MSK调制解调系统的设计.doc
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1、MSK调制解调系统设计 摘要 最小频移键控(MSK)是恒定包络调制技术,它含有相位连续、频带利用率高特点,是在无线通信领域中很有吸引力数字调制方法,现在在短波、微波和卫星通信中均被采取。本文研究了最小频移键控系统调制和解调工作原理,并给出了基于MATLAB软件环境下程序仿真及simulink下系统模块搭建实现两种方法实现。利用m语言进行仿真,关键是依据MSK系统工作原理绘制出步骤图,最终写出程序进行仿真,并给出每一步骤仿真结果图形。利用simulink进行系统模块搭建,是将系统分为调制和解调两个子模块,再将这两个子模块连接成整体MSK系统模块进行仿真。最终给出全系统仿真运行结果及其分析研究结果
2、。关键字MSK; Matlab;Simulink;调制解调Simulation of MSK Modulation and Demodulation System Abstract 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 communications, digita
3、l 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 in two way
4、s. 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 modulation
5、 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 wordsMSK; Matlab ;Simulink; Modulation and Demodulation目录引言11 方案论证和选择31.1 基于SystemView设计31.2 基于Matlab设计31.3
6、基于FPGA设计31.4 方案选择42 MSK信号调制解调原理52.1 MSK特点52.2 MSK调制原理52.3 MSK解调原理102.4 MSK性能分析113 基于MatlabMSK调制解调系统设计133.1 Matlab中m语言和Simulink介绍133.2 利用m语言设计MSK调制解调系统143.2.1利用m语言设计步骤图143.2.2测试结果及分析153.3利用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25致谢26参考文件27附录A 英文文件原文
7、28附录B 英文文件译文38附录C m程序49引言伴随经济发展,大家对通信系统需求越来越来高。通信系统也由原来单一对点传输。逐步发展成大容量高速网络通信体制。通信系统增多,通信频率资源就显得相对担心,怎样能在现有频率资源条件下实现大容量通信是现在通信考虑关键问题。依据通信系统基点,大家在实践中相继研发出很多个通信调制方法,关键有:振幅键控(ASK)、移频键控(FSK)、移相键控(PSK)等。从频谱利用率上大家又研究出MSK、GMSK等频谱利用率较高调制方法。在数字通信、网络、视频和图像处理领域,MSK已经成为高性能数字信号处理系统关键元件。MSK是一个在无线移动通信中很有吸引力数字调制方法,它
8、含有以下两种关键特点:1信号能量99.5%被限制在数据传输速率1.5倍带宽内。谱密度随频率(远离信号带宽中心)倒数四次幂而下降,而通常离散相位FSK信号谱密度却随频率倒数平方下降。所以,MSK信号在带外产生干扰很小。这正是限带工作情况下所期望有宝贵特点。2信号包络是恒定,系统能够使用廉价高效非线性器件。无线通信技术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要求。选择高效可行调制解调手段,对提升信号有效性和可靠性起着至关关键作用。所以含有频带利用率高,在相同误比特率下所需信噪比比较低,电路结构比较简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升通信质量一项关键技术,调
9、制是为了使信号特征和信道特征相匹配。现代移动通信系统大多数使用是数字调制技术,这关键是因为数字通信网建网灵活,而且数字加密技术便于集成化。所以,通信系统全部在由模拟方法向数字方法转换,这也是移动通信发展趋势。不过,通常数字调制技术,如振幅键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控(PSK)等全部无法满足移动通信要求。所以,寻求性能优越高效调制方法以适应该代移动通信要求,一直是关键研究课题。MSK调制出现,是为了获取愈加好通信质量。当信道中存在非线性问题和带宽限制时,幅度改变数字信号经过信道会使己滤除带外频率分量恢复,发生频谱扩展现象,同时还要满足频率资源限制要求。所以,对己调信号有两点要求,
