毕业设计（论文）-GSM系统仿真

目 录 摘要 .I Abstract. II 第一章 引 言 . 1 1.1 课题研究背景与意义 . 1 1.2 课题国内外研究现状 . 1 1.3 课题研究内容与技术路线 . 2 1.4 本文结构 . 2 第二章 GSM 主要原理及组成 . 4 2.1 基本工作原理 . 4 2.2 GSM 系统的构成 . 4 2.2.1 移动台（ MS） . 4 2.2.2 基站子系统（ BSS） . 4 2.2.3 网络子系统（ NSS） . 5 第三章 GSM 系统仿真设计与分析 . 7 3.1 GSM 系统仿真流程 . 7 3.2 信源模块 . 7 3.3 调制模块 . 7 3.3.1 GMSK 调制原理 . 7 3.3.2 GMSK 模块设计 . 9 3.3.3 MSK 调制解调仿真设计与分析 . 10 3.4 发射模块 . 16 3.5 信道模块 . 16 3.6 射频接收模块 . 16 3.7 混频模块 . 17 3.7.1 混频器的变频作用 . 17 3.7.2 混频器工作原理 . 18 3.7.3 混频器主要性能指标 . 19 3.7.4 混频模块设计 . 20 3.8 解调模块 . 20 3.9 仿真参数设置 . 21 3.10 性能测试与结果分析 . 22 第 四章 结束语 . 28 4.1 设计结果与不足 . 28 4.2 总结与展望 . 28 致谢 .错误 !未定义书签。 参考文 献 . 31 附录：仿真模块参数表 . 32 I GSM 系统仿真 摘要 ： GSM (Global System for Mobile Communication)俗称“全球通”，它依照欧洲通信标准化委员会 （ ETSI） 制定的 GSM 规范研制而成， 属于 第二代移动通信技术（ 2G） ， 其开发目的是让全球各地可 以共同使用一个移动电话网络标准， 让用户使用一部手机就能行遍全球。该系统 目前已经扩展到全世界的各个角落，成为用户数量最大的移动通信系统，而中国是拥有 GSM 移动用户数量最多的国家。尽管 GSM 在数据通信方面与 CDMA 相比有一定劣势，但作为最大的移动通信系统，尤其在二代半或第三代移动通信系统还没有大规模实际应用的情况下，对 GSM 做进一步研究和挖掘 具有很大的意义。 本设计主要利用 SystemView 仿真一个 GSM 系统，在研究 了 GSM 系统传输原理和各种 相关 技术理论的基础上，利用 SystemView 对其进行 了 仿真。根据系统功能和指标要求， 分别设计了 信源 、调制、 信道、射频接收、混频、 解调等模块， 并 着重 介绍 了 GMSK 调制和混频模块， 然后 计算和 设置 了 相对应的参数， 获得了 系统仿真的整个框图，最后对仿真结果进行 了 分析。通过波形、 功率谱、频谱图和相位 图 等仿真结果，对传输过程中的误码率等系统性能进行了 评估 ，并对设计的仿真系统作了进一步 的改进与完善 。 关键词 ： GSM； 仿真模块； GMSK；混频 II Simulation of GSM system Abstract： GSM (Global System for Mobile Communication) was established in accordance with the GSM standard made by ETSI (European Telecommunications Standards Institute), it is a kind of second generation (2G) mobile communication technology. Its development goal is to establish a common mobile phone network standard for all user over the world, client can use his cellphone anywhere. So far, it has been extended to all corners of the world and become the largest mobile communication system, China possesses the largest number of GSM mobile users. Although it has a disadvantage in compare with CDMA in daily communication, as the biggest communication system the further research for GSM is very important, especially during the period of the second or third generation mobile communication systems have no practical application of the large-scale. This design uses SystemView carry out the simulation of GSM system, and it is based on transfer principles and technology of GSM. According to the system function and indicators, an design of GSM System simulation model