最小频移键控(MSK)正交调制与相干解调系统的仿真

湖南科技大学潇湘学院信息与电气工程系
课程设计报告
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课程设计任务书
题目《通信原理》课程设计
设计时间2014.7.2-2014.7.6
设计目的：
1．巩固所学的专业技术知识；
2．熟悉SystemView，Matlab 仿真环境并能在其环境下了解并掌握通信系统的一般设计方法，具备初步的独立设计能力；
3．提高综合运用所学理论知识独立分析和解决问题的能力；
4．更好地将理论与实践相结合。

设计要求：
建立系统的数学模型：在System View仿真环境下，从各种功能库中选取、拖动可视化图符，组建系统，在信号源图符库、算子图符库、函数图符库、信号接收器图符库中选取满足需要的功能模块，将其图符拖到设计窗口，按设计的系统框图组建系统；设置、调整参数，实现系统模拟；设置观察窗口，分析模拟数据和波形。

总体方案实现：
调制模块：采用正交调幅方式产生MSK信号。

对输入数据进行差分编码，把差分编码器的输出数据用串/并变换器分成两路，然后进行加权，最后用两路加权后的数据分别对正交载波cosωct和sinωct进行调制、叠加。

解调模块：采用相干解调的方法进行解调。

指导教师评语：
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一、课程设计的目的
1.掌握电路设计的基本思路和方法；
2.掌握系统各功能模块的基本工作原理；
3.提高对所学理论知识的理解能力；
4.能提高对所学知识的实际应用能力；
二、设计方案的论证
2.1 MSK 的基本原理
MSK (Minimum Frequency Shift Keying)又称快速移频键控 (FFSK)，是 2FSK 的改进 形式。

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，“快速” 是指在给定同样的频带内，MSK 能比 2PSK 的数据传输速率更高，且在带外的频谱分量 要比 2PSK 衰减的快。

MSK 是恒定包络连续相位频率调制，其信号的表示式为
1≤≤ t , − + t +s cos)(ϕ = ω π a k ( ) c
2T s
ωc 为载波角频率，Ts 为码元宽度，ak 为第 k 个输入码元，取值为 ±1；φk 为第 k 个 码元的相位常数，在时间 kTs ≤t ≤(k+1)Ts 中保持不变，其作用是保证在 t=kTs 时刻信号 相位连续。

令 则信号的表ϕ
t
t
π a
k
示式为t θ+ )(t =
k c
MSK
k
k
1
; +f
当=a k
c
=+: 1时 1
ω
2π
T
2
−f
=当a k =−: 1时
1 ω
2
c
2π
2 = ⇒ f = −f =∆ f 2 1
1 调制指数
2T s
s f
MSK 信号的时间波形如图所示：
图 2-1 MSK 信号的时间波形图
1
2.2 M SK 的调制原理
由 MSK 信号的一般表示式可得
因为
所以
令则
根据上式，可采用正交调幅方式产生MSK信号，其调制的方框图如下所示。

图2-2 MSK调制的方框图
由上图可知，MSK信号产生的过程为：
对输入数据序列进行差分编码；
1、把差分编码器的输出数据用串/ 并变换器分成两路，并相互交错一个比特宽度 Ts；
2、用加权函数 cos(πt/2Ts)和 sin(πt/2Ts)分别对两路数据进行加权；
3、用两路加权后的数据分别对正交载波 cosωct 和 sinωct 进行调
制； 4、把两路输出信号进行叠加。

根据以上的MSK调制原理框图，在SystemView上设计的仿真调试图如下图-11所示：
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图2-3 system view MSK调制仿真图
采样器（63）：按设定的采样速率采样，输出的结果是输入信号在采样宽度内的线性组合。

原理图中的采样速率为10HZ。

保持器（1.2.65）：用于采样或抽样后返回系统采样率。

增益（64）：对输入信号进行放大。

延时（5.6.17）：延
时规定各单位的时间。

异或们（60）：两个或两个以上
的逻辑信号异或操作。

脉冲信号（0,3）：用于产生相应
的脉冲信号
首先由信号源产生一个伪随机序列（0），此伪随机序列的幅度为1V，频率为10HZ，电平为2。

伪随机序列的信号波形如下图2-4所示：
图2-4
将其信号通过采样器后输入到异或们中，并将通过异或们输出的一路信号通过增益后输回到异或们，和原信号进行异或，然后在通过保持器，并输入到波形观察分析器65中，从而形成输入差分码，波形如下图2-5所示：
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图2-5
将拆分编码先进行并串/变换，分为两路信号Q和I（如图---14）。

