课程设计运用Simulink仿真MSK和GMSK信号.docx

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课程设计运用Simulink仿真MSK和GMSK信号

目录

1前言1

2工程概况1

3正文2

3.1目的和意义2

3.2设计过程2

3.3MSK信号仿真设计2

3.3.1最小频移键控基本原理2

3.3.2MSK的Simulink仿真4

3.3.3GMSK信号仿真分析6

3.4MSK与GMSK波形分析和比较8

4致谢8

5参考文献9

前言

MATLAB的初学者，可能有这样的体会：

虽然使用MATLAB语言能较为方便地进行各种复杂的数学运算，但系统模型的建立、仿真以及程序的调试仍然是一件破花费时间的事情。

MATLAB是具有用法简易、可灵活运用、程式结构强又兼具延展性。

所以用它来实现对信号里的仿真是很直接的方法也是实践和理论的一次突破。

可以将提出的问题和解决问题的办法用熟悉的数字符号表示出来。

由于MATLAB的功能强大，应用性强，所以受到越来越多的科学工作者欢迎。

Simulink是MATLAB提供的一个用于对动态系统进行建模和仿真的软件包，具有丰富和的灵活的功能。

有了它，用户就可以将自己的计算机变成一个方便快捷的，面向各种系统的建模和分析实验室，从而解决相应的问题。

Simulink与MATLAB时高度集成在一起的，因此，Simulink与MATLAB之间可以灵活的交互操作。

Simulink可以用来对各种动态系统进行建模、分析和仿真，它的建模范围广泛，可以针对任何能用数学来描述的系统进行建模。

Simulink提供了利用鼠标拖放的方法来建立系统框图模型的图形界面，而且还提供了丰富的功能块以及不同的专业模块集合。

MSK调制的主要优点是信号具有恒定振幅和信号功率谱密度在主瓣外衰减得较快。

然而，在某些通信场合，如移动通信中，对信号带外辐射功率的限制十分严格，要求对邻近信道的衰减达70dB～80dB以上。

因此，近来对MSK信号作些改进，如改进两正交支路的加权函数，称为高斯最小频移键控（GMSK，GaussianFilteredMinimumShiftKeying）调制方法等。

MSK作为一种性能优良的调制方式,被广泛应用于卫星通信和无线移动通信中的数据传输。

串行MSK调制多用于数据速率较高的场合,在工程实现上有着较为广泛的应用。

GMSK调制的出现，是为了获取更好的通信质量。

在目前的移动通信中，GMSK调制方式中存在的一个矛盾就是降低临道干扰和减小误码率两者之间不能同时达到最好状态。

GMSK是在MSK前面加了高斯滤波器进行预调制。

高斯滤波器的带宽越小则调制后的频谱越窄，临道干扰越小，但同时误码率就随之增加。

目前我国GSM移动通信采用的就是这种调制方式。

GMSK信号具有很好的频谱和功率特性，特别适用于功率受限和信道存在非线性、衰落以及多普勒频移的移动突发通信系统。

MSK是一种特殊的2FSK信号。

2FSK信号通常是由两个独立的震荡源产生的，一般来说在频率转换处相位不连续，因此，会造成功率谱产生很大的旁瓣分量，若通过带限系统后，会产生信号包络的起伏变化。

GMSK调制是在MSK（最小频移键控）调制器之前插入高斯低通预调制滤波器这样一种调制方式。

最终产生仿真图。

运用Simulink仿真MSK和GMSK信号，最终实现仿真效果。

工程概况

MATLAB是一种功能强大的科学计算和工程仿真软件，它的交互式集成界面能够帮助用户快速的完成数值分析、数字信号处理，仿真建模、系统控制和优化等功能。

MATLAB提供了一个集成化的开发环境，通过这个集成环境用户可以方便的设计仿真模型，执行仿真过程，并分析仿真结果。

而Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，广泛用于线性系统、数字控制、非线性系统以及数字信号处理的建模和仿真中。

