基于simulink的gmsk仿真

1、專業(yè)課程設(shè)計報告 題 目： 基于Matlab的基帶GMSK的仿真研究 姓 名：陳國強專 業(yè)：通信工程班級學(xué)號：09042112同 組 人：指導(dǎo)老師：夏思滿 南昌航空大學(xué)信息工程學(xué)院 20 12 年 6 月 20 日 專業(yè) 課程設(shè)計任務(wù)書20 11 20 12 學(xué)年 第 2 學(xué)期第 17 周 20 周 題目基于Matlab的基帶GMSK的仿真研究內(nèi)容及要求設(shè)計要求：（1）掌握GMSK的原理和Simulink仿真基本方法；（2）通過SIMULINK對BT=0.3的GMSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)進行仿真；（3）觀察調(diào)制信號和已調(diào)信號波形；（4）改變BT參數(shù)，分析調(diào)制性能和BT參數(shù)的關(guān)系。進度安排 17周：查找

2、資料，進行系統(tǒng)軟件方案設(shè)計； 18周：軟件的分模塊調(diào)試； 19周：系統(tǒng)聯(lián)調(diào)； 20周：設(shè)計結(jié)果驗收，報告初稿的撰寫。學(xué)生姓名：指導(dǎo)時間 2011.62011.7指導(dǎo)地點： E樓 610 室任務(wù)下達2011 年 6 月 13 日任務(wù)完成2011 年 7 月 8 日考核方式1.評閱 2.答辯 3.實際操作 4.其它指導(dǎo)教師夏思滿系（部）主任付崇芳基于Matlab的基帶GMSK的仿真研究摘要：隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，移動通信技術(shù)得到快速發(fā)展，許多優(yōu)秀的調(diào)制技術(shù)應(yīng)運而生，其中高斯最小頻移鍵控（GMSK）技術(shù)是無線通信中比較突出的一種二進制調(diào)制方法，它具有良好的功率譜特性和較好的抗干擾性能，特別適用于無

3、線通信和衛(wèi)星通信，目前，很多通信標(biāo)準(zhǔn)都采用了GMSK技術(shù)，例如，GSM，DECT等。本文首先介紹了MSK的一般原理，接著對GMSK的調(diào)制原理和幾種調(diào)制方法進行了闡述，然后，重點研究了GMSK的幾種差分解調(diào)方法并進行了比較，最后用Matlab軟件中的simulink進行仿真，結(jié)果表明GMSK具有包絡(luò)恒定、相位連續(xù)、頻道干擾小、誤碼率較低等優(yōu)點。關(guān)鍵詞：高斯最小頻移鍵控；調(diào)制；差分解調(diào)；Matlab；simulink目 錄第一章 設(shè)計要求11.1 設(shè)計內(nèi)容11.2 設(shè)計要求1第二章 系統(tǒng)的組成及設(shè)計原理2第三章 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計53.1 信號發(fā)生模塊53.2 調(diào)制、解調(diào)模塊53.3 誤碼率計算器6

4、3.4 波形觀察模塊7調(diào)制、解調(diào)信號觀察模塊73.4.2 調(diào)制信號頻譜觀察模塊7眼圖觀察模塊8第四章 系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果分析94.1 實驗調(diào)試94.2結(jié)果分析104.2.1 GMSK調(diào)制與解調(diào)波形104.2.2 GMSK調(diào)制信號眼圖13結(jié)論16參考文獻17附錄一 ：程序18附錄二：GMSK調(diào)制解調(diào)建模圖18第一章 設(shè)計要求1.1 設(shè)計內(nèi)容：通過SIMULINK對BT=0.3的GMSK調(diào)制系統(tǒng)進行仿真。1.2 設(shè)計要求：（1）掌握GMSK的原理和Simulink仿真基本方法；（2）通過SIMULINK對BT=0.3的GMSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)進行仿真；（3）觀察調(diào)制信號和已調(diào)信號波形；（4）改變BT參數(shù)，

