移動(dòng)通信課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上江蘇科技大學(xué)移動(dòng)通信課程設(shè)計(jì)報(bào)告 基于MATLAB的GMSK系統(tǒng)的設(shè)計(jì)仿真1課程設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求1.1課程設(shè)計(jì)的任務(wù)（1）掌握GMSK的原理和Simulink仿真基本方法； （2）熟悉MATLAB的編程技術(shù)，并熟練掌握其編程技術(shù) （3） 能采用MATLAB實(shí)現(xiàn)對(duì)GMSK調(diào)制解調(diào)的原理性仿真，給出GMSK編碼調(diào)制，以及接收端進(jìn)行解調(diào)的詳細(xì)過(guò)程及分析，以此來(lái)更深入理解GMSK的調(diào)制解調(diào)過(guò)程（4）熟練掌握GMSK，MSK信號(hào)的調(diào)制解調(diào)基本原理 1.2 課程設(shè)計(jì)的要求（1）觀察基帶信號(hào)和解調(diào)信號(hào)波形。（2）觀察已調(diào)信號(hào)頻譜圖。（3）改變

2、BT參數(shù)，分析調(diào)制性能和BT參數(shù)的關(guān)系。（4）與MSK系統(tǒng)的對(duì)比。1.3系統(tǒng)的組成及設(shè)計(jì)原理 GMSK系統(tǒng)主要由信號(hào)產(chǎn)生模塊、信號(hào)調(diào)制模塊、信道、信號(hào)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。本系統(tǒng)由信號(hào)產(chǎn)生模塊產(chǎn)生一個(gè)二進(jìn)制序列，再經(jīng)過(guò)調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制，之后便將調(diào)制信號(hào)送入信道，經(jīng)過(guò)解調(diào)器解調(diào)得到解調(diào)信號(hào)。為計(jì)算系統(tǒng)誤碼率，則在調(diào)制器后加一誤碼率計(jì)算模塊，計(jì)算誤碼率。圖1.3系統(tǒng)原理框圖GMSK原理圖：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)制原理圖為了使輸出頻譜密

3、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(hào)中的高頻分量；2.脈沖響應(yīng)過(guò)沖量小，以防止FM調(diào)制器瞬時(shí)頻偏過(guò)大；3.保持濾波器輸出脈沖響應(yīng)曲線下面積對(duì)應(yīng)pi/2的相移。調(diào)制指數(shù)為1/2。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(lái)。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(shí)延檢波，但每種檢波器的誤碼率不同。我們?cè)跇?gòu)建數(shù)字通信系統(tǒng)的模型后，利用計(jì)算機(jī)仿真作為分析手段，對(duì)在不同的通信環(huán)境下設(shè)計(jì)方案的誤碼性能進(jìn)行定量分析，用來(lái)對(duì)各

4、調(diào)制，解調(diào)方案性能進(jìn)行評(píng)估。由于GMSK信號(hào)具有良好的頻潛效率、以及恒包絡(luò)性質(zhì)，因而廣泛的應(yīng)用于移動(dòng)通信系統(tǒng)。高斯最小頻移鍵控(GMSK)由于帶外輻射低因而具有很好的頻譜利用率，其恒包絡(luò)的特性使得其能夠使用功率效率高的C類放大器。這些優(yōu)良的特性使其作為一種高效的數(shù)字調(diào)制方案被廣泛的運(yùn)用于多種通信系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)之中。如上所述，GMSK有著廣泛的應(yīng)用。因此，從本世紀(jì)80年代提出該技術(shù)以來(lái)，廣大科研人員進(jìn)行了大量的針對(duì)其調(diào)制解調(diào)方案的研究。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2 GMSK系統(tǒng)設(shè)計(jì)2

5、.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3 GMSK信號(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1/1000表示抽樣時(shí)間即每個(gè)符號(hào)的持續(xù)時(shí)為0.001s。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)。例如仿真時(shí)間為10s，若sample time為1/1000，

6、則碼元個(gè)數(shù)為10000。如圖4所示。圖4 Bernoulli Binary Generator參數(shù)設(shè)置2.2 調(diào)制解調(diào)模塊圖5 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(hào)時(shí)二進(jìn)制信號(hào)（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(zhǎng)度。當(dāng)B·T=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G

7、MSK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)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1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(shí)需要確定

8、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。 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(zhǎng)度Traceback Length,設(shè)為變量Tracebacklength，在m文件通過(guò)改變其值，可以觀察回溯長(zhǎng)度對(duì)調(diào)制性能的影響。 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(hào)時(shí)二進(jìn)制信號(hào)（0或1）

9、。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(zhǎng)度。當(dāng)B·T=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4。Symbol prehistory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1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1。如圖6所示。AWGN Channel為加性

10、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7所示。 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(zhǎng)度Traceback Length,設(shè)為變量Tracebacklength，在m文件通過(guò)改變其值，可以觀察回溯長(zhǎng)度對(duì)調(diào)制性能的影響。如圖8所示。圖6 GMS

