GMSK調(diào)制方式的仿真分析

1、三級項(xiàng)目報(bào)告gmsk調(diào)制方式的仿真分析班級：小組成員及分工（貢獻(xiàn)）：課程名稱：gmsk調(diào)制方式的仿真分析 指導(dǎo)教師：2015年6月gmsk調(diào)制方式的仿真分析摘要：本設(shè)計(jì)在瑞利信道下，通過在matlab屮的simulink建立仿真模型進(jìn)行仿真研允。該系 統(tǒng)山信號產(chǎn)生模塊產(chǎn)生一個(gè)二進(jìn)制序列，再經(jīng)過調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制，然后將調(diào)制信號送入一信道，經(jīng) 過解調(diào)器解調(diào)得到解調(diào)信號。通過觀察gmsk系統(tǒng)調(diào)制、解調(diào)信號的的波形、頻譜圖、眼圖和誤碼 率曲線，從而驗(yàn)證gmsk系統(tǒng)的合理性和必要性。關(guān)鍵詞：gmsk,調(diào)制，解調(diào)，仿真，matlab1引言隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，移動通信技術(shù)得到快速的發(fā)展，gmsk技術(shù)起到了

2、關(guān)鍵性 的技術(shù)。gmsk是一種二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制技術(shù)，它是無線通信屮最突出的調(diào)制類型。在世界 范圍內(nèi)有許多通信標(biāo)準(zhǔn)都采用了 gmsk技術(shù)，例如gsm，dect等。gmsk信號由于具 有恒包絡(luò)和帶外輻射小的特點(diǎn)獲得了廣泛的應(yīng)川。本方案主要介紹了 gmsk的基本原理， 以及利用matlab對調(diào)制部分的仿真分析來說明gmsk的性能，進(jìn)而說明它適合于移動 無線電通信的特性。2 gmsk系統(tǒng)原理及組成gmsk系統(tǒng)主要由信號產(chǎn)生模塊、信號調(diào)制模塊、信道、信號解調(diào)模塊、誤碼率計(jì)算 模塊組成。在圖形觀察方面還包含頻譜儀、示波器和眼圖繪制模塊。在調(diào)制器后加一誤碼 率計(jì)算模塊，計(jì)算誤碼率?；镜墓ぷ髟硎菍⒒鶐盘栂?/p>

3、經(jīng)過商斯濾波器成形，再進(jìn)行 最小頻移鍵控（msk）調(diào)制。由于成形后的高斯脈沖包絡(luò)無陡峭邊沿，亦無拐點(diǎn)，因此頻譜 特性優(yōu)于msk信號的頻譜特性。系統(tǒng)原理框圖如下：圖1bt=0.3表示高斯濾波器帶寬與比特率之比。gmsk是一種特殊的數(shù)字fm調(diào)制方式。 給rf載波頻率加上或者減去67.708khz表示1和0。使川兩個(gè)頻率表示1和0的調(diào)制技術(shù) 記作fsk （頻移鍵控）。在gsm中，數(shù)據(jù)速率選為270.833kbit/sec,正好是rf頻率偏移 的4倍，這樣作可以把凋制頻譜降到最低并提高信道效率。比特率正好是頻率偏移4倍的 fsk調(diào)制稱作msk （s小頻移鍵控）。在gsm中，使用高斯預(yù)調(diào)制濾波器進(jìn)一步減

4、小調(diào) 制頻譜。它可以降低頻率轉(zhuǎn)換速度，否則快速的頻率轉(zhuǎn)換將導(dǎo)致向相鄰信道輻射能量。雙極性碼元通過高斯濾波器產(chǎn)生拖尾現(xiàn)象，所以相鄰脈沖之間有重迭。對應(yīng)某 一碼元，gmsk信號的頻偏不僅和該碼元有關(guān)，而且和相鄰碼元有關(guān)。也就是說在 不同的碼流圖案下，相同碼元(比如同為“ + 1”或“-1”)的頻偏是不同的。相鄰碼元之間的相互影響程度和商斯濾波器的參數(shù)有關(guān)，也就是說和島斯濾波 器的3db帶寬b有關(guān)。通常將高斯濾波器的3db帶寬b和輸入碼元寬度t的乘積 bt值作為設(shè)計(jì)高斯濾波器的一個(gè)主要參數(shù)。bt值越小，相鄰碼元之間的相互影響 越大。理論分析和計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果表明。bt值越小，gmsk信號功率頻譜密度的