10、一是要求包络恒定;二是含有最小功率谱占用率。所以,现代数字调制技术发展方向是最小功率谱拥有率恒包络数字调制技术。现代数字调制技术关键在于相位改变连续性,从而降低频率占用。多年来新发展起来技术关键分两大类: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,对传输数据优异行相位编码,再进行调相(或调频)。MSK是Doelz和Heald在她们一项专利中提出一个信号调制方法。1972年,DeBuda认为MSK就是一个特殊CPFSK调制方法,经过一段时间发展,MSK被认为是正弦加权OQPSK形式。1977年,Amo
11、roso and Kivett经过一系列改变把MSK简化成了SMSK。现在,MSK在实际通信系统中已经得到了广泛应用。比如,SMSK已应用在美国航空和宇宙航行局高级通信卫星上,GMSK已经应用于欧洲GSM通信系统中。对MSK功率谱进行仿真,从结果看,MSK调制方法并不适适用于数字移动通信,需对其进行改善.由此,产生了高斯最小频移键控(GMSK)调制方法,从仿真结果来看,其性能大大改善.现在,GMSK调制方法广泛用于GSM,对不一样参数GMSK调制功率谱进行仿真,可得到一个很好GMSK调制方法,对GMSK在实际中应用进行了有益理论指导。最小移频键控(MSK)是移频键控(FSK)一个改善型。在FS
12、K方法中,相邻码元频率不变或跳变一个固定值。 在两个相邻频率跳变码元之间,其相位通常是不连续。MSK是对FSK信号作某种改善,使其相位一直保持连续不变一个调制信号。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,所以在军用和民用通信领域中均取得了广泛应用。用数字基带信号去控制可变分频器分频比来改变输出载波频率,使输出信号频率发生改变同时,相位保持连续,从而实现MSK调制。此次毕业设计采取MATLB函数编程和Simulink两种方法对MSK调制解调系统进行设计,并经过测试分析MSK调制解调原理和MSK基础特点。因为MSK为模拟信号,所
13、以,需对正弦信号采样再经过数/模变换得到所需MSK信号。经过利用数字基带信号去控制可变分频器分频比来改变输出载波频率,使输出信号频率发生改变同时,相位保持连续,从而实现MSK调制。1 方案论证和选择1.1 基于SystemView设计SystemView是美国ELANIX企业推出,基于Windows环境用于系统仿真分析可视化软件工具。它界面友好,使用方便。使用它,用户能够用图符(Token)去描述自己系统,无需和复杂程序语言打交道,不用写代码即可完成多种系统设计和仿真。利用SystemView,能够结构多种复杂模拟、数字、数模混合系统和多种多速率系统,它可用于多种线性或非线性控制系统设计和仿真
14、。用户在进行系统设计时,只需从SystemView配置图符库中调出相关图符,进行各个图符参数设置和相互间连线,即可进行仿真操作,给出分析结果。SystemView提供功效强大分析计算器,以依据用户需要对结果进行多种分析,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窗口用以检验、分析系统波形。另外,分析窗中还带有一个功效强大“接收计算器”,能够完成对仿真运行结果多种运算、频谱分析、滤波。1.2 基于Matlab设计Matlab是一个使用简便、尤其适适用于科学研究和工程计算高级语言,和其它计算机语言相比。它特点是简练和智能化,含有极高编程和调试效率
15、。应用Matlab语言开发通信信号源模拟系统是高效实用。基于Matlab语言多功效通信信号源仿真系统关键由信号输入模块,调制模块,源噪声模块,和频谱分析等模块组成,不仅能够产生模拟调制数字载波调制两大类通信信号,还能够计算信号特征参数,进行对应时域和频域分析,并在给定信噪比情况下仿真考虑噪声后总信号时频信息。另外,亦从宏观上介绍了此通信信号源,给出了它实际应用。应用Matlab语言开发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课题。Matlab (Matrix Laboratory)为美国Mathworks企业1983年首次推出一套高性能数值分析和计算软件,其功效不停扩
16、充,版本不停升级,1992年推出划时代4.0版,1993年推出了能够配合Microsoft Windous使用微机版,95年4.2版,97年5.0版,99年5.3版,5.X版不管是界面还是内容全部有长足进展,其帮助信息采取超文本格式和PDF格式,能够方便浏览。至6月推出6.1版,6月推出6.5版,继而推出6.5.1版, 7月Matlab7和Simulink6.0被推出,现在最新版本为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科学及工程问题分析计算和程序设计工具,它还提供了专业水平符号计算、文字处理、可视化建模拟真和实时控制等功效,是含有全
