GMSK的調(diào)制設(shè)計與仿真

1、GMSK的調(diào)制設(shè)計與仿真作者姓名：專業(yè)名稱：指導(dǎo)教師：講師GMSK的調(diào)試設(shè)計與仿真摘要隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的發(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(jìn)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的一般原理以及MSK的調(diào)制解調(diào)方法，接著重點對GMSK的調(diào)制原理和調(diào)制方法進(jìn)行了闡述，然后，研究了GMSK的差分解調(diào)方法并進(jìn)行了比較，最后用Matlab軟件進(jìn)行仿真及結(jié)果分析。關(guān)鍵詞：高斯最小頻移鍵控（GMSK），解調(diào)，調(diào)制-

2、5-AbstractWiththedevelopmentofmoderncommunicationtechnology,alotofexcellentmodulationtechnologyarisesatthehistoricmoment,whichGaussianminimumfrequencyshiftkeying(GMSK)technologyisawirelesscommunicationinoneofthemoreprominentofabinarymodulationmethod,ithasgoodpowerspectralcharacteristicsandgoodanti-j

3、ammingperformance,especiallysuitableforwirelesscommunicationandsatellitecommunication.Atpresent,manycommunicationstandardshaveadoptedtheGMSKtechnology,forexample,GSM,DECT,etc.Inthispaper,wefirstintroducetheMSKgeneralprincipleandtheMSKmodulationanddemodulationmethod,thenfocusontheGMSKmodulationprinci

4、pleandmodulationmethodaredescribed,then,thestudyofthedifferenceofGMSKdecompositionmethodandthecomparison,finallyusingMATLABsoftwareforsimulationandanalysisofresults.Keywords:Gaussminimumfrequencyshiftkeying(GMSK),demodulation,modulation目錄GMSK的調(diào)制設(shè)計與仿真I摘要IIAbstractIII目錄IV前言11緒論21.1 課題的研究背景及意義21.2GMSK調(diào)

5、制技術(shù)的國內(nèi)外研究動態(tài)21.3論文主要研究內(nèi)容和章節(jié)安排41.3.1論文的主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點41.3.2本文的章節(jié)安排52GMSK調(diào)制解調(diào)的相關(guān)理論62.1 GMSK簡介及工作原理和特點62.1.1 GMSK簡介62.1.2為什么采用GMSK調(diào)制方式82.1.3GMSK調(diào)制方式的工作原理及特點82.2GMSK調(diào)制原理102.2.1 GMSK調(diào)制解調(diào)的優(yōu)點及應(yīng)用102.2.2 GMSK正交調(diào)制基帶信號產(chǎn)生原理103GMSK解調(diào)153.1 GMSK調(diào)制解調(diào)實現(xiàn)方法154實驗結(jié)果分析184.1 仿真介紹184.2GMSK系統(tǒng)的功能模塊設(shè)計194.2.1 信號發(fā)生模塊194.2.2 調(diào)制與解調(diào)模塊1

6、94.2.3 誤碼率計算模塊204.2.4波形觀察模塊214.3GMSK調(diào)制與解調(diào)波形235結(jié)束語30參考文獻(xiàn)31GMSK的調(diào)試設(shè)計與仿真前言信號的調(diào)制解調(diào)在通信系統(tǒng)中具有重要作用,它不僅可以將調(diào)制信號轉(zhuǎn)換成便于傳播的已調(diào)信號,而且可以抑制噪聲干擾,提高信號的傳輸質(zhì)量。因此,調(diào)制解調(diào)對系統(tǒng)的傳輸有效性和可靠性有著極大的影響。移動通信環(huán)境的復(fù)雜性以及移動臺移動導(dǎo)致電波傳播條件惡化,應(yīng)選擇抗干擾能力強、帶外輻射小的調(diào)制方式。由于高斯最小頻移鍵控(GMSK)具有已調(diào)信號頻譜占用帶寬窄、相位連續(xù)、邊緣滾降特性好等特點,非常適合于非線性放大通信系統(tǒng),因而在移動通信及衛(wèi)星通信系統(tǒng)中得到廣泛地應(yīng)用。-1-1

7、緒論1.1課題的研究背景及意義近幾年來，無線通信技術(shù)取得了快速發(fā)展。由于無線信道具有時變色散，多徑衰落等不利于數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶匦?，因此不能直接傳輸?shù)字基帶信號，需要借助數(shù)字調(diào)制技術(shù)先將其轉(zhuǎn)換成適合傳輸?shù)臄?shù)字頻帶信號，然后再進(jìn)行傳輸。調(diào)制方式會影響無線通信系統(tǒng)的有效性和可靠性，對整個系統(tǒng)性能的優(yōu)劣起著決定性作用。因此，在頻譜資源越來越緊缺，處理數(shù)據(jù)速度要求越來越高的無線通信技術(shù)中，尋找性能優(yōu)越的調(diào)制方式成為了通信技術(shù)中的重點研究課題。恒包絡(luò)連續(xù)相位調(diào)制技術(shù)具有較高的頻譜利用率，可以使用高效低成本的C類功率放大器來處理調(diào)制信號，廣泛應(yīng)用于頻譜資源日益緊張的無線通信領(lǐng)域。20世紀(jì)70年代，出現(xiàn)的最小移頻

