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基于PSCAD.电力系统距离保护的仿真分析(完整资料）
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基于PSCAD4.2电力系统距离保护的仿真分析
摘 要：简要地介绍了ＰSCAＤ４。２软件及其工具箱，分析了输电线路距离保护的基本原理,并利用软件提供的工具箱搭建了距离保护仿真模型,设置了输电线路可能发生的接地故障和相间故障,最终得出了不同故障类型下输电线路的电压、电流以及其他量的变化规律的波形，从而实现了三段式距离保护的作用.仿真波形结果表明:利用该软件建立的模型是能够准确反应距离保护的作用机理，即距离保护装置能够快速响应故障信号并动作于断路器,实现输电线路的保护。
关键词：PSCAD4.2;距离保护;接地故障;仿真
Analysis of poweｒ ｓysteｍ distａｎce protectioｎ simulatｉｏn　bａｓed ｏｎ PSCAD４。２
Ａbstraｃｔ：Briefｌｙ　iｎｔroｄucing　PSCAD4．2 software anｄ its toｏlbox ，thｅn　ａnalyzinｇ tｈe　bａsｉc principｌe ｏf thｅ transmiｓｓion　lｉｎe　ｄistance protｅctioｎ　， and usｅ the　toolboｘ　thaｔtｈｅ soｆtware pｒovides to ｂuｉｌd a　protecｔion simulatiｏｎ modｅl aｎｄ setａ ground fauｌt and phａse trａnsmission line fａｉluｒｅs　the system ｍay　occur，　ａt　ｌaｓｔ obｔaｉn　ｔhe ｖoltａge,　ｃurrenｔ　and　waveｆｏrm　variation ｏｆ othｅr　dｉffeｒent　types　ｏf trａｎsmiｓsioｎ line　failurｅs　, enabling　three—　disｔａｎces ｐrotection. Simulatｉon　waveｆorm rｅsulｔs　shoｗed thaｔ: usｉng　ｔhe mｏdeｌ of ｔhe ｓoftwａrｅ isaccurａtely aｂlｅ ｔｏ ｅｓtaｂliｓh ｔhｅ　reactiｏn ｍｅｃhanism of tｈe ｄiｓtａｎce ｐrotecｔｉon , distaｎce proｔection deviｃｅ　can qｕiｃkly respoｎd tothｅ　ｃircuｉｔ　breaｋer failuｒe signal and　act　on　it　to aｃhiｅve ｐrotｅctｉon of transmｉssioｎ　lｉｎes 。
Ｋｅy words：PSCAD4．２；Ｄiｓtance　Protecｔion；Grｏｕnｄ　Ｆaulｔ；Siｍulatｉon
0 　引言
电力系统保护中，输电线路的保护主要是距离保护,其不受运行方式的影响,继电保护性能得到提高，因而获得广泛的应用[1］。文献[2］中通过对继电器模块的搭建来得到对电力系统的继电保护,但如果保护原理发生变化则相应的继电器模块也会发生变化,保护模块的移植性不强。目前,虽然电力系统的保护已经进入微机自动化时［3］,但距离保护体系并不十分完善，其中接地电阻对距离保护的影响表现突出，文献[4－6］ 详述了采用自适应的方法来消除接地电阻对距离保护的影响。
ＰSCAD4．2是一种电力系统电磁暂态仿真软件，尤其在控制系统、无功补偿系统、高压直流输电以及继电保护系统等领域较为活跃，该软件主要对电力系统时域和频率等变量进行仿真分析,其结果一般以简单易懂的图形界面输出，使得仿真过程清晰、准确而灵活[7－８］。
１电力系统距离保护的原理
在电力系统继电保护中，距离保护扮演着重要的角色。它满足电力系统的选择性、灵敏性、可靠性以及能够快速切除故障,从而快速恢复电网的正常稳定运行。距离保护是反应于保护安装地点到故障发生处之间的距离(阻抗),以此来根据阻抗的大小而整定动作时间的一种保护装置[９］.为了满足选择性、速动性和灵敏性的要求，现在广泛采用的是三段式距离保护,其网络接线如图1.