I延迟T时间后与一载波频率只有基带信号频率0.25倍的载波进行相乘，然后再通过相乘器与一个载波频率等于200HZ，相位移相90度的载波进行相乘。

而Q路信号，先和频率只有基带信号频率0.25倍的载波相乘，然后再和一个没有经过移相的载波频率等于200HZ的载波相乘。

Q路信号和I路信号通过相加器相加，从而得到我们需要的MSK信号。

MSK波形信号如图2-6所示
图2-6
图2-7
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2.3 MSK 的解调原理
MSK 信号属于数字频率调制信号，因此可以采用相干解调的方法进行解调，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。

MSK 解调的原理图如下图 2-8 所示：
图2-8 MSK解调的原理框图
基于这MSK解调的原理框图，在Systemview上对其进行系统的设计的结构如图2-9所示：
图2-9
正弦信号源（18.19）：产生正弦载波信号。

巴特沃斯滤波器（20.21）：低通滤
波器用于滤除乘载波时产生的高频分量。

模拟比较器（45,46）用于将并行
信号转换成串行信号。

将调制出的MSK信号首先与一幅度为1V，频率为 2.5HZ和频率为200HZ的载波进行相乘，再经过巴特沃斯滤波器后进行滤波，将采样后的波形与模拟比较器相比较，将信号进行并串转换，即可得到Q路信号和I路信号输出。

其波形如图2-10所示。

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图2-10
将得到的Q/I路信号与脉冲信号源提供的频率为5HZ，幅度为1V的脉冲波通过延时器相乘后，将得到解调后的差分码（如图2-11）。

图2-11
将此差分码分为两路。

一路延迟后送往异或门（35），一路直接送往异或门（35）从而得到我们调制所得到的原基带信号波形（如图2-12）。

图2-12
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三、设计调试及分析
在本次的仿真过程中，系统的实现是分两个阶段来完成的。

首先，是要单独地实现MSK 信号的数字化调制，本次实验是对一种理想化的信号进行的调制；其次，是对与MSK 信号的数字化解调的实现，由于解调是对已调信号而言的，所以在调制完成后直接进行了解调。

在本次试验中，我采用了频率为100Hz的PN seq作为原始的输入信号，在通过采样器之后的采样值经过串并变化器后分为两路信号，并且相互交错一个码元宽度。

再分别对这两路信号进行加权和正交载波调制，然后相加后得到调制后的MSK信号。

再将之前调制好的信号作为原始信号，把f=1/4T的正弦波和余弦波分别经过乘法器与已调信号相乘，然后通过科斯塔斯环，捕获高频载波，经过乘法器完成相干解调。

然后再通过低通滤波器滤除高频分量，再抽样和比较判决。

经抽样保持以后在进行串并转换，最后将两路信号送入加法器进行合并，得到解调信号。

参数设置：
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四、心得体会
MSK信号是2FSK的改进，具有恒定包络，相位连续，频谱带宽窄等许多优点。

MSK 具有两种调制方法，即正交调制和CPE+MM调制。

由于MSK信号是一种2FSK信号，所以它也像2FSK信号那样，可以采用相干解调或非相干解调方法，除此之外，MSK信号还可以采用时延判决相干解调的方法。

在这为期一周的时间里，从第一天的查资料开始，这是一个从无到有的过程，在翻阅了书和许多论文资料之后，我开始着手于本次的课题：基于System View的MSK的调制与解调仿真分析。

在刚开始还处于起步的状态，原理图的问题、参数的问题、波形调整的问题接连不断，例如，在MSK信号的调制过程中，有两个载波，这两个载波需要不同的频率参数，但是一开始并没有意识到只一点。

很多很多的问题在后来的交流学习中得以解决。

本次的课程设计不仅让我熟悉了System View软件的操作，同时也学习了MSK信号的原理以及对其调制与解调的仿真。

时间比较短，但是充实、获益良多，也锻炼了自己自主学习的能力，同时也很感谢同学与老师在此期间的帮助。

五、参考文献
[1] 樊昌信，曹丽娜.《通信原理》，国防工业出版社
[2] 李东生.《SystemView系统设计及仿真入门与应用》,电子工业出版社
[3] 杨翠蛾.《高频电子线路与课设SystemView部分》,哈尔滨工程大学出版社
8。