王彦彬-GSM同步检测仿真设计.doc

本科生毕业论文（设计）本科生毕业论文（设计）题题 目目 GSMGSM 同步检测仿真设计同步检测仿真设计_学学 院院 电子信息学院电子信息学院 _专专 业业 电子信息工程电子信息工程 _学生姓名学生姓名 王彦彬王彦彬_ 学学 号号 07420532990742053299 年级年级 2007_2007_ 指导教师指导教师 夏文龙夏文龙_ 教务处制表教务处制表二二 一一 一年一年 月月 日日 四川大学本科毕业论 GSM 同步检测仿真设计- 2 -GSMGSM 同步检测仿真设计同步检测仿真设计专业：电子信息工程学生 王彦彬 指导教师 夏文龙 摘要GSM 是全球使用最为广泛的一种无线通信标准，不仅在民用领域，也在铁路 GSMR 等专用领域发挥着极为重要的作用。由于无线信道具有瑞利衰落和延时效应，在通信系统的收发两端也存在不完全匹配等未知因素，因此接收的信号叠加有各种误差因素的影响。GSM 接收机的实现离不开系统的同步，为了得到更好的同步质量，就必须对 GSM 基带同步技术进行研究，选择一种最合适的同步算法。GSM 的同步既有时间同步，也有频率同步。根据同步过程的分析，首先研究了 GSM 的信道分类和帧的结构，了解同步过程所需检测的信号(FB,SB)的构成以及所在位置。之后对 GMSK 的调制和解调进行了研究，分析了所需 FB 和 SB 在调制后的特征，并对信号进行解调。根据研究所得，确定了检测出特征突发的算法，并通过 MATLAB 仿真平台对算法进行了验证。关键词：GSM 同步 MATLAB GMSK四川大学本科毕业论 GSM 同步检测仿真设计- 3 -A A DesignDesign ofof Simulationulation onon GSMGSM SynchronizationgSynchronizationg SystemSystem Major：Electronic and Information EngineeringStudent: Wang Yanbin Advisor: Xia WenlongABSTRACT：GSM is the worlds most popular wireless communication standard，it have played an important role both in civilian area and some special area like GSMRBecause reasons like Rayleigh fading and delayed effects in the wireless channel and unknown factors in transmite and receive ends，received signal have much Error factorsGSM receiver can not be separated from the synchronization systemIn order to get better synchronization quality, research for the most suitable synchronization algorithm in GSM base-band signal is necessarySynchronization is very important to GSM receiver,which include time and frequency synchronization Base on the research the process of synchronization, we research the structure of GSM signal channel and frame at first to find out the structure of FB and SB which needed to detect in the process of synchronization,and where they are. Then research the modulation and demodulation of GMSK, find out the feature of FB and SB cross GMSK modulation,demodulate the signal.Key words：GSM Synchronization matlab GMSK四川大学本科毕业论 GSM 同步检测仿真设计- 4 -目目 录录ERROR!ERROR! REFERENCEREFERENCE SOURCESOURCE NOTNOT FOUND.FOUND. 