17、部语言功效和特征新一代软件开发平台。 Matlab 已发展成为适合众多学科,多个工作平台、功效强大大型软件。在欧美等国家高校,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基础教学工具。成为攻读学位本科、硕士、博士生必需掌握基础技能。在设计研究单位和工业开发部门,Matlab被广泛应用于研究和处理多种具体问题。在中国,Matlab也已日益受到重视,短时间内就将盛行起来,因为不管哪个学科或工程领域全部能够从Matlab中找到适宜功效。1.3 基于FPGA设计Quartus 是Altera企业提供FPGA/CPLD开发集成环境,在Quartu
18、s 上能够完成设计输入、元件适配、时序仿真和功效仿真、编程下载整个步骤,它提供了一个和结构无关设计环境,是设计者能方便地进行设计输入、快速处理和器件编程。其时序仿真就是靠近真实器件运行特征仿真,仿真文件中已包含了器件硬件特征参数,所以,仿真精度高。但时序仿真仿真文件必需来自针对具体器件综合器和适配器。综合后所得EDIF等网表文件通常作为FPGA适配器输入文件,产生仿真文件中包含了正确硬件延迟信息。a. 基于SimulinkMSK模型仿真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 要处理关键问题:a. 在MATLAB/simulink中将模型
19、文件转化为VHDL语言文件b. 在Quartus II中怎样测试,调整MSK信号c. 依据MSK信号解调算法搭建模型而且仿真实现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这两个软件全部能针对通信系统做出对应模型,而基于FPGA仿真部分模块需要经过编写VHDL语言实现部分模块,故实现比较麻烦。SystemView是基于Windows环境下运行用于系统仿真分析可视化软件工具,它功效模块使用(Token)描述程序。它软件界面比较友好,图符和连续全部是彩色,视觉效果好,而且全部能够依据个人喜好进行调整,工具栏快捷键布局合理,其中图符库和模块版图在同一窗口
20、内,这给操作带来了便利。相比之下,Simulink界面设计偏向简练,模块图全部是黑色框图,连线也是单一黑色。Simulink模块浏览器是独立,但它功效更强大。包含额领域比SystemView广。简练风格好处于于:当仿真系统偏大,模块较多时,视觉上不会认为繁杂,有利于整个仿真系统检验。而且Simulink帮助文档优点是不管在哪个模块哪个窗口点击帮助。立即出现是相关模块、窗El帮助。这对使用者,尤其足初学者是说相当方便。所以,从帮助文档易用性角度来看,Simulink相当出色。Simulink是包含在Matlab之中仿真工具,而Matlab本身含有强大编程仿真功效Simulink和Matlab、C
21、C+语青、DSP和和硬件工作环境等全部能够方便地实现。就此而言,SystemView和Simulink足无法比拟。所以为了能更清楚地了解MSK系统,本文采取Matlab语言编程和Simulink实现MSK系统。2 MSK信号调制解调原理2.1 MSK特点 MSK是数字调制技术一个。数字调制是数字信号转换为和信道特征相匹配波形过程。调制过程就是输入数据控制(键控)载波幅度、频率和相位。MSK属于恒包络数字调制技术。现代数字调制技术研究,关键是围绕着充足节省频谱和高效率地利用可用频带这个中心而展开。伴随通信容量快速增加,致使射频频谱很拥挤,这就要求必需控制射频输出信号频谱。不过因为现代通信系统中非
22、线性器件存在,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贡献。这是因为器件非线性含有幅相转换(AM/PM)效应,会使己经滤除带外份量几乎又全部被恢复出来了。为了适应这类信道特点,必需设法寻求部分新调制方法,要求它所产生己调信号,经过发端带限后,即使依旧经过非线性器件,不过,非线性器件输出信号只产生很小频谱扩展。为了适应这类信道特征,已调信号须有以下两个特点:包络恒定或包络起伏很小因为信道中含有非线性输入输出特征,所以已调波包络不能起伏,即不能用包络来携带信息,需要采取频移键控(FSK)或相移键控(PSK)来传输信息。含有最小功率谱占用率已调波要含有快速高频滚降频谱特征,要求
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