通信原理GMSK實驗

1、北京郵電大學通信原理實驗實驗報告實驗名稱：高斯最小移頻鍵控（GMSK）調(diào)制器實驗學院： 信息與通信工程學院 班級： 姓名： 聯(lián)系方式：郵箱： 學號： 教師： 韓玉芬 目錄一、實驗目的3二、實驗內(nèi)容3三、實驗原理31、 GMSK調(diào)制器工作原理及相位路徑的計算32、數(shù)字信號處理方法實現(xiàn)GMSK調(diào)制器5四、實驗步驟6五、系統(tǒng)設計61、總體設計62、軟件部分73、硬件部分15六、故障與解決方法19七、心得體會20 八、參考文獻.21一、 實驗目的1、 通過利用數(shù)字基帶處理方法來實現(xiàn)高斯最小移頻鍵控（GMSK）調(diào)制器算法的基帶硬件實驗，對通信系統(tǒng)硬件實現(xiàn)有新的認識及新的思路。2、 掌握MAX+plusI

2、I 及可編程器件的應用。3、 學會C語言或Matlab軟件進行GMSK相位路徑及仿真眼圖的編程。4、 正確使用測試儀表。5、 理論聯(lián)系實際，培養(yǎng)科學實驗態(tài)度，提高實際動手能力。二、 實驗內(nèi)容1、 了解GMSK調(diào)制器工作原理，推導GMSK信號相位路徑的計算公式，掌握GMSK調(diào)制器數(shù)字化實現(xiàn)的原理。2、 掌握GMSK調(diào)制器數(shù)字化、實現(xiàn)地址邏輯的工作原理，用可編程邏輯器件實現(xiàn)地址邏輯的設計，并仿真各點波形，分析檢驗其時序邏輯關系。3、 了解GMSK相位路徑的編程流程圖，并用計算機編出相位路徑的余弦及正弦表。4、 為了檢驗所編碼表的正確性，可進一步利用計算機軟件檢驗從上述碼表得出的GMSK基帶波形的眼

3、圖與理論計算是否一致，若兩者一致，說明所編碼表正確，可將它寫入EPROM中，并將EPROM片子插在GMSK調(diào)制器硬件實驗板上。5、 在通信實驗板上，正確使用測試儀表觀看GMSK基帶信號眼圖。（1）用示波器觀看GMSK基帶信號眼圖；（2）用邏輯分析儀觀看地址邏輯電路各點波形及其時序關系；（3）用頻譜儀觀看GMSK調(diào)制器基帶波形的功率譜。6、 按上述要求寫出實驗報告。三、 實驗原理1、 GMSK調(diào)制器工作原理及相位路徑的計算MSK調(diào)制可以看成調(diào)制指數(shù)h=0.5的2FSK調(diào)制器，為了滿足移動通信對發(fā)送信號功率譜的帶外輻射要求，在MSK調(diào)制前加入高斯濾波器，因而GMSK具有恒包絡，連續(xù)相位的特點，其旁

4、瓣衰減比MSK更快，頻譜利用率更高。產(chǎn)生GSMK信號的原理圖如下其中，g(t)為BT=0.3高斯濾波器矩形脈沖響應，調(diào)制指數(shù)h=0.5，bn為雙極性不歸零碼序列的第n個碼元，bn為+1或-1。高斯低通濾波器的傳輸函數(shù)為 式中，是與高斯濾波器的3dB帶寬有關的一個常數(shù)。由3dB帶寬定義有 即 所以 由此可見，改變將隨之改變。濾波器的沖激響應為由式看出，不是時限的，但它隨按指數(shù)規(guī)律迅速下降，所以可近似認為它的寬度是有限的。由于它的非時限性，相鄰脈沖會產(chǎn)生重疊。如果輸入為雙極性不歸零矩形脈沖序列： 式中， 其中，為碼元間隔。高斯預調(diào)制濾波器的輸出為當取不同值時，高斯濾波器的矩形脈沖響應g(t)如下圖