5 51.1 GSM 通信系统简介51.2 MATLAB 介绍51.3 研究背景以及意义 6ERROR!ERROR! REFERENCEREFERENCE SOURCESOURCE NOTNOT FOUND.FOUND.GSMGSM 同步理论同步理论6 62.1 GSM 逻辑信道分类62.1.1 概述62.1.2 信标频道72.2 GSM 手机小区选择过程102.2.1 信标频道表的组成112.2.2 候选信标频道的考察112.3 GMSK 调制原理112.4 GMSK 解调原理132.4.1 GMSK 相干解调原理132.4.2 GMSK 非相干解调原理142.4.3 相干解调与非相干解调的比较142.5 同步的分类及主要方法 152.5.1 载波同步152.5.2 位同步162.5.3 帧同步163 3 设计与仿真结果设计与仿真结果 16163.1 解调部分设计 163.1.1 常规差分解调163.1.2 1 比特差分解调173.2 GSM 同步检测部分设计仿真结果183.2.1 FB 的同步及仿真193.2.2 SB 的同步及仿真20ERROR!ERROR! REFERENCEREFERENCE SOURCESOURCE NOTNOT FOUND.FOUND. 2222ERROR!ERROR! REFERENCEREFERENCE SOURCESOURCE NOTNOT FOUND.FOUND. 2323ERROR!ERROR! REFERENCEREFERENCE SOURCESOURCE NOTNOT FOUND.FOUND. 2424四川大学本科毕业论 GSM 同步检测仿真设计- 5 -ERROR!ERROR! REFERENCEREFERENCE SOURCESOURCE NOTNOT FOUND.FOUND. 25251 1 综述综述1.11.1 GSMGSM 通信系统简介通信系统简介当今社会已经进入了一个信息化的社会，人们依靠信息的传递和交流，来适应现代快节奏的生活。人们期望能够有更好的生活质量，和更高的工作效率，想要不限时间、空间、地点，快速安全的进行交流，离不开移动通信系统。移动通信可以说从无线电发明之日就产生了，但移动通信的真正发展是在蜂窝移动通信正式商用化的 20 世纪 70 年代以后的事情。目前，移动通信是当今发展最快、应用最广和最前沿的通信领域。随着通信技术不断的发展，移动通信正朝着为用户提供话音、数据、多媒体业务为一体的 3G 移动通信演进。但是 2G 移动通信系统（如 GSM）仍然占有非常大的市场份额。GSM(Global System For Mobile Communication)全球移动通信系统是在1992年由欧洲标准化委员会统一推出的标准。由于GSM移动通信系统统一的网络标准以及采用了数字通信技术，通信质量得到提高，并且可以为用户提供更多更好更新的业务。GSM移动通信网的传输速度为9.6K/s。GSM技术采用了高效调制器、信道编码、交织、均衡和语言编码技术，具有很高的频谱效率；GSM标准中的接口不仅仅是无线的空中接口，在网络中的设备实体之间也有接口；GSM的安全性更高，在空中接口出进行了加密，对于用户的入网权利进行鉴定，并且给用户指定临时识别号，对用户的地理位置进行保密；GSM在有SIM卡的情况下可以自动从一个网络进入另一个网络，实现全球的漫游。1.21.2 MATLABMATLAB简介简介MATLAB（Matrix Laboratory）是矩阵实验室的简称，是美国 MathWorks 公司出品的商业数学软件，主要包括 MATLAB 和 Simulink 两大部分，可以用于对数据的处理、分析以及通过绘图表现数据的变化。MATLAB 自 1984 年问世以来，历经了实践的检验，市场的筛选和时间的凝练，现在已经成为广大科研工作者、高校师生最常用和最可信赖的仿真软件。MATLAB 的影响主要表现在两方面：传统的分析方法、设计程式和教材的内容可以在 MATLAB 平台上得以处理的更为简便、准确和生动；新的分析方法、设计程式和教材的内容在 MATLAB 的推动下不断的发展。四川大学本科毕业论 GSM 同步检测仿真设计- 6 -MATLAB 主要针对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。