8、鍵控(MinimumShiftKeying,MSK)調(diào)制技術(shù)是恒包絡(luò)連續(xù)相位調(diào)制技術(shù)的一種，它具有恒定的包絡(luò)、連續(xù)的相位和信號頻譜旁瓣衰減快等優(yōu)點，但仍不能滿足某些通信系統(tǒng)的帶外輻射需要達(dá)到6070dB的嚴(yán)格要求，因此在實際應(yīng)中受到限制。為此，20世紀(jì)80年代在MSK的基礎(chǔ)上，又出現(xiàn)了一種性能更優(yōu)越的數(shù)字調(diào)制方式高斯最小移頻鍵控(GaussianMinimumShiftKeying，GMSK)。它是通過對輸入信號先進(jìn)行高斯濾波平滑處理再進(jìn)行MSK調(diào)制得到的。所得已調(diào)信號的頻譜具有良好的帶外衰減性能，可以達(dá)到MSK所不能達(dá)到的旁瓣衰減要求，還可以有效地抑制對臨近信道的干擾。綜上所述，GMSK具有

9、優(yōu)越的特性，不僅可以提高數(shù)字無線通信的頻譜利用率，還可以降低干擾提高通信質(zhì)量，成為廣泛應(yīng)用的窄帶數(shù)字調(diào)制技術(shù)2-3。因此，對GMSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)的研究有一定的實際意義和應(yīng)用前景。1.2GMSK調(diào)制技術(shù)的國內(nèi)外研究動態(tài)早于20世紀(jì)80年代，日本國際電報電話公司就提出了GMSK這GMSK的調(diào)試設(shè)計與仿真項技術(shù)。它是由MSK演變而來的一種更優(yōu)越的數(shù)字調(diào)制方法，是對基帶信號先經(jīng)過高斯濾波器濾濾波平滑處理之后再進(jìn)行MSK調(diào)制得到的。由于GMSK數(shù)字調(diào)制方式具有良好的功率效率和頻譜效率，能滿足帶外輻射功率衰減達(dá)到6070dB的嚴(yán)格要求等優(yōu)勢，所以被全球移動通信系統(tǒng)(GSM)、歐洲的帶寬無線接入網(wǎng)2(Hip

10、erLANI1標(biāo)準(zhǔn))以及國內(nèi)通信分組無線服務(wù)技術(shù)(GPRS)等多個領(lǐng)域選為標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制方式。從這項技術(shù)被提出以來，國內(nèi)外廣大科研人員對GMSK調(diào)制方式展開了大量研究。國外對GMSK調(diào)制方式最早展開研究，其中，布拉德福德大學(xué)的onesA.E和GardinerJ.G.提出了一種基于DDS的GMSK正交調(diào)制器的研究方法,該方法主要對正交調(diào)制法中兩路信號幅度或相位不平衡問題進(jìn)行了研究，并給出了可以通過采用AM反饋來減小上述問題對調(diào)制信號帶來的影響的方法；美國的LinzA和HendricksonA利用高斯濾波器響應(yīng)的對稱性，提出了通過計算輸入NRZ碼的相位軌跡和頻率軌跡來間接實現(xiàn)GMSK調(diào)制的方法，該方法

11、運算復(fù)雜度比較低，獲得的GMSK信號恒定包絡(luò)特性也比較穩(wěn)定；美國學(xué)者AdelGhazel對GSM發(fā)射機中GMSK調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行了研究，并在DSP平臺上實現(xiàn)了其最優(yōu)化方法；JansSebesta提出了一種快速GMSK調(diào)制和接收的方法，是利用具有快速處理速度的DSP來實現(xiàn)的，該方法結(jié)構(gòu)靈活、實時性好。相繼，國內(nèi)對GMSK調(diào)制方式也展開了大量研究，其中電子科技大學(xué)的楊峰、姚娜等碩士對GMSK調(diào)制方式在ALS系統(tǒng)、手機綜測儀和GSM發(fā)射機中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，并對如何采用DSP、ASIC和FPGA等工具對其進(jìn)行設(shè)計實現(xiàn)進(jìn)行了探討；北京理工大學(xué)的楊運甫以VLSL為平臺設(shè)計實現(xiàn)了基于直接分解的GMSK調(diào)制方