图1 距离保护网络接线图
ﻩ第1段距离保护理想情况是线路AB的全长,即，但实际是不可能的，如果BC出口处发生故障，则保护2第1段不应该动作，所以其应该躲过这种情况而整定，于是保护2段的１段整定值为
(其中为继电保护中的可靠系数，一般取为0．80。9）
同理，对保护1的第1段为:
第2段距离保护与限时电流速断相似。当保护1的第1段末端发生故障时，对于保护2的测量阻抗就变为：
则保护2的2段动作阻抗为：
为了增加距离保护的可靠性,应该加设距离3段保护，可以作为距离1段 与2段的后备保护，对距离3段整定值，其启动阻抗要躲开电力系统正常运行时的最小负荷阻抗来确定.
距离保护由于保护装置测量阻抗的计算不同,可以分为接地距离保护和相间距离保护［10］。接地距离保护通过测量相电压，同时测量电流为带有零序电流补偿的相电流来进行保护的.其可以保护单相、两相以及三相接地故障，测量阻抗为

上式中为零序补偿系数,一般近似认为其为一个实数.
对于相间保护测量的是相与相之间的电压和电流，它能够反映相间故障,比如两相故障和三相短路等,其测量阻抗为

由于电力系统存在以上的接地和相间距离保护，所以在仿真模块中应加设这两种保护以保证电力系统距离保护的可靠性可稳定性。
2 　距离保护模型的建立
2.1电力系统距离保护的主电路模型的建立
距离保护模型采用的是两级线路的单端电源输电线路系统，即系统发电、变电、输电、配电以及用户用电。如图2所示。距离保护安装在线路1与变压器之间的断路器B１处以此来作为本线路1的主保护同时也作为下一级线路2的后备保护。当线路1与线路２之间发生接地故障或是相间故障时将电压电流所反应出的测量阻抗与控制系统的整定值比较，从而得出逻辑控制信号来使得Ｂ1动作，做到保护输电线路的目的。

图2 距离保护的主电路模型
以上主电路中主要的元件模型参数如下.
三相电源：额定电压为230ｋＶ，频率5０Hz，采用单线视图,其余默认。
三相断路器：采用单线视图和高压模式,以便更好的观察断路器对于故障时的动作，其余默认。
负荷：每相的有功和无功分别是10０MＷ和25MVａｒ,频率50Hｚ.
三相故障源：采用故障内部控制方式，中性点接地，其中可以设置接地故障和相间故障模式.
2．2电力系统距离保护的控制电路模型的建立
控制系统的作用是对故障发生时,通过对输电系统电压电流的测量并对其进行FFT转化变成各相和各序值，并利用线对地阻抗、相间阻抗以及阻抗圆模块来获得逻辑值,最终来控制断路器的保护动作.利用FFT组件进行快速傅里叶变换，从而来得到基频的幅值和相角以及直流分量.
线对地阻抗可以将采集来的电压电流幅值和相角以及序电流进行处理以得到直角坐标形式（即Ｒ和X）的输出阻抗,将其输入到阻抗圆组件中来得到逻辑值,它模拟了接地阻抗继电器，其原理接线如图3所示.同时由于电力系统也存在相间短路故障，比如ＡB两相,ABC三相等等，因此可以利用相间阻抗模块对输入电压电流的幅值和相角进行输电系统的保护，其原理如图4所示.

图3 线对地阻抗图4 相间阻抗测量
3 仿真波形分析
３．1接地故障的分析
在接地故障中，单相接地影响很大，下面主要对A相接地故障进行分析研究.仿真模型中故障源的故障发生时间受外部组件控制，本系统将其设置成0．２(S）发生故障持续时间也是0。2(S）。
电力系统发生Ａ相接地短路之前,电压电流是三相对称的正弦波，且电源提供的有功功率和无功功率基本是保持不变的，负荷所消耗的功率是由电源所供给的。如果不计输电线路和变压器的损耗等，则有功功率和无功功率的波形在故障前分别稳定在100 (MW）和25 (ＭＶａr）。
发生A相接地短路期间,即0.2(S）到0。4（S)。电压和电流发生明显的故障振荡，表现为电压下降以及电流突然急剧增加，但随之由于控制系统给出逻辑“１”电平(故障信号)使得断路器立马动作来保护电力系统,所以电压恢复故障之前的三相对称状态,而电流因为输电线路断开从而趋于0，另一方面，由于输电线路与负荷断开使得电源发出的功率也逐步为0.其仿真波形如图５所示。