在视窗的环境下，对数据进行分析、计算、可视化的操作，以及对数据进行建模、仿真等，区别于非交互式的程序设计语言（如 C 语言）的编辑模式，这种先进的软件理念，使人们更为容易、准确的进行科学研究、工程设计以及数值计算。MATLAB 的指令与通常数学中的表达式非常接近，所以用 MATLAB 计算问题比通常的汇编语言要更为简单，而且 MATLAB 对 C，C+等汇编语言同样兼容，可以直接调用其函数。并且用户可以直接建立新的函数输入数据库，方便使用。在网络上流传有大量的经典的MATLAB 程序，人们可以方便的下载使用。11.31.3 研究背景及意义研究背景及意义GSM 通信系统是目前应用相当广泛的移动通信系统，是向更高级通信系统发展的基础。目前的 3G、4G 通信系统很多技术都是基于 GSM 通信系统。而同步是移动通信系统非常重要的过程。对于一个无线电通信系统，同步是建立连接的基础，只有快速、稳定、准确的同步过程才能保证通信的质量。同步是 GSM 移动通信物理层的工作内容，同步信号经过 GMSK 调制后在一定的信道内被传送。接收机通过对信号的搜索、识别达到与基站的同步，然后才能稳定的接收基站发送的信息。通过对同步过程的研究，我们可以分析出各种算法的优缺点，提出更好的改进方法，提高通信的稳定性、安全性，为更高级的通信系统的发展提供借鉴。2 2 GSMGSM 的同步理论的同步理论2.12.1 GSMGSM 逻辑信道分类逻辑信道分类2.1.1 概述 逻辑信道主要分为两大类：专用信道和非专用信道。 专用逻辑信道是由移动台专门分配出的双工信道，在这个信道中的帧结构中分配了一对时隙，这对时隙分为接收和发送两种用途。在相同的蜂窝中，任何别的接收机不能再同频同时隙中发送或接受。 非逻辑信道是单工的，并由各移动台分享。在下行方向，它表示数据被传送，若干移动台是收听信道，如果蜂窝已满载的话，这些数据涉及系统或移动台，移动台应是售后状态并且还未分配专用信道。在上行方向，非专用信道起多路通道的作用。 基于本文的研究内容，对专用信道不进行详细研究。详细介绍非专用信道中的广播控制信道（信标频道） 。3四川大学本科毕业论 GSM 同步检测仿真设计- 7 -表表 2-12-1 GSMGSM 逻辑信道的分类及作用逻辑信道的分类及作用22 2.1.2 信标频道 频率校正信道频率校正信道 FCCHFCCH 频率校正信道 FCCH（Frequency Correction CHannel）是一个特殊的包 FB，它在约50ms 时间内发送。这个包由 148bit 个 0 组成，如果它在上发送，它就是一个频率0f+1625/2kHz 的正统信号。它对应一个可微调的载频，它允许移动台振荡器微调。0f FCCH 信道存在于信标频道的 0 时隙。它在发送 51 帧的多帧结构的第 0，10,20,30和 40 帧被发送。它每 235.8ms 发送 5 次，即每秒近 20 次。 同步信道同步信道 SCHSCH 同步信道 SCH（Synchronisation CHannel）的作用是给移动台完全同步所需的信号。它也可作为专门的标志（64bit 的初始序列）来标注频道，这就使人们不必在其他的物理信道上重复。 两个同步电平区分如下： 微同步，帮助确定 TA； 逻辑同步，确定 FN；安排移动台 FB 帧计数器，结合基站相位。 SCH 信道上的包的组成是初始序列和 78 位数据。初始序列在所有 PLMN 上和所有基站中通用，因为这是提取基站的“逻辑”发送信息的第一个包。图 2-1 为同步包的结构：四川大学本科毕业论 GSM 同步检测仿真设计- 8 - 图图 2-12-1 同步包结构同步包结构 SCH 包只在一个 TDMA 帧的 0 时隙发送。它只是位于 FCCH 包后的一帧。频率调整后，正是这个包试图首先译码一个移动台。这个包的检测使移动台确实工作于 GSM 某基站的信标频道上。SCH 发送频率调整了系统的能力使移动台开机后迅速接入。 微同步是物理性质的。对移动台而言，微同步就是要再检测和分析初始序列时做一次精确调整。作为例子我们观察开机阶段。在观测 SCH 包之前，移动台的时钟粗略同步于接收到的包的上行方面。分析了 SCH 包之后，同步精度提高到微秒量级：事实上，一个时钟同步脉冲在适配同步序列的滤波器输出端被再生。这个滤波器完成了一次脉冲压缩，像雷达中情况一样。 在此阶段，移动台尚不能估计 TA（Time Advance）来校正双向传播延时。事实2p上，为了完成这个估计，有必要在上下行两个方向上交换。这个测量从观测移动台发送的 RACH 包开始，由 BTS 来完成，而移动台在 SCH 上根据所收到的时钟同步脉冲来最终定位。