通信原理与MATLAB(十二):MSK的调制解调
目录
- 1.MSK的调制原理
- 2.MSK的解调原理
- 3.MSK代码
- 4.结果图
- 5.特点
1.MSK的调制原理
MSK调制原理如下图所示，基带码元先差分编码，然后经过串并转换分成I、Q两路，再与对应的载波相乘，然后再相加完成QAM的调制。
其中注意:I、Q两路码元分别是差分编码后的相对码的奇数和偶数位置上的码元，I路对应于奇数，Q路对应于偶数。而pk是I路码元，但是其码元宽度Tb是相对码的码元宽度Ts的两倍，并且延时一个Ts；而qk是Q路码元，其码元宽度Tb也是相对码码元宽度Ts的两倍。
例如，绝对码元是10001，如果参考电平是1，那么相对码元是100001，然后经过单极性码变为双极性码，1转换成1,0转换成-1，则I路码元是1 -1 -1，Q路码元是-1 -1 1。pk也是1 -1 -1，但是pk的码元宽度Tb是相对码的码元宽度Ts的两倍，并且延时Ts。而qk是-1 -1 1，但是qk的码元宽度Tb是相对码的码元宽度Ts的两倍。
2.MSK的解调原理
MSK的解调原理如下图所示，MSK信号再分为I、Q两路和对应的载波相乘，然后经过低通滤波器后进行抽样判决，判决之后的I、Q路码元进行合并，I路为最终码元序列的奇数位置码元，Q路为最终码元序列的偶数位置码元，然后进行解差分编码，恢复出原始的码元序列。
3.MSK代码
clear all; % 清除所有变量
close all; % 关闭所有窗口
clc; % 清屏
%% 基本参数
M=11; % 产生码元数
L=100; % 每码元复制L次,每个码元采样次数
Ts=0.001; % 每个码元的宽度,即码元的持续时间
Rb=1/Ts; % 码元速率1K
dt=Ts/L; % 采样间隔
TotalT=M*Ts; % 绝对码总时间
t=0:dt:TotalT-dt; % 时间1
TotalT2=(M+1)*Ts; % 相对码总时间
t2=0:dt:TotalT2-dt; % 时间2
Fs=1/dt; % 采样间隔的倒数即采样频率
%% 产生单极性波形
wave=randi([0,1],1,M); % 产生二进制随机码,M为码元个数
%% 绝对码变相对码
wave2=ones(1,M+1); % 产生1*(M+1)的全1行向量
%% 相对码第一个参考值为1，相对码b(n+1)=绝对码a(n)和相对码b(n)做异或
for k = 2:M+1
wave2(k) = xor(wave(k-1),wave2(k-1));%生成相对码
end
fz=ones(1,L); % 定义复制的次数L,L为每码元的采样点数
x1=wave(fz,:); % 将原来wave的第一行复制L次，称为L*M的矩阵
juedui=reshape(x1,1,L*M); % 将刚得到的L*M矩阵，按列重新排列形成1*(L*M)的矩阵
x2=wave2(fz,:); % 将原来wave2的第一行复制L次，称为L*(M+1)的矩阵
jidai=reshape(x2,1,L*(M+1));% 将刚得到的L*(M+1)矩阵，按列重新排列形成1*(L*(M+1))的矩阵
%% 单极性变为双极性
% 基带信号变为双极性即jidai为1的时候，jidai为1;jidai为0的时候，jidai为-1
for n=1:length(jidai)
if jidai(n)==1
jidai(n)=1;
else
jidai(n)=-1;
end
end
%% 产生I、Q两路码元
I_lu=wave2(1:2:end); % 相对码的奇数位置为I路码元
Q_lu=wave2(2:2:end); % 相对码的偶数位置为Q路码元
%% I、Q两路单极性码元变为双极性码元
I_lu=2*I_lu-1;
Q_lu=2*Q_lu-1;
%%I、Q两路码元的单个码元的持续时间是原始码元中单个码元的两倍,Tb=2Ts，并且I路码元延时Ts
fz2=ones(1,2*L); % 定义复制的次数2L
x3=I_lu(fz2,:); % 将原来I_lu的第一行复制2L次，称为2L*((M+1)/2)的矩阵
