基于Simulink的GMSK仿真設(shè)計(jì)移動(dòng)通信三級(jí)項(xiàng)目

1、 移動(dòng)通信系統(tǒng)三級(jí)項(xiàng)目報(bào)告Mobile Communication System Project Design Report 項(xiàng)目名稱：基于MATLAB的GMSK仿真分析所在班級(jí)： 14級(jí)通信工程四班 第 四 組課題組成員及貢獻(xiàn)比：組長(zhǎng)：學(xué)號(hào) 3 姓名 張曌 貢獻(xiàn) 27%組員：學(xué)號(hào) 3 姓名 鄭嵐方 貢獻(xiàn) 25% 學(xué)號(hào) 2 姓名 邱悅 貢獻(xiàn) 18%學(xué)號(hào) 6 姓名 蒲瓊 貢獻(xiàn) 18%學(xué)號(hào) 4 姓名 陳春 貢獻(xiàn) 12%指導(dǎo)教師：肖麗萍 教 務(wù) 處 2017年6月移動(dòng)通信系統(tǒng)三級(jí)項(xiàng)目報(bào)告Mobile Communication System Project Design Report 項(xiàng)目名稱：基于

2、MATLAB的GMSK仿真分析所在班級(jí)、組： 14級(jí)通信工程 4 班 第 4 組組內(nèi)成員貢獻(xiàn)比及分工：組長(zhǎng)：學(xué)號(hào) 3 姓名 張曌 貢獻(xiàn) 27% 分工： MATLAB仿真、論文撰寫組員：學(xué)號(hào) 3 姓名 鄭嵐方 貢獻(xiàn) 25%分工：MATLAB仿真、PPT制作 學(xué)號(hào) 2 姓名 邱悅 貢獻(xiàn) 18%分工：查閱資料、PPT制作學(xué)號(hào) 6 姓名 蒲瓊 貢獻(xiàn) 18%分工：查閱資料、PPT制作學(xué)號(hào) 4 姓名 陳春 貢獻(xiàn) 12%分工：查閱資料、論文排版組長(zhǎng)簽字：2017年 6月 30日基于MATLAB的GMSK仿真分析張曌、鄭嵐方、邱悅、蒲瓊、陳春（燕山大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院）摘要：本三級(jí)項(xiàng)目利用了Simulin

3、k軟件進(jìn)行通信系統(tǒng)的建模，第一部分主要對(duì)GMSK調(diào)制解調(diào)的仿真系統(tǒng)分析，對(duì)使用的各個(gè)Simulink模塊進(jìn)行介紹；第二部分主要是對(duì)仿真系統(tǒng)的結(jié)果分析，分別繪制了基帶信號(hào)和解調(diào)信號(hào)的時(shí)域波形、已調(diào)信號(hào)的頻譜；第三部分分析了在高斯信號(hào)和瑞利信道下分析誤碼率與信噪比和歸一化BT的關(guān)系。通過(guò)Simulink仿真，觀察到基帶信號(hào)和解調(diào)信號(hào)的時(shí)域波形，在信噪比較高的情況下，解調(diào)信號(hào)與基帶信號(hào)基本一致，但出現(xiàn)了延時(shí)；觀察到不同BT值下已調(diào)信號(hào)的頻譜，BT值越小，調(diào)制信號(hào)頻譜主瓣越窄；利用MATLAB的腳本文件調(diào)用Simulink，從而得到高斯信道下不同的BT下誤碼率與信噪比的關(guān)系曲線，可得相同BT值下，信噪

