1、四川师范大学现代通信系统实验基于 SystemView 的多进制数字调制仿真（MSK）学生姓名 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 绩四川师范大学二一五年六月四川师范大学成都学院课程设计报告目 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
2、真电路 113.1 MSK信号的调制 .113.2 MSK信号的解调 .13附 录 15附录 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 15四川师范大学成都学院课程设计报告0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 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，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
3、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 能仿真大量的应用系统 快速方便的动态设计与仿真 在报告中方便地加入 SystemView 的结论 提供基于组织结构图方式的设计 多速率系统和并行系统 完备的滤波器和线性系统设计 先进的信号分析和数据块处理 提供了一个真实而灵活的窗口 可扩展性 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
4、境之一。设计窗口如图 1-1 所示：四川师范大学成都学院课程设计报告1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
5、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。四川师范大学成都学院课程设计报告2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，利用它可以观察某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
6、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。四川师范大学成都学院课程设计报告3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
7、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(代数运算)、Corr/Conv(相关与卷积)、Complex(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)、Comm(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。
8、四川师范大学成都学院课程设计报告42 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)cos2kmsksaStttT其中 , =0,1,令1sskTt, (2-2)2kksatt1sskt
9、则式（2-1）可表示为(2-3)cosmskkStt式中， 称为附加相位函数； 为载波角频率； 为码元宽度； 为第ktcsTka个输入码元，取值为 ； 为第 个码元的相位常数，在时间k中保持不变，其作用是保证在 时刻信号相位连续。1sskTt stk（2-2kkcsattT4）则（2-2kkcsdtaT5）由式（2-5）可以看出，MSK 信号的两个频率分别为四川师范大学成都学院课程设计报告5(2-6)14csfT(2-7)2csf中心频率 应选为cf=1,2, (2-8)4csnfT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 为正整数；
10、m=0，1，2，3， ） （2-cf 14csmf9）相应地 MSK 信号的两个频率可表示为 (2-10)1144cssmfNTT(2-11)2cssf由此可得频率间隔为(2-12)21sffTMSK 信号的调制指数为 (2-13)0.52sshf当取 N=1，m=0 时，MSK 信号的时间波形如图 2-1 所示四川师范大学成都学院课程设计报告6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kk连续的。根据这一要求，由式（2-2）可以得到相位约束条件为：（2-112kkak14）式中，若取 的初始参考值 ，则k0（模 ） =0，1，2，
11、 （2-或 k15）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k相位常数有关。由附加相位函数 的表示式（ 2-2）可以看出， 是一直线方程，其ktkt斜率为 ，截距为 。由于 的取值为 ，故 是分段线形的相位函数。2ksatTkk2satT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s一个码元期间 ，若 ，则 线性增加 ；若 ，则 线性s1kakt21kakt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2a图 2-2 所示。四川师范大学成都学院
12、课程设计报告7图 2-2 附加相位函数 的波形图kt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kt一个从 到 的网格图。2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： MSK 信号是恒定包络信号 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 2 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14sT0.5h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四川师范大学成都学院课程设计报告8（
13、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0.75sT1sT功率谱的主瓣所占的频带宽度比 2PSK 信号的窄；当 时，MSK 的功cf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4cf干扰也较小。2.2 MSK 的调制原理由 MSK 信号的一般表示式（2-3）可得(2-17)coscossinimsk
14、kkckctttttt因为 代入(2-17)可得2kksattT四川师范大学成都学院课程设计报告9coscossinsi22mskk k ct tSt tatTT(2-18)iikckcs st tIttQt上式即为 MSK 信号的正交表示形式。其同相分量为(2-19)coscos2Iktxt tT也成为 I 支路。其正交分量为(2-20)cosinsi2Qk ctxtat也成为 Q 支路。 称为加权函数。cs2tTist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cos2tT和同相载波 相乘
15、输出同相分量 。Q 支路信号先延迟 ，经costIxt s加权调制和正交载波 相乘输出正交分量 。 和 相sin2stTsinctQxtItQxt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，因此可以采取一般鉴频方式进行解调，四川师范大学成都学院课程设计报告10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。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
16、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行调制，相减即可得IxtQxt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。BPF 鉴频 LPF抽样判决四川师范大学成都学院课程设计报告11图 3-1 差分编码器仿真
17、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0 Meta I/O LibraryMeta In1,5 Operator Library/Sampler HoldCtrl Threshold=0v, Signal
18、=t0 Output 0,Control=t3 Output 0四川师范大学成都学院课程设计报告122,6 Operator Library/DelayDelay=100e-3sec, Output 0=Delay t4,Output 1=Delay-dT3,8 Source Library/Pulse TrainAmp=1v,Freq=5Hz,PulseW=1e-3sec,Offset=500e-3v,Phase=0deg9 MetaSystem Meta Out10 Source Library/PN SeqAmp=1v,Offset=0v,Rate=10Hz,levels=2,Phase
19、=0deg11,20 Sink Library/AnalysisInputOutput12,1316,17Multiplier/Non ParametricInputsOutputs14,15 Source Library /SinusoidAmp=1v,Freq=2.5Hz18 Operator Library/DelayDelay=100e-3sec19 Adder Inputs,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 3-3。四川师范大学成都学院课程设计报告13图 3-3 M
20、SK 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21,22 Comm Library/Intg-DmpAmp=1v,Freq=10HzAmp=1v,Freq=10Hz23,24,31Multiplier/Non ParametricInputsOutputs25,34 Source Library /Pulse Train Amp=1v,Freq=5Hz,PulseW=1e-3sec Amp=1v,Freq=5Hz,PulseW=100e-3sec26,27
21、 Operator Library/Linear SysFc=6Hz,Quant Bits=None,Init Cndtn=Transient28,36 Logic Library/AnaCmpTrue Output=1v,False Output=-1vTrue Output=1v,False Output=0v29,35 Operator Library/Sample Ctrl Threshold=1vCtrl Threshold=0v四川师范大学成都学院课程设计报告14Hold30,3237,39Operator Library/DelayDelay=250e-3sec Delay=50e-3secDelay=50e-3sec Delay=300e-3sec31,38 Multiplier/Non ParametricInputsOutputs33,4042Sink Library /AnalysisInputOutput41 Adder/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。 四川师范大学成都学院课程设计报告15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