I=reshape(x3,1,(2*L)*((M+1)/2));% 将刚得到的2L*((M+1)/2)矩阵，按列重新排列形成1*(2L*((M+1)/2))的矩阵
x4=Q_lu(fz2,:); % 将原来Q_lu的第一行复制2L次，称为2L*((M+1)/2)的矩阵
Q=reshape(x4,1,(2*L)*((M+1)/2));% 将刚得到的2L*((M+1)/2)矩阵，按列重新排列形成1*(2L*((M+1)/2))的矩阵
I_yanshi=zeros(1,length(I));% 产生1*length(I)的零向量
% I路延时Ts，即I路1至L置零，原来1至(2*L)*((M+1)/2)-L的数移动到L+1至最后
I_yanshi(L+1:end)=I(1:(2*L)*((M+1)/2)-L);
%% 绘制码元波形
figure(1); % 绘制第1幅图
subplot(411); % 窗口分割成4*1的，当前是第1个子图
plot(t,juedui,'LineWidth',2);% 绘制绝对码元波形，线宽为2
title('绝对码信号波形'); % 标题
xlabel('时间/s'); % x轴标签
ylabel('幅度'); % y轴标签
axis([0,TotalT,-1.1,1.1]) % 坐标范围限制
subplot(412); % 窗口分割成4*1的，当前是第2个子图
plot(t2,jidai,'LineWidth',2);% 绘制相对码元波形，线宽为2
title('相对码信号波形'); % 标题
xlabel('时间/s'); % x轴标签
ylabel('幅度'); % y轴标签
axis([0,TotalT2,-1.1,1.1]) % 坐标范围限制
subplot(413); % 窗口分割成4*1的，当前是第3个子图
plot(t2,I,'LineWidth',2); % 绘制I路码元波形，线宽为2
title('I路信号波形'); % 标题
xlabel('时间/s'); % x轴标签
ylabel('幅度'); % y轴标签
axis([0,TotalT2,-1.1,1.1]) % 坐标范围限制
subplot(414); % 窗口分割成4*1的，当前是第4个子图
plot(t2,Q,'LineWidth',2); % 绘制Q路码元波形，线宽为2
title('Q路信号波形'); % 标题
xlabel('时间/s'); % x轴标签
ylabel('幅度'); % y轴标签
axis([0,TotalT2,-1.1,1.1]) % 坐标范围限制
%% MSK调制
fc1=4000; % 载波1频率4kHz
fc2=1/(4*Ts); % 载波2频率1/(4*Ts)
zb1=cos(2*pi*fc1*t2); % 同相载波1
zb2=-sin(2*pi*fc1*t2); % 正交载波1
zb3=cos(2*pi*fc2*t2); % 同相载波2
zb4=sin(2*pi*fc2*t2); % 正交载波2
I_wave=I_yanshi.*zb1;
I_wave=I_wave.*zb3; % I路波形
Q_wave=Q.*zb2;
Q_wave=Q_wave.*zb4; % Q路波形
msk=I_wave+Q_wave; % MSK的调制
figure(2); % 绘制第2幅图
subplot(411) % 窗口分割成4*1的，当前是第1个子图
plot(t2,I_wave,'LineWidth',2);% 绘制I路信号的波形
title('I路信号波形') % 标题
axis([0,TotalT2,-1.1,1.1]); % 坐标范围限制
xlabel('时间/s'); % x轴标签
ylabel('幅度'); % y轴标签
subplot(412) % 窗口分割成4*1的，当前是第2个子图
plot(t2,Q_wave,'LineWidth',2);% 绘制Q路信号的波形
title('Q路信号波形') % 标题
axis([0,TotalT2,-1.1,1.1]); % 坐标范围限制
xlabel('时间/s'); % x轴标签
ylabel('幅度'); % y轴标签
subplot(413) % 窗口分割成4*1的，当前是第3个子图