12、案，該方案是對單個高斯濾波器脈沖響應(yīng)進(jìn)行積分，采用時序電路分別對積分后相位軌跡的暫態(tài)分量和穩(wěn)態(tài)分量進(jìn)行了分離并存儲到相應(yīng)的存儲器中；上海交通大學(xué)電子工程系的彭偉軍等利用GMSK頻譜效率高的特點，將GMSK調(diào)制應(yīng)用于跳頻通信中，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速傳輸，在研究了慢跳頻通信系統(tǒng)中GMSK調(diào)制的基本原理和實現(xiàn)方法后，提出了具體實現(xiàn)模型和基于Viterbi算法的非相干解調(diào)方案；西安電子科技大學(xué)的張永生等設(shè)計了以AD9552DDS和TMS320VC5409DSP作為處理器實現(xiàn)GMSK調(diào)制的方案，該方案實現(xiàn)方法簡單、波形準(zhǔn)確適用于低功耗的無線通信系GMSK的調(diào)試設(shè)計與仿真統(tǒng)；太原理工的張印天將GMSK調(diào)制引入

13、到軟件無線電系統(tǒng)，并以TMS320C6711DSP為工具進(jìn)行了設(shè)計實現(xiàn)；另外，還有一些高校采用CMX589，CMX909等GMSK調(diào)制解調(diào)專用芯片實現(xiàn)無線數(shù)傳電臺設(shè)計的相關(guān)研究。這些方法體現(xiàn)出從傳統(tǒng)的模擬實現(xiàn)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字實現(xiàn)，克服了輸出的GMSK調(diào)制信號的相位不準(zhǔn)確，無法進(jìn)行相干解調(diào)的缺點，還避免了復(fù)雜的濾波器設(shè)計，大大降低了硬件成本，提高了硬件可靠性，更加適用于數(shù)字通信系統(tǒng)。但在現(xiàn)代數(shù)字通信調(diào)制解調(diào)技術(shù)的研究中，如何選擇合適的調(diào)制方式，獲得良好的頻譜特性、較低的誤碼率、包絡(luò)恒定的調(diào)制解調(diào)波形是相當(dāng)重要的。同時，如何充分利用有限的頻率資源、節(jié)省硬件資源和高速傳輸大量數(shù)據(jù)更加是研究的中心。1.3論

14、文主要研究內(nèi)容和章節(jié)安排1.3.1論文的主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點本文對GMSK調(diào)制解調(diào)基本理論進(jìn)行了研究，結(jié)合GMSK信號的特性完成了基于波形存儲的GMSK正交調(diào)制和差分解調(diào)系統(tǒng)的具體實現(xiàn)，并在處理速度和占用資源以及誤碼率等性能方面做了進(jìn)一步改善。主要工作和創(chuàng)新點為：1、結(jié)合仿真對GMSK調(diào)制性能進(jìn)行了重點分析，并對基于波形存儲的GMSK調(diào)制方案進(jìn)行重點研究。針對該方案中I/Q兩支路信號存在幅度誤差和相位失衡會對已調(diào)信號振幅和相位造成嚴(yán)重影響的問題，基于相關(guān)文獻(xiàn)思想，提出了一種改進(jìn)的基于波形存儲的GMSK正交調(diào)制方案。2、在改進(jìn)的調(diào)制方案中，除了不對基帶I/Q信號進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換之外，還采用了從速度

15、和占用資源兩方面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計的正交載波模塊對其進(jìn)行調(diào)頻，最后給出整個調(diào)制系統(tǒng)的實現(xiàn)方案。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)方案具有良好的調(diào)制性能。在運算速度快、占用資源少的前提下，不僅得到了更適合傳輸?shù)腉MSK頻帶信號，還有效改善了相位失衡問題。3、對1bit差分解調(diào)算法進(jìn)行了設(shè)計與實現(xiàn)。針對該方法中由于存在GMSK的調(diào)試設(shè)計與仿真碼間干擾導(dǎo)致誤碼性能不太理想的問題，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)思想，提出了改進(jìn)算法即基于Viterbi算法的1bit差分解調(diào)算法，來進(jìn)一步改善誤碼性能。并給出改進(jìn)方案的仿真模型，仿真結(jié)果表明改進(jìn)算法具有良好的解調(diào)性能，當(dāng)信噪比為9dB時，誤碼性能可以達(dá)到410,較原算法可以獲得約2dB左右的信

16、噪比增益。1.3.2本文的章節(jié)安排本文的章節(jié)安排如下：第一章，緒論，闡述了課題研究背景及國內(nèi)外研究動態(tài)，簡要概括了本文的主要研究內(nèi)容和章節(jié)安排。第二章，GMSK調(diào)制解調(diào)相關(guān)理論介紹，為后文提供理論基礎(chǔ)。第三章，對GMSK調(diào)制解調(diào)方案進(jìn)行研究，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)思想，對基于波形存儲的GMSK調(diào)制方式提出改進(jìn)方案，并對差分解調(diào)方案進(jìn)行重點研究。第四章，給出基于DSPBuilder的改進(jìn)基于波形存儲的GMSK正交調(diào)制系統(tǒng)的實現(xiàn)方案，對仿真結(jié)果進(jìn)行分析。第五章，結(jié)束語-5-GMSK的調(diào)試設(shè)計與仿真2GMSK調(diào)制解調(diào)的相關(guān)理論2.1GMSK簡介及工作原理和特點2.1.1GMSK簡介GMSK調(diào)制具有較好的功率頻