4、比越高，誤碼率越低，以及相同信噪比下，BT選取合適的值，誤碼率越低；同時(shí)，通過(guò)繪制瑞利信道和高斯信道共同作用下不同的BT下誤碼率與信噪比的關(guān)系曲線，可得瑞利信道會(huì)使GMSK系統(tǒng)的誤碼率大大增加，通信質(zhì)量下降，所以，實(shí)際的GMSK通信系統(tǒng)必須在接收端采取抗多徑措施以提升通信系統(tǒng)的可靠性。關(guān)鍵詞：Simulink仿真、GMSK、加性高斯白噪聲信道、多徑瑞利衰落信道一、GMSK系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)1.1 GMSK調(diào)制原理調(diào)制原理圖如圖1，圖中濾波器是高斯低通濾波器，它的輸出直接對(duì)VCO進(jìn)行調(diào)制，以保持已調(diào)包絡(luò)恒定和相位連續(xù)。圖1 GMSK調(diào)制原理圖GMSK非相干解調(diào)原理圖如圖2，圖中是采用FM鑒頻器（斜率鑒

5、頻器或相位鑒頻器）再加判別電路，實(shí)現(xiàn)GMSK數(shù)據(jù)的解調(diào)輸出。圖2 GMSK解調(diào)原理圖1.2 GMSK系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)圖利用Simulink中自帶的各通信系統(tǒng)常用模塊搭建高斯噪聲信道下GMSK調(diào)制系統(tǒng)的仿真圖，整個(gè)系統(tǒng)主要由調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生模塊、調(diào)制模塊、加性高斯白噪聲信道、誤碼率測(cè)量模塊、觀察模塊組成。圖3 高斯信道下GMSK系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖1.3 GMSK系統(tǒng)各模塊簡(jiǎn)介下面分模塊簡(jiǎn)介系統(tǒng)仿真圖中各模塊參數(shù)設(shè)置的具體情況。1.3.1信號(hào)發(fā)生模塊因?yàn)镚MSK信號(hào)只需滿足非歸零數(shù)字信號(hào)即可，本設(shè)計(jì)中選用（Bernoulli Binary Generator）來(lái)產(chǎn)生一個(gè)二進(jìn)制序列作為輸入信號(hào)。圖4 GMSK信

6、號(hào)產(chǎn)生器該模塊的參數(shù)設(shè)計(jì)這只主要包括以下幾個(gè)。其中probability of a zero 設(shè)置為0.5表示產(chǎn)生的二進(jìn)制序列中0出現(xiàn)的概率為0.5；Initial seed 為61表示隨機(jī)數(shù)種子為61；sample time為0.01表示抽樣時(shí)間即每個(gè)符號(hào)的持續(xù)時(shí)為0.01s。當(dāng)仿真時(shí)間固定時(shí)，可以通過(guò)改變sample time參數(shù)來(lái)改變碼元個(gè)數(shù)。設(shè)置仿真時(shí)間為10s，則產(chǎn)生碼元個(gè)數(shù)為1000。如圖5所示。圖5 Bernoulli Binary Generator參數(shù)設(shè)置1.3.2調(diào)制解調(diào)模塊圖6 GMSK調(diào)制解調(diào)模塊GMSK Modulator Baseband為GMSK基帶調(diào)制模塊，其i

7、nput type參數(shù)設(shè)為Integer表示表示模塊的輸入信號(hào)時(shí)二進(jìn)制信號(hào)（0或1）。但由于前面的信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生0/1比特?cái)?shù)據(jù)，所以信號(hào)發(fā)生器之后需要接入無(wú)極性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成有極性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，同理GMSK解調(diào)模塊后需要接入有極性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成無(wú)極性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器（若將input type參數(shù)設(shè)為Bit，則不需要數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器）。BT product表示帶寬和碼元寬度的乘積。其中B是高斯低通濾波器的歸一化3dB帶寬，T是碼元長(zhǎng)度。當(dāng)BT=時(shí)，GMSK調(diào)制信號(hào)就變成MSK調(diào)制信號(hào)。BT=0.3是GSM采用的調(diào)制方式。Plush length則是脈沖長(zhǎng)度即GMSK調(diào)制器中高斯低通濾波器的周期，設(shè)為3。Symbol pr