plot(t2,msk,'LineWidth',2); % 绘制MSK的波形
title('MSK信号波形') % 标题
axis([0,TotalT2,-1.1,1.1]); % 坐标范围限制
xlabel('时间/s'); % x轴标签
ylabel('幅度'); % y轴标签
%% 信号经过高斯白噪声信道
tz=awgn(msk,20); % 信号msk中加入白噪声，信噪比为SNR=20dB
subplot(414); % 窗口分割成4*1的，当前是第4个子图
plot(t2,tz,'LineWidth',2); % 绘制MSK信号加入白噪声的波形
axis([0,TotalT2,-1.5,1.5]); % 坐标范围设置
title('通过高斯白噪声信道后的信号');% 标题
xlabel('时间/s'); % x轴标签
ylabel('幅度'); % y轴标签
%% 解调部分
jt1=tz.*zb1.*zb3; % 相干解调，I路乘以相干载波
jt2=tz.*zb2.*zb4; % 相干解调，Q路乘以相干载波
figure(3); % 绘制第3幅图
subplot(511) % 窗口分割成5*1的，当前是第1个子图
plot(t2,jt1,'LineWidth',2) % 绘制I路乘以相干载波后的信号
axis([0,TotalT2,-1.5,1.5]); % 设置坐标范围
title("I路乘以相干载波后的信号")% 标题
xlabel('时间/s'); % x轴标签
ylabel('幅度'); % y轴标签
subplot(512) % 窗口分割成5*1的，当前是第2个子图
plot(t2,jt2,'LineWidth',2) % 绘制Q路乘以相干载波后的信号
axis([0,TotalT2,-1.5,1.5]); % 设置坐标范围
title("Q路乘以相干载波后的信号")% 标题
xlabel('时间/s'); % x轴标签
ylabel('幅度'); % y轴标签
%% 加噪信号经过滤波器
% 低通滤波器设计
fp=2*Rb; % 低通滤波器截止频率，乘以2是因为下面要将模拟频率转换成数字频率wp=Rb/(Fs/2)
b=fir1(30, fp/Fs, boxcar(31));% 生成fir滤波器系统函数中分子多项式的系数
% fir1函数三个参数分别是阶数，数字截止频率，滤波器类型
% 这里是生成了30阶(31个抽头系数)的矩形窗滤波器
[h,w]=freqz(b, 1,512); % 生成fir滤波器的频率响应
% freqz函数的三个参数分别是滤波器系统函数的分子多项式的系数，分母多项式的系数(fir滤波器分母系数为1)和采样点数(默认)512
lvbo1=fftfilt(b,jt1); % 对信号进行滤波，jt是等待滤波的信号，b是fir滤波器的系统函数的分子多项式系数
lvbo2=fftfilt(b,jt2); % 对信号进行滤波，jt是等待滤波的信号，b是fir滤波器的系统函数的分子多项式系数
subplot(513); % 窗口分割成5*1的，当前是第5个子图
plot(w/pi*Fs/2,20*log(abs(h)),'LineWidth',2); % 绘制滤波器的幅频响应
title('低通滤波器的频谱'); % 标题
xlabel('频率/Hz'); % x轴标签
ylabel('幅度/dB'); % y轴标签
subplot(514) % 窗口分割成5*1的，当前是第4个子图
plot(t2,lvbo1,'LineWidth',2);% 绘制I路经过低通滤波器后的信号
axis([0,TotalT2,-1.1,1.1]); % 设置坐标范围
title("I路经过低通滤波器后的信号");% 标题
xlabel('时间/s'); % x轴标签
ylabel('幅度'); % y轴标签
subplot(515) % 窗口分割成5*1的，当前是第5个子图
plot(t2,lvbo2,'LineWidth',2);% 绘制Q路经过低通滤波器后的信号
axis([0,TotalT2,-1.1,1.1]); % 设置坐标范围
title("Q路经过低通滤波器后的信号");% 标题