传播时间的测量结果，即参数 TA，最后经信道 AGCH 以某种逻辑方式发送出去。 在每个包上，信道 SCH 发送以下两个参数，共 25bit： 缩小的帧号码 RFN（19bit）可以确定帧号码 FN； 色码 BSIC（6bit） ，其作用是区分有相同信标频率的不同基站。 在 SCH 包已用的 25bit 上，再加 10bitCRC 和 4bit 延迟位，形成了一个 39bit 的字长。 帧号码 FN 确定模1126 51 2M ，并引入2log22M bit。在 SCH 上传输的缩略帧号 RFN（Reduced TDMA Frame Number）包括 19bit，它被分为以下位段： 11bit 给出高级帧结构的号码（相对超级帧结构） ； 5bit 给出 51 帧多帧结构的号码（相对高级帧） ； 3bit 用来确定常用帧，在 51 帧多帧结构的 5 个可能的位置间（1,11,21,31 或41）给出 SCH 位置。通过这种压缩，可节省 3bit。在 51 多帧结构里直接给出帧号码的办四川大学本科毕业论 GSM 同步检测仿真设计- 9 -法，试试上要求bit。2log 516 收到 SCH 也就使移动台计算超级帧结构的帧号码 FB 并锁定在 0 时隙，SCH 译码后，移动台就被同步在基站上。 广播控制信道广播控制信道 BCCHBCCH 广播控制信道 BCCH（Broadcast Control CHannel）用来发送小区的特性数据。包括有规律的发送不同形式的系统信息。移动台必须获取系统信息的变化，这些信息是或快或慢的被发送出去的。 每个系统信息都含在一个 23 个字节的字中，按照纠错和交替编码，该字在每个多帧结构（235.8ms）上被分为 4 个包。在所考察的物理信道上传播的最大频度是每秒 4.255个信息。 在 BCCH 信道上所用的编码，同样用于专用信令信道和公用信道，信息被编组为 23个字节的字，即 184bit（238bit） 。这 184 位信息又用 456bit 编码，并分为 8 个字块，每块 57bit。这 8 个子块在 4 个包上交替。SB由156个比特组成，它的时隙结构如表2-2所示： 表2-2 同步突发(SB)的结构比特号(BN)长度内容0 - 23尾比特3 - 4139数据比特 (e0 . e38)42 - 10564扩展的训练序列106 - 14439数据比特 (e39 . e77)145 - 1473尾比特148 - 1558保护间隔其中的尾比特定义为(BN0, BN1, BN2)= (0, 0, 0) 和 (BN145, BN146, BN147)= (0, 0, 0)扩展的训练序列被定义为(BN42, BN43 . BN105)=(1, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 1)。SB 中由于扩展的训练序列比特（extended training sequence bits）是已知的，也就是固定的，那么利用 SB 的结构特点，通过对含有 SB 的数据段进行相关运算，相关的方法与 FB 的相关方法类似，运算的结果肯定会有一个最大值，根据最大值出现的位置和理论上的差值，通过调整本地定时可以得到精确的定时同步。 BCCH 包含如下信息，它决定了蜂窝接入的规则： 小区选择参数，使移动台决定是否在小区守候（相关参数是：所需最小信号电平，允许发射的最大功率和切换所需的必要滞后） （每秒两次发送） ； 位置区号，使移动台知道是否在登录（每秒两次发送） 参数 RACH（随机接入信道）给出了随机接入的规则。此外，这些参数还可以对所有移动台禁入一个区和为接受切换预留信道（每秒发送四次） ；四川大学本科毕业论 GSM 同步检测仿真设计- 10 - 还有一些每秒发送信息是使移动台处于适合蜂窝结构的情况： 公共控制信道结构的说明，它给出了移动台指出要监听的时隙，以便检测发送的呼叫； 小区广播信道 CBCH（Cell Broadcast CHannel）结构的说明，使移动台接收发送用户的消息； 相邻小区的说明，它给出了相邻小区信标频道的频率（900Hz 或者 1800Hz 带宽内） 。分配给基站的载频表必须给移动台，在通信和跳频时，这个表是必须的。这个表每秒发送一次。另外还发送一些有关通信过程不同功能的参数：间断发射 DTX 的使用，功率控制和时间附加值。 每个基站都要发送其在位置区内的小区身份信息 CI（Cell Identity） 。这个身份信息对移动台并不真正重要。然而它可能用于测试结果的评估，例如为了确定功能差的基站。 