基于SystemView的多进制数字调制仿真MSK

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1、-*师*大学现代通信系统实验基于SystemView的多进制数字调制仿真（MSK）学生*谭进学 号2012101109所在学院通信工程学院专业名称通信工程班 级2012级宽带1班指导教师景文芳成 绩*师*大学二一五年六月. z.-目录1 SYSTEMVIEW仿真系统简介11.1 SystemView仿真系统概述11.2 SystemView仿真系统的特点11.3 Systemview仿真系统设计、分析窗口12 MSK的原理52.1 MSK信号52.2 MSK的调制原理92.3 MSK的解调原理103 MSK调制与解调仿真电路113.1 MSK信号的调制113.2 MSK信号的解调13附录15附

2、录1：基带信号波形15附录2: MSK调制信号15附录3：MSK解调波形15. z.-基于SystemView的多进制数字调制仿真（MSK）1 SystemView仿真系统简介1.1 SystemView仿真系统概述SystemView是美国ELANI*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，为用户提供了一个嵌入式的分析引擎。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，不用花费大量的时间和精力通过编程来建立系统仿真模型。1.2 SystemView仿真系统的特点u 能仿真大量的应用系统u 快速方便的动态设

3、计与仿真u 在报告中方便地加入SystemView的结论u 提供基于组织结构图方式的设计u 多速率系统和并行系统u 完备的滤波器和线性系统设计u 先进的信号分析和数据块处理u 提供了一个真实而灵活的窗口u 可扩展性u 完善的自我诊断功能1.3 Systemview仿真系统设计、分析窗口System View包括两个主要的工作环境：设计窗口和分析窗口。其中设计窗口用于完成系统的设计，为用户提供了图形化的便捷设计编辑环境，是SystemView最主要的工作环境之一。设计窗口如图1-1所示：图1-1 设计窗口它包括标题栏、菜单栏、工具栏、滚动条、提示栏、图符库和设计窗工作区。其中，设计窗工作区用于设

4、置、连接各种图符以创建系统，进行系统仿真等操作；提示栏用于调整当前的工作区域；当鼠标器位于功能图符上时该图符的具体参数就会自动弹出显示。SystemView系统是一个离散时间系统，首先要对信号进行采样，然后对各个采样点的值进行分析计算，最后输出时，在分析窗口内，按要求画出各个点的值或模拟曲线。所以在仿真前必须对采样起始/终止时间、采样频率、采样间隔和采样点数进行设置。如果设置不合理，仿真运行后的结果往往不能令人满意，甚至根本得不到预期的结果。单击工具栏中的系统定时按钮可以进入系统定时设定窗口。图1-2 系统定时设定窗口一般为了获得较好的仿真波形，系统的采样率不能低于系统信号最高频率的4倍。当达

5、到10倍时，仿真波形就几乎没有失真了。采样点数是由系统的运行时间和采样率共同决定的，他们的关系如下： 采样点数=（终止时间起始时间）采样率+1 （1-1）这个等式中几个变量是相互联系的，修改其中一个或两个后系统会自动修改其它参数。分析窗口是观察系统仿真结果数据的基本载体，利用它可以观察*一系统仿真的结果进行的各种分析。在分析窗口 中单击（分析窗口）按钮，即可激活分析窗口。如图2.3所示。在窗口界面中，有多种选项可以增强显示的灵活性和系统的用途等功能。图1-3 分析窗口 这些功能可以通过单击分析窗口工具栏上的快捷键按钮或下拉菜单来激活。分析窗口包括标题栏、菜单栏、工具栏、滚动条、活动图形和提示信

6、息栏。其中工具栏右侧的提示信息栏提供和图形窗口相关的信息，当鼠标位于图形窗口显示区时该处显示坐标信息。颜色列表提示用于显示活动图形窗口各种不同颜色的线条代表的意义。分析窗口的一个重要特点是能够帮助用户获得各种输出数据的时域和频域参数，并对其进行分析、处理、比较，或进行进一步组合运算，而接收计算器就是完成这些工作的必要工具。在分析窗口下面的提示栏中按键就可以进入接收计算器。利用接收计算器可以绘制信号的频谱、功率谱、眼图，将多个图形置于同一坐标中进行比较等等。接收计算器是信号分析的强大工具。主要有11种运算，包括Operators(操作)、Arithmetic(算术运算)、Algebraic(代数

