GMSK调制与解调算法研究

长 治 学 院2017 届学士学位毕业论文GMSK 调制与解调算法研究学 号: 13405513姓 名： 李庆华指导老师： 张秀秀专 业：电子信息科学与技术系 别：电子信息与物理系完成时间：2017 年 5 月I独 创 性 声 明本人郑重声明：所呈交的毕业设计是本人在指导老师指导下取得的研究成果。除了文中特别加以注释和致谢的地方外，设计中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果。与本研究成果相关的所有人所做出的任何贡献均已在设计中作了明确的说明并表示了谢意。学生签名： 年 月 日关于论文使用授权的说明本人完全了解长治学院有关保留、使用本科生毕业设计的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、编写学位论文。（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）学生签名： 指导教师签名： 年 月 日 年 月 日长治学院本科毕业论文（设计）III1 绪论 .11.1 课题的研究背景及意义 .11.2 GMSK 调制技术的国内外研究内容 .21.3 论文主要研究内容 .22 GMSK 调制解调的相关理论 .21GMSK 调制与解调算法研究专业：电子信息科学与技术 姓名：李庆华 学号：13405513指导老师：张秀秀摘要：早期提出的最小高斯频移键控（GMSK）的调制方式产生了连续的相位，它的包络稳定、旁瓣滚降快速、频谱紧密，对外辐射小等特点，因此 GMSK 调制解调技术在通信中成为一项非常有用的技术。它在 GPRS 移动通信系统、无线局域网和航天测控等方面有一定的成果。本文中以 GMSK 调制解调的一些知识原理作为研究基础，开始展开对 GMSK 调制解调技术的研究。调制部分对传统 GMSK 正交调制方式做了初步介绍，主要是对基于波形存储的GMSK 正交调制进行初步认识进而研究，结合相关文献内容以及 Matlab/Simulink 模块对 GMSK 性能进行仿真分析，在解调部分主要针对非相干解调中，其中的差分解调。关键词：高斯最小频移键控 调制 非相干解调 限幅鉴频器 差分解调 一 绪论1.1 课题的研究背景及意义为使信号与信道匹配之后可以高效的工作，调制就成为了实现这一特性的重要环节。我们日常生活的环境中使用的最多的就是数字调制，究其原因便是因为数字调制更加灵活，它的加密技术更易集成。因此，移动通信中模拟调制向数字调制的转变已经成为一种紧跟潮流的趋势。人们之前所接触过的频移键控，相位键控，振幅键控等数字调制技术都不能符合现在的通信要求。所以寻找一种更高性能，性价比更高的调制方式成为了当下研究的重要内容。之前接触过 MSK 信号，我们了解到它的特点主要有包络恒定，而且其带外功率谱密度下降得较快 1。为了得到更高效的调制方式，因此在 MSK 调制前先将脉冲经过高斯低通滤波器，最后产生的信号为 GMSK 信号，即高斯最小频移键控长治学院本科毕业论文（设计）2GMSK。shu当下，人们处在一个信息飞速发展与爆炸的新时代，那么对频谱要求高，对外功率要小，抗干扰能力强等等也就有了高的标准。这样一来对调制信号就需要采用包络恒定而且允许采用非线性功率放大器。为此，在通信系统设计中，要在多种有效调制方式中找到一种高效的调制解调方式来满足上述要求。1.2 GMSK 调制技术的国内外研究内容这项技术在国外提出比较早，首先由日本国际电报电话公司发现。它是由 MSK信号通过高斯低通滤波器发展而来的一种更优越和高效的数字调制方法，因为 GMSK信号的功率效率和频谱效率都比较高，可以使得带外辐射功率减少，应该可以达到60-70dB 的严格要求等多种优点。这种技术被应用在全球移动通信系统(GSM)、欧洲的带宽无线接入网以及国内通信分组无线服务技术(GPRS)等多个方面。由于 GMSK调制解调这项技术有许多的优点，因此国内外好多专家开始对此展开大量探索与研究。这种调制方式最早开始于国外，当中，布拉德福德大学的 Jones A.E 和 Gardiner J. G. 就基于 DDS 的 GMSK 正交调制进行了研究,其中主要针对以下两类问题进行探索，正交调制法中两路信号幅度和相位不平衡；美国的 Linz A 和 Hendrickson A 主要掌握了高斯滤波器响应的对称性这一特点，可以间接实现GMSK 调制的方法，这种方法得到的包络恒定，运算也较为简单。