include: signal sources, modulation, channel transmission, radio frequency receiver, mixer and demodulator, it gave emphasis on GMSK and frequency mixer modules. This paper should figure out and set up parameters, draw up the chart the system and of analysis the simulation results. Making a simple analysis of the system performance through the simulation results of waveform, power spectrum, spectrogram plot and phase and so on, and do further improvements and perfection of the simulation system. Keywords： GSM； Simulation module； GMSK； Frequency mixer 1 第一章 引 言 1.1 课题研究背景与意义 GSM 是为了解决欧洲第一代蜂窝系统四分五裂的状态而发展起来的基于 TDMA（时分多址）的数字 移动通信系统 ，也是 世界上第一个对数字调制、网络层结构和业务作了规定的蜂窝系统 。 在 GSM 之前，欧洲各国在整个欧洲大陆上采用了不同的蜂窝标准，对 用户来讲，就不能用一种制式的移动台在整个欧洲进行通信。另外， 模拟网本身的弱点， 也使得它的容量 受到了限制。为此欧洲电信联盟在 20 世纪 80 年 代初期 就开始研制一种覆盖全欧洲的移动通信系统， 也就是 现在被人们称为 GSM 的系统。如今 GSM移动通信系统已经遍及全世界，即所谓“全球通”。目前我国的移动通信网就是以 GSM系统为基础的移动通信网络系统 ， 并 已 成为 拥有 GSM 移动用户数量最多的国家。 随着社会的发展对通信业务种类和数量的需求剧增，人们已不再满足于第二代系统， 而是 正在努力的进行系统 的 改进，并朝着第三代移动通信系统 (3G)方向迈进。尽管GSM 在数据通信方面与 CDMA 相比有一定劣势，但作为最大的移动通信系统，尤其在二代半或第三代移动通信系统还没有大规模实际应用的 情况下， GSM 技术在很长一段时间内 将 仍然占据我国通信系统的主导地位，所以 对 GSM 做进一步研究和挖掘 依然具有重大 的意义。 1.2 课题国内外 研究现状 第二代移动通信中， GSM 系统显然极为重要。现有的 GSM 网络可以平滑过渡到无线接口技术 （ WCDMA， Wideband Code Division Multiple Access） /全球移动电信系统（ UMTS， Universal Mobile Telecommunication System） 网络。在无线通信系统中，无线网络部分的数据处理能力，始终是一个瓶颈，从 GSM 到无线分组服务 （ GPRS， General Packet Radio Service） ， 再到 WCDMA，无线网络部分的数据传送能力随着网络的演进是大 幅度增强的 ，从 GSM 的 9.6kb/s，演进到后面的 HSDPA 的下行数据处理能力达到14Mb/s。无线网络数据传送能力的提高，也就有能力为终端用户提供越来越丰富的业务。可以想象，从 GSM 系统仅仅提供语音业务到 HSDPA 系统可以 提供 高达十几兆的数据下载速率将是一个多么惊人的变化，这也将会给人们的通信带来极大的便利。现有GSM/GPRS 核心网则可以逐步演进为 UMTS 核 心网络，它可以同时连接 GSM BSS 和WCDMA RAN，也就是说 GSM BSS 和 WCDMA RAN 可以共享同一个核心网络。从 GSM到 HSDPA 的演进方式能确保现有 GSM 运营商的利益，从技术上保证过渡的平稳性。GSM 的分层结构和网络实体间的标准接口，使运营者可以从不同的设备供应商那儿选择配件，也允许设备制造商们只制造某专用部分，而不需要制造整个系统 ， 这一点很受设备制造商的支持。 GSM 设备制造商能够不断推出专用设备的第二代和第三代，使其 2 集成度更好、质量更好、成本更低。 由此 ， GSM 继续保持良好的发展势头 1 。 我国自从 1992 年在嘉兴建立和开通第一个 GSM 演示系统，并于 1993 年 9 月正式开放业务以来，全国各地的移动通信系统中大多采用 GSM 系统， 这 使得 GSM 系统成为目前我国最成熟和市场占有量最大的一种数字蜂窝系统。截至 2010 年 1 月 ，中国手机用户 由 2007 年年底 的 5.40 亿增加到 7.38 亿 。目前我国主要的两大 GSM 系统为GSM900 及 GSM1800，由于采用了不同频率，因此适用的手机也不尽相同。不过目前大多数手机基本是双频手机，可以自由在这两个频段间切换。欧洲国家普遍采用的 系统除 GSM900 和 GSM1800 外 ，还 加入了 GSM1900，手机为三频手机。在我国随着手机市场的进一步发展，现也已出现了三频手机，即可在 GSM900/GSM1800/GSM1900 三种频段内自由切换的手机，真正做到了一部手机可以畅游全世界。 发展时期 来看， GSM900发展的时间较早，使用的较多， 而 GSM1800 发展的时间较晚。