17、譜特性與誤碼性能，最大優(yōu)點就是帶外輻射小，較適用于工作在VHF和UHF頻段的移動通信系統(tǒng)，因此，GMSK調(diào)制在通信領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，例如GSM手機通信系統(tǒng)與AIS系統(tǒng)就采用這種通信調(diào)制方式。目前，GMSK調(diào)制主要有鎖相環(huán)與正交調(diào)制兩種實現(xiàn)方式，其中前者在早前得到很大應(yīng)用，但隨著軟件無線電的提出，正交調(diào)制實現(xiàn)方式逐漸得到廣泛的研究與應(yīng)用。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GMSK技術(shù)是無線通信中比較突出的一種二進(jìn)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，GS

18、M，DECT等。GMSK調(diào)制方式能滿足移動通信環(huán)境下對鄰道干擾的嚴(yán)格要求，它以其良好的性能而被泛歐數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)（GSM）所采用。數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)是數(shù)字峰窩移動通信系統(tǒng)空中接口的重要組成部分。GMSK是從MSK（最小移頻鍵控）發(fā)展起來的一種技術(shù)。MSK調(diào)制實際上是調(diào)制指數(shù)為0.5的二進(jìn)制調(diào)頻，具有包絡(luò)恒定、占用相對較窄的帶寬和能進(jìn)行相干解調(diào)的優(yōu)點。但是MSK的帶外輻射較高，影響了頻譜效率。為了抑制帶外輻射、壓縮信號功率，可在MSK調(diào)制器前加入預(yù)調(diào)制濾波器。GMSK調(diào)制是在MSK調(diào)制器之前插入高斯低通預(yù)調(diào)制濾波器這樣一種調(diào)制方式。高斯濾波最小頻移鍵控（GaussianFilteredMin

19、imumShiftKeying-GMSK）調(diào)制技術(shù)是從MSK（MinimumShiftKeying）調(diào)制的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種數(shù)字調(diào)制方式。這是GSM系統(tǒng)采用的調(diào)制方式。數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)是數(shù)字峰窩移動通信系統(tǒng)空中接口的重要組成部分。GMSK調(diào)制是在MSK（最小頻移鍵控）調(diào)制器之前插入高斯低通預(yù)調(diào)制濾波器這樣一種調(diào)制方式。GMSK提高了數(shù)字移動通信的頻譜利用率和通信質(zhì)量。其特點是在數(shù)據(jù)流送交頻率調(diào)制器前先通過一個Gauss濾波器（預(yù)調(diào)制濾波器）進(jìn)行預(yù)調(diào)制濾波，以減小兩個不同頻-#-GMSK的調(diào)試設(shè)計與仿真率的載波切換時的跳變能量，使得在相同的數(shù)據(jù)傳輸速率時頻道間距可以變得更緊密。由于數(shù)字信號在調(diào)

20、制前進(jìn)行了Gauss預(yù)調(diào)制濾波，調(diào)制信號在交越零點不但相位連續(xù)，而且平滑過濾，因此GSMK調(diào)制的信號頻譜緊湊、誤碼特性好，在數(shù)字移動通信中得到了廣泛使用，如現(xiàn)在廣泛使用的GSM（GlobalSystemforMobilecommunication）移動通信體制就是使用GMSK調(diào)制方式1。l979年由日本國際電報電話公司提出的GMSK調(diào)制方式。有較好的功率頻譜特性，較好的誤碼性能，特別是帶外輻射小，很適用于工作在VHF和UHF頻段的移動通信系統(tǒng)，越來越引起人們的關(guān)注。GMSK調(diào)制方式的理論研究已較成熟，實際應(yīng)用卻還不多，主要是由于高斯濾波器的設(shè)計和制作在工程上還有一定的困難。調(diào)制前高斯濾波的最小

21、頻移鍵控簡稱GMSK，基本的工作原理是將基帶信號先經(jīng)過高斯濾波器成形，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，因此頻譜特性優(yōu)于MSK信號的頻譜特性。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。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)計高斯濾波器的一個主要參數(shù)。BT值越小，相鄰碼元之間的相互影響越大。理論分析和計算機模擬結(jié)果表明。BT值越小，GMSK信號功率頻譜密度

22、的高額分量衰減越快。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。GMSK信號具有很好的頻譜和功率特性，特別適用于功率受限和信道存在非線性、衰落以及多普勒頻移的移動突發(fā)通信系統(tǒng)。為了適應(yīng)無線信道的特性，由該調(diào)制方式所產(chǎn)生的已調(diào)波應(yīng)具有以下兩個特點：第一，包絡(luò)恒定或包絡(luò)起伏很小。第二，具有最小功率譜占用率。高斯最小頻移鍵控（GMSK）調(diào)制方式正好具有上述特性。GMSK調(diào)制使在給定的帶寬和射頻信道條件下數(shù)據(jù)吞吐量最大。GMSK是當(dāng)前現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制技術(shù)領(lǐng)域研究的一個熱點。采用高斯濾波器作調(diào)制前基帶濾波器，將基帶信號成型為高斯脈沖，再進(jìn)行MSK調(diào)制，這種調(diào)制方式稱為GMSK。由于成