11、K Modulator Baseband參數(shù)設(shè)置圖7 AWGN Channel參數(shù)設(shè)置圖8 GMSK Demodulator Baseband參數(shù)設(shè)置2.3 誤碼率計(jì)算模塊圖9 誤碼率計(jì)算模塊Receive dely(接收端時(shí)延)設(shè)置為回溯長(zhǎng)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(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

12、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xErrorRate。如圖10所示。 圖10 Error Rate Calculation參數(shù)設(shè)置2.4 波形觀察模塊2.4.1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11調(diào)制信號(hào)觀察模塊將Complex to magnitude-angleoutput的output

13、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；time range表示時(shí)間軸的顯示范圍，設(shè)為auto,表示時(shí)間軸的顯示范圍為整個(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。如圖12所示。圖12 Complex to Magnitude-Angle參數(shù)設(shè)置圖13 解調(diào)信號(hào)觀察模塊2.4.2 調(diào)制信號(hào)頻譜觀察模塊圖14 GMSK調(diào)制信號(hào)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，Amplitud

14、e scaling表示幅度計(jì)算，選擇一般模式即以V為單位進(jìn)行計(jì)算。但Y坐標(biāo)標(biāo)記Y-axis title設(shè)為magnitude，dB轉(zhuǎn)換為dB形式。如圖15所示。2.4.3眼圖觀察模塊圖16 GMSK調(diào)制解調(diào)信號(hào)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(hào)數(shù)，每條曲線即成為一個(gè)“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。如圖17所示。圖17 Discrete-Time Eye Diagram Scope參數(shù)

15、設(shè)置2.4.4星座圖觀察模塊圖18 GMSK調(diào)制解調(diào)星座圖觀察模塊星座圖展示了信號(hào)在空間的排列分步，即在噪聲環(huán)境下信號(hào)之間的最小距離。2.4.5 GMSK系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真模型圖整個(gè)系統(tǒng)主要包括五大模塊：隨機(jī)信號(hào)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。圖19 GMSK系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真模型圖3 GMSK系統(tǒng)與MSK系統(tǒng)的性能比較3.1 MSK系統(tǒng)設(shè)計(jì)最小頻移鍵控(MSK)是恒定包絡(luò)調(diào)制技術(shù)，是2FSK的改進(jìn)調(diào)制方式，它具有波形連續(xù)，相位穩(wěn)定，帶寬最小并且嚴(yán)格正交的特點(diǎn)。以下是MSK各個(gè)系統(tǒng)的模塊介紹。其參數(shù)設(shè)置參照GMSK參數(shù)設(shè)置。3.1.4 MSK系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真模型圖圖23 M

16、SK系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真模型圖3.2 GMSK系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖24 GMSK系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖3.3 GMSK調(diào)制仿真誤碼性能的M文件代碼圖25 GMSK調(diào)制仿真誤碼性能的M文件3.4 GMSK系統(tǒng)與MSK系統(tǒng)的性能比較的M文件代碼圖26 GMSK系統(tǒng)與MSK系統(tǒng)的性能比較的M文件4 GMSK系統(tǒng)仿真4.1 仿真 調(diào)試過(guò)程中主要通過(guò)MATLAB自帶的Help功能來(lái)進(jìn)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(guò)報(bào)錯(cuò)信息找出相應(yīng)的錯(cuò)誤，翻閱相關(guān)資料，與同組人經(jīng)過(guò)討論后進(jìn)行修改。在最終解決不了的情況下，請(qǐng)教老師，最終改正所有錯(cuò)誤。 設(shè)計(jì)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

17、xSNR和GMSK解調(diào)模塊的回溯長(zhǎng)度參數(shù)設(shè)為常數(shù)，運(yùn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，觀察示波器，發(fā)現(xiàn)沒有出現(xiàn)基帶與解調(diào)信號(hào)波形。先檢查示波器參數(shù)，發(fā)現(xiàn)并無(wú)問題，編譯SimuLink的.mdl文件時(shí)信號(hào)發(fā)生器報(bào)錯(cuò)，錯(cuò)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

18、解調(diào)模塊out put 參數(shù)均設(shè)置為integer，但實(shí)際上貝努力二進(jìn)制序列產(chǎn)生器產(chǎn)生的是一個(gè)由0和1組成二進(jìn)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(wú)錯(cuò)誤顯示。進(jìn)而運(yùn)行m文件，mdl文件界面彈出，說(shuō)明無(wú)法執(zhí)行mdl模型。檢查程序，發(fā)現(xiàn)xSimulation Time在m文件中有設(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

19、0;Time=10，再運(yùn)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(shí)現(xiàn)。  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(jìn)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(yùn)行文件，無(wú)錯(cuò)。4.2 GMSK調(diào)制與解調(diào)波形圖27 GMSK調(diào)制信號(hào)幅度和相角波形由于調(diào)制信號(hào)是一個(gè)復(fù)合信號(hào)，不能

