MSK和2FSK调制与解调的性能比较.docx
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MSK和2FSK调制与解调的性能比较
MSK和2FSK调制与解调的性能比较
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摘要本文旨在证明在信道有高斯噪声情况下MSK的调制与解调比2FSK具有更好的性能。
首先用systemview将MSK和2FSK分别进行调制和解调的仿真，再通过仿真结果讨论二者的优越性。
通过结果证明出MSK优越于2FSK。
关键字MSK、2FSK、调制、解调
1.引言
随着数字技术的日益发展和数字通信具有的优越性，信息的传递已由原来的模拟信号传输逐渐被数字信号传输所取代。
短距离传输方式一般为数字基带传输，但距离较长时则使用数字带通传输。
数字带通传输前的数字调制常用键控法，而键控法可分为振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）、相移键控（PSK）。
其中2FSK由于性能优良、易于实现，得到了广泛的应用；但其也有一些不足之处。
首先它占用带宽比较大，频带利用率较低；其次，用开关法产生2FSK信号，则相邻码元波形的相位可能不连续使得信号波形的包络长生较大的起伏。
为了克服以上缺点，对于2FSK信号做了改进，发展出MSK信号。
本文则通过systemview软件对MSK和2FSK进行模拟仿真，再处理仿真结果后比较二者的各项性能。
本文首先设计2FSK在systemview环境下的调制和解调，在输入PN序列后利用键控发产生2FSK信号再加入高斯噪声，然后在进行解调。
此过程由软件仿真，对比输入原码和输出序列观察其差别，再利用软件算出误码率；MSK亦是如此。
最后通过仿真结果来判别两种调制的性能谁更好。
2.通信软件systemview的介绍
Elanix公司的systemview软件基本属于一个系统级工具平台，提供了完整的动态系统设计、仿真和分析的可视化化境，可以构造各种复杂的模拟、数字数模混合系统以及各种速率的系统。
其主要功能为：
线性和非线性系统设计、Laplace和Z变换线性系统、信号频谱和功率谱分析，支持嵌入式系统和多层子系统等。
systemview的设计非常方便，它利用功能元件库中的Token来代表一种处理过程，在systemview系统窗口中完成系统的设计。
设计的过程是在系统窗口中从不同的元件库选择Token，并在设计区域中进行连接，设置好每个Token的参数，控制系统的起始时间、终止时间、采样频率，最后从分析窗中分析结果，从而达到设计与分析系统的目的。
systemview提供几百种功能模块，能满足各种功能的实现。
在设计通信系统时，只要通过鼠标从功能库中选择相关图符，并将它们拖拽道设计窗口中连线即可。
最后设定系统定时窗口以及图符库的参数，选定实时仿真的分析测试效果，可以方便快捷地在设计窗口和分析窗口之间进行切换。
运行系统后，可在分析窗口中显示波形及数据，并能对系统中的任意信号进行频谱分析。
3.理论基础
3.1.2FSK的调制和解调
本文的2FSK是采用键控法来实现的，即在二进制基带矩形脉冲序列（PN序列）的控制下通过开关电路对两个不同的独立频率源进行选通，使其在每一个码元Ts期间输出f1或f2两个载波之一，如图1所示。
而根据此原理框图用systemview设计的2FSK调制如图2所示。
Token0中频率参数设定为50Hz；Token1中频率参数设定为100Hz。
s1（t）=Accosw1t
s2（t）=Accosw2t
2FSK的解调用的是非相干解调（包络检波）。
其解调原理是将2FSK信号分解为上下两路信号分别进行解调，然后进行抽样判决。
这里的抽样判决时直接比较两路信号抽样值的大小，可以不专门设置门限。