23、形后的高斯脈沖包絡(luò)無陡峭邊沿，亦無拐點，經(jīng)調(diào)制后的已調(diào)波在MSK的基礎(chǔ)上進(jìn)一步得到平滑其相位路徑。因此它的頻譜特性優(yōu)于MSK，但誤比特率性能不如MSK。在我國數(shù)字通信系統(tǒng)中,全數(shù)字接收機已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。利GMSK的調(diào)試設(shè)計與仿真用數(shù)字化方法設(shè)計通信系統(tǒng)中的調(diào)制解調(diào)技術(shù)是實際應(yīng)用中的一項重要技術(shù)。最小高斯頻移鍵控(GMSK)是一種典型的連續(xù)相位調(diào)制方式，具有包絡(luò)恒定、頻譜緊湊、抗干擾能力強等特點,可有效降低鄰道干擾,提高非線性功率放大器的效率,已在移動通信(如GSM系統(tǒng))、航天測控等場合得到廣泛應(yīng)用。2.1.2為什么采用GMSK調(diào)制方式子網(wǎng)選擇nrf2401射頻芯片采用的通信調(diào)制方式就是G

24、MSK,GMSK(GaussianfilteredMSK)調(diào)制具有優(yōu)良的功率譜特性:功率譜旁瓣快衰減快，在對信號頻帶嚴(yán)格限制的各種數(shù)字通信領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。為了躲避干擾，我們需要采取跳頻策略，NRF2401工作在2.4G的免費頻段，將2.4G-2.4835Ghz劃分為125個信道(而zigbee只劃分為16個信道)，nrf2401劃分的信道多，必然信道帶寬就小。為了防止信道之間的干擾，我們采取GMSK的調(diào)制解調(diào)方式。2.1.3GMSK調(diào)制方式的工作原理及特點調(diào)制前高斯濾波的最小頻移鍵控簡稱GMSK，基本的工作原理是將基帶信號先經(jīng)過高斯濾波器成形，再進(jìn)行最小頻移鍵控(MSK)調(diào)制(圖1.3)

25、。由于成形后的高斯脈沖包絡(luò)無陡峭邊沿，亦無拐點，因此頻譜特性優(yōu)于MSK信號的頻譜特性。圖1.3GMSK調(diào)制高斯濾波器的頻率傳輸函數(shù)為丹(/)=式中心是與濾波器3dB帶寬B有關(guān)的一個系數(shù)，其沖激響應(yīng)為:假設(shè)輸入數(shù)據(jù)流為二進(jìn)制非歸零信號，傳輸速率為"一刁。尸為碼GMSK的調(diào)試設(shè)計與仿真元寬度，其數(shù)學(xué)表示式為能=D點-間式中：弧=+1或-1，其概率分別為弓。GMSK是角度調(diào)制信號，已調(diào)信號寫作：s(f)=Acas(2i+沁)式中.瀬)=2叭匚陥嚴(yán)疏訕T)h(W)表示燦門和住的卷積。GMSK信號的瞬時頻率為.幾)=£+局血°)半沁)為調(diào)制靈敏度，由下式?jīng)Q定：max*a(i

26、)|1仁4實際上(8)式是使調(diào)制指數(shù)為弓的最大頻偏與傳信速率的約束關(guān)系。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。由(6)式和(7)式知，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高斯濾波器的參數(shù)住有關(guān)，也就是說和高斯濾波器的3dB帶寬B有關(guān)。通常將高斯濾波器的3dB帶寬-9-GMSK的調(diào)試設(shè)計與仿真B和輸入碼元寬度T的乘積BT值作為設(shè)計高斯濾波器的一個主要參數(shù)。BT值越小，相鄰碼元之間的相互影響越大。理論分析和計算機模擬結(jié)果表明。BT值

27、越小，GMSK信號功率頻譜密度的高額分量衰減越快。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。2.2GMSK調(diào)制原理2.2.1 GMSK調(diào)制解調(diào)的優(yōu)點及應(yīng)用GMSK調(diào)制具有較好的功率頻譜特性與誤碼性能，最大優(yōu)點就是帶外輻射小，較適用于工作在VHF和UHF頻段的移動通信系統(tǒng)，因此，GMSK調(diào)制在通信領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，例如GSM手機通信系統(tǒng)與AIS系統(tǒng)就采用這種通信調(diào)制方式。目前，GMSK調(diào)制主要有鎖相環(huán)與正交調(diào)制兩種實現(xiàn)方式，其中前者在早前得到很大應(yīng)用，但隨著軟件無線電的提出，正交調(diào)制實現(xiàn)方式逐漸得到廣泛的研究與應(yīng)用。2.2.2 GMSK正交調(diào)制基帶信號產(chǎn)生原理GMS