8、ehistory表示GMSK調(diào)制器在仿真開始前的輸入符號(hào)，設(shè)為1。Phase offset 設(shè)為0，表示GMSK基帶調(diào)制信號(hào)的初始相位為0。Sample per symbol為8表示每一個(gè)輸入符號(hào)對(duì)應(yīng)的GMSK調(diào)制器產(chǎn)生的輸出信號(hào)的抽樣點(diǎn)數(shù)為8。如圖7所示。AWGN Channel為加性高斯白噪聲模塊，高斯白噪聲信道的Mode參數(shù)設(shè)置為Signal to noise(SNR),表示信道模塊是根據(jù)信噪比SNR確定高斯白噪聲的功率，這時(shí)需要確定兩個(gè)參數(shù)：信噪比和周期。而將SNR參數(shù)設(shè)為一個(gè)變量xSNR是為了在m文件中編程，計(jì)算不同信噪比下的誤碼率，改變SNR即改變信道信噪比。如圖8所示。GMSK

9、Demodulator Baseband是GMSK基帶解調(diào)器。其前六項(xiàng)參數(shù)與GMSK調(diào)制器相同，并設(shè)置的值也相同。由于解調(diào)采用維特比譯碼方式，所以需要設(shè)置回溯長(zhǎng)度Traceback Length,設(shè)為16，從而產(chǎn)生延遲。如圖9所示。圖7 GMSK Modulator Baseband參數(shù)設(shè)置圖8 AWGN Channel參數(shù)設(shè)置圖9 GMSK Demodulator Baseband參數(shù)設(shè)置1.3.3 誤碼率計(jì)算模塊圖10誤碼率計(jì)算模塊由于經(jīng)GMSK解調(diào)后產(chǎn)生時(shí)延（回溯長(zhǎng)度Traceback Length設(shè)置為16），因此為了正確測(cè)得誤碼率，將Receive dely(接收端時(shí)延)設(shè)置為16，

10、表示接收端輸入的數(shù)據(jù)滯后發(fā)送端數(shù)據(jù)TracebackLength個(gè)輸入數(shù)據(jù)；Computation delay(計(jì)算時(shí)延)設(shè)為0，表示錯(cuò)誤率統(tǒng)計(jì)模塊不忽略最初的任何輸入數(shù)據(jù)。Computation mode(計(jì)算模式)設(shè)置為Entire frame(幀計(jì)算模塊)，表示錯(cuò)誤率統(tǒng)計(jì)模塊對(duì)發(fā)送端和接收端的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。Output data(輸出數(shù)據(jù))設(shè)為workspace，表示竟統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)輸出到工作區(qū)。Variable name (變量名)則是設(shè)置m文件中要返回的參數(shù)的名稱，設(shè)為ErrorVec。如圖11所示。 圖11 Error Rate Calculation參數(shù)設(shè)置1.3.4 波形觀察模塊

11、1.3.4.1調(diào)制、解調(diào)信號(hào)觀察模塊因?yàn)镚MSK調(diào)制信號(hào)是一個(gè)復(fù)合信號(hào)，所以只用示波器（Scope）無(wú)法觀察到調(diào)制波形，所以在調(diào)制信號(hào)和示波器間加一轉(zhuǎn)換模塊Complex to magnitude-angle將調(diào)制信號(hào)分別在幅度和相角兩方面來(lái)觀察。圖12調(diào)制信號(hào)觀察模塊將Complex to magnitude-angleoutput的output參數(shù)設(shè)為magnitude and angle,表示同時(shí)輸出調(diào)制信號(hào)的幅度和相角。示波器scope1的number of axes 為2表明有縱坐標(biāo)個(gè)數(shù)為2；1.3.4.2調(diào)制信號(hào)頻譜觀察模塊Spectrum Analyzer用于觀察GMSK已調(diào)制信