图５ Ａ相接地故障时各电气量变化规律
在上述波形中：横坐标单位为(S)，选取时间范围是0(S）到０．5（S);纵坐标各变量单位为Ｖs（kV)、Is（kA)、Pｓ（MW）、Ｑs（MＶaｒ）；三相电压和电流中蓝色表示A相，绿色表示B相，红色表示C相.
在控制系统中,最后一个或门所输出的逻辑电平TS和控制断路器的两开关的逻辑状态输出B1如图6所示。在故障未发生之前，断路器是闭合的故而是低电平，同时控制系统的逻辑输出也是低电平，但是故障发生后,由于测量阻抗在阻抗圆内，故而控制系统输出高电平，即B1为１,使得两输入选择器选择A端与常数相连接变为１,这一信号传给断路器,最终使得断路器在短路瞬间保护动作而断开。

图6控制触发信号
上述两个波形是重合的,其中TＳ表示或门所输出的逻辑电平，B1表示两开关的逻辑状态，在０.２（S）以前输出逻辑“０”，之后为“１"。对三相电压和电流的幅值相角进行仿真分析，由波形可知其幅值开始是平稳的,但是在故障发生后就突然发生很大的波动，故障消失后,由于断路器的保护断开使得电流幅值也趋于0，而电压基本不受影响,使用FＦＴ组件进行快速傅里叶变换来得到三相电压基频的幅值和相角如图7所示,此外图中也给出了控制故障源发生故障的时序控制ｆlt的波形，在０.2（S）发生故障,为高电平，其持续时间也是0。2(S)。

图7 A相接地故障时电压的幅值和相角变化曲线
在上图中,横轴单位为秒（S)，vｍ表示三相电压的幅值(kV)，vｐ表示三相电压的相角（ｒaｄ)，fit的纵轴表示故障的逻辑选通“0”表示关断故障,而“1"表示出现故障，蓝色表示A相,绿色表示Ｂ相，红色表示C相.
3．２相间故障的分析
将模型中的三相故障源的故障类型设置成AＢ相间短路,其他参数不变。仿真得到如图8所示的电压电流、波形以及功率波形，其变化规律与单相接地大致相同,主要是故障期间波形的不太一样，因为未发生故障时两者的负荷以及输电系统结构没有发生改变,但是故障期间由于短路时等效接地电阻等因素不同而使得短路电流有所不同。

图8AＢ短路时各电气量变化规律
在上述波形中：横坐标单位为(S)，选取时间范围是0(S）到0．5(S)；纵坐标各变量单位为Vs（ｋV）、Is(kA）、Ｐs（MＷ）、Qｓ(MVaｒ）；三相电压和电流中蓝色表示A相,绿色表示B相，红色表示C相.
4 结语
本文利用PSCAD4。2软件搭建了电力系统距离保护的模型,能够正确反映保护范围内的各种相间故障和接地故障，并对模型进行仿真分析，结果表明该软件对电力系统的暂态过程仿真有很好的作用,从而验证了该模型是能够准确反应距离保护的作用机理。进一步表明了ＰSCAＤ4．2对电网的仿真运行分析提供了一种光明前景，使得电力系统的安全稳定运行得到进一步的增强。
参考文献
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[2］　杨兰，杨廷芳.Matlab／SIMULINＫ在继电保护设计中的应用［J].电气传动自动化, 2０06， ２8（1): 53-55．
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[4] 索南加乐，许庆强．自适应接地距离继电器［Ｊ]．电力系统自动化，２0０5，29(17）：54-５8．
[5] 李 岩，陈德树，尹项根等。新型自适应姆欧继电器的研究[J］．中国电机工程学报，20０3，23（1）:80—8３．
[6]沈 冰，何奔腾，张武军。新型自适应继电器［J].电力系统自动化，2007,31(7）:39－44．
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[9]　贺家李，李永丽，董新洲等.电力系统继电保护原理[M］。北京：中国电力出版社，２0１0。
[10] 张保会，尹项根．电力系统继电保护［M］.北京：中国电力出版社，２０05。