20、直接由示波器觀察，通過(guò)一complex to magnitude-angle模塊將調(diào)制信號(hào)分為幅度和相角兩個(gè)變量來(lái)觀察。通過(guò)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(lái)看，相角連續(xù)，與理論符合。所以圖形基本正確。由圖28中基帶信號(hào)（上）與解調(diào)信號(hào)波形（下）比較可得，其由起始碼元到最后一個(gè)碼元，發(fā)現(xiàn)調(diào)制信號(hào)波形從第四個(gè)碼元開始與基帶信號(hào)完全符合，說(shuō)明系統(tǒng)的調(diào)制性能較好，基本實(shí)現(xiàn)了解調(diào)的目的將調(diào)制信號(hào)還原為基帶信號(hào)。圖28 GMSK基帶信號(hào)與解調(diào)信號(hào)圖29 BT=0.2的GMSK調(diào)制信號(hào)頻譜簡(jiǎn)單的說(shuō)，任何信號(hào)（滿足一定的數(shù)學(xué)條件），都可以通過(guò)傅里葉變換而分解成一個(gè)直流分量

21、和若干個(gè)正弦信號(hào)的和。每個(gè)正弦信號(hào)都有自己的頻率和幅值，這樣，以頻率值作橫軸，以幅值作縱軸，把上述若干個(gè)正弦信號(hào)的幅值畫在其所對(duì)應(yīng)的頻率上，就做出了信號(hào)的幅頻分布圖，也就是所謂頻譜圖。圖30 BT=0.6的GMSK調(diào)制信號(hào)頻譜實(shí)驗(yàn)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。圖31 BT=0.9的GMSK調(diào)制信號(hào)頻譜比較圖29、圖30和圖31中頻譜，發(fā)現(xiàn)BT=0.3與BT=0.9得GMSK調(diào)制頻譜，并無(wú)明顯差異，與GMSK調(diào)制信號(hào)的頻譜隨著BT的減小而變得緊湊起來(lái)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。4.3 GMSK調(diào)制信號(hào)眼圖圖32

22、BT=0.2時(shí)GMSK調(diào)制信號(hào)眼圖眼圖的“眼睛”張開的大小反映著碼間串?dāng)_的強(qiáng)弱。眼睛張的越大，且眼圖越端正，表示碼間串?dāng)_越??；反之表示碼間串?dāng)_越大。當(dāng)存在噪聲時(shí)，噪聲將疊加在信號(hào)上，觀察到的眼圖的線跡會(huì)變得模糊不清。若同時(shí)存在碼間串?dāng)_，“眼睛”將張開得更小。與無(wú)碼間串?dāng)_時(shí)的眼圖相對(duì)比，原來(lái)清晰端正的細(xì)線跡，變成了比較模糊的帶狀線，而且很不端正。噪聲越大，線跡越寬，越模糊；碼間串?dāng)_越大，眼圖越不端正。眼圖對(duì)于展示數(shù)字信號(hào)傳輸系統(tǒng)的性能提供了很多有用的信息：可以從中看出碼間串?dāng)_的大小和噪聲的強(qiáng)弱，有助于直觀地了解碼間串?dāng)_和噪聲的影響，評(píng)價(jià)一個(gè)基帶系統(tǒng)的性能優(yōu)劣；可以指示接受濾波器的調(diào)整，以減少碼間

23、串?dāng)_。（1）最佳抽樣時(shí)刻應(yīng)在“眼睛”張開最大的時(shí)刻。（2）對(duì)定時(shí)誤差的靈敏度可以由眼圖斜邊的斜率決定。斜率越大，對(duì)定時(shí)誤差就越敏感。（3）在抽樣時(shí)刻上，眼圖上下兩分支陰影區(qū)的垂直高度，表示最大信號(hào)畸變。（4）對(duì)于利用信號(hào)過(guò)零點(diǎn)取平均來(lái)得到定時(shí)信息的接受系統(tǒng)，眼圖傾斜分支與橫軸相交的區(qū)域的大小，表示零點(diǎn)位置的變動(dòng)范圍，這個(gè)變動(dòng)范圍的大小對(duì)提取定時(shí)信息有重要的影響。分析：由圖中混亂的線條可知，BT=0.2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33 BT=0.4時(shí)GMSK調(diào)制信號(hào)眼圖分析：由圖中混亂的線條可知，BT=0.4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