7、运算)、Corr/Conv(相关与卷积)、ple*(综合FTT)、Spectrum(频谱分析)、Style(式样显示)、Scale(比例尺)、Data(摘取数据)、Custom(自定义计算)、m(常用调制BER)，这些操作和运算都是以选定的活动窗口中显示的数据为基础进行运算的，从而得到一个新的活动窗口。2 MSK的原理MSK(Minimum Frequency Shift Keying)是二进制连续相位FSK的一种特殊形式。MSK称为最小移频键控，有时也称为快速移频键控（FFSK）。所谓“最小”是指这种调制方式能以最小的调制指数（0.5）获得正交信号；而“快速”是指在给定同样的频带内，MSK能

8、比2PSK的传输速率更高，且在带外的频谱分量要比2PSK衰减的快。2.1 MSK信号MSK是恒定包络连续相位频率调制，其信号的表示式为 (2-1)其中 , =0,1,令, (2-2)则式（2-1）可表示为 (2-3)式中，称为附加相位函数；为载波角频率；为码元宽度；为第个输入码元，取值为；为第个码元的相位常数，在时间中保持不变，其作用是保证在时刻信号相位连续。 （2-4）则 （2-5）由式（2-5）可以看出，MSK信号的两个频率分别为 (2-6) (2-7)中心频率应选为=1,2, (2-8)式（2-8）表明，MSK信号在每一码元周期内必须包含四分之一载波周期的整数倍。还可以表示为 （N为正整

9、数；m=0，1，2，3，）（2-9）相应地MSK信号的两个频率可表示为 (2-10) (2-11)由此可得频率间隔为 (2-12)MSK信号的调制指数为 (2-13)当取N=1，m=0 时，MSK信号的时间波形如图2-1所示图2-1 MSK信号的时间波形对第个码元的相位常数的选择应保证MSK信号相位在码元转换时刻是连续的。根据这一要求，由式（2-2）可以得到相位约束条件为： （2-14）式中，若取的初始参考值，则（模）=0，1，2， （2-15）上式即反映了MSK信号前后码元区间的相位约束关系，这表明了MSK信号在第个码元的相位常数不仅与当前码元的取值有关，而且还与前一码元的取值及相位常数有关

10、。由附加相位函数的表示式（2-2）可以看出，是一直线方程，其斜率为，截距为。由于的取值为，故是分段线形的相位函数。因此，MSK的整个相位路径是由间隔为的一系列直线段所连成的折线。在任一个码元期间 ，若，则线性增加；若，则线性减少。对于给定的输入信号 序列，相应的附加相位函数的波形如图2-2所示。图2-2 附加相位函数的波形图对于各种可能的输入信号序列，的所有可能路径如图2-3所示，它是一个从到的网格图。图2-3 MSK的相位网格图从以上分析总结得出，MSK信号具有以下特点：u MSK信号是恒定包络信号u 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换u

11、 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，相应的调制指数下面简要讨论一下MSK信号的功率谱。对于由式（1.1-1）定义的MSK信号，其单边功率谱密度可表示为 （2-16）根据（2-16）画出MSK信号的功率谱如图2-4所示。为了便于比较，图中还画出了2PSK信号的功率谱。图2-4 MSK信号的归一化功率谱由图d可以看出，与2PSK相比，MSK信号的功率谱更加紧凑，其第一个零点出现在处，而2PSK的第一个零点出现在处。这表明， MSK信号功率谱的主瓣所占的频带宽度比2PSK信号的窄；当时，MSK的功率谱以的速率衰减，它要比2PSK的衰减速率快得多，因此对邻道的干

12、扰也较小。2.2 MSK的调制原理由MSK信号的一般表示式（2-3）可得 (2-17)因为代入(2-17)可得(2-18)上式即为MSK信号的正交表示形式。其同相分量为(2-19)也成为I支路。其正交分量为 (2-20)也成为Q支路。称为加权函数。由式（2-18）可以画出MSK信号调制器原理图如图2-5所示。图中，输入二进制数据序列经过差分编码和串/并变换后，I支路信号经加权调制和同相载波相乘输出同相分量。Q支路信号先延迟，经加权调制和正交载波相乘输出正交分量。和相减就可得到已调MSK信号。图2-5 MSK信号调制器原理图2.3 MSK的解调原理MSK信号属于数字频率调制信号，因此可以采取一般