xlabel('时间/s'); % x轴标签
ylabel('幅度'); % y轴标签
%% 抽样判决
% 滤波后的信号大于0，判决为1，小于0，判决为-1
for i=1:length(lvbo1)
if lvbo1(i)>0
pdst1(i)=1;
else
pdst1(i)=-1;
end
end
for i=1:length(lvbo2)
if lvbo2(i)>0
pdst2(i)=1;
else
pdst2(i)=-1;
end
end
% 取码元的中间位置上的值进行判决，由于I路延时了Ts，因此第一个抽样值为2L，间隔为2L
% Q路第一个抽样值为L，间隔为2L
I_panjue=[];
Q_panjue=[];
for j=(2*L):(2*L):((2*L)*((M+1)/2))
if pdst1(j)>0
I_panjue=[I_panjue,1];
else
I_panjue=[I_panjue,-1];
end
end
for j=L:(2*L):((2*L)*((M+1)/2))
if pdst2(j)>0
Q_panjue=[Q_panjue,1];
else
Q_panjue=[Q_panjue,-1];
end
end
x5=I_panjue(fz2,:); % 将原来I_panjue的第一行复制2L次，称为2L*((M+1)/2)的矩阵
I_zong=reshape(x5,1,(2*L)*((M+1)/2));% 将刚得到的2L*((M+1)/2)矩阵，按列重新排列形成1*(2L*((M+1)/2))的矩阵
x6=Q_panjue(fz2,:); % 将原来Q_panjue的第一行复制2L次，称为2L*((M+1)/2)的矩阵
Q_zong=reshape(x6,1,(2*L)*((M+1)/2));% 将刚得到的2L*((M+1)/2)矩阵，按列重新排列形成1*(2L*((M+1)/2))的矩阵
figure(4) % 绘制第4幅图
subplot(411) % 窗口分割成4*1的，当前是第1个子图
plot(t2,I_zong,'LineWidth',2)% 画出经过抽样判决后的信号
axis([0,TotalT2,-1.1,1.1]); % 设置坐标范用
title("I路经过抽样判决后的信号")% 标题
xlabel('时间/s'); % x轴标签
ylabel('幅度'); % y轴标签
subplot(412) % 窗口分割成4*1的，当前是第2个子图
plot(t2,Q_zong,'LineWidth',2)% 画出经过抽样判决后的信号
axis([0,TotalT2,-1.1,1.1]); % 设置坐标范用
title("Q路经过抽样判决后的信号")% 标题
xlabel('时间/s'); % x轴标签
ylabel('幅度'); % y轴标签
% 将I路码元为最终输出的奇数位置码元，将Q路码元为最终输出的偶数位置码元
code=[];
for n=1:(M+1)
if mod(n, 2)~=0
code = [code, I_panjue((n+1)/2)];
else
code = [code, Q_panjue(n/2)];
end
end
x7=code(fz,:); % 将原来code的第一行复制L次，称为L*(M+1)的矩阵
dout=reshape(x7,1,L*(M+1)); % 将刚得到的L*(M+1)矩阵，按列重新排列形成1*(L*(M+1))的矩阵
subplot(413) % 窗口分割成4*1的，当前是第3个子图
plot(t2,dout,'LineWidth',2) % 画出经过抽样判决后的信号
axis([0,TotalT2,-1.1,1.1]); % 设置坐标范用
title("恢复的相对码波形") % 标题
xlabel('时间/s'); % x轴标签
ylabel('幅度'); % y轴标签
%% 相对码变绝对码
yuanma=ones(1,M);
for i=1:(M+1)
if code(i)==1
code(i)=1;
else
code(i)=0;
end
end
for k=1:M
yuanma(k)=xor(code(k),code(k+1));