24、碼間串?dāng)_，但比BT=0.2時(shí)好得多。圖34 BT=0.9時(shí)GMSK調(diào)制信號(hào)眼圖分析：與圖33，34相比較，圖34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)。4.4 GMSK基帶信號(hào)星座圖GMSK基帶信號(hào)星座圖如下圖所示，分別為信噪比等于20及30時(shí)的星座圖。在通信科技中星座圖展示了信號(hào)在空間的排列分步，即在噪聲環(huán)境下信號(hào)之間的最小距離。星座圖對(duì)于判斷調(diào)制方式的誤碼率有很直觀的效用。并且，由于頻率調(diào)制時(shí)，其頻率分量始終隨著基帶信號(hào)的變化而變化，故而其基向量也是不停的變化，而且，此時(shí)在信號(hào)空間中的分量也為一

25、個(gè)確定的量。所以，對(duì)于頻率調(diào)制一般不討論其星座圖。由圖可以發(fā)現(xiàn)信噪比越大信號(hào)在空間的排列分布越緊湊。圖35 SNR=20時(shí)GMSK基帶信號(hào)星座圖圖36 SNR=30時(shí)GMSK基帶信號(hào)星座圖4.5 GMSK系統(tǒng)誤碼率曲線在BT=0.4、0.6時(shí)，對(duì)系統(tǒng)誤碼率進(jìn)行仿真。當(dāng)BT=0.4時(shí),既可以使頻域帶寬很窄,時(shí)域持續(xù)時(shí)間適當(dāng),又使時(shí)域信號(hào)容易實(shí)現(xiàn)。圖37 BT=0.4和BT=0.6GMSK系統(tǒng)誤碼率曲線仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)在BT=0.6時(shí)的誤碼率要低于BT=0.4時(shí)的誤碼率。這表明GMSK調(diào)制信號(hào)的頻譜隨著BT的減小而變得緊湊的時(shí)候，GMSK調(diào)制信號(hào)的誤碼性能卻變得越來(lái)越差?？梢?，GMSK頻譜特性的

26、改善是以誤碼率性能的下降為代價(jià)的。 所以，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。BT=0.4是個(gè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，常用于實(shí)際工程。當(dāng)然GMSK信號(hào)誤碼率不僅取決于信噪比，還與GMSK調(diào)制器參數(shù)Sample per symbol以及GMSK解調(diào)器參數(shù)Tracebacklength有關(guān)。增大這兩個(gè)參數(shù)值，其誤碼率將會(huì)降低。適當(dāng)改變這些參數(shù)并比較誤碼率性能的變化，從而弄清實(shí)際GMSK系統(tǒng)參數(shù)的確定依據(jù)。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，可以對(duì)通信系統(tǒng)的建立、通信理論的深入分析研究起到很好的效果。4.6 不同BT參數(shù)下的GMSK與MSK比較圖38 BT=0.4的GMSK與MSK比較從圖中可

27、以看出，BT=0.4的性能比BT=0.6的差；BT=0.4的曲線比較接近MSK曲線；MSK曲線的性能較優(yōu)。圖39 BT=0.6的GMSK與MSK比較從原理上說(shuō)，GMSK是MSK的改進(jìn)，GMSK頻譜在主瓣以外比MSK衰減得更快，而鄰路干擾小。但是，GMSK信號(hào)的頻譜特性的改善是通過(guò)降低誤碼率性能換來(lái)的。前置濾波器的帶寬越窄，即BT值越小，輸出功率頻譜就越緊湊，誤碼率性能就變得越差。當(dāng)BT趨于無(wú)窮時(shí)，GMSK就蛻變?yōu)镸SK。雖然，圖中只比較了BT=0.2和BT=0.4的曲線，但從趨勢(shì)上來(lái)看，BT的值越大，其曲線將越接近MSK曲線。附錄GMSK誤碼率作圖M文件源程序xSampleTime=1/100

28、00;xSimulationTime=10;xInitialSeed=61;xTracebackLength=4;x=0:10;y1=x;y2=x;bt=0.4;for i=1:length(x) xSNR=x(i); sim ('GMSK2'); y1(i)=xErrorRate(1);endbt=0.6;for i=1:length(x) xSNR=x(i); sim ('GMSK2'); y2(i)=xErrorRate(1);endsemilogy(x,y1,'b:*',x,y2,'r-');xlabel('SNR

29、(dB)')ylabel('Symbol Error Rate')legend('bt=0.4','bt=0.6')GMSK，MSK誤碼率比較作圖M文件源程序%gmsk誤碼率clear;clc;x=0:10;y=x;ty=zeros(11,3);xTracebackLength=6;%回溯長(zhǎng)度f(wàn)or j=1:6 xBT=j/10;for i=1:length(x) xSNR=x(i); sim('gmskb'); y(i)=xErrorRate(1);%獲取誤碼率endty(:,j)=y'end;semilogy(