基于H∞控制理论的电力系统稳定器
蔡超豪,王奇
１ 引言ﻫ　　电力系统稳定器（PSS）作为一种附加的励磁控制装置对电力系统稳定性的改善具有重要作用。但由于它是在系统某典型运行点将电力系统模型线性化而设计的，当运行点发生变化时,PSＳ对振荡的抑制作用会有所减弱，必须仔细选择其参数才能使其具有较好的适应性。H∞控制理论是当代控制理论中一个引人注目的分支,它以某一闭环传递函数的Ｈ∞范数作为性能指标谋求最优控制,H∞控制理论可以解决具有建模误差、参数不确定和干扰频谱不固定系统的控制问题。将其应用于电力系统稳定器设计，可以将系统的非线性作为不确定因素计入设计方案，因而设计出的稳定器具有很好的鲁棒性。本文研究了H∞设计中权函数的选择方法,应用Matlab工具箱进行电力系统稳定器的设计。实例仿真表明,基于Ｈ∞控制理论的电力系统稳定器,配合PID电压调节器使用，具有良好的动态品质和调节精度，并能在较大的运行范围内抑制振荡，提高电力系统的动态稳定性。为了方便起见本文将常规的电力系统稳定器简称为CPＳS,而将按H∞控制理论设计的稳定器简称为HPSS。ﻫ2 混合灵敏度问题
　 许多控制问题均可统一于标准H∞控制问题.在实际控制系统中,经常是干扰和受控对象的不确定性同时存在。同时抑制干扰和受控对象的不确定性称为H∞控制的混合灵敏度问题。以图1的反馈控制系统为例，G（s）为被控对象的传递函数,K（ｓ）为控制器，y为系统输出信号，u为控制输入，ｖ为对象输出,r为参考输入,e为控制误差,d为加权后的干扰输入。W1(s）、W２（s）、W３(s)、V（ｓ）为加权函数，w是加权前的干扰信号，ｚ1、z2、z3为加权后的输出.如果不考虑加权函数,干扰w到输出z１、z２、z3的闭环传递函数绝对值分别称为灵敏度函数S、输入灵敏度函数R和互补灵敏度函数T:
S=(I＋GK）—１ 
Ｒ＝Ｋ（I＋ＧＫ)－1＝KS
Ｔ=GＫ（I＋GK）—1＝I－S
∥S∥∞是闭环系统对干扰抑制能力的度量，∥R∥∞是对加性摄动（中低频模型参数摄动）G+ΔG中允许摄动ΔG幅度大小的度量，而∥T∥∞是对乘性摄动(高频未建模不确定性）（I+Δ)G中允许摄动Δ幅度大小的度量.
ﻫ干扰w到输出z1、z2、z3的传递函数阵为:

混合灵敏度优化问题就是寻求真实有理函数控制器K，使得闭环系统稳定,且满足性能指标　　
这样混合灵敏度问题就转化为一个标准H∞控制问题。
由图1也可得出:
ﻫ式中P称为增广被控对象。增广被控对象也可用状态方程来表示：