BCCH 信道位于 BCCH 频率的 0 时隙。在一定的范围内，它可以位于 2、4 和 6 时隙。42.22.2 GSMGSM 手机小区选择过程手机小区选择过程四川大学本科毕业论 GSM 同步检测仿真设计- 11 -图图 2-22-2 接收机开机以后工作过程接收机开机以后工作过程2.2.1 信标频道表的组成移动台加电时，它能够最迅速的作用于网上，小区选择过程也特别顺利，因为此时，用户尚未使用移动台。移动台最大限度的使用起环境信息是合理的。这些信息可能由网络给出或者由移动台前次激活时所确定。区分两种情况： 当移动台不知道任何情况时，在 GSM 的可能频率集上的正常选择。它应该收取系统的载频集（GSM 有 124 个）和测量所收到的场强并取几次测量的平均值（至少 3S，在扩展的载频上至少测量 5 次） 当移动台存有 PLMN 的信标频道(即 BCCH 载频)时，在频道表上进行选择。2.2.2 候选信标频道的考察移动台在已存的或新建的表中搜索一个合适的小区。在运行中考察的信标频道，为了发现合适小区，接受的信号场强应是最强的。确定一个合适小区的条件是： 它应是选中的 PLMN 的一部分； 它不应是被禁小区，例如，即使小区已超负荷，小区仍处于状态之中； 它不应处于禁止定位的区域；四川大学本科毕业论 GSM 同步检测仿真设计- 12 - 在 MS 和 BTS 质检的无限衰落应较低当移动台发现了一个合适小区时，它就读出定位区的身份编码，必要时登陆注册。2.32.3 GMSKGMSK 调制原理调制原理在 GSM 中使用的调制是高斯滤波最小移频键控 GMSK，乘以 0.3 的时间段 BT（Bande Temps） 。二进制初始值为 270.833kb/s，这种调制的原理与 MSK 或 OQPSK 类似，即每发送一个二进制字符，移相/2。GMSK 作为一种非线性调频，其主要优点之一就是十分接近线性，也就是可以按对称调制进行处理。6为了生成 GMSK 信号，正如图 1.1 所示，一个频率调制器对应一个简单的压控振荡器VCO（Volatge-Controlled Oscillator）输入的数码信号是 b（t）,它被一个高斯滤波器预处理过。如果取消这个输入滤波器，得到的就是 MSK 调制。这个滤波器的作用使得相位变化较为平滑(如下图？-？)。从数学观点上来看，压控振荡器 VCO 给出了一个信号，其相位是输入信号的积分：00cos(2( )f tt (2-1) 00( )( )tttkd 图图 2-32-3 GMSKGMSK 调制原理图调制原理图 在 GMSK 调制中，信号是一个卷积的结果： (对 MSK 而言，) （2-b hb2）滤波器的脉冲式响应取高斯密度公式： （2-122( )( (2 ) )exp(/(2)h tt 3）式中，较高时取=0.3。.参数 B 在这里表示滤波器3dB 带宽，/(ln(2) / 2bbTBTbBT( )h t而是每位持续时间。bT 高斯矩形脉冲响应g(t)随 3dBB的变化曲线如下图所示：四川大学本科毕业论 GSM 同步检测仿真设计- 13 -图图 2-42-4 不同不同 BTBT 值下值下 g g（t t）值的变化）值的变化 已调信号的相位： ( )()22tnTta gnTdT (2-4) 其中是被调制的非零码（NRZ） 。调制指数H=0.5。这保证在一个码元时间内的 1ia 相位的最大改变量为 /2。因此，GMSK信号的最终表达式为： 0( )cos22tnTS ta gnTdT (2-15) 高斯滤波器的输出脉冲经MSK调制得到GMSK信号，其相位路径由脉冲的形状决定。由于高斯滤波后的脉冲无陡峭沿，也无拐点，因此，相位路径得到进一步平滑，同时给出了GMSK信号和MSK信号的相位轨迹如图2-5：图图2-52-5 GMSKGMSK信号与信号与MSKMSK信号的相位轨迹图信号的相位轨迹图四川大学本科毕业论 GSM 同步检测仿真设计- 14 -GMSK 的另一优点是稳定的包络特性，即偏离调制频谱是常数，并且摆脱了刻板的线性，使放大器容易实现。这个优点还附带其他一些特点，手机和基站收发信机的放大器是接近线性的。2.42.4 GMSKGMSK 解调原理解调原理2.4.1 GMSK 相干解调原理相干解调技术是 GMSK 解调中运用广泛的一种技术（如在 GSM 的基站和接收机部分都运用了相干解调） 。根据相干解调的原理，解调必须是在接收机已知参考相位或进行精确的载波的恢复的情况下才能进行，要达到这样的目的，在接收端必须增加本振、锁相环路、以及载波恢复电路等部分，这样会使得接收机更加的复杂，也使得成本进一步的增大。