物理特性方面，前者频谱较低，波长较长，穿透力较差，但传送的距离较远， 同时， 手机发射功率较强，耗电量较大，因此待机时间较短；而后者的频谱较高，波长较短，穿透力佳，但传送的距离短，其手机的 发射功率较小，待机时间则相应地较长 2 。 1.3 课题研究内容与技术路线 本设计主要利用 SystemView 仿真一个 GSM 系统。 SystemView 仿真软件是一种非常快捷、方便和实用的 EDA 仿真软件，运用它仿真系统不仅能有效地模拟各个模块的工作过程，还可以通过运行波形方便地分析其功能和总体特性，非常适用于研究各种通信系统。采用动态仿真软件 SystemView 从动态 地 对研究对象 进行仿真分析。使用 SystemView 进行 GSM 系统仿真 的 主要流程及方法如下： (1) 建 立通信系统的基本数学模型：根据通信系统的基本工作原理，确定总的系统功能，将各部分功能模块化，然后找出各部分之间的关系，画出系统框图。 (2) 建立仿真电路图：在信号源图符库、算子图符库、函数图符库、信号 接 收 器图符库中选取满足需要的功能模块、将其双击或拖动到设计窗口，按设计的系统框图组建系统，即从各种功能库中选取可视化图符，组建 GSM 模拟通信 系统。 (3) 设置仿真系统参数：参数设置包括运行系统参数设置和功能模块运行参数，如正弦信号的频率、幅度 和 初相 等 。 (4) 运行仿真电路：根据系统性能指标，不断调整各模块 参数设置，实现系统运行仿真，可在系统的关键点处设置观察窗口实时显示，观察分析结果。 1.4 本文结构 本文共分四章，各章节主要内容如下： 第一章为引言，主要介绍了课题研究背景与意义、国内外技术现状、研究内容与技 3 术路线以及本文的结构安排。 第二章为 GSM 主要原理及组成 介绍 ，第一节介绍了 GSM 的基本工作原理，第二节则着重介绍了 GSM 系统的构成，为后面 GSM 系统仿真设计提供理论依据。 第三章是全文的主体部分，给出了 GSM 系统设计仿真流程，详细介绍了系统各模块设计方案 ， 通过 SystemView 软件对信源、 调制、发射 、信道、接收 和 解调等模块进行设计，并计算和 设置相对应的参数进行仿真，最后 对仿真结果 进行分析。通过波形、功率谱、 频谱图和相位 图 等仿真结果，对传输过程中的信号失真 等系统性能进行了分析，并对设计的仿真系统作了进一步的改进与完善。 第四章为结束语，总结 了本次设计 ，并对 不足之处及其造成原因 进行了分析 ， 另外对 课题研究对象的前景做了进一步的展望 。 4 第二章 GSM 主要原理及组成 2.1 基本工作原理 GSM 是采用 FDMA（频分）与 TDMA（时分）制式相结合的一种通信技术，其网络中所有用户分时使用不同的频率进行通信。在 GSM900 频段， 25MHZ 的频率范围划分为 124 个不同的信道，每个信道带宽为 200K，每个信道含 8 个时隙，即 GSM900M频段在同一区域内，可同时供近 1000 个用户使用 4 。 2.2 GSM 系统的构成 一个 GSM 系统可由 移动台（ MS），基站子系统（ BSS）和网络子系统（ NSS） 三个子系统组成 ，系统网络结构如图 2-1 所示 5 。 图 2-1 GSM 网络系统组成 2.2.1 移动台（ MS） 移动台是用户直接使用 以 完成移动通信的设备。 对于数字移动通信来讲，已经从一定程度上具备了个人化的特点 即具有用户私人信息的 SIM 卡和通信的物理实现设备的分离。 SIM 卡上包含所有与用户有关的无线接口一侧的信息，也含有鉴权和加密实现的信息；而物理设备可以是手持机，车载机或是由移动终端直接与终端设备相连而构成。 2.2.2 基 站子系统（ BSS） BBS 由以下几部分组成： (1) 基站控制器（ BSC）： BSC 是基站子系统（ BSS）的控制部分，主要有如下功能： 接口管理：支持与移动交换中心（ MSC）间 的 A 接口 、 与基站收发信机（ BTS）MSB T SB S CM S CA b i sM S CELRV L RH L RV L RM S CAFECBGUmV L R 5 间的 Abis 接口及与操作维护中心（ OMC）间的 X.25 接口。 BTS BSC 之间的地面信道管理： BSC 对 BTS 间的无线信令链路 和 操作维护链路进行监测、对无线业务信道进行分配管理。 无线参数及无线资源管理：无线参数包括 BTS 载频频率、空中接口是否应用了非连续接收 和 发射、移动台接入网最小电平设置 以及 逻辑信道与物理信道的映射关系。无线资源包括：小区内信道配置、专用信道与业务信道的分配管理 和 切换资源管理等。 测量 和统计：对无线链路的测量 包括 处理移动台和 BTS 送上的测量报告，决定是否需调整 BTS 和移动台功率，决定是否切换；话务量统计：对业务信道的阻塞率，呼叫成功率，越区切换频度等 做 出 统计，为系统扩容和小区分裂等提供凭据。 切换：根据小区功率电平，话音质量及干扰情况，选择切换的目的对象，对于小区内切换，同一 BSC 控制的小区间切换， BSC 完全控制，而不同 BSC 控制的小区间切换则由 MSC 完成。 支持呼叫控制：通过交换电路实现话路连接，还可提供主、被叫排队机制。 操作与维护：收集 BSC 及 BTS 告警，并传至 DMC，同时更新自身内部资源表，配合 OMC 实现对 BSS 的软件升级。 (2) 基站发信台（ BTS）：受控于基站控制器（ BSC），属于基站子系统（ BSS）的无线部分，服务于小区的无线收发信设备，实现 BTS 与移动台（ MS）空中接口的功能。BTS 主要分为基带单元、载频单元和控制单元三部分。