5、分析調(diào)制性能和BT參數(shù)的關(guān)系。第二章 系統(tǒng)的組成及設(shè)計原理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。本系統(tǒng)由信號產(chǎn)生模塊產(chǎn)生一個二進制序列，再經(jīng)過調(diào)制器進行調(diào)制，之后便將調(diào)制信號送入信道，經(jīng)過解調(diào)器解調(diào)得到解調(diào)信號。為計算系統(tǒng)誤碼率，則在調(diào)制器后加一誤碼率計算模塊，計算誤碼率。信道解調(diào)模塊誤碼率計算模塊頻譜儀示波器調(diào)制模塊信號產(chǎn)生模塊圖2.1 系統(tǒng)原理框圖在設(shè)計中，選用貝努力二進制序列產(chǎn)生器來產(chǎn)生器（Bernoulli Binary Generator）產(chǎn)生一個二進制序列，將序列送入GMSK基帶調(diào)制器

6、模塊（GMSK Modulator Baseband）中得到已調(diào)信號，再將已調(diào)信號送入一個加性高斯白噪聲信道，將信噪比設(shè)為一個變量，用于繪制信噪比誤碼率曲線。解調(diào)階段則將通過加性高斯白噪聲信道的信號輸入GMSK基帶解調(diào)器模塊（GMSK Demodulator Baseband）中，其后接一誤碼率統(tǒng)計模塊（Error Rate Calculation），且誤碼率統(tǒng)計模塊另一輸入端接至源信號處。而用示波器觀察解調(diào)波形并與源信號波形進行比較。因為已調(diào)信號是一復(fù)合信號，所以要用complex to Magnitude-Angle 模塊，再用示波器分別觀察其幅度與相角。另外還用頻譜儀觀察了已調(diào)信號的頻譜

7、。GMSK調(diào)制調(diào)制原理圖如圖2.2，圖中濾波器是高斯低通濾波器，它的輸出直接對VCO進行調(diào)制，以保持已調(diào)包絡(luò)恒定和相位連續(xù)。非歸零數(shù)字序列高斯低通濾波器頻率調(diào)制器（VCO）GMSK已調(diào)信號圖2.2 GMSK調(diào)制原理圖為了使輸出頻譜密集，前段濾波器必須具有以下待性：1.窄帶和尖銳的截止特性，以抑制FM調(diào)制器輸入信號中的高頻分量；2.脈沖響應(yīng)過沖量小，以防止FM調(diào)制器瞬時頻偏過大；3.保持濾波器輸出脈沖響應(yīng)曲線下的面積對應(yīng)丁pi2的相移。以使調(diào)制指數(shù)為12。前置濾波器以高斯型最能滿足上述條件，這也是高斯濾波器最小移頻鍵控(GMSK)的由來。GMSK解調(diào)GMSK本是MSK的一種，而MSK又是是FSK

8、的一種，因此，GMSK檢波也可以采用FSK檢波器，即包絡(luò)檢波及同步檢波。而GMSK還可以采用時延檢波，但每種檢波器的誤碼率不同。GMSK非相干解調(diào)原理圖如圖2.3，圖中是采用FM鑒頻器（斜率鑒頻器或相位鑒頻器）再加判別電路，實現(xiàn)GMSK數(shù)據(jù)的解調(diào)輸出。帶通濾波器限幅器鑒頻器判決器數(shù)據(jù)GMSK信號圖2.3 GMSK解調(diào)原理圖如圖2.4為GMSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的SimuLink仿真模型，整個系統(tǒng)主要包括五大模塊：隨機信號發(fā)生模塊、GMSK調(diào)制模塊、信道、GMSK解調(diào)模塊、誤碼率統(tǒng)計模塊。所選庫模塊如圖2.4中所示。圖2.4 系統(tǒng)SimuLink仿真模型圖第三章 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計3.1 信號發(fā)生模塊