7图图 2-62-6 相干解调原理图相干解调原理图GMSK 信号调制原理与MSK的调制原理一样，都采用了正交平衡调制。所以我们可以按照MSK的解调方式对其进行解调。为了提高解调的性能，可以通过对正交部分与同相部分进行相干解调。2.4.2 GMSK非相干解调原理 GMSK 信号解调还可以采用数种非相干技术。非相干解调可以在不知道参考相位的情况下进行，相对于相干解调来说，也就不需要过多的电路，降低了生产成本。非相干解调主要有差分解调和限幅鉴频器两个大类，在此基础上还发展出了多种小类别。本小节主要分析限幅鉴频器和差分解调两类。8 限幅鉴频器解调限幅鉴频器，由两部分组成：限幅器和鉴频器。限幅器的作用是降低噪声等干扰带来的信号的失真，使信号的恒包络的特性得到回复。鉴频器的作用是为包络检测提供合适的信号。包络检测需要的是调幅的信号，鉴频器收到的是调频的信号，所以其功能就是将调频信号转化为调幅的信号。信号通过鉴频器后往往还要经过一个低通滤波器，然后再进入判决器判决，如图2-7：四川大学本科毕业论 GSM 同步检测仿真设计- 15 -图图2-72-7 限幅鉴频器原理限幅鉴频器原理 非相干差分解调 非相干差分解调是将接收到的信号分为两路，分别进行延时之后相乘，通过对乘积的比较，来得到相位的变化，将这种变化通过抽样判决之后输出解调的信号。按照所延迟的时间对差分解调进行分类。原理如图2-8所示： 其中C为复常数（当延时为T 时，C=-j） 。图图2-82-8 非相干解调原理非相干解调原理2.4.3 相干解调和非相干解调的比较 通过以上的分析，我们可以看出，相干和非相干解调各具优势。在高斯白噪声的情况下，相干解调的信噪比性能比非相干解调更好。但是，在衰落信道中，非相干解调不受锁相环性能的局限，可以保持其解调的性能，误码率不会随着衰落而增加。在自然环境中存在随机的调频噪声，这些噪声会影响相干解调时对载波相位的相关性的计算过程，从而影响解调性能。对于差分解调则不受这些因素的影响。所以，在快衰落情况下，我们往往运用非相干解调。9目前，相干解调在技术上的研究做的比非相干解调更加成熟。如上所述，非相干解调在快衰落情况下保持了良好的解调性能，所以我们应努力的研究非相干解调差分解调。而且差分解调比相干解调在高斯白噪声的情况下在信噪比上存在着约8dB的差距，这说明差分解调在性能的提高上还有很大的努力空间。2.52.5 同步的分类及主要方法同步的分类及主要方法 作为一个通信系统，为了保证信息的可靠传输，必须考虑同步问题。在信息信号的载波传输中，当采用相干解调时，无论是模拟通信还是数字通信，接收端都需要从接收信号中恢复出和原来发送信号的载波同频同相的相干载波，这就是所谓的载波同步。在数字通信中，信息序列总是通过一个码元一个码元地发送和接收，而且通常由若四川大学本科毕业论 GSM 同步检测仿真设计- 16 -干个码元组成一个码字，再由若干个码字组成一帧的方式有序地传输。因此对于数字通信，除了有载波同步外，还要有位同步、字同步和帧同步问题。102.5.1 载波同步提取载波的方法可以分为两类，一类是在发送信号中专门插入一载波或导频信号，这种方法叫插入导频法；另一类方法叫自同步发，从接收到的已调信号中直接提取。这类方法中又可以分为两种情况：一是如果已调信号中含有载波分量，则可以用锁相环实现的窄带滤波器直接提取；二是如果已调信号中不直接包含载频分量，则可以先经过非线性变换得到载频分量或其N次倍频，然后再用锁相环和分频器提取所需的相干载波。插入导频的传输方法有多种，但基本原理相似，一般都要求已调信号频谱在导频位置的分量为0以便于插入导频和提取导频。插入的导频不是加于调制器的那个载波，而是将载波移相/2并衰减若干分贝后得到的所谓“正交载波” 。当已调信号中存在载波分量时，可以直接用锁相环来提取相干载波。当已调信号中不存在载波分量时，我们可以先对这些信号进行非线性变换以得到载频分量或者他的N次倍频，然后用锁相环（如图3-1）和分频器得到所需载频。 图图3-13-1 锁相环锁相环2.5.2 位同步数字信号经过数字调制后，在信道中传输会受到噪声的影响，同时由于信道带宽有限，使解调后的信号是受到信道失真、符号间干扰和叠加有噪声的失真信号。所以必须对它进行抽样、判决和再生，然后才能恢复成原来发送的整齐规则的基带数字信号。为了在准确的时刻进行抽样，就必须在接收端恢复出与原来发送数字信息码元持续的时间和相位均相同的位定时脉冲。这种脉冲称为位同步信号，是数字通信中最基本的同步。如果同步不良，则在接收端对码元的判决时间就不准确，会造成误码率大大增加，甚至无法进行正常的数字通信。