13、鉴频方式进行解调，其原理图如图2-6所示。鉴频器解调方式结构简单，容易实现。抽样判决LPF鉴频BPF输入输出图2-6 MSK鉴频器解调原理图由于MSK信号调制指数较小，采用一般鉴频器方式进行解调误码率性能不太好，因此在对误码率有较高要求时大多采用相干解调方式。图2-7是MSK信号相干解调器原理图，其由相干载波提取和相干解调两部分组成。图2-7 MSK信号相干解调器原理图3 MSK调制与解调仿真电路3.1 MSK信号的调制第二章中已经介绍了MSK系统的组成、原理等。输入的二进制数据序列经过查分编码和串/ 并变换，变成两路速率减半的序列，在经过加权函数输出同相分量和正交分量，分别对两个正交的载波进

14、行调制，相减即可得到需要的MSK信号。原理图如图2-5。 根据原理图建立的MSK系统调制SystemView模型如图3-1与图3-2所示。图3-1 差分编码器仿真图图3-2 MSK调制仿真电路图3-1合成图3-2中的图符9差分编码器。这种波形不是用码元本身的电平表示消息代码，而是用相邻码元的电平的跳变和不便来表示消息代码。由于差分波形是以相邻脉冲电平的相对变化来表示代码，因此称它为相对码波形。用差分波形传送代码可以消除设备初始状态的影响，特别是在相位调制系统中用于解决载波相位模糊问题。各图符的设置如表3-1所示表3-1 调制过程各图符参数图符编 号库/图符名称参 数0Meta I/O Libr

15、aryMeta In1,5Operator Library/Sampler HoldCtrl Threshold=0v, Signal=t0 Output 0,Control=t3 Output 02,6Operator Library/DelayDelay=100e-3sec,Output 0=Delay t4,Output 1=Delay-dT3,8Source Library/Pulse TrainAmp=1v,Freq=5Hz,PulseW=1e-3sec,Offset=500e-3v,Phase=0deg9MetaSystemMeta Out10Source Library/PN S

16、eqAmp=1v,Offset=0v,Rate=10Hz,levels=2,Phase=0deg11,20Sink Library/AnalysisInputOutput12,1316,17Multiplier/Non ParametricInputsOutputs14,15SourceLibrary/SinusoidAmp=1v,Freq=2.5Hz18Operator Library/DelayDelay=100e-3sec19AdderInputs,Outputs3.2 MSK信号的解调本节将介绍MSK信号的相干解调电路，原理框图见图2-7。根据原理图SystemView的仿真电路图如图

17、3-3。图3-3 MSK信号相干解调总仿真电路由上侧进入两个相乘器的信号正是上一节中已调制的MSK信号。各图符的参数设置如表3-2所示：表3-2 解调部分各图符参数图符编 号库/图符名称参 数21,22m Library/Intg-DmpAmp=1v,Freq=10HzAmp=1v,Freq=10Hz23,24,31Multiplier/Non ParametricInputsOutputs25,34Source Library /Pulse TrainAmp=1v,Freq=5Hz,PulseW=1e-3secAmp=1v,Freq=5Hz,PulseW=100e-3sec26,27Oper

18、atorLibrary/Linear SysFc=6Hz,Quant Bits=None,Init dtn=Transient28,36Logic Library/AnaCmpTrue Output=1v,False Output=-1vTrue Output=1v,False Output=0v29,35OperatorLibrary/Sample HoldCtrl Threshold=1vCtrl Threshold=0v30,3237,39Operator Library/DelayDelay=250e-3secDelay=50e-3secDelay=50e-3secDelay=300e-3sec31,38Multiplier/Non ParametricInputsOutputs33,4042Sink Library /AnalysisInputOutput41Adder/Non ParametricInputsOutputs由实验电路可以看出，本地载波使用costas提取。已调信号与本地载波相乘后，经积分清洗滤波器滤除高频分量，通过抽样判决,再经过并串变换恢复出差分码。. z.-附 录附录1：基带信号波形附录2: MSK调制信号附录3：MSK解调波形. z.