5、所示。經(jīng)計算，BTb=0.3的高斯濾波器的的積分面積為1/2，且滿足以下條件所以，對于BT=0.3的高斯濾波器，取g(t)的截短長度為5T來計算GMSK信號的相位，就可達到足夠精度。由于g(t)在5T時間區(qū)間呢的積分面積為1/2，所以BT=0.3的GMSK相位路徑計算大為化簡。2、數(shù)字信號處理方法實現(xiàn)GMSK調(diào)制器在算得后，即可算出及值。在工程上，首先將及離散化，制成表，固化在ROM中。由隨機數(shù)據(jù)形成ROM表的地址，根據(jù)地址取出ROM中相應的基帶信號離散值，然后利用D/A將其數(shù)模變換成模擬基帶信號和，再由正交調(diào)制器將基帶頻譜搬移至載頻上。本實驗的電路原理如圖所示。 在上圖中，虛框內(nèi)表示地址邏輯

6、，功能是取出所需要的采樣量化點。ROM表中存放的是1024個點的余弦值和正弦值。DAC是模數(shù)轉換，即將1024個數(shù)據(jù)進行量化，可以通過計算機繪圖plot函數(shù)實現(xiàn)。由于存在著采樣造成的副主瓣，影響了功率譜特性，因此必須在D/A后加低通濾波器來抑制高頻分量，減少副主瓣對功率譜的影響。選用在上圖中，虛框內(nèi)表示地址邏輯，功能是取出所需要的采樣量化點。ROM表中存放的是1024個點的余弦值和正弦值。DAC是模數(shù)轉換，即將1024個數(shù)據(jù)進行量化，又計算機繪圖程序實現(xiàn)。LPF是低通濾波器，可抑制高頻分量，減少副主瓣對功率譜的影響。選用3dB帶寬為330kHz的6階貝塞爾低通濾波器，數(shù)模變換后的基帶信號經(jīng)低通

7、濾波器后的功率譜滿足GSM05.05建議的要求。四、 實驗步驟1、 仔細推導g(t)、(t)的計算公式。2、 自學Matlab軟件。3、 用Matlab編寫GMSK高斯濾波器的矩形脈沖響應g(t)的函數(shù)。4、 繪制g(t)函數(shù)驗證程序的正確性。5、 用Matlab編寫計算(t)的程序。6、 用Matlab編寫計算余弦和正弦的程序，并設計余弦和正弦ROM表。7、 將余弦及正弦碼表中每樣值的10bit碼字，按照地址邏輯進行存放。8、 用預編碼后得到的隨機序列表，經(jīng)過地址邏輯運算由ROM中順序取出及的離散值，然后利用計算機繪圖程序（功能相當于數(shù)模變換DAC），得到基帶波形的輸出，觀察仿真眼圖。9、

8、把得到的正余弦表進行數(shù)字量化，寫入BIN文件，下載到硬件系統(tǒng)中，通過示波器觀察實際硬件實現(xiàn)的GMSK信號眼圖。五、 系統(tǒng)設計1、 總體設計總體結構圖：VHDL硬件設計量化生成BIN文件產(chǎn)生高斯濾波器沖擊響應g（t）實驗板測試計算相位路徑（t）MATLAB仿真眼圖MATLAB繪制隨機序列的功率譜總體流程圖：2、軟件部分（1）g（t）函數(shù)的產(chǎn)生利用erfc（）函數(shù)以及相應的參數(shù)設置得到的表達式，然后作圖可以得到的圖像。代碼：function f = g( t )%計算g(t)clc;clear;T=1/270833;B=0.3/T;a=1/B*sqrt(log(2)/2);t=linspace(-

9、2.5*T,2.5*T,1000);f=1/(2*T)*1/2*(erfc(pi/a*(t-T/2)-erfc(pi/a*(t+T/2);plot(t,f);title(' BT=0.3時，高斯濾波器矩形脈沖響應g(t)');xlabel('t(限定在5T范圍內(nèi))');ylabel('g(t)');得到高斯濾波器沖擊響應如下圖所示：（2）相位路徑（t）與正余弦碼表的產(chǎn)生思路：首先產(chǎn)生32種由5位0、1組合的序列b，既可以將所有情況羅列并一一賦值，也可以通過循環(huán)實現(xiàn)，代碼選擇的是后者；其次是計算（t）的值，記為pb。（t）分為兩部分：（KT）與，將