28、K是在MSK的基礎(chǔ)上得到的，GMSK是連續(xù)相位恒包絡(luò)調(diào)制，對載波進(jìn)行GMSK調(diào)制的時域表達(dá)式如下：Wc為載波的頻率，Tb為數(shù)據(jù)碼元的周期。由上式看出，對輸入的二進(jìn)制碼元，MSK調(diào)制后的載波在一個碼元寬度內(nèi)相位線性增加或減少n/2o實驗表明，如果載波的相位變化由線性變?yōu)楦交那€時，則可以得到更好的頻譜特性。因此在GMSK調(diào)制前，對二進(jìn)制碼元進(jìn)行高斯濾波，使被調(diào)制載波的相位路徑更為平滑，然后再進(jìn)行GMSK調(diào)制，這就是GMSK調(diào)制的基本思想。其載波調(diào)制表達(dá)式如下：s(t)=coswct+aijg(t)dt)(aijg(t)dt的結(jié)果即為n/2Tb*t)ai為非歸零二進(jìn)制碼元，Jg(t)dt表示二

29、進(jìn)制碼元經(jīng)過高斯濾波后的積分輸出,g(t)為高斯脈沖。對上式進(jìn)行三角變換得到：s(t)=cos(wct)cosYaiJg(t)dt-sin(wct)sin(aiJg(t)dt因此采用正交調(diào)制實現(xiàn)GMSK的基帶I，Q信號分別為I(t)=cos»ijg(t)dtQ(t)=sin(wct)sin»ijg(t)dtGMSK調(diào)制方式，是在MSK調(diào)制器之前加入一個基帶信號預(yù)處理濾波器，即高斯低通濾波器，由于這種濾波器能將基帶信號變換成高斯脈沖信號，其包絡(luò)無陡峭邊沿和拐點，從而達(dá)到改善MSK信號頻譜特性的目的?；鶐У母咚沟屯V波平滑了MSK信號的相位曲線，因此穩(wěn)定了信號的頻率變化，這使得

30、發(fā)射頻譜上的旁瓣水平大大降低。實現(xiàn)GMSK信號的調(diào)制，關(guān)鍵是設(shè)計一個性能良好的高斯低通濾波器，它必須具有如下特性： 有良好的窄帶和尖銳的截止特性，以濾除基帶信號中多余的高頻成分。 脈沖響應(yīng)過沖量應(yīng)盡量小，防止已調(diào)波瞬時頻偏過大。 輸出脈沖響應(yīng)曲線的面積對應(yīng)的相位為n/2，使調(diào)制系數(shù)為1/2。以上要求是為了抑制高頻分量、防止過量的瞬時頻率偏移以及滿足相干檢測所需要的。高斯低通濾波器的沖擊響應(yīng)為圖2.2-1式中，Bb為高斯濾波器的3dB帶寬。該濾波器對單個寬度為Tb的矩形脈沖的響應(yīng)為-11-站=0七盡I圖2.2-2當(dāng)BbTb取不同值時，g(t)的波形如圖2.2-3所示g0.250aL

31、r=x圖2.2-3高斯濾波器的矩形脈沖響應(yīng)GMSK的信號表達(dá)式為GMSK的調(diào)試設(shè)計與仿真GMSK的相位路徑如圖2.2-4所示。<tiGMSK圖2.2-4GMSK的相位路徑從圖2.2-3和2.2-4可以看出，GMSK是通過引入可控的碼間干擾（即部分響應(yīng)波形）來達(dá)到平滑相位路徑的目的，它消除了MSK相位路徑在碼元轉(zhuǎn)換時刻的相位轉(zhuǎn)折點。從圖中還可以看出，GMSK信號在一碼元周期內(nèi)的相位增量，不像MSK那樣固定為±u960X/2，而是隨著輸入序列的不同而不同。由式2.2-4可得盡管g(t)的理論是在一wVtV+w范圍取值，但實際中需要對g(t)進(jìn)行截短，僅取(2N+l)Ts區(qū)間，這樣可

32、以證明在碼元變換時刻的取值()00()s是有限的。這樣我們就可以事先制作Cose(t)和Sine(t)兩張表，根據(jù)輸入數(shù)據(jù)讀出相應(yīng)的值，再進(jìn)行正交調(diào)制就可以得到GMSK信號，如圖2.2-5所示圖2.2-5GMSK數(shù)據(jù)圖圖2.2-6描述出了GMSK信號的功率譜密度。圖中，橫坐標(biāo)的歸一化頻率(ffc)Ts)，縱坐標(biāo)為譜密度，參變量BsTs為高斯低通濾波器的歸一化3dB帶寬Bs與碼元長度Ts的乘積。BsTs=的曲線是MSK信號的功率譜密度，由圖可見，GMSK信號的頻譜隨著BsTs值的減小變得緊湊起來。需要說明的是，GMSK信號頻譜特性的改善是通過降低誤比特率性能換來的。前置濾波器的帶寬越窄，輸出功率

