基于matlab的msk調(diào)制解調(diào)的實(shí)現(xiàn)

　　1、引言

　　本課程設(shè)計(jì)主要用于MSK信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)，同時(shí)進(jìn)一步了解MSK信號(hào)的的解調(diào)調(diào)制原理以及其性能。再次基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)信號(hào)疊加噪聲，并繪制相應(yīng)波形，同時(shí)進(jìn)行分析。

　　1.1課程設(shè)計(jì)目的

　　利用MATLAB集成環(huán)境下的M文件，編寫程序來實(shí)現(xiàn)MSK的調(diào)制解調(diào)，并繪制出解調(diào)前后的時(shí)域和頻域波形及疊加噪聲時(shí)解調(diào)前后的時(shí)頻波形，根據(jù)運(yùn)行結(jié)果和波形來分析該解調(diào)過程的正確性及信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?。通過這次課程設(shè)計(jì)進(jìn)一步加深了我對(duì)最小二進(jìn)制相移鍵控（MSK）調(diào)制解調(diào)性能的理解與掌握，同時(shí)將課堂上學(xué)到的理論知識(shí)用于實(shí)踐。增強(qiáng)了我在模擬仿真方面的能力，為以后系統(tǒng)開發(fā)和通信系統(tǒng)仿真打下了良好的基礎(chǔ)。

　　1.2課程設(shè)計(jì)要求

　　通過課程設(shè)計(jì)，掌握M文件的使用，同時(shí)進(jìn)一步加深MSK調(diào)制解調(diào)的原理，在此基礎(chǔ)上編寫出MSK調(diào)制解調(diào)的程序。并繪制出MSK信號(hào)解調(diào)前后在時(shí)域和頻域中的波形，觀察解調(diào)前后頻譜有何變化以加深對(duì)MSK信號(hào)解調(diào)原理的理解。通過這一些之后再加上噪聲，對(duì)信號(hào)解調(diào)，并繪制出解調(diào)前后信號(hào)的時(shí)頻波形，改變?cè)肼暪β蔬M(jìn)行解調(diào)，分析噪聲對(duì)信號(hào)傳輸造成的影響。

　　1.3課程設(shè)計(jì)步驟

　　先定義MSK輸入信號(hào)的參數(shù)然后用dmod函數(shù)做輸入的調(diào)制，之后畫相應(yīng)的頻譜圖。再用dedmod做解調(diào)輸出。然后加入噪聲，再進(jìn)行解調(diào)輸出。

　　1.定義載波頻率Fs，輸出信號(hào)頻率Fd，采樣頻率Fs。

　　2．設(shè)置輸入信號(hào)X，同時(shí)做信號(hào)的調(diào)制。

　　3.畫出相應(yīng)的波形圖。

　　4.做輸出信號(hào)的解調(diào)波形，同時(shí)畫解調(diào)波形圖。

　　5.加入高斯白噪聲。再進(jìn)行信號(hào)的解調(diào)輸出，畫相應(yīng)的波形。

　　6.對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較分析。

　　1.4課程設(shè)計(jì)平臺(tái)

　　本課程設(shè)計(jì)中應(yīng)用M文件設(shè)計(jì)MSK信號(hào)調(diào)制解調(diào)程序。所以在本課程設(shè)計(jì)中有必要對(duì)MATLAB進(jìn)行簡(jiǎn)要的描述。

　　MATLAB語言是當(dāng)今國(guó)際上科學(xué)界最具影響力、也是最具活力的軟件。它具有強(qiáng)大的數(shù)學(xué)運(yùn)算能力、方便實(shí)用的繪圖功能及語言的高度集成性。MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室（MatrixLaboratory）之意。MATLAB除具備卓越的數(shù)值計(jì)算能力外，它還提供了專業(yè)水平的符號(hào)計(jì)算、文字處理、可視化建模仿真和實(shí)時(shí)控制等功能。

　　MATLAB的出現(xiàn)使得通信系統(tǒng)的仿真能夠用計(jì)算機(jī)模擬實(shí)現(xiàn)，免去構(gòu)建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的不便，而且操作十分簡(jiǎn)便，只需要輸入不同的參數(shù)就能得到不同情況下系統(tǒng)的性能，而且在結(jié)果的觀測(cè)和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方面也比傳統(tǒng)的方式有很多優(yōu)勢(shì)。因而MATLAB在通信仿真領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用。MATLAB的一大特點(diǎn)是提供了很多專用的工具箱和模塊庫，例如通信工具箱和模塊庫、數(shù)字信號(hào)處理工具箱和模塊庫、控制工具箱和模塊庫等，MATLAB在這些工具箱和模塊庫中提供了很多常用的函數(shù)和模塊，使得仿真更容易實(shí)現(xiàn)。