10、所有pb添加至pa數(shù)組中；最后保存sin.mat和cos.mat。代碼：clc;clear;T=1/270833;B=0.3/T;a=sqrt(log(2)/2)/B;t=linspace(-2.5*T,2.5*T,1024);g=(t)(0.5*erfc(pi*(t-T/2)/a)-0.5*erfc(pi*(t+T/2)/a)/(2*T); b=zeros(32,5); % 32種組合 每種組合中5位for n=0:31 %生成數(shù)組b，內(nèi)容是32組01組合 m=n; for j=4:-1:1 if floor(m/2j)=1 b(n+1,5-j)=1,m=m-2j,end; end; b(n

11、+1,5)=m; for i=1:5 if b(n+1,i)=0 b(n+1,i)=-1; end; end;end; pa=;for n=0:31 for L=0:3 fai=0; for j=-2:2 fai=fai+pi*b(n+1,j+3)*quad(g,-2.5*T,-j*T-T/2); end fai=fai+L*pi/2; %計算kT處的fai值 for i=0:7 delta=0; for j=-2:2 delta=delta+pi*b(n+1,j+3)*quad(g,-j*T-T/2,i*T/8-j*T-T/2); end %計算delta的fai值 pb=fai+delta

12、; pa=pa,pb; %將pb添加入pa數(shù)組中 end endend%figure(2);%plot(t,pa);s=sin(pa); %正弦表c=cos(pa); %余弦表save('sin.mat','s');save('cos.mat','c');(3)眼圖的繪制思路：隨機產(chǎn)生碼元序列，從b數(shù)組中取出并換算為十進制，根據(jù)得到的十進制數(shù)，從ROM中讀取出連續(xù)的八位離散數(shù)值通過計算機繪圖（DAC），觀察仿真眼圖。說明：A、 開辟空間存入ROM表以及偽隨機序列。B、根據(jù)所用的ROM表確定采樣頻率, 即一個碼元時間內(nèi)有8個抽樣值，

13、每樣值的量化電平是10，并設初始相位是0，即起始地址是0000000000。C、確定讀取信號的數(shù)目為10*TIMES，即每十個碼元時間的波形顯示于同一屏幕。共顯示TIMES次。D、由bk-2,bk-1,bk,bk+1,bk+25個碼元及象限L形成地址邏輯獲得ROM表中的7位地址；E、再取三位地址碼，順序取出i=0,1,2,3,4,5,6,7個抽樣量化值，由10位地址邏輯找到ROM中基帶波形的位置，將其轉換成實際值，存入一個數(shù)據(jù)文件用于眼圖仿真，共有10*TIMES*n個值（n=8）；F、根據(jù)產(chǎn)生眼圖的原理，將每次掃描結果疊加而成，刪除程序中清屏幕命令，即可看到眼圖；代碼：p; m=223-1;

14、 %偽隨機序列個數(shù)TIMS=500; %顯示次數(shù)k=5;t=1:80;bcos=zeros(1,80);bsin=zeros(1,80);seq=round(rand(1,m); %產(chǎn)生偽隨機序列an=0,seq(1:4); %初始4位隨機碼,最開始0或1關系到L初始值%an=1,seq(1:4);figure(1); for i=1:TIMS for j=0:9 %一屏顯示的碼元時間，五個眼 an=an(2:5),seq(k); %產(chǎn)生隨機組合 n=an(1)*16+an(2)*8+an(3)*4+an(4)*2+an(5); %將隨機組合換為十進制 if(k=5) L=0; %初始化L e

15、lse seq(k-5)=2*seq(k-5)-1; L=L+seq(k-5); end; k=k+1; L=mod(L,4); num=n*32+L*8; for n=0:7 bcos(j*8+n+1)=c(num+n+1)+1; %取ROM中的余弦值 bsin(j*8+n+1)=s(num+n+1)+1; %取ROM中的正弦值 end; end; plot(t,bcos); hold on; title('cos眼圖');end;眼圖仿真波形圖： （4）量化并生出BIN文件思路：1. 將正余弦表進行10bit單極性量化，量化范圍為0-1023。2. 芯片ROM為8K，量化后