Simulink采用模式化，每个模块都有自己的输入/输出端口，实现一定的功能。

当采用Simulink进行建模和仿真时，一般从Simulink库中提供的模块出发，通过组合各种模块来完成模块的设计。

Simulink模型库提供了一种模块的集成环境，通过它可以快速的开发各种仿真模型。

我们使用MSK克服由于一般移频键控信号相位不连续、频偏较大等原因，使其频谱利用率较低的问题。

MSK是一种性能优越的新型数字调制方式，在外军的地域通信网中广泛采用。

MSK具有恒定包络，相位连续，数据传输速率高等优点。

GMSK调制方式能满足移动通信环境下对邻道干扰的严格要求，它以其良好的性能而被泛欧数字蜂窝移动通信系统（GSM）所采用。

并画出频谱图。

更改参数看图像变化。

减小误码率高斯最小频移键控（GMSK），GMSK是在MSK基础上建立的他的对满足通信环境对邻到干扰的严格要求。

得到好的信号。

最后对MSK与GMSK作比较得出结论，看是不是相吻合的。

正文

3.1目的和意义

作为一门专业基础课，根据后续课程的要求，提供必要的预备知识。

本课程在内容上侧重于数据传输，在引出通信系统模型的基础上，进一步介绍信号通过系统的传输，之后介绍各种通信系统、我所做的是数字调制MSK、GMSK，并对它们的性能进行简单的比较，在设计过程中掌握各个模块之间的关系及系统参数，正确的应用matlab/simulink软件，让我们学会使用软件中各个模块的作用、性能，掌握GMSK、MSK解调和调制的方法和步骤。

在掌握MATLAB软件的基础上，利用该软件完成给定的实验内容。

通过不断的考证，自己设计一个简单的通信过程——MSK与GMSK调制解调，并做出仿真图形，对得到的仿真图分析。

3.2设计过程

本次设计总共分为三个阶段，第一个阶段是进一步掌握MSK与GMSK调制解调原理阶段，第二个阶段是自行设计MSK与GMSK调制解调仿真系统阶段，第三个阶段是课程设计说明阶段。

运用Simulink仿真MSK和GMSK信号。

课程设计阶段是对总体知识的一个把握，通过MSK和GMSK信号仿真的设计，巩固了前面的知识，也提高了动手能力。

检验设计的结果是否与理论吻合。

3.3MSK信号仿真设计

3.3.1最小频移键控基本原理[4]

MSK是一种特殊的2FSK信号。

2FSK信号通常是由两个独立的震荡源产生的，一般来说在频率转换处相位不连续，因此，会造成功率谱产生很大的旁瓣分量，若通过带限系统后，会产生信号包络的起伏变化。

为了克服以上缺点，需控制在频率转换处相位变化是连续的，这种形式的数字频率调制称为相位连续的频移键控（CPFSK），MSK属于CPFSK，但因其调制指数小，在每个码元持续时间Ts内，频移恰好引起

相移变化，所以称这种调制方式为最小频移键控MSK。

MSK包括调制和解调两部分。

MSK信号可表示为

（3-1）

式中，

表示载频；

表示频偏；

表示第k个码元的起始相位；

是传输的数据。

当

时，信号的频率为

（3-2）

当

时，信号的频率为

（3-3）

其最小频率为

（3-4）

即最小频差

等于码元传输速率的一半。

其调制指数为

（3-5）

MSK调制原理图如图3-1所示。

首先将输入的二进制信号进行差分编码。

经过串/并变换，将一路延迟Ts，得到相互交错一个码元宽度的两路信号

和

，然后加权函数

和

分别对两路信号

和

进行加权，加权后的两路信号再分别对正交载波

和

进行调制，调制后的信号相加再通过带通滤波器，就得到MSK信号。

应该指出，产生MSK信号有各种不同的方式，但都要满足MSK信号的基本要求：

1）以调信号包络恒定。

2）频偏严格地等于

，相应调制指数

。

3）附加相位在一个码元期间线性地变化

，在码元转换时刻信号的相位连续。

4）在一个码元期间

内，信号应是1/4载波周期的整数倍。

图3-1MSK调制原理图

MSK解调原理图如图3-2所示，MSK信号经带通滤波器滤除带外噪声，然后正交的相干载波

和

与输入信号相乘，将

和

两路信号区分开，再经积分后输出，分别为

和

（

为比例常数）。

同相支路在

时刻抽样，正交支路在

时刻抽样，判决器根据抽样后的信号极性进行判决，大于零判决为“1”，小于零判决为“0”，经并/串变换，变为串行数据，与调制器相对应，因在发送端经差分编码，故接受端输出需经差分译码，经差分译码后，即可恢复原始数据。

