基于simulink的MSK仿真

基于simulink的MSK仿真学院：计算机与通信工程班级：通信工程姓名：王帆学号：20081619指导教师：白媛1目录一、引言…………………………………………………………………21.1绪论…………………………………………………………………21.2数字调制方式的发展状况…………………………………………21.3设计目的及任务要求………………………………………………31.4设计的意义…………………………………………………………3二、Matlab基础理论……………………………………………………42.1MATLAB简介………………………………………………………42.2MATLAB的特点及优势……………………………………………52.3Simulink简介………………………………………………………62.4MATLAB在通信系统仿真中的应用………………………………62.4.1通信仿真的概念………………………………………………62.4.2通信仿真的一般步骤…………………………………………6三、最小频移键控系统的调制模型及仿真环境………………………83.1最小频移键控介绍…………………………………………………83.1.1最小频移键控-MSK系统与信号特征小结………………83.1.2最小频移键控(MSK)………………………………………93.1.3MSK的理论研究及其原理…………………………………103.2模型设计原理……………………………………………………14四、系统的建立与仿真………………………………………………154.1建立模型……………………………………………………………154.2仿真参数设置………………………………………………………1724.3Scope端的最终波形图……………………………………………18五、总结与展望…………………………………………………………195.1总结…………………………………………………………………195.2展望…………………………………………………………………203一、引言1.1绪论20世纪50年代后期，随着计算机技术、微电子技术、传感技术，激光技术、卫星通信和移动通信技术、航空航天技术等新技术的发展和应用，尤其近代以计算机为主体的互联网技术的兴起和发展，它们相互结合、相互促进，将人类社会推入到高度信息化时代。通信的目的是传输含有信息的消息。消息有多种形式，话音、文字、数据、符号、图像等等都是消息。原始的数据信号有两种基本形式，一种是模拟的，另一种是数字的。模拟数据信号是在某一数值范围内可以连续取值的信号。数字数据信号是只取有限个离散值的数字序列。由于数字数据更便于存储、处理和传输，而模拟数据经过取样、量化和编码，可以转换成数字数据。因此，模拟数据的传输只有在特定条件下才被使用，而数字数据的应用越来越多。信号的调制方式也由模拟方式持续广泛地向数字方式转换。数字调制有三种基本形式:移幅键控法ASK、移频键控法FSK、移相键控法PSK。在ASK方式下，用载波的两种不同幅度来表示二进制的两种状态。ASK方式容易受增益变化的影响，是一种低效的调制技术。在电话线路上，通常只能达到1200bps的速率。在FSK方式下，用载波频率附近的两种不同频率来表示二进制的两种状态。在电话线路上，使用FSK可以实现全双工操作，通常可达1200bps的速率。在PSK方式下，用载波信号相位移动来表示数据。PSK可以使用二相或多于二相的相移，利用这种技术可对传输速率起到加倍的作用。在FSK调制解调器的使用范围较广，目前已经不完全局限在有线网络通信里。它已经延伸到无线电通信，生物医学，机械等领域。FSK调制解调器的设计的模型简单，设计方式也不仅仅建立在电器元件上，利用软件搭建模型也成为目前很常用的方法。但是在FSK方式中，相邻码元的频率不变或者跳变一个固定值，在两个相邻的频率跳变的码元之间，其相位通常是不连续的。如果对FSK信号做某种改进，使其相位始终保持连续，就产生了MSK信号，MSK是FSK的一种特殊情况。MSK调制后的波形在时域内具有恒定包络结构,在频域内频谱具有很小的旁瓣,主瓣宽度窄,带外辐射小的优点，并且在主瓣带宽之外功率谱旁瓣的下降也更加迅速，从而克服了一般FSK、PSK、QAM等调制方式具有相位突变而影响已调4信号高频分量衰减的缺点。正是因为MSK具有诸多的性能优势，所以它比较适合在窄带信道中传输，广泛应用于无线移动通信的数据传输中。1.2数字调制方式的发展状况数字信号调制技术是从最基本、最简单的二进制数字调制的2ASK，2FSK，2PSK的基础上发展起来的。幅度键控信号的调制原理就是使载波的幅度随数字基带信号的变化而变化；频率键控信号的调制原理就是使载波的频率随数字基带信号的变化而变化；相位键控信号的调制原理就是使载波的相位随数字基带信号的变化而变化。1.3设计目的及任务要求通过MATLAB中Simulink仿真模块对其进行仿真，同时分析MSK调制解调的应用案例及前景，以求加深对MSK调制解调原理及实际应用的理解。（1）MSK理论研究。从数字调制解调的众多方式中引出MSK，进而研究MSK调制解调原理及特点。（2）仿真工具MATLAB。简要介绍MATLAB及其使用MATLAB中Simulink仿真模块进行仿真的相关方法和理论。（3）实验分析。使用MATLAB为工具，用Simulink仿真模块对MSK调制解调原理进仿真，并进行必要的比较及深入分析。（4）简介MSK应用，分析其发展趋势和应用前景。