9、因為GMSK信號只需滿足非歸零數(shù)字信號即可，本設(shè)計中選用（Bernoulli Binary Generator）來產(chǎn)生一個二進制序列作為輸入信號。GMSK信號輸出圖3.1 GMSK信號產(chǎn)生器該模塊的參數(shù)設(shè)計這只主要包括以下幾個。其中probability of a zero 設(shè)置為0.5表示產(chǎn)生的二進制序列中0出現(xiàn)的概率為0.5；Initial seed 為61表示隨機數(shù)種子為61；sample time為1/1000表示抽樣時間即每個符號的持續(xù)時間為0.001s。當(dāng)仿真時間固定時，可以通過改變sample time參數(shù)來改變碼元個數(shù)。例如仿真時間為10s，若sample time為1/100

10、0，則碼元個數(shù)為10000。GMSK解調(diào)信號3.2 調(diào)制、解調(diào)模塊GMSK信號圖3.2 GMSK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表示表示模塊的輸入信號時二進制信號（0或1）。BT product為0.3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是碼元長度。當(dāng)B·T=時，GMSK調(diào)制信號就變成MSK調(diào)制信號。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)制器中高斯低通濾波器的周期，設(shè)為4。Symbol prehistory表示GMSK調(diào)

11、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，這時需要確定兩個參數(shù)：信噪比和周期。而將SNR參數(shù)設(shè)為一個變量xSNR是為了在m文件中編程，計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

12、GMSK基帶解調(diào)器。其前六項參數(shù)與GMSK調(diào)制器相同，并設(shè)置的值也相同。最后一項為回溯長度Traceback Length,設(shè)為變量Tracebacklength，在m文件通過改變其值，可以觀察回溯長度對調(diào)制性能的影響。3.3 誤碼率計算模塊基帶信號GMSK解調(diào)信號圖3.3誤碼率計算模塊Receive dely(接收端時延)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)TracebackLength+1個輸入數(shù)據(jù)；Computation delay(計算時延)設(shè)為0，表示錯誤率統(tǒng)計模塊不忽略最初的任何輸入數(shù)據(jù)。Computation mode(計算模式)設(shè)置為Entire frame(

13、幀計算模塊)，表示錯誤率統(tǒng)計模塊對發(fā)送端和接收端的所有數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計。Output data(輸出數(shù)據(jù))設(shè)為workspace，表示竟統(tǒng)計數(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xErrorRate。3.4 波形觀察模塊調(diào)制、解調(diào)信號觀察模塊因為GMSK調(diào)制信號是一個復(fù)合信號，所以只用示波器（Scope）無法觀察到調(diào)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。GMSK調(diào)制信號圖3.4 調(diào)制信號觀察模塊將Complex to magnitude-ang

14、leoutput的output參數(shù)設(shè)為magnitude and angle,表示同時輸出調(diào)制信號的幅度和相角。示波器scope1的number of axes 為2表明有縱坐標(biāo)個數(shù)為2；time range表示時間軸的顯示范圍，設(shè)為auto,表示時間軸的顯示范圍為整個仿真時間段。Tick Tabels 設(shè)為bottom axis only時，只顯示各個縱坐標(biāo)以及最下面的橫坐標(biāo)的標(biāo)簽。圖3.5 解調(diào)信號觀察模塊 調(diào)制信號頻譜觀察模塊圖3.6 GMSK調(diào)制信號頻譜觀察模塊設(shè)置了坐標(biāo)Y的范圍為0到7，X的范圍為-FS,FS，Amplitude scaling表示幅度計算，選擇一般模式即以V為單位進