　　在本課程設(shè)計(jì)里，我們主要利用MATLAB中的M文件實(shí)現(xiàn)MSK解調(diào)器的設(shè)計(jì)，對(duì)解調(diào)前后波形進(jìn)行比較，繪制時(shí)域波形。

　　2、MSK調(diào)制解調(diào)原理

　　MSK信號(hào)是一種包絡(luò)恒定、相位連續(xù)、帶寬最小并且嚴(yán)格正交的2FSK信號(hào)，其波形如圖2-1所示。

　　2.1MSK基本原理

　　MSK信號(hào)是一種相位連續(xù)、包絡(luò)恒定并且占用帶寬最小的二進(jìn)制正交FSK信號(hào)。它的第k個(gè)碼元可以表示為：

　　MSK信號(hào)具有特點(diǎn)如下：①M(fèi)SK信號(hào)是正交信號(hào)；②其波形在碼元間是連續(xù)的；③其包絡(luò)是恒定不變的；④其附加相位在一個(gè)碼元持續(xù)時(shí)間內(nèi)線性地變化2/??；⑤調(diào)制產(chǎn)生的頻率偏移等于T4/1?Hz；⑥在一個(gè)碼元持續(xù)時(shí)間內(nèi)含有的載波周期數(shù)等于1/4的整數(shù)倍。

　　2.2MSK正交表示法

　　式（2-1）可以用頻率為sf的兩個(gè)正交分量表示。將式（2-1）進(jìn)行三角公式變換，得到：

　　式（2-2）表示，此MSK信號(hào)可以分解為同相分量（I）和正交分量（Q）兩部分。

　　2.3MSK信號(hào)的調(diào)制

　　由式（2-2）可知，MSK信號(hào)可以用兩個(gè)正交的分量表示。根據(jù)該式構(gòu)成的MSK信號(hào)的產(chǎn)生方框圖如圖2-2所示。

　　2.4MSK信號(hào)的解調(diào)

　　由于MSK信號(hào)是最小二進(jìn)制FSK信號(hào)，所以它可以采用解調(diào)FSK信號(hào)的相干法和非相干法解調(diào)。

　　圖2-3是MSK信號(hào)的解調(diào)原理框圖。

　　3、仿真實(shí)現(xiàn)過程

　　3.1MSK信號(hào)的產(chǎn)生

　　因?yàn)镸SK信號(hào)可以用兩個(gè)正交的分量表示：

　　式中：右端第1項(xiàng)稱作同相分量，其載波為；第2項(xiàng)稱作正交分量，其載波為。

　　在仿真時(shí)先設(shè)置輸入信號(hào)的參數(shù)：載波頻率Fc調(diào)制后，數(shù)字信號(hào)速率Fd，模擬信號(hào)采樣率Fs。之后產(chǎn)生要調(diào)制的隨機(jī)數(shù)字信號(hào)x;然后用dmod函數(shù)進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)。dmod函數(shù)是MATLAB中一個(gè)常用來進(jìn)行信號(hào)調(diào)制的函數(shù)，它后面的參數(shù)包括被調(diào)制信號(hào)，載波信號(hào)的頻率，輸出信號(hào)的速率以及采樣速率和所進(jìn)行調(diào)制的函數(shù)。

　　部分程序代碼和仿真圖如下所示：

　　由調(diào)制波形圖可以看出MSK的調(diào)制信號(hào)特性與2FSK調(diào)制信號(hào)的特性非常的相似，即：當(dāng)輸入信號(hào)為“1”時(shí)，調(diào)制后的波形比輸入信號(hào)為“0”時(shí)的波形要密。同時(shí)MSK信號(hào)的包絡(luò)是恒定的，相位則是連續(xù)的。帶寬相對(duì)于一般的2FSK信號(hào)要小，而且正交。

　　3.2MSK解調(diào)實(shí)現(xiàn)

　　由于MSK信號(hào)是最小二進(jìn)制FSK信號(hào)，所以它可以采用解調(diào)FSK信號(hào)的相干法和非相干法解調(diào)。

　　在進(jìn)行程序仿真時(shí)，用ddemod函數(shù)進(jìn)行調(diào)制信號(hào)的解調(diào)。同時(shí)畫出解調(diào)前后的時(shí)域與頻域的波形圖。在畫頻域的波形圖時(shí)先對(duì)已調(diào)信號(hào)與解調(diào)信號(hào)進(jìn)行DTFT變換，之后畫出相應(yīng)的波形。ddemod函數(shù)是與dmod函數(shù)相對(duì)應(yīng)，用來對(duì)已調(diào)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)的。其后面的參數(shù)與dmod函數(shù)后的一模一樣。

　　部分程序與仿真波形圖如下所示：

　　由解調(diào)信號(hào)的時(shí)域波形可以看出，解調(diào)后的波形與原始輸入信號(hào)的波形完全一致。同時(shí)不難發(fā)現(xiàn)解調(diào)后的信號(hào)很穩(wěn)定。