基带单元主要用于话音和数据速率适配以及信道编码等；载频单元主要用于调制 /解调与发射机 /接收机间的耦合；控制单元则用于 BTS 的操作与维护。 2.2.3 网络 子系统（ NSS） NSS 包括以下五个主要部分： (1) 移动业务交换中心（ MSC）： MSC 是整个网路的核心，完成或参与网络子系统（ NSS）的全部功能，协调与控制整个 GSM 网络中 BSS.OSS 的各个功能实体。首先，MSC提供与 BSC的接口， A接口提供 GSM900/1800的 TDMA方式， Abis接口提供 CDMA的接入，提供内部各功能实体的接口，实现各种相应的管理功能，提供与公用交换电话网（ PSTN）、综合业务数字网（ ISDN）、公用数据网（ PDN） 和 公用陆地移动通信网（ PLMN）的接口；其次，支持一系列业务 电信业务，承载业务和补充业务；最后，支持位置登记、越区切换和自动漫游等其它网路功能。 (2) 访问用户位置寄存器（ VLR）：访问用户位置寄存器（ VLR）是服务于其控制区域内移动用户的，存储着进入其控制区域内已登记的移动用户相关信息，为已登记的移动用户提供建立呼叫接续的必要条件。当某用户进入 VLR 控制区后，此 VLR 将由该移动用户的归属用户位置寄存器（ HLR）获取并存储必要数据。而一旦此用户离开后，将 6 取消 VLR 中此用户的数据。 VLR 通常在每个 MSC 中实现。 (3) 归属用户位置寄存器（ HLR）：相对于 VLR， 归属用户位置寄存器（ HLR）是一个静态数据库 。 当然，也存储部分漫游移动用户所在 MSC 区域的有关动态数据，包括用户识别号码，访问能力、用户类别和补充业务等数据，由它控制整个移动交换区域乃至整个 PLMN。 (4) 鉴权中心（ AUC）：鉴权中心（ AUC）存储着鉴权信息和加密密钥，防止无权用户接入系统和防止无线接口中数据被窃。 (5) 移动设备识别寄存器（ EIR）：移动设备识别寄存器（ EIR）存储着移动设备的国际移动设备识别码（ IMEI），通过核查三种表格（白名单、灰名单、黑名单）使用 的网络 实现 防止无权用户接入、监 视故障设备的运行和保障网络运行安全的功能。 7 第三章 GSM 系统仿真设计与分析 3.1 GSM 系统仿真流程 GSM 系统仿真流程有如图 3-1 所示 几个过程。 图 3-1 GSM 系统仿真流程图 3.2 信源模块 GSM 系统提供给 GSM 用户最重要的电信业务是电话（即语音业务），人的语音通过话筒转换成电信号，然后通过一个滤波器使其只保留语音频带（ 300-3.4kHz）的信号，再以 125Hz进行采样，并用 13bit 字进行量化，一个 13bit 具有 8192 个量化电平， 再 进行编码。目前，在 GSM 系统中采用的编码方案是 13 Kbit/s 的 RPE-LTP（规则脉冲激励长期预测），其目的是在不增加误码的情况下，以较小的速率优化频谱占用，同时到达与固定电话尽量相接近的语音质量，流程如图 3-2 所示 。 图 3-2 信源处理过程 在 GSM 中，数据速率选为 270.833kbit/s，正好是 RF 频率偏移的 4 倍，这样 做 可以把调制频谱降到最低并提高信道效率。 设计中 采 用一个 频率为 270.833kHz 的伪随机序列（ PN 码） 作为 二进制数据信号源 ， 将其进行抽样系数为 256Hz的抽样，来模拟 GSM系统中的信源部分，如图 3-3 所示 。 图 3-3 信源模块 3.3 调制模块 在 GSM 系统中采用的是 GMSK（高斯最小频移键控）调制。 3.3.1 GMSK 调制原理 GMSK 调制技术是在 MSK 基础上经过改进得 到 的。 MSK(Minimum Frequency Shift Keying，最小频移键控 )是二进制连续相位 FSK(Frequency Shift Keying，频移键控 )的一信源 G M S K 调制 信道传播 射频接收 混频 解调输出声电输出将模拟信号变为 13 比特线性码R P E - LTP编码器 8 种改进形式。在 FSK 方式中，每一码元的频率不变或者跳变一个固定值，而在两个相邻的频率跳变码元信号之间，其相位通常是不连续的。 MSK 就是 FSK 信号的相位始终保持连续变化的特殊形式，即保证两个频 率键控信号正交的前提下，使用最小的频偏，此时必须满足： bTfff 2101 (3-3-1) 其中bT为 MSK调制器输入的二进制码序列的码元周期（间隔）。 MSK信号可表为正交信号形式，即： t2s in)(2c o s)()( ccM SK ftQtftIAtS (3-3-2) )2co s ()12()( Bbn n TtTntr ec tatI (3-3-3) )2s i n (2)( Bbn n TtnTtrectbtQ (3-3-4) 由 (3-3-2)、 (3-3-3)、 (3-3-4)式可知， MSK 信号也可以看成是一种特殊类型的 OQPSK，只是在 MSK 中， OQPSK 的两路基带信号的矩形脉冲被正弦形脉冲所取代。其中，na、nb为 信息经过串并变换后的两个序列，取值为双极性 （ 1 ） ， rect 为矩形函数 7 。 MSK 调制 信号 具有包络恒定，带宽较窄，抗干扰性强的特点，是适合在窄带信道传输的一种调制方式。 GMSK 就是在 MSK 基础上改进的一种简单的二进制调制方法，GMSK 调制的基本原理是让基带信号先经过高斯滤波器滤波，使基带信号形成高斯脉冲之后再进行 MSK 调制， GMSK 调制原理如图 3-4 所示。 