1.4设计的意义本次设计的意义在于深入分析了当前通信领域比较先进的MSK数字化调制与解调，利用理论研究以及实验仿真分析相结合的方法，更全面、更深入地说明问题。实现实验仿真的实验平台为MATLAB。MATLAB的主要特点有：语言简洁紧凑，使用方便灵活，库函数极其丰富MATLAB程序书写形式自由，利用起丰富的库函数避开繁杂的子程序编程任务，压缩了一切不必要的编程工作；MATLAB提供了和C语言几乎一样多的运算符，MATLAB有许多的画图和图象处理命令；MATLAB既具有结构化的控制语句，又有面向对象编程的特性；程序限制不严格，程序设计自由度大，程序的可移植性很好。这样就对仿真的正确性提供了一个可靠的保证。引用MSK应用案例，分析其发展趋势和应用前景。5本文所研究的内容适应当前科学技术的发展与更新，具有一定的研究价值。由于现代通信技术的快速更新、迅猛发展，已经提出比MSK更先进的调制方式以便于信道传输。但无论调制技术如何发展，本质上只是对基本的调制方式的改进和组合，所以本文所采用的数字化调制与解调的方法，仍然是较先进的技术，并具有一定的理论和实践意义。二、Matlab基础理论本次仿真使用的仿真工具是MATLAB，它是一套用于科学工程计算的可视化高性能语言和软件环境，其结果都能方便地以数学语言或者图形方式表示出来，非常直观，易于理解。本论文课题的研究过程中，充分借助了MATLAB语言在通信系统仿真方方面的资源，通过MATLAB7.0软件平台编程，对MSK调制解调理论进行仿真。本章简要介绍MATLAB。2.1MATLAB简介MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、系统仿真、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于数值分析、数值和符号计算、工程与科学绘图、控制系统的设计与仿真、数字图像处理技术、数字信号处理技术、通讯系统设计与仿真等领域。MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C++，JAVA的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进6行下载就可以用。2.2MATLAB的特点及优势目前，MATLAB已经广泛用于理工科大学从高等数学到几乎各门专业课程之中，成为这些课程进行虚拟实验和仿真的有效工作。在科研部门，MATLAB更是极为广泛得得到应用，成为全球科学家和工程师进行学术交流首选的共同语言。在国内外许多著名学术期刊上登载的论文，大部分的数值结果和图形都是借助MATLAB来完成的。与其它高级语言相比较，MATLAB具有独特的特点和优势：（1）MATLAB是一种跨平台的数学语言。采用MATLAB编写的程序可以再目前所有的操作系统上运行（只要这个系统装有MATLAB平台）。MATLAB程序不依赖于计算机类型和操作系统类型。（2）MATLAB是一种高级语言。MATLAB平台本身是用C语言写成的，其中汇集了当前最新的数学算法库，是许多专业数学家和工程学者多年劳动的结晶。使用MATLAB意味着站在巨人的肩膀上观察和处理问题，所以在编程效率、程序可读性、可靠性和可移植性上远远超过了常规的高级语言。这使得MATLAB成为了进行科学研究数值计算的首选语言。（3）MATLAB语法简单，编程风格接近数学语言描述，是数学算法开发和验证的最佳工具。MATLAB以复数矩阵运算为基础，其基本编程单位是矩阵，使得编程简单，而功能极为强大。对于常规的语言中必须使用很多语句才能实现的功能，如矩阵分解、矩阵求逆、积分、快速傅里叶变换，甚至串口操作、声音的输入输出等，在MATLAB中均用以来那个句指令即可实现。而且，MATLAB中的数值算法的是经过千锤百炼的，比用户自己编程实现的算法可信度和可靠性都大为提高。（4）MATLAB计算精度很高。MATLAB中数据是以双精度存储的，一个实数采用8字节存储，而一个复数则采用16字节存储。通常矩阵运算精度高达10以上，完全能够满足一般工程和科学计算的需要。与其它语言相比，MATLAB对计算机内存、硬盘空间的要求也是比较高的。（5）MATLAB具有强大的绘图功能。利用MATLAB的绘图功能，可以轻易地获得高质量的（印刷级）曲线图。具有多种形式来表达二维、三维图形，并具有强大的动画功能，可以非常直观的表达抽象的数值结果。这也是MATLAB广为流行的重要原因之一。7（6）MATLAB具有串口操作、声音输入输出等硬件操控能力。随着版本的提高，这种能力还会不断加强，使得人们利用计算机和实际硬件相连接的半实物仿真的梦想得以实现。（7）MATLAB程序可以直接映射为DSP芯片可接受的代码，大大提高了现代电子通信设备的研发效率。（8）MATLAB的程序执行效率比其它语言低。MATLAB程序通常是解释执行的，在执行的效率和速度上低于其它高级语言，当然如果对执行效率有特别要求，可以采用C语言编制算法，然后通过MATLAB接口在MATLAB中执行。事实上，MATLAB自带的许多内部函数均是有C语言编写并编译的，因此利用MATLAB内部函数的程序部分运行速度不比其它语言中相应函数低。2.3Simulink简介Simulink是MATLAB中的一种用于对动态系统进行建模、仿真和分析的工具包，广泛应用于线性系统、数字控制、非线性系统以及数字信号处理建模和仿真中。在Simulink中，仿真模型表现为若干个模块的集合以及这些模块之间的链接关系。Simulink具有很多的优点：Simulink采用模块化方式，每一个模块都有自己的输入/输出端口，实现一