　　由解調(diào)后的頻域波形可以看出MSK信號(hào)的穩(wěn)定性很好，說明MSK信號(hào)的抗噪聲性能很強(qiáng)。

　　通過調(diào)制前和解調(diào)后的頻域波形比較，發(fā)現(xiàn)解調(diào)非常的成功，波形被完整無誤的輸出來。

　　3.3疊加噪聲的MSK解調(diào)

　　由于信號(hào)在傳輸?shù)倪^程中難免要受到外來噪聲的影響，所以在進(jìn)行通信仿真時(shí)務(wù)必要在理想的模擬通信系統(tǒng)中加入高斯白噪聲對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行影響，以此來判斷一個(gè)通信系統(tǒng)抗噪聲性能的好壞。

　　在這次課程設(shè)計(jì)中，我利用awagn函數(shù)對(duì)已調(diào)信號(hào)加入信噪比為0.001的高斯白噪聲。然后對(duì)加入了噪聲的已調(diào)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，同時(shí)畫出其時(shí)域與頻域的波形，將其與沒有加噪聲的調(diào)制信號(hào)進(jìn)行比較，不難發(fā)現(xiàn)：加入噪聲后對(duì)已調(diào)信號(hào)的影響很大，但對(duì)解調(diào)信號(hào)而言，噪聲對(duì)解調(diào)后的影響還是有一定限度的。這說明MSK解調(diào)系統(tǒng)的抗噪聲性能很強(qiáng)。

　　仿真的部分程序與相應(yīng)的仿真波形圖如下所示：

　　通過symerr函數(shù)對(duì)解調(diào)信號(hào)的誤碼率進(jìn)行測(cè)定，得到的誤碼率為0.0024.因?yàn)檩斎氲碾S機(jī)序列長(zhǎng)度為10000，錯(cuò)了24個(gè)。說明MSK信號(hào)的抗噪聲性能很強(qiáng)。當(dāng)將信噪比變?yōu)?時(shí)，輸出的誤碼率很快發(fā)生了變化，由原來的0.0024變?yōu)榱?.0000e-004.圖形也同時(shí)發(fā)生了變化。通過圖形的比較，可以發(fā)現(xiàn)噪聲對(duì)調(diào)制信號(hào)的影響很大，但通過解調(diào)后影響相對(duì)減小了很多。

　　在多次改變信噪比后，將信噪比與誤碼率聯(lián)合做了如圖3-8所式的波形圖。

　　通過圖形可知，隨著系統(tǒng)信噪比的增加，解調(diào)后輸出的誤碼率隨之減小，當(dāng)信噪比增加到一定程度時(shí)，誤碼率變?yōu)?。說明噪聲對(duì)信號(hào)的影響在一定程度上是可以減小，但很難消除，因?yàn)槊恳粋€(gè)系統(tǒng)都不可能是理想系統(tǒng)，總會(huì)受到外界的干擾。

　　4、遇到的問題及解決辦法

　　遇到的問題一：在設(shè)計(jì)程序時(shí)由于一開始使用的不是隨機(jī)序列，同時(shí)MSK信號(hào)的抗噪聲性能很強(qiáng)，當(dāng)輸入的是有限個(gè)序列時(shí)，很難判斷出噪聲對(duì)信號(hào)的影響。所以在加入噪聲后再進(jìn)行解調(diào)時(shí)根本就無法發(fā)現(xiàn)噪聲對(duì)信號(hào)的影響。

　　解決辦法：利用randint函數(shù)來產(chǎn)生100個(gè)隨機(jī)序列，然后再在調(diào)制好了的信號(hào)上加入高斯白噪聲，之后對(duì)調(diào)制信號(hào)解調(diào)。這樣發(fā)現(xiàn)噪聲對(duì)信號(hào)的一點(diǎn)點(diǎn)影響。遇到的問題二：在畫解調(diào)信號(hào)前后的頻域波形時(shí)，由于忽略了調(diào)制信號(hào)和解調(diào)后的信號(hào)長(zhǎng)度不一致，所以只設(shè)置了一個(gè)參數(shù)n1，當(dāng)進(jìn)行仿真畫圖時(shí)一直都無法畫出來。解決辦法：在老師的指導(dǎo)下，我又重新檢查了一變程序。后來發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，并重新添加了參數(shù)n2，然后在進(jìn)行DTFT轉(zhuǎn)換后畫圖得到了正確的結(jié)果。

　　遇到的問題三：在加入高斯白噪聲時(shí)，由于不清楚awgn這個(gè)函數(shù)，所以我一直按照參考書上的方法進(jìn)行噪聲的添加，但噪聲卻一直沒有成功的添加。

　　解決辦法：在老師的知道下，我通過MATLAB里的help幫我很快了解了awgn函數(shù)，后來成功加入噪聲也是可想而知的了。