图 3-4 GMSK 调制原理 借助现有的 MSK 调制器，很容易得到一 种并行的 GMSK 调制器的结构： 将 码元宽度为 T 的双极性非归零码序列经串并变换后，变为码元宽度为 T2 的两路并行码序列，且时间上相互错开一个码元宽度，将两路信号分别通过一个高斯滤波器，然后再进行MSK 调制，就得到了 GMSK 信号。 由前面分析可知， 高斯滤波器是形成 GMSK 信号的关键，直接影响了已调波的特性。为了保证输出已调波包络恒定，相位连续且频谱密集，高斯滤波器应该具有 以下特性 ： 窄带和尖锐的截止特性， 以 抑制信号的高频分量； 冲激响应的过冲量小，是为了防止滤波后出现过 大的瞬时频偏； 高斯滤波器 M S K 调制器数据 9 保持滤波器的输出冲激响应下的曲线面积对应于 2 的相移，是为了保证调制指数为 21 。 在 GMSK 中，将调制的不归零数据通过预调制高斯脉冲成型滤波器，使其频谱上的旁瓣水平进一步降低。预调制高斯滤波器将全响应信号转换为部分响应信号，由于 脉冲成型并不会引起平均相位曲线的偏离， GMSK 信号可以作为 MSK 信号进行相干检测，或者作为一个简单的 FSK 信号进行非相干检测，预调制高斯滤波冲击响应和传递函数如下形式： 冲击 响应： )ex p ()( 22 tthG (3-3-5) 传递函数 ： 2)()( fG efH (3-3-6) 其中 ， 与的 )(fHG的 3dB带宽 B有关，且 有 BB /5887.022ln 。 高斯滤波器的冲激响应没有负值且不是时限的，但是由于其随时间的平方按指数规律下降，因此可近似认为其脉冲宽度是有限的。输入的基带二进制序列经过这样的高斯滤波器滤波后，脉冲包络无陡峭的边缘，也没有尖锐的拐点，使得已调波的相位路径在MSK 的线性路径的基础上得到了进一步的平滑，去掉了 MSK 信号相位路径中的尖角，因此 GMSK 的频谱性能要优于 MSK。 3.3.2 GMSK 模块设计 本次基于 Systemview 的 GSM 系统 仿真 建模中， 为保证 仿真的 可靠性，我们用软件函数库中 的频率调制模块mF来替代 MSK 调制部分，这样 不仅 简化 了 系统 设计 ， 而且更加确保了对 GSM 系统整体仿真的 实现 。结合上面的分析，得 GMSK 调制模块如图 3-5所示。 图 3-5 GMSK 调制模块 GSM 使用一种称作 0.3 GMSK 的数字调制方式， 0.3 表示高斯 滤波器 带宽与比特率之比， 频率为 270.833kHz 的数据信号源通过一 个 BT=0.3 的高斯低通滤波器，占据了很大范围的信号带宽，同时引入了干扰。由于 BT=0.3，因此高斯滤波器的带宽设置为81.2499e+3Hz： 270.833e+3 0.3=81.2499e+3。 GSM 工程应用中基站下行频率 935MHz-960MHz， 其中频为 947.5MHz，故将调频模块的调制频率设为 947.5MHz。 10 3.3.3 MSK 调制解调仿真设计与分析 前面 的 GMSK 调制模块设计中 应用 了一个简单的mF调 频模块替代了具体的 MSK调制 部分 ，为了更好的理解 MSK 调制的实现 ， 本节将详细介绍 MSK 调制解调方式，并设计 其具体 仿真实现。 MSK 具体调制过程如下：先将输入的基带信号进行差分编码，经串 /并转换将其分成 I、 Q 两路，并互相交错一个码元宽度，再用加权函数 )2cos(bTt和 )2sin(bTt分别对 I、 Q 两路数据加权，然后将两路数据分别用正交载波调制，最后将 I、 Q 两路调制信号相加即得到 MSK 调制信号 ，调制过程如图 3-6 所示 9 。 图 3-6 MSK 调制原理图 1、对基带信号进行差分编码 根据差分编码的定义即用过去的样本预测当前样本 ，然后对差值进行编码可知此模块可以实现对基带信号的差分编码功能 ， 基带信号的差分编码 实现 如图 3-7 所示 。 图 3-7 差分编码模块 2、对编码后的信号进行串 /并转换 MSK 信号是一种相位连续、包络恒定并且占用带宽最小的二进制正交 2FSK 信号 ，信号 )(tSMSK可以分解为同相分量 I 和正交分量 Q 两部分。 经差分编码的基带信号通过串并转换后得到 I、 Q 两路信号， 编码信号的 码元交替变成 I、 Q 两 支 路码元， 同相信号I 传送偶数位信号，正交信号 Q 传送奇数位信号， 串 /并转换输出 支 路码元长度为输入码元长度的两倍，即 每比特信号 的 持续时间为bT2， Q 路信号相当于 I 路信号延迟bT时间 。 串 /并转换过程：对编码后的信号先进行采样，然后分成 I、 Q 两路，其中 I 路延迟基带信号 差分编码 串 / 并延迟2/bR2/bRbRbTt2c o sbTt2s i ntcc o stcs i nI 通道Q 通道 11 一个码元而 Q 路无延时，对其进行抽样压缩，并添加一保持器保证得到方波信号。串 /并 转换电路如图 3-8 所示 。 图 3-8 串 /并转换模块 3、 MSK 的调制 根据图 3-6 MSK 的调制原理框图， 建立起 其仿真 图如图 3-9 所示 。 图 3-9 MSK 调制模块 4、 MSK 的解调原理 MSK 信号的解调我们使用相干波最佳接收机来解调，其解调原理如图 3-10 所示。 图 3-10 MSK 解调原理图 积分清洗 判决积分清洗 判决并串转换差分编码90相干载波M S K 输入数据输出 12 根据图 3-10 MSK 的解调原理框图，我们画出其仿真电路图，如图 3-11 所示，其中图符 (87)是一个带通滤波器，图符 (20)、 (21)是一个积分清洗器 (相当于一个低通滤波器 )，图符 (42)、 (43)是一个缓冲器，图符 (46)是一个单刀双掷开关，图符 (22)、 (23)、 (38)是采样器。 