end
x8=yuanma(fz,:); % 将原来yuanma的第一行复制L次，称为L*M的矩阵
yuanma_wave=reshape(x8,1,L*M);% 将刚得到的L*M+矩阵，按列重新排列形成1*(L*M)的矩阵
subplot(414) % 窗口分割成4*1的，当前是第3个子图
plot(t,yuanma_wave,'LineWidth',2) % 画出经过抽样判决后的信号
axis([0,TotalT,-1.1,1.1]); % 设置坐标范用
title("恢复的绝对码波形") % 标题
xlabel('时间/s'); % x轴标签
ylabel('幅度'); % y轴标签
%% 绘制频谱
%% 信源频谱
T=t2(end); % 时间
df=1/T; % 频谱分辨率
N=length(jidai); % 采样长度
f=(-N/2:N/2-1)*df; % 频率范围
mf=fftshift(abs(fft(jidai)));%对信源信号采用快速傅里叶变换并移到矩阵中心
figure(5) % 绘制第5幅图
subplot(211); % 窗口分割成2*1的，当前是第1个子图
plot(f,mf,'LineWidth',2); % 绘制信源频谱波形
title("基带信号频谱"); % 标题
xlabel('频率/Hz'); % x轴标签
ylabel('幅度'); % y轴标签
%% MSK信号频谱
sf=fftshift(abs(fft(msk)));% 对MSK信号采用快速傅里叶变换并将0-fs频谱移动到-fs/2-fs/2
subplot(212) % 窗口分割成2*1的，当前是第2个子图
plot(f,sf,'LineWidth',2) % 绘制MSK调制信号频谱
title("MSK信号频谱") % 标题
xlabel('频率/Hz'); % x轴标签
ylabel('幅度'); % y轴标签
%% 乘以相干载波后的频谱
mmf=fftshift(abs(fft(jt1)));% 对I路相干载波信号采用快速傅里叶变换并移到矩阵中心
mmf2=fftshift(abs(fft(jt2)));% 对Q路相干载波信号采用快速傅里叶变换并移到矩阵中心
figure(6) % 绘制第6幅图
subplot(211); % 窗口分割成2*1的，当前是第1个子图
plot(f,mmf,'LineWidth',2) % 画出I路乘以相干载波后的频谱
title("I路乘以相干载波后的频谱")% 标题
xlabel('频率/Hz'); % x轴标签
ylabel('幅度'); % y轴标签
subplot(212); % 窗口分割成2*1的，当前是第2个子图
plot(f,mmf2,'LineWidth',2) % 画出Q路乘以相干载波后的频谱
title("Q路乘以相干载波后的频谱")% 标题
xlabel('频率/Hz'); % x轴标签
ylabel('幅度'); % y轴标签
%% 经过低通滤波后的频谱
dmf=fftshift(abs(fft(lvbo1)));%对I路低通滤波信号采用快速傅里叶变换并移到矩阵中心
dmf2=fftshift(abs(fft(lvbo2)));%对Q路低通滤波信号采用快速傅里叶变换并移到矩阵中心
figure(7); % 绘制第7幅图
subplot(211); % 窗口分割成2*1的，当前是第1个子图
plot(f,dmf,'LineWidth',2) % 画出I路经过低通滤波后的频谱
title("I路经过低通滤波后的频谱");% 标题
xlabel('频率/Hz'); % x轴标签
ylabel('幅度'); % y轴标签
subplot(212); % 窗口分割成2*1的，当前是第2个子图
plot(f,dmf2,'LineWidth',2) % 画出Q路经过低通滤波后的频谱
title("Q路经过低通滤波后的频谱");% 标题
xlabel('频率/Hz'); % x轴标签
ylabel('幅度'); % y轴标签
4.结果图
5.特点
最小移频键控（MSK）信号是一种包络恒定、相位连续、带宽最小，并
且严格正交的2FSK信号，抗干扰能力强。