的功率谱进行仿真,从结果看,MSK调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,
8、从仿真结果来看,其性能大大改善.目前,GMSK调制方式广泛用于GSM,对不同参数的GMSK调制的功率谱进行仿真,可得到一种较好的GMSK调制方式,对GMSK在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。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信号。MSK调制指数为05，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，因第 2 页 共 60 页此在军用和民用通信领域中均获得了广
9、泛的应用。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MSK调制。本次毕业设计采用MATLB的函数编程和Simulink两种方法对MSK调制解调系统进行设计，并通过测试分析MSK的调制解调原理以及MSK的基本特点。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MSK调制。第 3 页 共 60 页1 方案的论证与选择1.1 基于 SystemView 的设计SystemView
10、是美国 ELANIX 公司推出的，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
11、分析，对系统设计和修改十分有利。在系统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
12、数字载波调制两大类通信信号，还可以计算信号的特征参数，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，9
13、7 年 5.0 版，99 年 5.3 版，5.X版无论是界面还是内容都有长足的进展，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
14、。 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的设计第 4 页 共 60 页Quartus 是 Altera 公司提供的 FPGA/CPLD 开发
15、集成环境，在 Quartus 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，是设计者能方便地进行设计输入、快速处理和器件编程。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
16、 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. 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MSK系统调制解调，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的仿真一些模块需要通过编写VHDL语言实现一些模块，故实现比较麻烦。SystemView是基于Windows环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
17、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，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，Simulin
18、k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、CC+语青、DSP以及与硬件工作环境等都可以方便地实现。就此而言，SystemView与Simulink足无法比拟的。所以为了能更清楚地了解MSK系统，本文采用Matlab语言编程和Simulink实现MSK系统。第 5 页 共 60 页2 MSK 信号调制解调原理2.1 MSK 的特点MSK 是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。MSK 属于恒包络数字调制技术。现代
19、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
20、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 效应，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
21、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 FSK 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 CPFSK 信号。MSK 是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)倒数的四次幂而下降，
22、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。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 )”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。第 6 页 共 60 页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
23、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。二进制 MSK 信号的表达式可写为； （2-1)2cos(t)ksMSKttTD Tsskt)1(或者 )t(ctS这里 ， （2-2)kstt2) sskt1(式中 - 载波角频率;c- 码元宽度;（在程序中用 Tb 来表示）Ts- 第 k 个码元中的信息，其取值为 ;（在程序中对应 a里面的内容）Dk- 第 k 个码元的相位常数，它在时间 中保持不变。Tssktk)1(由式可见，当 时，信号的频率为1k（2-3)2(1fsc当 时，信号的频率为1Dk(2-4)2(10Tfsc由此可得频率间隔为(2-5)fsf101(2-6)5.02ssfhMSK 信号与普通 2FSK 信号的差别在于:选择两个传信频率 与 ，使这两个频率的信号1f在一个码元期间的相位积累严格的相差 。由图 1.1MSK 的波形可以看出，“+”信号与“-”o180信号在一个码元期间恰好相差二分之一周期。下面来说明 MSK 信号的频率间隔是如何确定的。若初始相位为零，则 取值为 0 或 。由式(1)可推出其正交表达式为：k