图 3-11 MSK 解调模块 5、仿真参数设置 在完成系统的创建后，我们还要对整个系统的仿真参数进行详细的设置，此 MSK 系统各个模块的参数设置如下： (1) 首先对系统定时窗口进行设置，其设置如下： 运行时间： Start Time： 0 秒； Stop Time： 2.5575 秒； 采样点数： No .of Samples： 1024； 采样频率： Sample Rate： 400Hz； (2) 其他各个模块的参数 参考附表 2。 6、性能测试与结果分析 (1) MSK 信号波形分析 通过输入输出信号来比 较系统的整体性能，在信道传播无噪声干扰时， 图 3-12 和3-13 所示波形分别为输入基带信号和解调输出波形 ， 观察波形不难看出， 解调信号较基带信号延迟了大约 0.4s。这可以由图中 时间刻度估量 ，也可以经分析窗口的计算器计算得出，具体操作步骤如下 ： 单击分析窗口下的计算器 按钮。 选 中 Cros Conv 选项下的 Cross Correlate 项，在右边 2 个窗口分别选中基带信号和解调输出信号，按 OK 按钮，生产一个新 的数据窗口。 单击 右键选中统计选项 Statistics，出现统计窗口 。 单击 Sample No，可看到最大相关值为 160，因此可以确定系统群延时为 160 个采样点，由于系统采样频率为 400HZ，经计算可知刚好为 0.4s。 13 图 3-12 基带信号波形 图 3-13 解调输出信号 (2) MSK 支路信号分析 图 3-14 I 路信号 图 3-15 Q 路信号 图 3-14和图 3-15所示为 MSK调制的 I、 Q两路加权信号。由上图可以看出， I支路信号和 Q支路信号并不是每隔bT秒就改变符号，而是每隔bT2秒才有可能改变符号。其中， I 14 路信号只有在奇数位时才可能改变， Q路信号只有在偶数位时才可能改变， I、 Q两路信号不能同时改变。 (3) MSK信号的相位转移图 由 SystemView 的计算窗口可得到 MSK 信号的相位转移图，其操作 步骤如下： 在计算器窗口 下选中 Style 项的 Scatter Plot 项。 在右面的 两个窗口分别选中 I 路和 Q 路加权信号，按 OK 按钮，即可得到 MSK的相位转移图，如图 3-16 所示。 图 3-16 MSK 相位转移图 前面提到， MSK 信号 可以看成是一种特殊类型的 OQPSK，虽然 OQPSK 信号消除了 QPSK 信号中 180 的相位突变， 相位特性得到改善， 但并没有从根本上解决包络起伏的问题。从图 3-16 可以看出， MSK 的相位转移图是一个圆周，它不会出现 OQPSK 相位路径中的拐点，可见 其 相位特性得到进一步改善。 (4) MSK 信号的眼图 图 3-17 和 图 3-18 分别为无噪声 时的 调制输出信号和叠加噪声后的调制输出信号，从图中可以观察到叠加噪声后的调制 输出信号和与无噪声调制输出信号有不同，可见其受到噪声的干扰，波形存在一定的失真，因此会对整个 MSK 调制解调 系统性能产生影响。 图 3-17 无噪声调制输出信号 15 图 3-18 加噪声调制输出信号 为了更直观的看到噪声对系统性能的影响，这里可 采用 眼图来进行观察。 首先 将系统采样率改为 100Hz， 这样能 观察到比较明显的 MSK 信号的眼图，采样点数和开始时间不变，观察眼图具体步骤如下： 在计算器 窗口下选中 Style 项的 Slice 选 项。 设置参数 Start=0sec， Length=20e-3，这样我们可以观察到一个完整的眼图。 选 中 MSK 调制输出信号，按 OK 按钮，即可生产一个眼图观察窗口，如图 3-19和 3-20 所示 ， 通过眼图 可清楚的看出噪声对信号的干扰 。 图 3-19 无噪声调制输出眼图 图 3-20 加噪声调制输出眼图 16 综上， 通过 SystemView 软件实现了 MSK 调制和解调的仿真。从仿真效果上看，MSK 利用其正交信号的最小频差，在相邻符号交界处相位保持连续行，从根本上解决了包络起伏问题，达到了预期的效果。从 MSK 的解调结果来看，撇开时间上的延迟 ，解调信号与基带信号的波形基本一致 ，即接收端误码数很少，由此可知此 MSK 系统是正确的，达到了此系统设计的要求。 3.4 发射模块 在调制部分，压控振荡器（ VCO）代表 CURATAMQEOO1-902 的调制器，这一部分的增益为 25MHz/V，因此，高斯滤波器的输出获得 G=67.71e+3/25e+6=2.71e-3 即-25.7dB 的增益。 VCO 理论上输出能量为 -3dBm， 发射器的理想输出能量为 5W（ 37dBm） ， 这个功率代表基站功率。选择的功率放大器是 MiniCircuits(BroOKlyn,NY) TIA-1000-4，其增益为19dB。为得到 +37dB的输出能量 ， 采用增益为 28dB的每级放大器和设置其增益为 41.5dB的衰减器。发射器的最后一个组成部分是低通滤波器，用来消除功率放大器的失真，发射模块如图 3-21 所示 。 图 3-21 GSM 发射模块 3.5 信道模块 信道由两部分组成，第一部分用于减少 5W 传输能量的放大器；另一部分是与信号一同进入接收机的热噪声，它可能增加各种各样的衰落现象，也可能以不同的载波频率增加更多的传输进入仿真系统，从而影响临近的信道干扰，信道模块如图 3-22 所示 。 