16、的正余弦高兩位、低八位分別放在不同的芯片里，需要三個BIN文件，分別是cosbin，sinbin，cossin。3. 硬件結構中A2、A1、A0是沒有用的，在寫入BIN文件前需要在每兩個量化結果之間插入7個0作為低位，即對每一個BIN文件進行擴容，這點造成了存儲空間的很大浪費。代碼：cosbin=zeros(10,1024);sinbin=zeros(10,1024);p; c1=(c+1)*511.5; %值為0-1023c2=(s+1)*511.5;for i=1:1024 %量化cos m=c1(i); for j=9:-1:1 if floor(m/2j)=1 cosbin(10-j,

17、i)=1;m=m-2j;end; end; cosbin(10,i)=floor(m);end;for i=1:1024 %量化sin m=c2(i); for j=9:-1:1 if floor(m/2j) sinbin(10-j,i)=1;m=m-2j;end; end; sinbin(10,i)=floor(m);end; coslow=zeros(1,1024); %寫入三個數(shù)組sinlow=zeros(1,1024);cossin=zeros(1,1024);for i=1:1024 coslow(i)=cosbin(3,i)*27+cosbin(4,i)*26+cosbin(5,i

18、)*25+cosbin(6,i)*24+cosbin(7,i)*23+cosbin(8,i)*22+cosbin(9,i)*2+cosbin(10,i); sinlow(i)=sinbin(3,i)*27+sinbin(4,i)*26+sinbin(5,i)*25+sinbin(6,i)*24+sinbin(7,i)*23+sinbin(8,i)*22+sinbin(9,i)*2+sinbin(10,i); cossin(i)=sinbin(1,i)*27+sinbin(2,i)*26+cosbin(1,i)*2+cosbin(2,i);end; coslowbin=zeros(1,1024*

19、8); %產(chǎn)生擴容后的數(shù)組，地址結構決定sinlowbin=zeros(1,1024*8);cossinbin=zeros(1,1024*8);for i=1:1024 coslowbin(i*8-7)=coslow(i); sinlowbin(i*8-7)=sinlow(i); cossinbin(i*8-7)=cossin(i);end;fidcos = fopen('cosbin.bin','w');fwrite(fidcos,coslowbin);fidsin = fopen('sinbin.bin','w');fwrit

20、e(fidsin,sinlowbin);fidcossin = fopen('cossin.bin','w');fwrite(fidcossin,cossinbin);fclose('all');產(chǎn)生的BIN文件如下圖所示： cos和sin的高兩位合成的BIN文件 cos低八位的BIN文件 sin低八位的BIN文件 （5） 眼圖的功率譜密度思路：仿真功率譜密度使用偽隨機序列提供地址邏輯，最后生成的值進行傅立葉變換，再平方，運用對數(shù)刻度將其plot即可仿真功率譜密度。其中的傅里葉變換依靠fft方法。代碼：p;fs=2.166664*106; %采樣

21、速率(Hz)m=27; %采樣點數(shù)T=(m-4)/270833; %時域范圍（時域點數(shù)）df=1/T;f=-fs/2+df:df:fs/2; %頻域范圍（頻域點數(shù)） bn=round(rand(1,m);tmp=0,bn(1:4); %b(k-2)至b(k+2)數(shù)據(jù)暫存器k=5;bcos=;for i=1:m-4 %bn取值范圍為1至m tmp=tmp(2:5),bn(k); n=tmp(1)*16+tmp(2)*8+tmp(3)*4+tmp(4)*2+tmp(5);%對應數(shù)列中位置的高5位 if k=5 L=0; else bn(k-5)=2*bn(k-5)-1; %預編碼 L=L+bn(k

22、-5); end; L=mod(L,4); %L取模4 k=k+1; num=n*32+L*8; %對應數(shù)列中的實際地址 bcos(i*8-7:i*8)=c(num+1:num+8); %8位采樣點end;S=t2f(bcos,fs);Eg=abs(S).2;plot(f,10*log10(Eg);xlabel('f(Hz)');ylabel('dB/Hz');title('GMSK功率譜密度圖');%傅里葉正變換function S= t2f(s,fs) % s代表輸入信號，S代表s的頻譜，fs是采樣頻率N= length(s); %樣點總數(shù)T