15、行計算。但Y坐標(biāo)標(biāo)記Y-axis title設(shè)為magnitude，dB轉(zhuǎn)換為dB形式。眼圖觀察模塊圖3.7 GMSK調(diào)制信號眼圖觀察模塊Offset(sample)參數(shù)表示MATLAB在開始繪制眼圖之前應(yīng)該忽略的抽樣點的個數(shù)。Symbols per trace表示每徑符號數(shù)，每條曲線即成為一個“徑”。Traces displayed 則是要顯示的徑數(shù)。New traces per display 是每次重新顯示的徑的數(shù)目。在系統(tǒng)中要求通過m文件編程繪制誤碼率曲線。其程序流程圖如圖3.8：開始X=0:10; xTracebackLength=4;Y=xi=1:length(x)執(zhí)行SimuLi

16、nk 仿真模型Y(i)=xErrorRate(1)返回返回Y(i)=xErrorRate(1)圖3.8 程序流程圖第四章 系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果分析4.1 實驗調(diào)試調(diào)試過程中主要通過MATLAB自帶的Help功能來進行調(diào)試，在Help中查找所需函數(shù)的定義及形式和使用方法。通過報錯信息找出相應(yīng)的錯誤，翻閱相關(guān)資料，與同組人經(jīng)過討論后進行修改。在最終解決不了的情況下，請教老師，最終改正所有錯誤。設(shè)計模塊、參數(shù)設(shè)置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)，運行實驗?zāi)Ｐ停^察示波器，發(fā)現(xiàn)沒有出現(xiàn)基帶與解調(diào)信號波形。先檢查示波器參數(shù)，發(fā)現(xiàn)并無問題，編譯Sim

17、uLink的.mdl文件時信號發(fā)生器報錯，錯誤信息為：For integer inputs, the input values must be in the range +/- (M-2i-1), i=0,1, ., (M/2)-1，檢查GMSK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integer，但實際上貝努力二進制序列產(chǎn)生器產(chǎn)生的是一個由0和1組成二進制序列，與integer產(chǎn)生沖突，將上述兩參數(shù)就改為bit，再編譯mdl文件，無錯誤顯示。進而運行m文件，mdl文件界面彈出，說明無法執(zhí)行mdl模型。檢查程序，發(fā)現(xiàn)xSimulation Time在m文

18、件中有設(shè)置，而此參數(shù)在SimuLink中的simulation/simulation parameters中已根據(jù)start time 和stop time 設(shè)定，刪除m文件中的xSimulation Time=10，再運行，觀察示波器，示波器顯示波形。誤碼率曲線也能畫出。署名系統(tǒng)基本功能已經(jīng)實現(xiàn)。在執(zhí)行瑞麗信道模塊時，多徑道瑞麗信道模塊報錯，報錯信息為：egal rate transition found involving block 'ruili_error/Multipath Rayleigh Fading Channel/Multipath Fading Channel/Mu

19、ltiply with back propagation/S-Function' at input port 1. A Rate Transition block must be inserted between the two blocks；在資料上查找多徑道瑞麗信道模塊的參數(shù)，發(fā)現(xiàn)其Sample time參數(shù)必須設(shè)置為1/BitRate/SampleperSymbol，前面二進制序列發(fā)生器的sample time 為1/1000，而多徑道瑞麗信道模塊SampleperSymbol參數(shù)為1，故多徑道瑞麗信道模塊的Sample time參數(shù)應(yīng)為1/1000。改正后，運行文件，無錯。各調(diào)

20、制信號觀察時，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，重新修改頻譜儀的參數(shù)，將Amplitude scaling 參數(shù)由dB改為magnitude，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)，估計是其他模塊的一些參數(shù)對頻譜儀的圖形觀察有影響。最后執(zhí)行總的文件，各模塊都能順利執(zhí)行，說明軟件調(diào)試基本完成。4.結(jié)果分析4.2.1 GMSK調(diào)制與解調(diào)波形:圖4.1 GMSK調(diào)制信號幅度和相角波形由于調(diào)制信號時一個復(fù)合信號，不能直接由示波器觀察，通過一complex to magnitude-angle模塊將調(diào)制信號分為幅度和相角兩個變量