图 3-22 信道模块 3.6 射频接收模块 图 3-23 射频接收模块 17 射频接收模块如图 3-23 所示 ，接收机的第一部分是 RF，其频率覆盖范围是从935MHz到 960MHz，接收机在天线之后的第一个元件是 Murata DFY2R902CR947BGH收发器，这部分有效地起到特定滤波器的作用，与其连接的下一个元件是 HP MGA87563低噪声放大器（ LNA）。 指定所有截取到四阶 1dB 的压缩点、噪声信号和线性增益，列举的参数是放大器输出， RF 滤波器是一个 319 抽头的 FIR 带通滤波器，使用衰减器仿真滤波器的损耗 和噪声。对滤波器而言，所有的频率都是采用相对频率，即与采样速率的比值，如此带通滤波器的通带频率取 931.84e+6-962.97e+6， 则在滤波器窗口中设置的相对频率应设置为通带频率与系统采用速率（ 4.096e+9）的比值，即 0.2275-0.2351。 3.7 混频模块 接收机接收到的是调制后的高频信号，而原信号相对高频载波比值很小，如果直接从高频提取信号需要相当窄的带通滤波器，邻频信号干扰无法抑制，所以先利用混频器将接收机接收的高频信号变到统一的中频然后再实行解调，这样调制信号的相对带宽变宽，更好的解决 了邻频干扰，另外，相对带宽变宽和统一的中频也有 利于滤波器制作。所以，混频器的使用在无线通信中有着十分重要的意义 13 。 3.7.1 混频器的变频作用 混频器的作用是将载频为cf（高频）的已调波信号不失真地变换为载频为 If （固定中频）的已调波信号，并保持原调制规律不变（即信号的相对频谱分布不变）。因此，混频器也是频谱的线性搬移电路，它是将信号频谱自载频为cf的频率上线性搬移（或变换）到中频 If 上。 混频器是一个三端口的网络，它有两个输入信号 如图 3-24 所示 ，即输入信号cu和本地振荡信号 Lu ，工作频率分别为cf和 Lf ；输出信号为 Iu ，称为中频信号，其频率是cf和 Lf 的差频或和频，称为中频 If ，cLI fff （也可采用谐波的和频或差频）。由此可见，混频器在频域上起着加 /减法器的作用。 图 3-24 混频器结构图 由于混频器的输入信号cu、本振 Lu 都是高频信号，而输出的中频信号 Iu 是已调波，除了中心频率与输入信号cu不同外，其频谱结构与cu完全相同。表现在波形上，中频输混频器)( cc fu)( LL fu)( II fu 18 出信号Iu与输出信号cu的包络形状相同，只是填充频率不同（内部波形疏密程度不同）。 If与cf、Lf的关系有几种情况：当混频器的输出信号取和额时，cLI fff ；取差频时有cLI fff 或LcI fff 。当cI ff 时，称为向下变频，输出低中频；当cI ff 时，称为向上变频，输出为高中频。虽然高中频比输入的高频信号的频率还要高，但习惯上仍将其称为中频 14 。 3.7.2 混频器工作原理 如前所述，混频器是频谱的线性搬移过程，完成频谱线性搬移功能的关键是要获得两个输入 信号的乘积 ，能找到这个乘积项就可完成所需的频谱线性搬移功能。设输入到混频器中的输入已调波信号cu和本振电压 Lu 分别为 ： ttUu cc c co sco s ， tUu LLL cos (3-7-1) 这两个信号的乘积为（设相乘系数 k=1） ： tttUUu LcLcI c o sc o sc o s )c o s () c o s (c o s21 tttUU cLcLLc (3-7-2) 如果带通滤波器中心频率取为cLI ，带宽为 2 ，那么乘积信号 Iu 经带通滤波器滤除高频分量 )(cL 项后，可得中频电压为 ： IIILcI tUttUUu c o sc o sc o sc o s21 (3-7-3) 比较cu与 Iu 的表达式可以看出，两信号的包络成线性关系，但载波频率发生了变化。由此可得实现混频功能的原理方框图如图 3-25 所示。当然，也可利用非线性器件的频率变换作用来实现混频，其功能如图 3-26 所示 。 图 3-25 线性器件混频原理 图 3-26 非线性器件混频原理 乘法器 带通滤波器cuLuIu非线性器件 带通滤波器cuLuIu 19 3.7.3 混频器主要性能指标 衡量混频器性能优劣的主要指标有变频增益、噪声系数、选择性、失真与干扰以及工作稳定性等 ， 分别介绍如下。 1、 变频（混频）增益uA变频增益是指混频 器输出中频电压幅值IU与输入信号电压幅值cU的比值，即 ：cIu UUA (3-7-4) 如果功率增益以分贝表示，则 ： )(lg10 dBPPG cIp (3-7-5) 式中， IP 、cP分别为输出中频信号功率 和输入高频信号功率。uA、pG都可以用来衡量混频器将输入高频信号转化为输出中频信号的能量。对超外差接收系统，要求uA、pG的值要大，以提高其接收灵敏度。 2、 噪声系数 混频器处于接收机的前端，它的噪声电平高低对整机有较大影响。降低混频器的噪声十分重要。混频器的噪声系数定义为高频输入端信噪比与中频输出端信噪比之比。用分贝数表示为 ： onIincF PP PPN lg10(3-7-6) 混频电路的噪声主要来自混频器件产生的噪声及本振信号引入的噪声。除了正确地选取混频电路的非线性器件及工作点外，还应注意选取混频电路的形式 ， 如平衡式可以抵消本振引入的噪声。 3、 1dB 压缩电平 在混频器中，输出和输入信号幅度应成线性关系。当输入信号功率较低时，混频增益为定值，输出中频功率随输入信号功率线性地增大；当输入信号增大到一定幅度后，由于非线性作用，中频输出信号的幅度与输入不再成线性关系，输出中频功率增幅将随输入信 号的增加而趋于缓慢，直到比线性增长低于 1dB 时所对应的输出中频功率电平称为 1dB 压缩电平，用dBIP1表示。dBIP1所对应的输入信号功率是混频器动态范围上限电平。