33、譜就越緊湊，誤比特率性能變得越差。不過當(dāng)時，誤比特率性能下降并不嚴(yán)重。在本實驗中，不采用硬件構(gòu)成高斯低通濾波器進(jìn)行調(diào)制的方法，而是將GMSK的所有組合波形數(shù)據(jù)（高斯濾波后的）計算出來，然后將得到的數(shù)據(jù)輸入EEPROM中，最后通過數(shù)據(jù)（、IQ）進(jìn)行尋址訪問，取出相應(yīng)的GMSK成形信號。3GMSK解調(diào)31GMSK調(diào)制解調(diào)實現(xiàn)方法GMSK本是MSK的一種，而MSK又是是FSK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3.1,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)

34、GMSK數(shù)據(jù)的解調(diào)輸出。-15-GMSK的調(diào)試設(shè)計與仿真GMS信號帶通濾波器限幅器*數(shù)據(jù)圖3.1GMSK解調(diào)原理圖GMSK信號的解調(diào)與FSK信號相似，可以采用相干解調(diào)，也可以采用非相干解調(diào)方式。本實驗?zāi)K中采用一種相干解調(diào)的方式。sin(兀t).2Tssin®ct/冗、(Icost)Q已知.SQ丿2Tscos®t豐0已知：MSKkTsc'k口/cos(兀t)Ik路Ik2Ts把該信號進(jìn)行正交解調(diào)可得到把該信號進(jìn)行正交解調(diào)可得到Qcosk(2®+)c2Tscos(2&)tc2TsQk路Ikcos(兀t)2Tssin(兀t)2Ts1=iQsin(冗t)1

35、/2Ts+4Iksin(2®+兀)t1sin(2®兀)tLc2Ts+4Ik_c2Tssin®tsin®tcccos®t豐0ck0ksin(2®+1cos我們需要的是2Ikt)2Ts、Qksin120k(2®-)tc2Tssin(t)2Ts兩路信號，所以必須1Icos(t)1Icos(2®+)t1Jcos(2®)t2k2Ts+4kLc2Ts+4IkLc2Tssin®tcos®tcc0sin(兀t)cos®ct+Qk2Ts（2+丄）將其它頻率成份c2Ts、（2丄）c2Ts通過低通

36、濾波器濾除掉，1Icos然后對2lk2Tssint)2Ts采樣即可還原成Qk兩路信號。將得到的GMSK調(diào)制信號正交解調(diào)，通過低通濾波器得到基帶成形信號，并對由此得到的基帶信號的波形進(jìn)行電平比較得到數(shù)據(jù)，再將此數(shù)據(jù)經(jīng)過CPLD的數(shù)字處理，就可解調(diào)得到NRZ碼。-19-4實驗結(jié)果分析4.1仿真介紹用仿真的方式代替真是的系統(tǒng)環(huán)境。在不破壞真實系統(tǒng)環(huán)境的條件下，以研究系統(tǒng)的特性和構(gòu)造并且運行真實系統(tǒng)的模型的方法。仿真環(huán)境的目標(biāo)就是在合理的構(gòu)造系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，采用有效的方案對系統(tǒng)的性能進(jìn)行評估和分析。通常我們用公式計算再利用計算機進(jìn)行波形的仿真;還可以通過用硬件構(gòu)進(jìn)行試驗測量以便用于系統(tǒng)的評估和分析。

37、在利用基本公式的方法可以更加細(xì)致的了解設(shè)計參數(shù)與系統(tǒng)性能之間的關(guān)系。但是這僅限于一些理想的和過分簡化的情況，只解析的方法評估通信系統(tǒng)的性能是非常不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?。?jù)評沽性能當(dāng)然是準(zhǔn)確可信的一種方法。但是他有費時、開銷大、不靈活等缺點。所以在設(shè)計階段也顯得有些不合適。而將基于計算機仿真的方法用于性能評價，幾乎可以按任意詳細(xì)程度的要求建立模型。基本接近于真是的系統(tǒng)環(huán)境仿真，并且可以更加容易的將性能和參數(shù)數(shù)據(jù)結(jié)合起來，把測量的器件的特性和實際信號都組合到分析和設(shè)計當(dāng)中去。在大多數(shù)情況下計算機仿真是系統(tǒng)分析的最好方法，特別是具有隨機性的復(fù)雜系統(tǒng)，在無法用準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型并用解析方法求解時，計算機仿真就成了解決這

38、類問題的最有力工具。但是仿真并不是全面的，仿真在實際應(yīng)用中還是有很多不足之處。例如構(gòu)造和確認(rèn)仿真模型需要耗費較多的時間：在初步設(shè)計中，確認(rèn)復(fù)雜模型，還是會有一定的難度;而且系統(tǒng)模型中有較多隨機變量，而在進(jìn)行系統(tǒng)仿真時，極大受到樣本量的限制，使得仿真的精確度受到限制。只有通過仔細(xì)的選擇建模和仿真技術(shù)才能對這些缺點進(jìn)行緩解。4.2GMSK系統(tǒng)的功能模塊設(shè)計4.2.1信號發(fā)生模塊因為GMSK信號只需滿足非歸零數(shù)字信號即可，本設(shè)計中選用BernoulliBinaryGenerator來產(chǎn)生一個二進(jìn)制序列作為輸入信號。BernoulliBinaryBernouUiBinaryGMSK信號“*輸出-圖4.