5、高 額分量袞減越快。主瓣越小，信號所占用的頻帶越窄，帶外能量的輻射越小，鄰 道干擾也越小。3系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)3.1 調(diào)制模塊圍繞著gmsk信號的產(chǎn)生，人們不斷探尋，并且提出了多種地調(diào)制方式。其中包 括：直按數(shù)字調(diào)頻；環(huán)路(pll)調(diào)制器，也就是在一個(gè)h/2bpsk調(diào)制器后面跟隨一個(gè)鎖 相環(huán)電路組成的相位平滑濾波器；利用數(shù)字波形生成器的正交調(diào)制器等。3.1.1直接數(shù)字調(diào)頻g、isk |已 調(diào)信號，閣3該方案利用脈沖形成后的基帶信號直接對壓控振蕩器voc進(jìn)行調(diào)頻。該方案十分簡 單，并且在多種模擬和數(shù)字系統(tǒng)屮采用。例如蜂窩數(shù)字分組數(shù)據(jù)系統(tǒng)(cdpd)和全球通 (gsm)o可是該方案不易于集成。而且為了保

6、持中心頻率在動態(tài)范圍內(nèi)，就必須要求voc 有著較高的線性度和靈敏度。類似的方案還有環(huán)路型調(diào)制器。3.1.2環(huán)路型調(diào)制器h/2bpsk保證每個(gè)碼元的相位變化為ji/2,利川鎖相環(huán)對相位進(jìn)行平滑?？墒侨绾卧O(shè) 計(jì)pll的傳輸函數(shù)，從而滿足功率譜特性的需要是一件很困難的事情。3.1.3正交調(diào)制圖5i叫 -cos(2j?該方案實(shí)現(xiàn)簡單，容易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，以達(dá)到最終的大規(guī)模集成。但是其缺點(diǎn) 是，同相和正交兩路輸出信號必須進(jìn)行平衡，否則會出現(xiàn)附加調(diào)幅，導(dǎo)致頻帶的 擴(kuò)展。本設(shè)計(jì)采用了直接數(shù)字調(diào)頻方案。3.2 解調(diào)模塊對于gmsk信號可以采用多種非相干技術(shù)進(jìn)行解調(diào)。非相干解調(diào)技術(shù)不需要知 道參考相位，因此也就不需

7、要鎖相環(huán)路、本地晶振以及載波恢復(fù)電路了。相對于 相干解調(diào)技術(shù)，非相干解調(diào)技術(shù)的成本更低，更易于實(shí)現(xiàn)。非相干解調(diào)技術(shù)的種 類很多。主要分為限幅鑒頻器和差分解調(diào)兩個(gè)大類。3.2.1限幅鑒頻器gmsk倌號限幅鑒頻器，顧名思義由兩個(gè)部分組成：限幅器，用來恢復(fù)受到噪聲和干擾影響的接 收信號的恒包絡(luò)的特性；鑒頻器，用來將相位調(diào)制轉(zhuǎn)化力幅度調(diào)制，以供隨后的包絡(luò)檢 測。鑒頻器之后通常跟隨一個(gè)低通濾波器，例如一個(gè)積分濾波器。信號通過低通濾波器之 后進(jìn)入判決器判決。3.2.2非相干差分解調(diào)器圖7非相干差分解調(diào)，利用接收信號以及其時(shí)延信號進(jìn)行解調(diào)。4 gmsk系統(tǒng)仿真4.1 simulink仿真模型下圖為gmsk調(diào)

8、制解調(diào)系統(tǒng)的simulink仿真模型，整個(gè)系統(tǒng)主要包括五大模塊：隨 機(jī)信號發(fā)生模塊、gmsk調(diào)制模塊、信道、gmsk解調(diào)模塊、誤碼率統(tǒng)計(jì)模塊。4.2 信號產(chǎn)生模塊因?yàn)間msk信號只需滿足非歸零數(shù)字信號即可，該設(shè)計(jì)中選用（bernoulli binary generator ）來產(chǎn)生一個(gè)二進(jìn)制序列作為輸入信號。該模塊的參數(shù)沒計(jì)主要包柄以下幾個(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1/1000表示抽樣時(shí)間即每個(gè)符號的持續(xù)時(shí)間 力0.001s。當(dāng)仿