而动态范围的下限电平是由噪声系数确定的最小输入信号功率。 4、失真和干扰 在接收机中，加在混频器输入端的除有用信号外，还往往同时存在着多个干扰信号。由于非线性，混频器件输出电流中将包含众多组合频率分量，其中，除了有用信号产生的中频分量外，还可能有某些组合频率分量的频率十分接近 中频，使输出中频滤波器无法将他们滤除。这些寄生分量叠加在有用中频信号上，将引起失真。通常将这种失真统称为混频失真，它将严重地影响通信质量。 20 5、隔离度 理论上，混频器各端口之间是隔离的，任一端口上的功率不会串通到其他端口。实际上，由于各种原因，总有极少量功率在各端口之间串通，隔离度就是用来评价这种串通功率大小一个性能指标， 其 定义为本端口功率与其串通到另一端口功率之比，用分贝数表示。 3.7.4 混频 模块设计 3-27 混频模块 如图 3-27 所示 ，一个 CommQuest CQT2030 或者芯片作为第一个中频 混频器，本地振荡器可收到的频率范围从 864-889MHz,即 2MHz 带宽的波段。此设备的具体频率是876.5MHz，要求得到 71MHz 的第一中频频率，可以指定本地振荡器的失真值、截取点和其他参数。 第一个中频滤波器是 854252-1SAN 滤波器，为简单起见，选择一个三级巴特沃斯滤波器。在 SAW 滤波器之后，最高频率是 71MHz（对应于 947.5MHz） ， 这使得滤波器输出分成 10 份，得到较低的采样率。这种情况下使用 104 ，减少了的仿真时间。滤波器的输出（取 10 后）进入一个 自动增益控制（ AGC）的参数放大器或混频器。 第二个本地振荡器的中频频率设置为 58MHz，产生一个 13MHz的第二个中频频率，第二个中频频率信号通过一个四极 Bessel瓷性滤波器和一个 52dB 的自动增益控制放大器。这一部分的输出相当于 CQT2030 的输出。 3.8 解调模块 图 3-28 解调接收模块 解调接收模块如图 3-28 所示， 在前面的调制部分已经详细分析了 GMSK 的调制解 21 调原理，并建立了仿真模型，得到了正确的仿真结果。这里我们利用一个由电阻 、 电容 、和 电感实现的 LC 正交振荡电路来实现对接收到的 中频信号的解调。另外，为恢复原始数据，解调信号必须经过放大和过滤，所以需要通过增益和低通滤波器才能得到最终的输出信号 。 LC 正交振荡器即 LC-Qaud 的QR值，满足公式 ： QQfLRQ)1(2 2 (3-8-1) 其中 f 为截止频率。为了达到解调的目的，设置好 LC 正交振荡器的参数，使其直接工作在 13MHz的中频信号 ，参数设置如图 3-29 所示。 图 3-29 LC 正交振荡器参数 3.9 仿真参数设置 GSM 模块全图如图 3-30 所示。 1、系统定时窗口参数设置 SystemView 是一时基仿真器，工作于主系统采样速率。在任何一台计算机仿真中，必须在离散时间域进行计算，因此必须遵守采样定理。系统采样率设置为 sf4.096GHz，这个值略大于 RF 频率（ 947.5MHz）的 4 倍。对于采样点数，起始时间、终止时间，基本约束关系是： 1)( 采样率起始时间终止时间采样点数 依此关系式，系统定时窗口设置如下： 运行时间： Start Time： 0 秒； Stop Time： 63.999755859375e-6 秒； 采样点数： No .of Samples： 262144； 采样频率： Sample Rate ： 4.096e+9； 22 其他各模块详细参数 参考附 表 1。 3-30 GSM 系统模块 3.10 性能测试与结果分析 GSM 仿真模块设计完成后，进行系统仿真，下面将主要通过对各部分输出信号的波形、功率谱和频谱的观察分析来测试仿真系统的性能。 1、 波形分析 波形分析主要是通过对输入信号和输出信号的波形进行观察分析来测试系统整体性能，输入、输 出波形分别如图 3-31、 3-32 所示，另外，为了更直观的比较输入 信号和输出信号，通过分析窗口得到输入、输出信号的波形叠加图以及其采样叠加图，分别如图 3-33、 3-34 所示。 图 3-31 输入信号波形 23 图 3-32 输出信号波形 图 3-33 输入信号与输出信号叠加 图 3-34 输入采样与输出采样叠加 从叠加结果来看，时域波形除了有一定的延时外，存在一定的波形失真， 波形失真属于 GSM 系统信号传播不可避免的现象，毕竟传播中存在着各种衰落和噪声干扰，不可 能 与原始波形保持 完全一 致 ，但 可以看出 这里波形 存在 较大 失真 。 2、 功率谱、频谱分析 功率谱反应的是信号在各个频带的功率情况，所以功率谱不仅能直观的反映 GSM系统各部分功率情况，而且也能够反映出其在各个阶段的频率特性。 通过分析窗口的计算器 很容易 得到 各信号的功率谱和频谱，为了方便比较，同样可以对它们进行叠加再作观察、分析。 24 (1) 输入信号和输出信号 图 3-35 输入信号功率谱 图 3-36 输出信号 功率谱 图 3-37 输入与输出信号功率谱叠加 输入信号、 输出信号以及它们功率谱的叠加图分别如图 3-35、 3-36 和 3-37 所示 。通过图 3-37 可以看出输入信号与输出信号的功率谱保持基本一致，也说明 GSM 仿真系统在传输过程中保持了较好的频率特性。 (2) 调制后信号和信道衰落后信号 调制后信号和信道衰减后信号功率谱及其叠加图分别如图 3-38、 3-39 和 3-40 所示。 25 图 3-38 调制后信号功率谱 图 3-39 信道衰减后功率谱 图 3-40 调制后信号与信道衰减后信号功率谱叠加 从图 3-40 可以看出，调制后信号 和信道衰