30、x,ty(:,1),'r-*',x,ty(:,2),'b-d',x,ty(:,3),'g-o');xlabel('SNR(dB)');ylabel('Symbol Error Rate');grid on;%加網(wǎng)格基于Matlab的CDMA系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)一、引言CDMA是指在各發(fā)送端使用不相同、相互（準(zhǔn)）正交的地址碼調(diào)制所傳送的信息，而在接收端在利用碼型的（準(zhǔn)）正交性，通過(guò)相關(guān)檢測(cè)，從混合信號(hào)中選出相應(yīng)的信號(hào)的一種技術(shù)。實(shí)現(xiàn)CDMA的理論基礎(chǔ)是擴(kuò)頻通信，即在發(fā)送端將待發(fā)送的數(shù)據(jù)用偽隨機(jī)碼進(jìn)行調(diào)制，實(shí)現(xiàn)頻譜擴(kuò)展，然后

31、進(jìn)行傳輸，而在接收端則采用同樣的編碼進(jìn)行解擴(kuò)及相關(guān)處理，恢復(fù)原始的數(shù)據(jù)信息。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)多用戶下的DS-CDMA系統(tǒng)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，說(shuō)明DS-CDMA通信系統(tǒng)的基本實(shí)現(xiàn)方式，實(shí)現(xiàn)PSK調(diào)制與解調(diào)，加入信道噪聲，并實(shí)現(xiàn)多用戶檢測(cè)。在增加用戶的情況下，分別檢測(cè)系統(tǒng)的誤碼率。二、系統(tǒng)框圖及分析圖1DS-CDMA利用不同的地址碼（PN序列）區(qū)分用戶，地址碼與用戶數(shù)據(jù)（信碼）相乘后得到擴(kuò)頻信號(hào)，經(jīng)信道傳輸后，在接受端與本地地址碼進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)后，從中將地址碼與本地地址碼一致的用戶數(shù)據(jù)選出，把不一致的用戶除掉。從而實(shí)現(xiàn)了利用正交地址碼序列區(qū)分用戶，體現(xiàn)了碼分多址的通信方式。三、系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)及分析1、擴(kuò)頻設(shè)

32、計(jì) 1.1 基本原理擴(kuò)頻通信技術(shù)是一種信息傳輸方式，其信號(hào)所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息必需的最小帶寬；頻帶的擴(kuò)展是通過(guò)一個(gè)獨(dú)立的碼序列來(lái)完成，用編碼及調(diào)制的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的，與所傳信息數(shù)據(jù)無(wú)關(guān)；在接收端則用同樣的碼進(jìn)行相關(guān)同步接收、解擴(kuò)及恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)。 （1）擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ)香農(nóng)公式公式分析A、在給定的傳輸速率C不變的條件下，頻帶寬度W和信噪比SN是可以互換的。即可通過(guò)增加頻帶寬度的方法，在較低的信噪比情況下，傳輸信息。B、擴(kuò)展頻譜換取信噪比要求的降低，正是擴(kuò)頻通信的重要特點(diǎn)，并由此為擴(kuò)頻通信的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。 （2）工作原理在發(fā)端輸入的信息先經(jīng)信息調(diào)制形成數(shù)字信號(hào)，然后由擴(kuò)頻碼發(fā)生器產(chǎn)生

33、的擴(kuò)頻碼序列去調(diào)制數(shù)字信號(hào)以展寬信號(hào)的頻譜。展寬后的信號(hào)再調(diào)制到射頻發(fā)送出去。在接收端收到的寬帶射頻信號(hào)，變頻至中頻，然后由本地產(chǎn)生的與發(fā)端相同的擴(kuò)頻碼序列去相關(guān)解擴(kuò)。再經(jīng)信息解調(diào)、恢復(fù)成原始信息輸出。（3）實(shí)現(xiàn)方法擴(kuò)頻的基本方法有直接序列（DS）、跳頻（FH）、跳時(shí)（TH）和線性調(diào)頻（Chirp）等4種。本設(shè)計(jì)采用直接序列擴(kuò)頻工作方式，簡(jiǎn)稱直擴(kuò)(DS)方式。直序擴(kuò)頻技術(shù)的原理是使用快速變化的二進(jìn)制比特流調(diào)制射頻載波信號(hào)，這種二進(jìn)制比特流看上去是隨機(jī)的，實(shí)際上是按照特定的算法由數(shù)字電路產(chǎn)生的，稱為偽隨機(jī)碼（PN序列）。在偽隨機(jī)碼的調(diào)制下，信息通過(guò)發(fā)射機(jī)發(fā)射。相應(yīng)的接收機(jī)內(nèi)能夠產(chǎn)生相同的偽隨機(jī)碼