9、真時(shí)間固定時(shí)，可以通過改變sample time參數(shù)來改變碼元個(gè) 數(shù)。4.3 調(diào)制、解調(diào)模塊gmsk modulator baseband 為 gmsk 基帶調(diào)制模塊，其 input type 參數(shù)設(shè) 為bit,表示模塊的輸入信號是二進(jìn)制信號（0成1）。bt product為0. 3表示 帶寬和碼元寬度的乘積。其中b為高斯低通濾波器的歸一化3db帶寬，t為碼元寬 度。當(dāng)= 時(shí)，相當(dāng)于未加濾波器，這時(shí)的曲線為msk信號的功率譜密度；當(dāng)bt1時(shí)，表明高斯低通濾波器的帶寬大于數(shù)據(jù)信號的帶寬，bt值越大， 濾波器的作用越弱；當(dāng)bt1時(shí)，濾波器的作用明顯，bt的值越小，表明濾波器 的帶寬越窄，己調(diào)波的高

10、頻滾將就越快，頻譜的主瓣也越小。隨著bt值的減小，gmsk的 頻譜變得越來越緊湊，但誤碼性能也將變差。bt=0. 3是gsm采用的調(diào)制方式。plush length則是脈沖長度即gmsk調(diào)制 器屮高斯低通濾波器的周期，設(shè)力4。symbol preh i story表示gmsk調(diào)制器在仿 真開始前的輸入符號，設(shè)為1。phase offset設(shè)為0,表示gmsk基帶調(diào)制信號 的初始相位為0。sample per symbol為1表示每一個(gè)輸入符號對應(yīng)的gmsk調(diào) 制器產(chǎn)生的輸出信號的抽樣點(diǎn)數(shù)為1。awgn channel為加性高斯白噪聲模塊，高斯白噪聲信道的mode參數(shù)（操作 模式）設(shè)置為sign

11、al to rwise（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。計(jì)算不同信噪比下的誤 碼率，改變snr即改變信道信噪比。gmsk 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。最后一項(xiàng)為回溯長度traceback length,設(shè)為 變量tracebacklength,在文件中通過改變其值，可以觀察回溯長度對調(diào)制性能 的影響。4.4 誤碼率計(jì)算模塊receive dely （接收端吋延）設(shè)置為回溯長度加一，表示接收端輸入的數(shù)據(jù)滯 后發(fā)送端數(shù)據(jù)tracebacklen

12、gth + 1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)罝為ent i re f rame （巾貞計(jì)算模塊），表示錯(cuò)誤率統(tǒng)計(jì)模塊對發(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)置文件中要返冋的 參數(shù)的名稱，設(shè)為xerrorrate。4.5 波形觀察模塊4.5.1調(diào)制、解調(diào)信號觀察模塊因?yàn)間msk調(diào)制信號是一個(gè)復(fù)合信號，所以只用示波器(scope)無法觀察到 調(diào)

13、制波形，所以在調(diào)制信號和示波器間加一轉(zhuǎn)換模塊complex to magnitude- angle 將調(diào)制信號分別在幅度和相角兩方面來觀察。將 complex to magni tude-angl eoutput 的 output 參數(shù)設(shè)力 magnitude and angle,表示同時(shí)輸山調(diào)制信號的幅度和相角。示波器scopel的number of axes為2表明有縱坐標(biāo)個(gè)數(shù)為2; time range表示時(shí)間軸的顯示范圍，設(shè)為 auto,表示時(shí)間軸的s示范圍為整個(gè)仿真時(shí)間段。tick tabels設(shè)為bottom axis only時(shí)，只顯示各個(gè)縱坐標(biāo)以及最下面的橫坐標(biāo)的標(biāo)簽。4.5.

14、1調(diào)制信號頻譜觀察模塊沒置了坐標(biāo)y的范圍為0到7，x的范圍為_fs/2，fs/2, amplitude scaling表示幅度計(jì)算，選擇一般模代即以db為單位進(jìn)行計(jì)算。但y坐標(biāo)標(biāo)即把 y-axis title 的 magnitude, db 轉(zhuǎn)換為 db 形式。4.5.1眼圖觀察模塊offset (sample)參數(shù)表示matlab在開始繪制眼圖之前應(yīng)該忽略的抽樣點(diǎn)的 個(gè)數(shù)。symbols per trace表示每徑符號數(shù)，每條曲線即成為一個(gè)“徑”。 traces displayed則是要示的徑數(shù)。new traces per display是每次重新 顯示的徑的數(shù)目。5系統(tǒng)調(diào)試分析5.1 實(shí)