实现位同步的方法也可以分为插入位同步信号法和自同步法两类。这两种方法与载波同步中的插入导频法和自同步法类似。插入位同步信号法是在被传输的数字信号的频谱中，插入位同步导频，接收端用为同步提取电路把解调以后的数字信号频谱中的导频分量滤出来形成位同步信号。自同步法就是利用被传输的数字信号本身来获取位同步信号。一种情况是如果传送的数字信号中包含有位同步信号分量，则在接收端用窄带滤波器或锁相环直接提取；另一四川大学本科毕业论 GSM 同步检测仿真设计- 17 -种情况是如果传送的数字信号中不存在位同步的离散谱分量，就要先经过非线性处理和变换使得变换后的信号包含有这一分量，然后再用窄带滤波器或锁相环把它提取出来。2.5.3 帧同步在时分多路数字传输系统中，信号是以帧的方式进行传输的。每一帧包括许多路，而每一路又包含若干个码元，尽管帧的重复频率很容易由位同步信号经分频得出，单每一帧的开头和末尾时刻却无法由分频器的输出决定。维持就需要在一阵中加入一个特殊的标志，这就是所谓的帧同步。在前文就已经详细的讲解了GSM的帧结构，GSM通信系统根据每一帧中的特殊的序列（SB）来进行帧的同步。3 3 设计及仿真结果设计及仿真结果3.13.1 GMSKGMSK 解调部分设计解调部分设计3.1.1 常规 N 比特差分解调器对于 GMSK 信号我们在此再次简述一下，可以表示为： (3-1)(cos)(0ZttAtSc其中 A 是信号的包络常数(可以归一化的表示为 1),是载波角频率，为信号的初c0Z始相位(可以假设为零)，为附加相位，定义如下：)(t (3-2) itimmdjTgbkdqkt)()()(在一个码元周期内，相位的改变量为： (3-3) itTtimidjTgbkTiTiT)()()(上式中的积分部分可以理解为时间为T的区间内，脉冲响应曲线g(t)下的面积。对累加和我们理解为相邻序列对相位施加的影响。当调制指数h=0.5，输入为二进制序列时，因此。2mini2mk图图3-1 常规差分解调原理图常规差分解调原理图3.1.2 1比特差分解调 根据常规差分解调的原理，我们设计了1比特差分解调来对信号进行解调。四川大学本科毕业论 GSM 同步检测仿真设计- 18 -图图3-23-2 1 1比特差分解调原理比特差分解调原理我们将收集到的GSMK的复信号分成I路和Q路两部分。将I路信号延时1比特后与Q路信号相乘，Q路信号延时1比特后与I路信号相乘，所得的积再做差。根据这个差值与0做比较，当值大于或等于0时，确定输出的信号为1，当这个值小于0时，确定输出的信号为0。 图图3-33-3 1 1比特差分解调以后的数据比特差分解调以后的数据 3.23.2 GSMGSM同步检测以及仿真同步检测以及仿真同步包含以下3个步骤：1.检测FB，获得粗时间同步；2.由粗同步估计SB位置，获得精确时间同步，通过SB译码获得基站BISC，帧号；3.同步跟踪，根据每个时隙的训练序列进行时间同步跟踪，根据FB进行频偏跟踪。四川大学本科毕业论 GSM 同步检测仿真设计- 19 - 本节进行MATLAB仿真的数据为接收机实际接收后的基带信号经低通滤波器之后得到，采样率为2.96875MHz。下图GSM接收机的同步处理过程。11图图3-43-4 GSMGSM同步检测过程同步检测过程从上图我们可以看出，为了使波形平滑，实际接收信号先要经过低通滤波器滤波。同步的过程首先要从BCCH中找到FB，获得时间上的粗同步。3.2.1 FB的同步及仿真 FB包含148个全0的比特，经过GMSK调制后是一段正弦波。GSM系统的比特率T=270.833kbps，因此FB的频率为T4，即67.7KHz，相邻bit的相位差为90。由于FB具有明显的波形特点，与其他的突发脉冲不同，所以用FB来进行时间粗同步。每4比特构成一个正弦波。FB序列的波形如图3-5所示。四川大学本科毕业论 GSM 同步检测仿真设计- 20 -图图3-53-5 FBFB序列的波形序列的波形我们可以利用FB这个独有的特点来查找它的位置。相关性递推公式： （3-4）13232nnnnyj rj yj rM 我们可以根据如上的公式对含有FB的数据段进行处理，其中为当前点的相关值，ny为前一个点的相关值，为当前接收到的数据，为前32个接收到的数据。1nynr32nr当与含有FB的数据段作相关运算时，由于相关性强，相关值的模的数值非常大，而其他数据相关性弱，其值被抑制的较低。相关值的模停留在峰值的时间与相关的点数有关。根据以上图形的特点，我们在查找FB时可以设置一个门限，此门限可根据信号的平均功率得到。