21、來觀察。通過幅度的波形（上）驗證了GMSK的幅度不變，由相角波形（下）來看，相角連續(xù)，與理論符合。所以圖形基本正確。圖4.2 GMSK基帶信號與解調(diào)信號由圖4.2中基帶信號（上）與解調(diào)信號波形（下）比較可得，其由起始碼元到最后一個碼元，發(fā)現(xiàn)調(diào)制信號波形從第四個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，基本實現(xiàn)了解調(diào)的目的將調(diào)制信號還原為基帶信號。圖4.3 BT=0.3的GMSK調(diào)制信號頻譜圖4.4 GMSK等理論調(diào)制頻譜對比圖4.3和圖4.4，實驗所得頻譜圖的主瓣與理論頻譜近似，只是頂端稍顯尖銳，不夠圓滑，可能的頻譜儀的參數(shù)或去其他模塊參數(shù)設(shè)置不恰當(dāng)。圖4.5 BT=0.9的GMSK

22、調(diào)制信號頻譜比較圖4.3和圖4.5中頻譜，發(fā)現(xiàn)BT=0.3與BT=0.9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B.T的減小而變得緊湊起來的理論結(jié)果不符合，從而驗證可能是系統(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。圖5.6MSK調(diào)制信號頻譜比較圖4.3和圖4.5，發(fā)現(xiàn)GMSK的旁瓣衰減比MSK明顯，也充分說明了GMSK頻譜特性較MSK更好。4.2.2 GMSK調(diào)制信號眼圖圖4.7 BT=0.1分析：由圖中混亂的線條可知，BT=0.1時，眼圖“眼睛”睜開很小，失真嚴(yán)重，系統(tǒng)碼間串?dāng)_較大。圖4.8 BT=0.3分析：由圖中混亂的線條可知，BT=0.3時，眼圖“眼睛”睜開

23、比圖5.8中大，但存在過零點失真，仍然存在碼間串?dāng)_，但比BT=0.1時好得多。圖4.9 BT=0.9分析：與圖4.7，4.8相比較，圖4.9中眼圖最為清晰，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。圖4.11 不同BT值時的GMSK誤碼率曲線在BT=0.2、0.3、0.7時，對系統(tǒng)誤碼率進行仿真。比較三條曲線，可以看到其差別并不大。結(jié)果表明:不同BT值的信號調(diào)制性能差別不大.隨著信噪比的增大,BT=0.2與BT=0.3的系統(tǒng)性能基本一致。當(dāng)BT=0.3時,既可以使頻域帶寬很窄,時域持續(xù)時間適當(dāng),又使時域信號容易實現(xiàn)。

24、結(jié)論在本次專業(yè)課程設(shè)計中第一次接觸到SimuLink ，剛開始是一頭霧水毫無頭緒。后來經(jīng)過資料查閱逐漸了解了SimuLink是MATLAB提供的用于對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的工具包。設(shè)計中要求用SimuLink搭建GMSK調(diào)制與解調(diào)模塊、計算誤碼率，并且繪制信噪比誤碼率曲線。第一星期內(nèi)，主要進行了資料查詢及建模任務(wù)，先將各模塊參數(shù)均設(shè)為常數(shù)，對調(diào)制解調(diào)波形進行觀察，分析器實際波形與理論波形間的差距以及產(chǎn)生誤差的原因。依次采用分步進行的方式，逐步實現(xiàn)系統(tǒng)所需各個功能。調(diào)試過程采用的也是相同的方法，每搭建一個功能模塊就先進行仿真，調(diào)試待得到滿意結(jié)果后再進行下一功能模塊的搭建和調(diào)試。并在不斷出現(xiàn)錯誤的過程中學(xué)會了應(yīng)用MATLAB的系統(tǒng)幫助。整個專業(yè)課程設(shè)計中遇到的最大問題就是FFT頻譜儀的參數(shù)設(shè)置及仿真參數(shù)的設(shè)置，總是solver options得選擇時出問題，把握不好固定步長和可變步長的選擇，以及固定步長時連續(xù)求解器的選擇。經(jīng)實踐證明，