求解H∞控制问题经常采用增广对象的状态空间表达式来进行。所以先在频率域内选择加权函数W1、W2、W3、Ｖ，使之满足闭环系统设计的多目标要求，然后转化成状态空间表达式,在时域内进行优化设计。Ｍatlａb鲁棒控制工具箱中提供了专门的函数来构造增广对象的状态空间表达式。由增广对象求控制器K，需要解２个黎卡提方程,Matlaｂ工具箱中也设置了专门的函数来求解。ﻫ３　加权函数选择ﻫ３.１ 加权函数V（s)
　 V(ｓ)用来配置闭环控制系统的极点。如果控制对象的开环系统具有弱阻尼极点(离虚轴很近）的话，在构成控制器以后这些极点将作为闭环系统极点出现,使设计的控制系统不能取得满意的效果。为此采用部分极点配置技术，选择加权函数V=M／E，用Ｅ抵消控制对象的弱阻尼极点，用M来重新安排开环系统极点的位置,增大极点的实部,使阻尼比达0．3以上。
3．2　加权函数W1(s）
　　W１（s）是灵敏度函数S的加权函数。由于干扰通常发生在低频范围，为了抑制干扰，期望Ｓ在低频段的增益尽量小,所以低频段的加权值应尽量大，故选W1(s)为具有低通性质的真实有理函数,即W1（s)反映了干扰的频谱特性.如低频干扰的频率宽度为ω1，取W1(s)的转折角频率ω′１≥ω1,若不能满足，则可将W1(s)取为二阶函数。
3．3 加权函数W3(s）ﻫ 　W3（ｓ）是互补灵敏度函数T的加权函数，为乘性摄动的范数上界，并且有S+T＝Ｉ。对于给定的频率ω,如果要求S的增益很小，那么T将近似为I，由性能指标看出Ｗ3必须很小,从而降低了系统的鲁棒稳定性。相反地，如果要求系统具有较强的鲁棒稳定性，则要降低Ｔ的增益，这样做势必引起S的增益变大。ﻫ　　这个矛盾的解决办法如下：通过选择加权函数，在低频段以减小灵敏度函数S的增益为主，而在高频段以减小互补灵敏度函数Ｔ的增益为主，将W3取为具有高通性质的有理函数。并且使Ｗ1（s)与W３(ｓ)的频带不重叠,即二者的剪切频率之间要有一定的距离.由于在工程中，干扰的频率成分多为低频信号，而未建模动态往往是高频特性,因此这种折衷设计思想是合理的。ﻫ3．４　加权函数Ｗ2（s）ﻫ 　W2（s）是输入灵敏度函数R的加权函数，为加性摄动（模型误差）的范数上界.
W2（ｓ)在控制器设计中起罚函数作用,较大的W2(s）值导致较小的控制器增益。此外,Ｗ２(ｓ)相位的合理选择将有助于控制器从正确方向对对象进行控制.如果控制对象具有滞后的相位，则选择W２（s)使控制器具有超前的相位以补偿控制对象的滞后，并使在自然振荡频率附近两者相位近乎抵消.所以视控制对象及控制信号的不同,W2（s)可取为一常数或其它实有理函数，经过试验确定。ﻫ4　实例ﻫ 　图2(a）为一单机－无限大系统，1台600ＭW的汽轮发电机组经升压变压器、双回输电线与无限大系统并联,输出功率为额定功率的50％.发电机采用具有它励电源的晶闸管励磁系统，常规的励磁控制为比例、积分、微分(PID）励磁调节器，其结构如图2（b)所示.要求设计1台采用Δω反馈控制的基于H∞控制理论的HPＳS,其结构图如2(c)所示.ﻫ

(1)构成单机－无限大系统的状态方程ﻫ 　将单机-无限大系统的基本方程线性化、偏差化，采用有关文献给出的单机－无限大系统模型，用状态方程表示为ﻫ X＝AfX+BfUﻫ　 Y=CfX＋DｆU
式中状态变量X为有功功率增量ΔPｅ、转速增量Δω、发电机端电压增量ΔVｔ，控制量U为发电机励磁电压增量ΔVf。对于图2(a），当设计运行点为Ｐe０=0．5，δ０=７0°，由于PIＤ由ΔVt反馈控制，可得出模型的系数矩阵

（2）将单机-无限大系统模型与ＰＩD调节器模型合并构成HＰＳS的控制对象GＯPID调节器的传递函数取为
ﻫ 　利用Mａtlab控制系统工具箱中的tf２ｓs、seｒieｓ、feedbk等函数可得出G的系数矩阵

状态变量为ΔＸ、ΔＰe、Δω、ΔVｔ,控制量仍为ΔVf。Ag的极点为－0．４20７±j5。1８23，　　－0。673８±j1．0508 
（３）加权函数的选定
　权函数Ｖ用以抵消控制对象G的弱阻尼

选权函数Ｗ1为低通滤波器

　 控制对象Ｇ输出为Δω时具有滞后的相位,为使HPSS具有超前的相位，并使在自然振荡频率ωn=5.2 rad／s附近两者相位近乎抵消。因而取

（4)应用鲁棒控制工具箱进行HPSS设计
取W′1＝W1V,Ｗ′２＝W２V，W′3=W3V，连同Ag、Ｂg、Cg２、Ｄg2利用工具箱中函数aｕgss构成增广被控对象，然后应用函数ｈｉｎfopｔ求解控制器，得γ0=0．1１1.应用控制工具中的降阶函数baｌmｒ降阶,得有稳定极点和零点的三阶控制器，其传递函数为

（5）仿真分析
为了检验本文设计方法的有效性,对图２所示系统利用Mａtｌａb中的Sｉnｍlinｋ进行仿真分析，并将ＨPSS与CPSS、PＩD励磁控制器的控制效果进行了比较。详见图3、４。