23、= 1/fs*N; %觀察時間f= -N/2:(N/2-1)/T; % 頻率采樣點tmp1= fft(s)/fs;tmp2= N*ifft(s)/fs;S(1:N/2)= tmp2(N/2+1: -1:2);S(N/2+1:N)= tmp1(1:N/2);S= S.*exp(j*pi*f*T);end生成的功率譜仿真圖如下圖所示：（不同的隨機序列） 3、硬件部分硬件我們采用的是GMSK調(diào)制器通信系統(tǒng)實驗箱，電擦除器，28管腳ROM編程器。電路設計可分為時鐘分頻、偽隨機序列的產(chǎn)生、地址邏輯的生成3部分。其中時鐘分頻和偽隨機序列產(chǎn)生可由VHDL語言實現(xiàn)，地址邏輯的生成可由硬件之間的連線實現(xiàn)。（1）

24、地址邏輯框圖利用Quartus軟件得到的地址邏輯電路圖如下圖。 其中clockmgdf器件是時鐘脈沖發(fā)生器以及偽隨機序列發(fā)生器；DATA為偽隨機輸出信號，A5、A4、A3為8個采樣值的邏輯地址碼；A6、A7為兩位象限邏輯地址碼，對應L從0到3；A8、A9、A10、A11、A12為5為信息地址碼。時鐘脈沖發(fā)生器的VHDL代碼為：library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity clockmgdf isport(CLK:in std_logic;A3:out std_logic;A4:ou

25、t std_logic;A5:out std_logic;DATA:out std_logic);end;architecture a of clockmgdf issignal adr:std_logic_vector(2 downto 0);signal m:std_logic_vector(22 downto 0):= (others=> '0');signal n:integer range 0 to 7;beginprocess(CLK)beginif (CLK'event and CLK='1') thenif n = 7 thenn

26、<= 0;if m = 0 then m(0) <= '1'elsem <= m(21 downto 0) & (m(0) xor m(22);end if;elsen <= n + 1;end if;adr <= adr + 1;end if;end process;A3 <= adr(0);A4 <= adr(1);A5 <= adr(2);DATA <= m(0);end;偽隨機序列發(fā)生器的VHDL代碼為：library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std

27、_logic_unsigned.all;entity addrlogic isport(DATA:in std_logic;A5:in std_logic;A6:out std_logic;A7:out std_logic;A8:out std_logic;A9:out std_logic;A10:out std_logic;A11:out std_logic;A12:out std_logic);end;architecture a of addrlogic issignal DataTemp:std_logic_vector(4 downto 0):="00000"si

28、gnal L:std_logic_vector(1 downto 0):="00"beginprocess(A5)beginif (A5'event and A5='0') thenif(DataTemp(4)='0') thenL<=L-1;elseL<=L+1;end if;DataTemp <= DataTemp(3 downto 0) & DATA;end if;end process;A6<= L(0);A7<= L(1);A8<= DataTemp(0);A9<= Data

29、Temp(1);A10<= DataTemp(2);A11<= DataTemp(3);A12<= DataTemp(4);end;（2）輸出波形計算機仿真邏輯的輸出波形為：（3）器件編程 將文件下載到GMSK通信系統(tǒng)實驗箱通信實驗板，用邏輯分析儀或存儲示波器觀測地址邏輯波形。其中管腳分配如下：地址線A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3管腳號46686765646361604948（4）硬件調(diào)試步驟A、用編程器將量化后的碼表的二進制bin數(shù)據(jù)文件下載到ROM中，在將下載成功的芯片插在GMSK通信實驗板上，注意芯片的位置和方向；B、將GMSK通信實驗板上的JTAG接口與計算機相連；C、將雙路穩(wěn)壓電源調(diào)整為±16V；D、接通電源，用示波器觀察余弦經(jīng)過低通濾波器LPF后的輸出波形，與Matlab軟件仿真的眼圖比較。（5）示波器輸出眼圖六、 故障與解決方法問題1 眼圖如下：寫程序代碼時對每屏10個碼元時間理解不深：十個碼元時間指的是十個變化過程，共有五個周期，即五個眼。