调制时若规定“1”符号对应载波频率f，则接收时上支路的样值较大，应判为“1”；反之则判为“0”。
解调原理图如图3；systemview设计的2FSK解调如图4，其中包络检波器由半波整流器和低通滤波器构成。
图1键控法产生2FSK信号的原理图
图2键控法产生2FSK的仿真
图32FSK信号的非相干解调原理图
图42FSK解调系统的仿真
3.2.MSK的调制和解调
因为
，所以MSK信号也可以看作是由两个彼此正交的载波
与
分别被函数
与
进行振幅调制而合成的。
已知
，
，
，因而
故MSK信号可表示为
式中，等号右边的第一项是同相分量，也称为
分量;第二项是正交分量，也称为
分量。
是同相分量的等效数据，
是正交分量的等效数据，它们都与原始输入数据有确定的关系。
令
，
，代入式（6.7-5）可得
根据上式，可构成一种MSK调制器，其方框图如图5所示，根据此原理框图用systemview设计的2MSK调制如图6所示。
图5MSK调制原理图
图6MSK调制的仿真
MSK信号的解调我们使用相干波最佳接收机来解调，其解调原理如图7所示；所画Systemview仿真电路图如图8。
图7MSK解调原理图
图8MSK解调的仿真
4.仿真结果及分析
2FSK的输入原码在调制后加入高斯噪声再经解调输出的波形如图9所示。
从图中可以观察到输出波形较原码有大约0.05秒的延迟，延迟时间虽然不长，但是原码波形和解调输出波形并不都一致，输出波形有时因为传输中的高斯噪声会产生跳变。
图92FSK的PN原码和调制解调后的输出波形
MSK的输入原码在调制后加入高斯噪声再经解调输出的波形如图10所示。
我们可以看出经过MSK的调制和解调后，输出波形较原码有了约0.4秒的延时。
但在抗噪声方面却比2FSK有了很大的提高，从图中比较，几乎看不出MSK解调后输出波形有什么失真。
图10MSK的PN原码和调制解调后的输出波形
从误码率角度来分析，图11为2FSK和MSK的误码率曲线；图12和图13分别为systemview仿真出的二者的误码率值。
可以看出整体上MSK的误码率比2FSK要小。
图112FSK和MSK的误码率曲线
图122FSK的误码率图13MSK的误码率
从功率谱的角度分析，运行systemview的PowerSpectrum函数观察2FSK和MSK的功率频谱密度。
图14为2FSK的功率谱密度，图15为MSK的功率谱密度。
MSK拥有更小的频带宽度。
图142FSK的功率谱密度
图15MSK的功率谱密度
综上所述：
通过两种系统的设计、仿真以及结果对比我们都能看出MSK的抗噪声性能要比2FSK强，MSK也比2FSK更适合在窄带信道中传输，而对邻道的干扰要小。
总之，MSK比2FSK具有更好的性能。
5.心得体会
通过此次的课程设计使我更加深入认识了2FSK和MSK调制和解调的工作原理，还可以用systemview软件设计这两个系统，并且能通过仿真结果进行分析，得出想要的结论，了解了为什么MSK要比2FSK性能优越。
其实这些内容老师上课都讲到过，但是当时概念很抽象，不是那么容易理解，所以在这次课设之前我对这部分内容不是很明白。
但通过之次课设的实际操作、查资料，使我把以前课上的知识联系到了实践上，让我终于对这部分知识有了进一步了解。
经过这次课设我也发现原理知识在用运于实际应用时也会出现很多问题，必须通过分析出错原因并总结经验教训才能将理论知识运用于实际问题。
在本次课程设计和论文的写作的过程中得到了老师的精心指导，在此表示衷心的感谢。
参考文献
[1]樊昌信，曹丽娜编著.通信原理.国防工业出版社.2006年（第6版）
[2]沈振元编著.通信系统原理.西安电子科技大学出版社.2008年
[3]罗伟雄，韩力，原东昌编著.通信原理与电路.北京理工大学出版社
[4]李东生编著.SystemView系统设计及仿真入门与应用.电子工业出版社
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