由图可以看出，PID励磁时摇摆大，振荡次数较多，衰减较慢；CPSS励磁时，摇摆虽仍较大，但振荡次数减少；而HPSS励磁有最好的阻尼特性,振荡次数很少，很快趋于稳定，具有良好的动态品质和调节性能。ﻫ５ 结论 　由于电力系统运行条件的改变，参数发生变化，模型的近似会导致实际控制对象模型的不确定性,基于H∞最优控制理论设计的电力系统稳定器HＰＳS将电力系统的非线性作为不确定性因素计入设计方案，因而具有很好的鲁棒性，可以改善电力系统的动态特性,提高系统的动态稳定性。

分类号—————-——-—-—-——————-————-—---———-密级

UDC

本科毕业论文

基于MATLＡB的MＳK系统原理仿真分析

学生姓名丁小龙学号0２02５2007005指导教师孙华明老师院、系、中心信息科学与工程学院电子系专业年级２00７级电子信息工程

论文答辩日期年月日

中国海洋大学

基于MＡTLAB的MＳK系统原理仿真分析

摘要

当今社会已经步入了信息时代,在各种信息技术中，信息的传输和通信起着支撑作用。对于信息的传输,数字通信已成为重要的手段。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，于是，数字调制就成了人们研究的重点,常用的数字调制有：移幅键控(ASK）调制、移频键控（FSK）调制和移相键控(PSK）调制。最小移频键控（MＳK）是移频键控(FＳK)的一种改进型，MSＫ调制是一种性能比较优良的新颖的数字调制,它以独特的性能吸引着工程设计人员,正在不断地被应用于各类通信系统中,成为非线性数字无线电通信系统使用的最有效的调制方式之一。本文采用理论研究和实验分析相结合的方法,系统介绍ＭSK调制解调原理及其特点，并通过使用Ｍatlａb的Sｉｍulｉnk仿真模块对其进行仿真，同时简介MSK调制解调的应用及研究发展前景。

关键词：MSK；MATLAB;Simulｉｎk;仿真分析;调制解调

MATLAB-ｂasedsiｍｕｌatｉｏnofMSKSｙｓｔemPrinciple

Abｓｔract

Ｔoday’ssocｉｅｔyhasｅｎtereｄｔheinｆormaｔｉonage，inavarietyofinｆoｒmationteｃhnｏlogy,inｆormatｉoｎtｒａnsｍiｓｓiｏnandｃoｍmunｉcａｔionplaｙsaｓuｐｐｏrｔｉngrole.Ｆoriｎfｏrmatｉonｔrａnsmissｉoｎ,diｇｉtalcommｕnicatｉｏｎhasbecomeanimportａnttｏol.Sｉgnalfroｍtheanalogmoｄulatiｏnisaｌsoｃontinuedwidesprｅaｄcoｎveｒsiontｏｄigitａlfｏrm,tｈｅｒｅfore,digｉtaｌmodulａtionhasｂecｏmｅonｅfocusofthestudy,thecommonｌyusｅddiｇitａlmｏｄulａｔiｏnarｅ：amｐlitudeshｉｆtkeyｉｎｇ（ASK）modulatｉｏn,frｅquencysｈｉftkeying（ＦＳK)Mｏｄulａtionaｎdphaseshiftｋeｙing（PSK）mｏdulａtion。Minimumfreｑuencｙshｉftｋeying（MＳK)ｉsａｆrequenｃｙsｈｉfｔkeyinｇ(ＦSK）forａniｍproved,MSＫmｏdulａtionisarｅlａtiｖelygｏｏdperforｍaｎceoftheｎoveldｉｇitalｍodulａtioｎ,itｉsaｔtｒaｃtedtoｔｈｅｕniｑｕepｒｏpertiesofenginｅeｒｉngstaff,iｓｃｏnstａntlyBｅappｌｉedｔｏvarｉouｓtypｅsofｃoｍmunicatiｏnsystems，aｎonlｉｎeａrdiｇitalｒadioｃomｍunicationsｙstｅmusingoneofthemoｓtefficｉeｎtmoduｌation.Inthispaper，uｓinｇｔheoreｔicａlandｅｘpeｒiｍentａlaｎalyｓiｓｏfacoｍbinａtioｎmetｈｏｄ,theｓyｓtemintｒoduｃｅstheｐriｎciplｅandcharａctｅrisｔicsofMSKmｏdulatioｎanｄdemoｄｕlation，andMATＬＡBbyuｓingitstimedomaｉnandfreqｕeｎｃydoｍａinsimulaｔｉon，anｄbyｕsｉngMaｔlab＇sＳiｍuliｎkｓimulａtｉｏnｍodｕlｅtosimulａtethem，aloｎgwｉtｈabriefdｅｓcriptionoｆＭSKmodulatiｏｎaｎddeｍｏdｕlaｔionapplicationcasｅandproｓpeｃts.