34、，按照發(fā)射的逆過(guò)程解調(diào)，解析出有效信息信號(hào)。1.2具體設(shè)計(jì)（1）信源設(shè)計(jì)信源采用二進(jìn)制貝努利序列產(chǎn)生器(Bernoulli Binary Generator)產(chǎn)生二進(jìn)制序列。采樣時(shí)間設(shè)置為6e-4 s，且不同用戶的隨機(jī)種子不同。（2）偽隨機(jī)序列設(shè)計(jì) 偽隨機(jī)碼是一種結(jié)構(gòu)可以預(yù)先確定，可重復(fù)產(chǎn)生和復(fù)制，具有某種隨機(jī)序列隨機(jī)特性的序列碼。偽隨機(jī)碼序列一般可以利用移位寄存器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生。在DS-CDMA系統(tǒng)中，所有用戶工作在相同的中心頻率上，輸入數(shù)據(jù)序列與偽隨機(jī)序列相乘后得到寬帶信息。不同用戶使用不同的PN序列，這些PN序列相互正交。在實(shí)際的通信系統(tǒng)中可以利用不同的偽隨機(jī)序列作為不同用戶的地址碼，從而實(shí)現(xiàn)

35、碼分多址通信。常用的PN序列有m序列、Walsh序列及GOLD序列。Walsh 碼序列比較復(fù)雜，正交性較好，主要用于CDMA IS-95 系統(tǒng)中。而Gold 序列可以比m 序列產(chǎn)生更多的地址碼，更適合于大型的通信系統(tǒng)。m序列是最長(zhǎng)線性移位寄存器序列的簡(jiǎn)稱。它是由多級(jí)移位寄存器或其他延遲元件通過(guò)線性反饋產(chǎn)生的最長(zhǎng)的碼序列。由于m序列容易產(chǎn)生、規(guī)律性強(qiáng)、有許多優(yōu)良的性能，在擴(kuò)頻通信中最早獲得廣泛的應(yīng)用。如圖2所示，m序列可由二進(jìn)制線性反饋移位寄存器產(chǎn)生。它主要由n個(gè)串聯(lián)的寄存器、移位脈沖產(chǎn)生器和模2加法器組成。 圖中第i級(jí)移存器的狀態(tài)ai表示，ai=0 或ai=1，i=整數(shù)。反饋線的連接狀態(tài)用ci

36、表示，ci=1表示此線接通（參加反饋），ci=0表示此線斷開。由于反饋的存在，移存器的輸入端受控地輸入信號(hào)。不難看出，若初始狀態(tài)為全“0”,則移位后得到的仍為全“0”，因此應(yīng)避免出現(xiàn)全“0”狀態(tài)，又因?yàn)閚級(jí)移存器共有2n-1種可能的不同狀態(tài)，除全“0”狀態(tài)外，剩下2n-1種狀態(tài)可用。每移位一次，就出現(xiàn)一種狀態(tài)，在移位若干次后，一定能重復(fù)出現(xiàn)前某一狀態(tài)，其后的過(guò)程便周而復(fù)始了。反饋線位置不同將出現(xiàn)不同周期的不同序列，我們希望找到線性反饋的位置，能使移存器產(chǎn)生的序列最長(zhǎng)，即達(dá)到周期P=2n-1。按圖2中線路連接關(guān)系，可以寫為： （模2）該式稱為遞推方程。圖2 線性反饋移位寄存器上面曾經(jīng)指出，ci的

37、取值決定了移位寄存器的反饋連接和序列的結(jié)構(gòu)。現(xiàn)在將它用下列方程表示：這一方程稱為特征多項(xiàng)式。式中xi僅指明其系數(shù)ci的值（1或0），x本身的取值并無(wú)實(shí)際意義，也不需要去計(jì)算x的值。例如，若特征方程為f(x)=1+x+x4則它僅表示x0,x1和x4的系數(shù)c0=c1=c4=1,其余為零。經(jīng)嚴(yán)格證明：若反饋移位寄存器的特征多項(xiàng)式為本原多項(xiàng)式，則移位寄存器能產(chǎn)生m序列。只要找到本原多項(xiàng)式，就可構(gòu)成m系列發(fā)生器。 表1 部分本原多項(xiàng)式m序列的基本性質(zhì)如下：周期性：m序列的周期p取決于它的移位寄存器的級(jí)數(shù), p=2n-1平衡特性：m序列中0和1的個(gè)數(shù)接近相等；m序列中一個(gè)周期內(nèi)“1”的數(shù)目比“0”的數(shù)目多

38、1個(gè)。游程特性：m序列中長(zhǎng)度為1的游程約占游程總數(shù)的1/2，長(zhǎng)度為2的游程約占游程總數(shù)的1/22 ,長(zhǎng)度為3的游程約占游程總數(shù)的1/23 線性疊加性：m序列和其移位后的序列逐位模2相加，所得的序列還是m序列，只是相移不同而已。例如與向右移3位后的序列逐位模2相加后的序列為，相當(dāng)于原序列向右移1位后的序列,仍是m序列。用公式表示為:其中: u(i)、up(i)、uq(i)分別為原序列、平移p個(gè)元素后的序列及平移相加后得到的序列中的第i個(gè)元素。二值自相關(guān)特性：碼位數(shù)越長(zhǎng)越接近于隨機(jī)噪聲的自相關(guān)特性。m序列的自相關(guān)函數(shù)計(jì)算式為其中:,為碼序列的最大長(zhǎng)度,亦即m序列的周期； Tc為m序列碼的碼元寬度。