15、驗(yàn)調(diào)試調(diào)試過程中主要通過matlab自帶的help功能來進(jìn)行調(diào)試，在help中査找 所需函數(shù)的定義及形式和使川方法。通過報(bào)錯(cuò)信息找出相應(yīng)的錯(cuò)誤料，在最終解 決不了的情況下，請教老師，最終改正所有錯(cuò)誤。設(shè)計(jì)模塊、參數(shù)設(shè)貫及程序代碼編寫完成后。先將高斯白噪聲信道信噪比 xsnr和gmsk解調(diào)模塊的回溯長度參數(shù)設(shè)為常數(shù)，g.msk調(diào)制模塊參數(shù)input type與gmsk解調(diào)模塊out put參數(shù)均設(shè)置為bit，運(yùn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停^察示波 器，示波器顯示波形，誤碼率曲線也能畫出。各調(diào)制信號觀察時(shí)，頻譜儀顯示的圖形都與理論頻譜形狀相差很大，尤其gmsk的 頻譜，都沒有出現(xiàn)主瓣與旁瓣的明顯區(qū)分，重新修改頻譜

16、儀的參數(shù)，將 amplitude scaling參數(shù)由db改為magni t ude，情況就好很多了。但是無論怎 樣改變，都不能得到理想的狀態(tài)，佔(zhàn)計(jì)是其它模塊的一些參數(shù)對頻譜儀的圖形觀 察有影響。5.2 結(jié)果分析5.2.1 gmsk調(diào)制與解調(diào)波形閿9 gmsk調(diào)制信號幅度和相角波形巾于調(diào)制信號是一個(gè)復(fù)合信號，不能直接巾示波器觀察，通過一 complex to magnitude-angle模塊將調(diào)制信號分為幅度和相角兩個(gè)變量來觀察。通過幅度的 波形（上）和相角波形（下）驗(yàn)證了 gmsk的幅度不變，由相角波形來看，相角連 續(xù)，與理論符合。所以圖形基本正確。h 10 gmsk s帶佶兮與解調(diào)佶兮由

17、圖中基帶信號（上）與解調(diào)信號波形（下）比較可得，由起始碼元到s后 一個(gè)碼元，發(fā)現(xiàn)調(diào)制信號波形從第四個(gè)碼元開始與基帶信號完全符合，說明系統(tǒng) 的調(diào)制性能較好，基本實(shí)現(xiàn)了解調(diào)的目的一一將調(diào)制信號還原為基帶信號。file view axes channels window help泠；3 js xfreouency (hz)fileaxes channels window hdp-201 tongtwo6th6/spcctrum scope回 agp peenbs-epn.-tsucoe25-30-354045-50500>400-300frame 313100 0 100 frequency

18、(hz)200300400500閣11 bt=0.3的gmsk調(diào)制信兮頻譜閣12 bt = 0. 6的gmsk調(diào)刺信號頻譜比較圖11和圖12巾頻譜，發(fā)現(xiàn)bt=0. 3與bt = 0. 6得gmsk調(diào)制頻譜，并無 明顯差異，與gmsk調(diào)制信號的頻譜隨著bt的減小而變得緊湊起來的理論結(jié)果不 符合，從而驗(yàn)證可能是系統(tǒng)的某些參數(shù)設(shè)置不太合理，導(dǎo)致得不到正確的結(jié)果。5.2.2 gmsk調(diào)制信號眼圖cy 參 di mi amtrrw (mi>分析.由圖中混亂的線條可知，bt=0.3時(shí)，眼圖“眼睛”睜幵大，但存在過 零點(diǎn)失真，存在碼間串.tongtv/o6th6/discrete-time eye d

19、iagram scopeapnl dlu<asejzd-uleye diagram0.500.510234time (ms)5678file axes channels window help012345678 time (ms)apnl dlu<ajnlejpeno圖 14bt=0.6分析：與圖13相比，圖14屮眼圖最為清晰，眼睛睜開程度也較大，且眼圖 端正，說明碼間串?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)。6結(jié)論我們設(shè)h的gmsk系統(tǒng)，先讓基帶信號先經(jīng)過高斯濾波器濾波，使基帶信號形成高斯 脈沖，之后進(jìn)行msk調(diào)制。由于濾波形成的高斯脈沖包絡(luò)無陡峭的邊沿，亦無拐點(diǎn)，所以 經(jīng)調(diào)制后的己調(diào)波相位路徑在msk的基礎(chǔ)上進(jìn)一步得到平滑，它把msk