ＫｅyＷｏrdｓ:MSＫ；MATLAB;Simulink；ＳimulaｔionAｎａlyｓiｓ；MｏdulaｔionａndＤｅｍｏdulation

目录

1绪论。...。．．.。。。。．.．．。．．。。．。。．．。。．.。。．。....。.....．．.。。。.。。。．．。。。。.．.....。。.。．。．...．．。。．。.．.。。....．.。。。．．.。1
1。1概述．.。。．．。.....．。．。．。.。。．．。。。．.。。.。。.．..。．．。.。．。．．．。..．。..。..．。．。.。...。．。．．．。．。。．。.。。.．。。。．.。.。。．。。。.。.。。。。。。．。。.．．。。.．..1
1.２数字调制方式的发展状况.。.。．．。.。．．．.。．．。．。。.．．。.．...．.．。．．。。..。。..。.。。．..。.....．。。.。.。。．。.．．。。。．．.。．..．１
1.3论文的内容和意义。.。．...．．．.．。．..．。。。。。。．。．。．.。.。。．.．。..。。。.。....。。..。。...。.。．.．．.。．...。。.。.。．．.。..。.。。.．。....3
1。3．１论文的内容。。.．.。.。。。．．..．.....。。.。。．．．．..。．.。。。。．。。。。．.。。.。。。。。。。．.。。。。.．.．。．．。．...。..．.。.．．．。.。。．。．.．.．3
１．3．2论文的意义．．..．。.。。。.．．。....。．.。.。．。．...。。。....。。．...。．．。。.。.．．．.。..。.....。．．．。。。。..。。．。．。。.。．...．．..。3
２ MSK 理论研究 4
2。1 　MSＫ 基本原理和特点 4
2.1.1 MSK 的基本原理 ４
2.1.2 MSK 的特点ﻩ7
2.2 MSK 调制原理 9
2.2.1 ＭＳＫ 的正交表示 9
2.2.2 MＳK 正交调制 10
2.3 ＭＳK　解调原理　ﻩ１３
3 ＭＡTLＡＢ　基础理论ﻩ16
3.1 MATLAＢ　简介 １6
3.2 MATLAＢ　 　的特点及优势 17
3.3 Ｓimulink　简介 18
３．4　 MＡTLAＢ　　在通信系统仿真中的应用　 19
3。4.１ 　 通信仿真的概念。．.。。。。。.．．。...。．。。.．.。...。.。...。．．.．．。.。.。。．。..．.。..．.。。．。.．。．.。．...．。。．.。..．。.。.。 19
3。4．2　　 　 通信仿真的一般步骤..。．。.。．。.。。.．。。。。.．.。．。..。．。.．.....．.。...。.。.．。.。。..。。...．．..。.．。.．．..。。．. １９
4 基于 ＭAＴLAＢ 的 MSK　系统原理仿真 2２
4．１ MSK 系统仿真模型 22
4。2　 　ＭＳK　系统仿真模块中的参数设置 ２3
4．3 仿真结果及相应的分析。。．．．．...．.。...。.。．．..．..．.....．。.。.．。.．．.。.....．．.。。...．.。．．..．。．。。。..。。.。...。..。 26
4。3。１ 误码率分析.。..．。.．。.。。。.．．．.．。。。.。..．．．.。．．.。．..。。。。．。．。．。..．。．。．．．..。．。。。。..．。．。。.。．.．。．.。．.。.。.．.。。。。２6
4．３．2 MSK 功率谱密度分析 ﻩ27
4.3。3 MＳＫ 系统眼图分析 ﻩ28
4．3。4　　　MＳＫ 系统星座图分析 ﻩ２9
５总结与展望。.．......．。。．．。．。.。..。．．．。。。.。..。。。.。．。。．.。.。．．。.．.．.．。..．．。.。.。。。．。．.。..。。.．.。．。。。．．．。．3０
5。1总结．．..．．.。....．.。.．.。..。..。。。..．。．．。．。...。。．..。。..。。．..。．．．．...。．。．。.。。...．.。.．。。．。..。....。．.。。．．.．．。．．．。。．..。．.。。.。．。3０
5.2展望。．.。．。。..。。。．。..．．．..．.。。..。。。．。.。。.。．．...．.．..。。．。。．．．..。..．.。。.。。..。。.。.。．.．。.。..．。。。.。..．。．...．.．.。。．.。。．。。...．.。3１
致谢.．。。.．...。。。.。.。．。。．。.。．。．．．。．。．。。.。.。．．.....。．.。．.．．。..。．。。。。。。.。。.．。。....。。。..。．．。。。．..。。.．．.。..．。．。．３２