39、可見,相關(guān)函數(shù)是個(gè)周期函數(shù)。m序列發(fā)生器中，并不是任何抽頭組合都能產(chǎn)生m序列。理論分析指出，產(chǎn)生的m序列數(shù)由下式?jīng)Q定：其中(x)為歐拉數(shù)(即包括1在內(nèi)的小于x并與它互質(zhì)的正整數(shù)的個(gè)數(shù))。例如5級(jí)移位寄存器產(chǎn)生的31位m序列只有6個(gè)。該設(shè)計(jì)采用PN序列生成器（PN Sequence Generator），生成擴(kuò)頻序列不同的用戶。PN序列生成器，使用相同的特征多項(xiàng)式1 0 0 0 0 1 1,但是初始狀態(tài)不同。采樣一般設(shè)置為信源速率的整數(shù)倍，該系統(tǒng)采樣時(shí)間設(shè)置為2e-5 s。1.3極性轉(zhuǎn)換與乘法器用乘法器（Product）對(duì)將已進(jìn)行極性轉(zhuǎn)換的信源和擴(kuò)頻序列相乘，完成擴(kuò)頻。 （1）基本原理：二進(jìn)制數(shù)

40、用0，1表示，在常用的正邏輯數(shù)字電路里面的形式是低電平（L）、高電平（H）。兩個(gè)二進(jìn)制序列A、B由異或門及模擬乘法器進(jìn)行處理的電路及輸出如圖3所示。1 1 0 001 1 10 0BA1 1 1 1 -1 -1 -1-1 -1-1 -A，B = -1(B=0)：AAA·B = A·B 01AAB( a )AB =A， B=0：A， B=1： 1 1 A-AB( b )A， B = +1(B=1)：圖3 兩個(gè)二進(jìn)制序列通過(guò)(a)異或門及(b)模擬乘法器圖3中，假定A=，B是長(zhǎng)串的連0或連1。模擬乘法器輸入、輸出端有自己的正常靜態(tài)偏置電平，故與前后電路必須通過(guò)隔直流電容相聯(lián)。輸

41、入二進(jìn)制序列0、1經(jīng)過(guò)隔直后，以模擬乘法器輸入偏置電平為參考，成為負(fù)電平、正電平，歸一化后為-1、+1，即0變成-1，1變成+1。由圖3可見，除了倒相之外，兩電路的輸出完全相同。而倒相的差別，很容易通過(guò)加一級(jí)倒相器來(lái)消除，可以不予考慮。將A、B互換或改為其它數(shù)椐重畫波形，可得到相同結(jié)果。由以上分析可得到以下結(jié)論：（0，1）域上的二進(jìn)制序列作乘法運(yùn)算，必須首先轉(zhuǎn)換到（-1，+1）域上（0-1，1+1）然后再相乘。二進(jìn)制序列在（0，1）域上模二加（異或）運(yùn)算與其在（-1，+1）域上的乘法運(yùn)算等效。進(jìn)一步分析容易得出，對(duì)于兩路輸入信號(hào)為多個(gè)數(shù)字序列波形線性疊加的情況，只要輸入幅度沒超過(guò)模擬乘法器線性

42、工作范圍，上述結(jié)論（1）仍適用；而異或門是非線性器件，上述結(jié)論（2）就不能推廣了。（2）擴(kuò)頻過(guò)程如圖4所示：貝努力序列擴(kuò)頻信號(hào)PN序列圖4：擴(kuò)頻過(guò)程演示2、調(diào)制與解調(diào)設(shè)計(jì) 調(diào)制采用M-PSK調(diào)制模塊（M-PSK Modulator Baseband），設(shè)置為8進(jìn)制相移鍵控。8進(jìn)制相移鍵控即是將輸入二進(jìn)制數(shù)字序列中每3比特分成一組，共有8種組合，即000，001，010，011，100，101,110,111。用8種相位之一去代表每種排列。解調(diào)采用M-PSK解調(diào)模塊（M-PSK Modulator Baseband），同樣設(shè)置為8進(jìn)制。8PSK信號(hào)相位如圖5所示：圖5：8PSK信號(hào)相位圖3、信道