39、2.1GMSK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probabilityofazero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0.5Initialseed為61表示隨機數(shù)種子為61sampletime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sampletime參數(shù)來改變碼元個數(shù)。例如仿真時間為10s若sampletime為1/1000則碼元個數(shù)為10000。4.2.2調(diào)制與解調(diào)模塊GMSK的調(diào)試設(shè)計與仿真圖4.2.2GMSK調(diào)制解調(diào)模塊GMSKModulatorBaseband為GMSK基帶調(diào)制模塊其inputtype參

40、數(shù)設(shè)為Bit表示表示模塊的輸入信號時二進(jìn)制信號0或1。BTproduct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)BT=«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。Plushlength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。Symbolprehistory表示GMSK調(diào)制器在仿真開始前的輸入符號設(shè)為1。Phaseoffset設(shè)為0表示GMSK基帶調(diào)制信號的初始相位為0。Samplepersymbol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。AWGNCha

41、nnel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Signaltonoise(SNR),表示信道模塊是根據(jù)信NR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。GMSKDemodulatorBaseband是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TracebackLength,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。4.2.3誤碼率計算模塊閱:苗信°

42、;ferrorRate沁解調(diào)信號一沁曲ErrorRateCalculation圖4.2.3誤碼率計算模塊-21-GMSK的調(diào)試設(shè)計與仿真Receivedely（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)Computationdelay（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)。Computationmode（計算模式）設(shè)置為Entireframe（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(jìn)行統(tǒng)計。Outputdata（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)。Variablen

43、ame（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。4.2.4波形觀察模塊調(diào)制、解調(diào)信號觀察模塊如圖4.2.4和圖4.2.5所示圖4.2.4調(diào)制信號觀察模塊因為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Complextomagnitude-angle將調(diào)制信號分別在幅度和相角兩方面來觀察。將Complextomagnitude-angleoutput的output參數(shù)設(shè)為magnitudeandangle,表示同時輸出調(diào)制信號的幅度和相角。示波器scopel的numberofaxes為2表明有縱坐標(biāo)個數(shù)為

44、2,timerange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。TickTabels設(shè)為bottomaxisonly時,只顯示各個縱坐標(biāo)以及最下面的橫坐標(biāo)的標(biāo)簽。解調(diào)信號HScope圖4.2.5解調(diào)信號觀察模塊調(diào)制信號頻譜觀察模塊如圖4.2.6所示-2l-GMSK的調(diào)試設(shè)計與仿真圖4.2.6GMSK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7X的范圍為-FS,FS,Amplitudescaling表示幅度計算選擇一般模式即以V為單位進(jìn)行計算。但Y坐標(biāo)標(biāo)記Y-axistitle設(shè)為magnitudedB轉(zhuǎn)換為dB形式。眼圖觀察模塊如圖4.2.7所示洌制信號Disc

45、rete-TimeEyeDiagramScope圖4.2.7GMSK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)。Symbolspertrace表示每徑符號數(shù)每條曲線即成為一個“徑”。Tracesdisplayed則是要顯示的徑數(shù)。Newtracesperdisplay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4.2.8-25-圖4.2.8程序流程圖4.3GMSK調(diào)制與解調(diào)波形圖4.3.1GMSK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complext

46、omagnitude-angle模塊將調(diào)制信號分為幅度和相角兩個變量來觀察。通過幅度的波形上和相角波形下驗證了GMSK的幅度不變由相角波形來看相角連續(xù)與理論符合。圖4.3.2GMSK基帶信號與解調(diào)信號由圖4.3.2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。10102fl4-Q34U圖4.3.3BT=0.3的GMSK調(diào)制信號頻譜由圖4.3.3可知除了頂端稍顯尖銳和不夠圓滑實驗所得頻譜圖的主瓣與理論頻譜近似。?6fi圖4.3.4MSK調(diào)制信號頻譜比較圖4.3.3和圖4.3.4發(fā)現(xiàn)GMSK的旁瓣衰減比MSK明顯也充分說明GMSK的調(diào)試設(shè)計與仿真GMSK的調(diào)試設(shè)計與仿真了GMSK頻譜特性較MSK更好。4.4GMSK調(diào)制信號眼圖150口25一耳點肱空圖4.4.1BT=0.1分析：由圖中混亂的線條可知B