以上的两种方法展现了由模拟调制向数字调制的进程，这样可以降低硬件成本，规避了复杂的滤波器的设计，这种调制方式的具体应用越来越符合大众的心意。1.3 论文主要研究内容本文首先主要阐述了 GMSK 调制与解调的基本原理和相关理论，通过建立 GMSK信号的仿真模型，重点对调制中基于波形存储的 GMSK 正交调制与解调中差分解调系统的实现进行了比较详细的研究。 主要工作：长治学院本科毕业论文（设计）31.研究了 GMSK 调制解调相关理论以及方案进行分析，对波形存储中 GMSK 进行正交调制，对非相干解调中差分解调重点介绍。2.深入了解了 Matlab/Simulink 中的仿真模块，建立起所需要 GMSK 性能的模型，这样一来对这一技术有了更深入的掌握。二 GMSK 调制解调的相关理论2.1 多速率信号处理当前，数字移动通信中，多速率信号处理显得尤为重要，虽然带通采样定理降低了所需要的射频采样速率，但是为了是系统更加简单，让其更加方便灵活，所以它的带宽应设计的稍微宽点。因为带宽是越宽越好。其中抽取和内插是其基本环节。2.1.1 抽取 抽取就是进行抽样，主要针对的是原始信号，以更低的抽样率进行。为此考虑把抽取因子为 M 的整数倍抽取过程，其中 为大于 1 的正整数。在时域上是对原M采样序列 X(n)每隔 个点取一个来完成 倍抽取，过程比较简单容易实现。但在1频域上，过程十分复杂。可以先对原来的序列进行频谱的移动，然后进行 M 倍展宽最后再进行叠加，这样就得到 M 倍抽取后的频谱。如式 2.1：（2.1）MijMij eXeY/210以 M=2 被抽取频谱变化过程如下图所示长治学院本科毕业论文（设计）4图 2.1 原始信号的频谱图 2.2 抽样后信号频谱图 2.3 2 倍抽取展宽后的频谱长治学院本科毕业论文（设计）5图 2.4 倍抽取叠加后的频谱2jeY由图 2.4 可知，频谱 经过抽取之后，发生了混叠，无法通过逆变换恢复出原jeY始信号。为了不让此种现象发生，首先对原信号 滤波，然后以 M 倍抽取，LjeX这样就不会有混叠现象。2.1.2 内插内插是对原始信号以更高的抽样率进行采样。对原来抽样序列之间两个采样点中插入 个零值，那么插值后信号的频谱 为：1-LjeY= （2.2） jeYLjX由式(2.2)可见, 是通过对 进行 L 倍压缩得到的，频谱结构是保持jeYj不变的。因为提高了抽样率，所以使得 的频谱发生了变化，其中不仅含有jeY基带分量而且含有大于 的高频分量。为了从 提取出原始信号，对LjeXL LjeX内插后的信号经过滤波带为 的低通滤波器处理。2.1.3 应用领域多速率理论的应用较为广泛，主要是应用于滤波器组的设计、数字通信、图像压缩与编码等方方面面。多速率信号处理在近期的雷达目标跟踪中取得了很好的效果，在图像水印中也长治学院本科毕业论文（设计）6有一定的效果。而且其中的多相结构也有多方面的成果，那是因为它不仅可以节省计算量，还可以分析新的模型。因此，它的应用很广泛，尤其是信道估计方面。2.2 直接数字频率合成（DDS）2.2.1 DDS 概述直接数字频率合成技术由美国人 Joseph Tierney 提出是一种以数字信号处理为理论基础，它以频率合成方法优越而著称。因为 DDS 可以实现对频率、相位和幅度的数字调制，所以在数字调制解调系统中常用 DDS 取代模拟压控作为信源产生装置。 DDS 在频率合成中占据着举足轻重的地位，随着技术的成熟，专用芯片的性能越来越强大，用芯片来实现 DDS 也成为一种普遍的方式。但是 DDS 也有自身的局限性，比如输出宽带受限等问题。其中的杂散信号主要存在输出频谱中。而杂散信号来源三个方面:（1）相位舍位。（2）幅度量化。（3）DAC 的非理想特性造成这种杂散产生的原因有;（1）相位截断效应；（2）正弦波幅度存在量化误差；（3）D/A 转换器的非理想特性。其中，前一个是主要原因，取决于波形存储表的深度，是由软件决定的；后两个原因是由硬件性能决定的。通过采用一定的措施来减少 DDS 的杂散信号以此可以得到杂散信号比较低的输出信号。2.2.2 DDS 的产生原理实现 DDS 有 3 种方法：基于 IIR 滤波器的实现方法、基于查找表的实现方法和基于 CORDIC 算法的实现方法。其中，基于 LUT 的实现方法最简单，可以通过