43、設(shè)計(jì) 采用加性高斯白噪聲信道(AWGN Channel模塊)進(jìn)行分析。由于AWGN信號(hào)易于分析、近似，因此在信號(hào)處理領(lǐng)域，對(duì)信號(hào)處理系統(tǒng)（如濾波器、低噪音高頻放大器、無(wú)線信號(hào)傳輸?shù)龋┑脑肼曅阅艿暮?jiǎn)單分析(如：信噪比分析)中，一般可假設(shè)系統(tǒng)所產(chǎn)生的噪音或受到的噪音信號(hào)干擾在某頻段或限制條件之下是高斯白噪聲。4、相關(guān)檢測(cè)設(shè)計(jì)4.1基本原理DS-CDMA系統(tǒng)的載波調(diào)制方式可采用調(diào)頻或調(diào)相，以調(diào)相方式應(yīng)用最廣。以2PSK調(diào)制為例，發(fā)端用戶1發(fā)射的信號(hào)為 （式1）上式中，d1(t).c1(t)是（-1，+1）域二元數(shù)據(jù)，則S1(t)是0/調(diào)相的2PSK信號(hào)。故載波調(diào)制器就是模擬乘法器。式1可寫成如下形式

44、 （式2） 或 （式3） 上式表明，發(fā)端的DS-CDMA射頻信號(hào)，可通過(guò)先擴(kuò)頻調(diào)制再載波調(diào)制（式2）或先載波調(diào)制再擴(kuò)頻調(diào)制（式3）得到，二者是等效的。與此對(duì)應(yīng)，收端也有二種等效的解調(diào)方案。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用的方案是：發(fā)端先擴(kuò)頻調(diào)制再載波調(diào)制，收端先載波解調(diào)再擴(kuò)頻解調(diào)。發(fā)端N個(gè)用戶發(fā)射在空中的信號(hào)在時(shí)域、頻域完全混疊在一起，收端每一個(gè)用戶都可收到。收端第1個(gè)用戶天線收到的信號(hào)（式4）解調(diào)后的信號(hào) （式5）經(jīng)過(guò)與本地地址碼c1(t)相關(guān)檢測(cè)后輸出信號(hào) （式6） 上式中，T為地址碼序列周期，等于信碼周期Tb，故積分號(hào)中信碼di(t)是常數(shù)可提出，得 （式7） 已知PN序列的互相關(guān)函數(shù)為0，即 （式8）代

45、入式7，根據(jù)地址碼的正交性關(guān)系可得 （式9）上式9中為c1(t)的自相關(guān)函數(shù)峰值。經(jīng)采樣后得到方波形式的信碼d1(t)。收端用戶1從發(fā)端N個(gè)用戶發(fā)射在空中，在時(shí)域及頻域完全混疊的DS-CDMA信號(hào)中，接收到發(fā)端用戶1的信碼。4.2解擴(kuò)設(shè)計(jì) 將解調(diào)后信號(hào)與原偽隨機(jī)序列相乘完成解擴(kuò)。4.3濾波器設(shè)計(jì) 每一路用戶與對(duì)應(yīng)的PN序列相乘完成解擴(kuò)，解擴(kuò)后的信號(hào)是窄帶信號(hào)。其他用戶仍是寬帶信號(hào)，因此還需要設(shè)計(jì)一個(gè)低通濾波器，將窄帶信號(hào)提取出來(lái)。設(shè)置濾波器為FIR低通濾波器,Fs=100Hz,Fpass=4Hz,Fstop=9Hz。四、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果及分析1、頻譜分析和信號(hào)波形對(duì)比假設(shè)：信碼速率Rb（單位：b/

46、s，比特/秒）、周期Tb=1/Rb；地址碼速率Rp（單位：c/s，碼片/秒或子碼/秒）、周期Tp=1/Rp，地址碼序列每周期包含p個(gè)子碼元，序列周期。通常設(shè)置即上式表明，地址碼速率Rp是信息速率Rb的p整數(shù)倍，1個(gè)信碼周期Tb對(duì)應(yīng)一個(gè)地址碼序列周期T。信息碼與地址碼相乘后占據(jù)的頻譜寬度擴(kuò)展了p倍。擴(kuò)頻前頻譜：擴(kuò)頻后的頻譜：解擴(kuò)濾波后的頻譜：可以看到：待傳信息的頻譜被擴(kuò)展了以后，能量被均勻地分布在較寬的頻帶上，功率譜密度下降；擴(kuò)頻信號(hào)解擴(kuò)以后，寬帶信號(hào)恢復(fù)成窄帶信息，功率譜密度上升；相對(duì)與信息信號(hào)，脈沖干擾只經(jīng)過(guò)了一次被模二相加的調(diào)制過(guò)程，頻譜被擴(kuò)展，功率譜密度下降，從而使有用信息在噪聲干擾中被提取出來(lái)。信號(hào)源和接收端波形對(duì)比由上圖可以看出信號(hào)源和接收波形是一致的。這是在3用戶的情況下，誤碼率只有0.01295時(shí)查看的波形。2、誤碼率分析用戶數(shù)量調(diào)制方式信道SNR(dB)誤碼率38-PSK100.0129548-PSK100.0236858-PSK100.0203268-PSK100.0396778-PSK100.04002從上面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著用戶數(shù)量的增加，誤碼率基本隨著增大的趨勢(shì)。而用戶數(shù)量為5時(shí)，誤碼率反而比用戶數(shù)量為4時(shí)有所