12、號(hào)頻譜，其各種參數(shù)使用默認(rèn)設(shè)置。圖13調(diào)制信號(hào)頻譜觀察模塊二、GMSK系統(tǒng)仿真結(jié)果及分析2.1基帶信號(hào)和解調(diào)信號(hào)時(shí)域波形分析圖14基帶信號(hào)和解調(diào)信號(hào)時(shí)域波形圖14中上半部分為基帶信號(hào)的波形，下半部分為解調(diào)信號(hào)的波形，由圖可知上半部分和下半部分的波形基本一致，但下部部分較于上半部分波形出現(xiàn)延遲。2.2 GMSK調(diào)制信號(hào)的幅值和相位的波形圖15 GMSK調(diào)制信號(hào)的幅值和相位的波形圖圖15中上半部分波形為幅度的波形，下半部分為相角的波形，由圖可知，GMSK調(diào)制信號(hào)為幅度不變、相角連續(xù)的波形。2.3調(diào)制信號(hào)的頻譜圖通過(guò)改變BT值（BT=0.1，BT=0.3，BT=0.5），利用Spectrum Ana

13、lyzer測(cè)得不同BT值下調(diào)制信號(hào)的頻譜圖，如下圖所示。圖16 BT=0.1時(shí)的頻譜圖圖17 BT=0.3時(shí)的頻譜圖圖18 BT=0.5時(shí)的頻譜圖通過(guò)對(duì)比觀察BT=0.1，BT=0.3和BT=0.5下各調(diào)制信號(hào)的頻譜圖，可得結(jié)論：GMSK調(diào)制信號(hào)的頻譜隨著BT的減小而變得緊湊起來(lái)，BT值越小，GMSK信號(hào)功率頻譜密度的高額分量衰減越快。主瓣越小，信號(hào)所占用的頻帶越窄，帶外能量的輻射越小，鄰道干擾也越小。2.4高斯信道下的誤碼率與信噪比和歸一化帶寬BT的關(guān)系通過(guò)將Simulink系統(tǒng)仿真圖中GMSK模塊的BT值設(shè)為變量bt，將AGWN模塊中SNR值設(shè)為變量xSNR，利用MATLAB的腳本文件,改

14、變變量bt和xSNR的值，得到高斯信道下的誤碼率與信噪比和歸一化帶寬BT的關(guān)系曲線圖如下。 圖19高斯信道不同BT值下誤碼率與信噪比的曲線圖分析上圖可得結(jié)論： 在BT值相同時(shí)，高斯信道中信噪比越高誤碼率越低 在信噪比相同的情況下，BT越大誤碼率越低2.5 GMSK調(diào)制信號(hào)眼圖圖20 BT=0.1時(shí)GMSK調(diào)制信號(hào)眼圖分析：由圖中混亂的線條可知，BT=0.1時(shí)，眼圖“眼睛”睜開很小，失真嚴(yán)重，系統(tǒng)碼間串?dāng)_較大。圖21 BT=0.3時(shí)GMSK調(diào)制信號(hào)眼圖分析：由圖中混亂的線條可知，BT=0.3時(shí)，眼圖“眼睛”睜開比圖32中大，但存在過(guò)零點(diǎn)失真，仍然存在碼間串?dāng)_，但比BT=0.1時(shí)好得多。圖22 B

15、T=0.9時(shí)GMSK調(diào)制信號(hào)眼圖分析：與圖20，21相比較，圖22中眼圖最為清晰，眼睛睜開程度也較大，且眼圖端正，說(shuō)明碼間串?dāng)_較小。綜合上述分析，可知BT值越小，碼間串?dāng)_越大，這也是GMSK體制的缺點(diǎn)。2.5總結(jié)在使用GMSK調(diào)試方式的時(shí)候，要同時(shí)考慮頻譜和誤碼性能要求，選取適當(dāng)?shù)腂T值。 系統(tǒng)誤碼率隨著BT增大誤碼率減小，但減小幅度越來(lái)越小。 GMSK頻譜特性的改善是以誤碼率性能的下降為代價(jià)的。BT=0.3/0.5是個(gè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，常用于實(shí)際工程。三、瑞利信道與高斯信道下GMSK系統(tǒng)仿真3.1整體系統(tǒng)仿真圖瑞利信道仿真的是信號(hào)的衰落情況，高斯信道仿真的是信號(hào)傳播中的噪聲影響，噪聲是必須有的。在2