在这里只介绍一种相干解调，如图3-2所示。

MSK相干载波2kts

信号（2k+1）Ts

图3-2MSK信号解调器原理图

3.3.2MSK的Simulink仿真

根据实验原理，利用Simulink仿真模块连接MSK信号仿真图，如图3-3所示。

具体模块设计如下：

图3-3MSK信号仿真Simulink仿真图

（1）BernoulliBinaryGenerator模块

来源：

CommunicationsBlockset/DigitalbasebandModulation

二进制伯努利序列产生器Probabilityofazero:

模块产生的二进制序列中出现0的概率，是介于0/1的某个实数，该参数可以是向量的形式。

设置其参数为0.5。

Initialseed:

随机数种子，可以是标量或参数Probabilityofazero长度相同的向量。

当使用相同的随机数种子时，二进制伯努利序列产生器每次都会产生相同的二进制序列，不同的随机种子通常产生不同的序列。

设置其参数为123456

Sampletime:

抽样时间，表示输出序列中每个二进制符号的持续时间。

设置其参数为0.01。

Samplesperframe:

只有当Frame-basedoutputs选中后才可以对参数编辑，它的植表示输出一贞中包含的抽样点数。

设置其参数为1。

Frame-basedoutputs:

选中该项后，模块的输出为贞格式，否则输出数据流，如果选择了该项，就不能再选择对话框下面的参数“interpretvectorparametersas1-D”。

Interpretvectorparametersas1-D：

选中该项后，模块产生一维的输出序列，否则输出二维向

（2）MSK频带调制器模块：

来源：

DigitalBasebandModulation-CPM

MSK频带调制器模块对输入双极性信号或二进制信号实施最小幅移键控调制，产生频带调制信号，MSK频带调制器模块首先把输入信号通过一个MSK基带调制器，产生基带信号，然后这个基带信号调制到高频载波上，形成频带MSK调制信号

（3）AWGNChannel模块:

来源：

channels

用于对输入信号添加加性高斯白噪声Initialseed:

指定模块内部用于产生高斯白噪声的随机数生成器的“种子”值。

当为向量时，其长度应与输入信号的向量长度匹配。

其参数设为18000。

Mode:

指定生成噪声方差的方式，有以下4个选项。

SIgnaitonoiseratio（Es/No）：

信号能量与噪声功率谱密度值。

SIgnaitonoiseratio（SNR）：

信号与噪声功率比。

Variancefrommask:

指定噪声方差，某值必须为一正数。

Variancefromport：

从输入端口来确定噪声方差。

Snr:

信燥比。

设置参数为-6。

（4）MSK频带解调器：

来源：

DigitalBasebandModulatio-CPM

MSK频带解调器对MSK频带调制信号进行解调，得到二进制信息序列（及号序列）。

在MSK频带解调器中，输入的频带调制信号先通过一个频率转换器变换成基带调制信号，然后通过一个MSK基带解调器把这个基带信号变换成基带解调信号。

Outputtype（输出类型）设置成Bit型。

Samplespersymbol（采样频率）：

16。

（5）错误率统计模块:

来源：

CommSinks

模块的TX输入端口接收发送方的输入信号，RX输入端口接收接收方的输入信号，它们可是标量和贞结构的向量信号，两者可以不同，这时模块将标量信号和向量信号的没一个元素进行对比。

模块的输出数据书长度为3的向量，其中每个元素的意义分别是：

误码率或比特率、总的错误个数、总的参加比较的符号或比特数。

依据设置，模块将计算结果输出到Matlab工区间或输出端口。

Targetnumberoferrors（总的错误个数），其设置参数为100。

Haximumnumberofsymbols（总的参加比较的符号）,其设置参数为1e6。

（6）Display模块——数值显示模块:

来源：

LogicandBitOperations

Display模块的作用是显示输入的数值，其输入可以是任何形式的实数或复数。

模块的图标和控制对话框。

其中，参数Format用来选择显示在模块对话框上的数值形式，有short、long、short_e、bank、long_e。

我们选short_e。

Decimation：

指定模块输出数据的变化频率。

其设置参数为1。

Sampletime：

设置抽样时间。

其设置参数为-1。

（7）B-FFT模块：

来源：

SignalProcessingBlockset-DspSinks

Bufferinput：

选择这个复选框对rebuffer输入数据。

Buffersize：

有多少信号样本包括在每一个缓冲区。

如果您选择缓冲输入复选框，这个参量是可看见的。

其设置参数为1024。

Bufferoverlap：

样本数目，其中连续缓冲器和重叠。

这个参数是有形如果您选择的缓冲输入复选框。

其设置参数为512。

SpecifyFFT：

lengthselect此复选框进入FFT的长度。

FFT的lengththe样本数目上，执行FFT的。

当FFT的长度不同，从缓冲区大小，数据是零垫或截断的需要。

如果您选择指定FFT长度复选框，这个参量是可看见的。

其设置参数为1024。

Numberofspectralaverages：

有多少谱，以平均水平。

这个参数设定为1有效地禁用平均。

其设置参数为64。

运行仿真得到频谱如图3-4所示：

图3-4MSK调制解调频谱图

结果分析：

由图3-4可以看出，MSK信号的功率谱紧凑，MSK信号功率谱的主瓣所占的频带宽度比较窄，衰减速率比较快，因此对邻道的干扰比较小。

3.3.3GMSK信号仿真分析[8]

GaussianFilteredMinimumShiftKeying，高斯滤波最小频移键控，这是GMSK系统采用的调制方式。

数字调制解调技术是数字峰窝移动通信系统空中接口的重要组成部分。

GMSK是从MSK（最小移频键控）发展起来的一种技术。

GMSK调制实际上是调制指数为0.5的二进制调频，具有包络恒定、占用相对较窄的带宽和能进行相干解调的优点。

但是GMSK的带外辐射较高，影响了频谱效率。

为了抑制带外辐射、压缩信号功率，可在个GMSK调制器前加入预调制滤波器。

GMSK调制是在MSK（最小频移键控）调制器之前插入高斯低通预调制滤波器这样一种调制方式。

GMSK提高了数字移动通信的频谱利用率和通信质量。

GMSK信号的产生原理如下图所示。

图中低通滤波器为高斯滤波器，输出直接对VCO调频以保持已调波包络的恒定和相位的连续。

但该方法要保持VCO中心频率稳定存在一定困难。

｛

｝

SGMSK（t）

图3-5GMSK信号的产生

SGMSK（t）｛

｝

cos

图3-6采用PLL的GMSK信号产生

GMSK信号解调可采用与MSK信号相同的正交相干解调方式。

实现这种正交相干解调的关键是恢复参考载波和时钟。

除此之外，还可采用模拟相加方法解调根据通信仿真原理，利用GMSK仿真模块连接GMSK信号仿真图，

图3-7GMSK仿真图

（1）GMSK频带调制器模块:

来源：

CommunicationsBlockset/digitalbasebandmodulation

GMSK频带调制器模块对输入双极性信号或二进制信号实施最小幅移键控调制，产生频带调制信号，MSK频带调制器模块首先把输入信号通过一个MSK基带调制器，产生基带信号，然后这个基带信号调制到高频载波上，形成频带GMSK调制信号。

其参数如下

Inputtype：

输入类型:

Bit。

BTproduct：

变换相乘器，设置参数为1。

Pulselength：

脉冲长度，设置参数为4。

Symbolprehistory：

象征符号，设置参数为1。

Phaseoffset：

相位偏移，设置参数为0。

Samplespersymbol：

样本采样数，设置参数为16。

（2）AWGNChannel模块:

来源：

channels

AWGNChannel模块用于对输入信号添加加性高斯白噪声Initialseed:

指定模块内

用于产生高斯白噪声的随机数生成器的“种子”值。

当为向量时，其长度应与输入信号的向量长度匹配。

Mode:

指定生成噪声方差的方式，有以下4个选项。

SIgnaitonoiseratio（Es/No）：

信号能量与噪声功率谱密度值。

SIgnaitonoiseratio（SNR）：

信号与噪声功率比。

Variancefrommask:

指定噪声方差，某值必须为一正数。

Variancefromport：

从输入端口来确定噪声方差。

SNR:

信燥比。

设置参数为-5。

（3）GMSK频带解调器:

来源：

CommunicationsBlockset/digitalbasebandmodulation

GMSK频带解调器对MSK频带调制信号进行解调，得到二进制信息序列（及双极性信号序列）。

Outputtype：

输入类型:

Bit。

BTproduct：

变换相乘器，设置参数为1。

Pulselength：

脉冲长度，设置参数为4。

Symbolprehistory：

象征符号，设置参数为1。

Phaseoffset：

相位偏移，设置参数为0。

Samplespersymbol：

样本采样数，设置参数为16。

（4）Display模块——数值显示模块：

来源：

LogicandBitOperations

Display模块的作用是显示输入的数值，其输入可以是任何形式的实数或复数。

其中，参数Format用来选择显示在模块对话框上的数值形式，有short、long、short_e、bank、long_e。

我们选short_e。

Decimation：

指定模块输出数据的变化频率。

其设置参数为1。

Sampletime：

设置抽样时间。

其设置参数为-1。

运行得出的结果如图3-8：

图3-8GMSK调制解调频谱图结果图

结果分析：

由图3-8可以看出，GMSK信号的误码率比较低，GMSK信号的相位轨迹比较平滑。

带宽窄，且是锐截止的，具有较低的过冲脉冲响应；能保持输出脉冲的面积不变。

GMSK信号的相位轨迹必MSK信号的相位轨迹平滑。

3.4MSK与GMSK波形分析和比较[8]

高斯滤波最小频移键控，这是GSM系统采用的调制方式。

数字调制解调技术是数字峰窝移动通信系统空中接口的重要组成部分。

GMSK是从MSK（最小移频键控）发展起来的一种技术。

MSK调制实际上是调制指数为0.5的二进制调频，具有包络恒定、占用相对较窄的带宽和能进行相干解调的优点。

但是MSK的带外辐射较高，影响了频谱效率。

为了抑制带外辐射、压缩信号功率，可在MSK调制器前加入预调制滤波器。

通过比较可以看出GMSK的误码率比较小更加适应与现代通信系统。

误码率越低越好，GMSK调制是在MSK（最小频移键控）调制器之前插入高斯低通预调制滤波器这样一种调制方式。

GMSK提高了数字移动通信的频谱利用率和通信质量。

致谢

时间过的真快，不觉中一周就这样过去了，这一周我们大家都各自在忙自己的小设计，我做的是MSK与GMSK调制信号的仿真设计。

通过对它的设计使我对MATLAB有了更多的了解，在做课程设计之前，我对MATLAB一点兴趣都没有，觉得它很没有用处，学起来很难也很没意思，但是通过这次课程设计，我有了新的认识，它不仅是通信教学中的一个重要环节，更是一门教学与实践相结合的必修课，而且在生活中都要用到，总之使用很广泛。

这次完成任务，也使我感到一份喜悦，虽然设计很小，但毕竟自己完成了，做什么事情都要有很大的耐心和毅力，因此在以后的生活和学习中我会更加注意这些的培养。

在这里我要感谢老师对我的关怀和帮助，对于她教学的我很满意，看到她认真的给我们一个一个的指导，我很感动。

通过这次课程设计，我懂得了无论什么事都要去做才会发现问题，才可能去解决问题。

要深入去学习，去了解，这样才会有所收获。

有许多东西，许多事，不是想象中的容易，不去实践，永远也不会提高，所以我们要去实践，要去应用。

参考文献：

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[2]方建邦.董献忱.王天玺.锁相环原理及其应用[M].人民邮电出版社，1988:

45-60

[3]沈振元.通信系统原理.西安电子科技大学出版社，2000.3:

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[4]樊昌信.通信原理（第5版）[M].国防工业出版社，2002.3:

[5]徐光争.低相噪数字锁相环频率合成器[J].微波学报，1998:

10-15

[6]曹志刚.现代通信原理.北京清华大学出版社，1992:

13-20

[7]冯子裘.通信原理.西安：

西北工业大学出版社，1990:

50-56

[8]沈保锁.侯春萍.现在通信原理（第二版）[M].国防工业出版社，2005:

13-20