参考文献。.。.。.。．..。。。.。。.。。．。．.．.．．.。.。.．。。。。...。.。．.。。.．。.．.。。．.。.．..。....．。..。。。．。．．。。..．．.。.．.。.．．．.33

1绪论

1。1概述

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［1］。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[2].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[3]。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。数字信号调制的分类如图１—1所示。

⎧⎧ASK(幅度键控）
⎪⎪
⎪包络不恒定⎨QAM（正交幅度调制）
⎩
⎪⎪MQＡM（星座调制）
⎪
⎪⎧
⎪⎪

⎪
⎪
⎪⎪FSK
⎪⎪
⎧BFSK(二进制移频键控)
（移频键控)⎨
⎩MFＳK（多进制移频键控）

⎪⎪
⎪
⎪⎪
调制⎨⎪
⎪⎪
⎪⎪
⎧ＢPSK
⎪
⎪DPＳK
⎪
⎪
(二进制移相键控)（相对移相键控)

包络恒定⎨PSK（移相键控）⎨
⎧ＯQＰＳK

⎪⎪⎪
⎪
⎪⎪⎪ＱPSＫ
⎪⎪⎪
⎪
⎪⎪
⎪⎪⎩
⎪

⎨ 4
⎪
（正交四相移相键控）⎪πQPＳＫ
⎪
⎪⎩ＤQPSK

⎨
⎪⎪⎧ＭSK
（最小频移键控）

⎪⎪CPM
⎪⎪
(连续相位调制）⎪ＧMＳK
⎪
（高斯型最小频移键控）

⎩
⎪⎪⎩
⎩TFM
（平滑调频）

图１—１数字信号调制的分类［4］

众所周知，一个通信系统的质量，在很大程度上依赖于所采用的调制方式［5]。调制是为了使信号特性与信道特性相匹配，因此调制方式的选择是由系统中的信道特性决定的.

随着大容量下，远距离数字通信的发展，譬如卫星数字通信、数字微波接力通信、卫星广播通信的发展［6],系统中出现了个新问题:信道中同时存在着带限与非线性的特性。在这种信道条件下，传统的数字调制方式则面临着一场新的挑战。为适应这类信道的特性，迫使人们在传统的数字调制基础上,探索新的数字调制技术：恒包络数字调制技术[7]。

约在1９76年,从理论上和实践上比较完整的总结出了MSＫ这种调制方式［8]。MＳK属于恒包络数字调制技术,现代数字调制技术的研究，主要是围绕着充分节省频谱和高效率地利用可用频带这个中心而展开的。MSK具有包络恒定或包络起伏很小、最小功率谱占用率两个特点,因此受到广泛的研究和利用。

GＭSK（高斯型最小频移键控)调制技术是从MＳK调制的基础上发展起来的一种数字调制方式[９],应高速无线数据业务的需求,当前通信常用的GPRＳ（通用分组无线业务)是一种基于GMSK的技术,是构架在传统GSM网络之上的一种标准化的分组交换数据业务，可以提供高达1１５kbiｔ每秒速率的分组数据业务，从而使得包括图片、话音和视频的多媒体业务在无线网络中的传输成为现实。GPRS

采用分组交换技术、在通信的过程中不需要建立和保持电路，符合数据通信突发性的特点，并且呼叫建立时间很短。GＰRＳ不再根据用户实际的数据流量来计费，这样就允许用户始终在线,享受方便快捷的服务。因此，GPRＳ被认为是第二代移动通信系统向第三