16、.1中提供的系統(tǒng)仿真圖的基礎(chǔ)上，高斯信道模塊前加入瑞利信道模型，即得到瑞利信道與高斯信道下GMSK系統(tǒng)仿真圖，如下。圖23 瑞利信道與高斯信道下GMSK系統(tǒng)仿真3.2瑞利與高斯信道下的誤碼率與信噪比和歸一化帶寬BT的關(guān)系利用2.4中相同的方法，可以得到瑞利與高斯信道下的誤碼率與信噪比和歸一化帶寬BT的關(guān)系曲線圖，如下。圖24（瑞利+高斯信道）下，不同BT值下誤碼率與信噪比關(guān)系曲線圖為了進(jìn)一步對(duì)比分析瑞利信道對(duì)GMSK系統(tǒng)的影響，將不同BT值下，（瑞利+高斯信道）和（高斯信道）誤碼率隨信噪比關(guān)系曲線繪制與同一坐標(biāo)系下。圖25（瑞利+高斯信道）和（高斯信道）下，不同BT值誤碼率與信噪比關(guān)系曲線對(duì)比

17、圖由上圖可知，瑞利信道會(huì)使系統(tǒng)誤碼率大大增加，系統(tǒng)性能惡化明顯，所以在實(shí)際的GMSK通信系統(tǒng)中，必須在接收端采用抗多徑措施。且瑞利信道加入后，誤碼率隨信噪比變化不明顯，3.3瑞利信道的最大多普勒頻移值與誤碼率的關(guān)系通過(guò)將Simulink系統(tǒng)仿真圖中瑞利信道模塊的Max Doppler Shift值設(shè)為變量maxdoppler，利用MATLAB的腳本文件,改變變量maxdoppler的值，得到瑞利信道的最大多普勒頻移值與誤碼率的關(guān)系曲線圖如下。圖26 瑞利信道的最大多普勒頻移值與誤碼率的關(guān)系曲線圖由上圖可知，瑞利信道中最大多普勒頻移值越大，誤碼率越高，即多徑信道參數(shù)變化得越快，信道質(zhì)量越差，通信

18、質(zhì)量越差，誤碼率也就越高。四、參考文獻(xiàn)1 楊發(fā)權(quán).MATLAB通信系統(tǒng)建模與仿真M.北京：清華大學(xué)出版社， 2016 2 樊昌信，曹麗娜.通信原理M.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，20063 劉學(xué)勇.詳解MATLAB/Simulink通信系統(tǒng)建模與仿真M.北京:電子工業(yè)出版社，20124 周炯槃、續(xù)大我等.通信原理（第3版） M.北京：北京郵電大學(xué)出版社.20115 楊育紅.通信系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)M.北京：國(guó)防工業(yè)出版社.2015五、附錄程序5.1高斯信道下GMSK誤碼率作圖M文件源程序x=-10:0;y1=x;y2=x;y3=x;y4=x;bt=0.1;for i=1:length(x) xSNR=x(i

19、); sim (gmsk); y1(i)=ErrorVec(1);endsemilogy(x,y1,-r*);hold onbt=0.3;for i=1:length(x) xSNR=x(i); sim (gmsk); y2(i)=ErrorVec(1);endsemilogy(x,y2,-go);hold onbt=0.5;for i=1:length(x) xSNR=x(i); sim (gmsk); y3(i)=ErrorVec(1);endsemilogy(x,y3,-bs);hold on% bt=0.7;% for i=1:length(x)% xSNR=x(i);% sim (gmsk);% y4(i)=ErrorVec(1);% end% semilogy(x,y4,-k*);xlabel(SNR(dB)ylabel(Symbol Error Rate)legend(bt=0.1,bt=0.3,bt=0.5)5.2高斯信道和瑞利信道下GMSK誤碼率比較作圖M文件源程序x=-5:5;y1=x