当有连续若干个相关的模值高于门限时，我们就可以判定已经找到了FB。我们可以推断出FB大概的起始位置，FB的开始是在相关模值开始上升的时候，FB的结束是在相关模值从峰值开始下降时，开始和结束相差约148个比特。3.2.2 SB的同步及仿真 通过相关值的计算分析，我们可以找到FB的位置，完成粗同步。但是要想使解调精确无误，必须必须使时间和频率达到精确的同步，本节介绍通过SB达到精确同步并给出仿真结果。 在第二章中讲到同步信道 SCH，它位于频率校正信道 FCCH 之后 8 个时隙的地方，其中包含了同步突发 SB。通过检测 SB 我们可以使接收机知道起始帧的位置，从而进行帧同步，并且 SB 里面还包含了基站识别码和 TDMA 帧号。SB 的长度是(142 比特)，与常规突发脉冲长度一样，但内容却不同。其中的尾比特定义为(BN0, BN1, BN2)= (0, 0, 0) 和 (BN145, BN146, BN147)= (0, 0, 0)扩展的训练序列被定义为(BN42, BN43 . BN105)四川大学本科毕业论 GSM 同步检测仿真设计- 21 -=(1, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 1)。SB 中由于扩展的训练序列比特（extended training sequence bits）是已知的，也就是固定的，那么利用 SB 的结构特点，通过对含有 SB 的数据段进行相关运算，相关的方法与 FB 的相关方法类似，由于 SB 的训练序列有很好的自相关性，运算的结果肯定会有一个最大值，这个值出现的时候就是 SB 中训练序列开始的时候，根据最大值出现的位置和理论上的差值，通过调整本地定时可以得到精确的定时同步。这里我们采用滑窗的方法。设滑窗的长度为 300 比特，每次对滑窗内的数据进行相关值的计算，当相关值的模突然变大的时候，我们可以认为找到了训练序列，取这个最大值左右各约 50 比特的数据绘图，如下图所示：图图3-63-6 检测训练序列的相关值的模检测训练序列的相关值的模四川大学本科毕业论 GSM 同步检测仿真设计- 22 -总总 结结 本文针对已知的GSM信号，通过对GMSK调制解调的研究来确定了解调的方案，分析和比较了相干解调与非相干解调的利弊，根据对GMS信道和帧结构的研究，确定的同步的方法，并且运用了MATLAB进行了仿真，结果达到了预期的效果。通过此次的设计研究，对现代通信的发展历程和前进方向有了更深的认识，对GSM通信系统有了更详细的了解。GMSK的调制解调原理在课堂上只是一笔带过，在这次的研究中，对GMSK的调制解调过程有了更为全面的和深刻的认识。通信系统的调制和解调，无线环境的建模和仿真都是十分复杂的问题。由于市场的推动以及技术的更新，无线调制解调器技术指标和应用场合也在不断的变化。因此，这也使得还有许多的工作希望能在今后得到解决。四川大学本科毕业论 GSM 同步检测仿真设计- 23 -参考文献参考文献1 MATLAB词条解释EB/OL./view/10598.html2 黄红云.基于GPS/GSM汽车防盗系统的设计与实现D.南京理工大学.2010年3 Xavier Lagrange, Philippe Godlewski, Sami Tabbane. Rseaux GSMM.第5版.法国HERMES Science Publications.2002.4 Timo Halonen, Javier Romero, Juan Melero.GSM、GPRS和EDGE系统及其关键技术向3G/UMTS系统演M.彭木根，刘萍 等译.中国铁道出版社.20045 赵明忠，顾斌，韩伟忠.现代通信系统导论M.西安电子科技大学出版社.2005年.6 郝建华，江修富，许斌.GMSK调制解调的数字实现方法J.CN1123987/G3 (2002) 0620091203.北京，装备指挥技术学院学报.2002年12月第13卷第6期.7 张邦宁.GMSK信号相干解调及载波同步的方法J.微波与卫星通信1998年第2期.8 吴迪.GMSK解调理论的研究和无线调制解调器的设计D.东华大学.2001年.9 杨佳宁.GSM手机发射机数字部分设计与硬件实现J.北京大学.2009年10 杨万全，熊淑华，卫武迪，韩运浦.现代通信技术M.四川大学出版社.2000年11 王正生.GSM接收机同步技术研究与基于FPGA和DSP的接收机设计J.北京交通大学.2009年.12 未知.GMSK技术及其软件模拟J.同济大学.2005年.四川大学本科毕业论 GSM 同步检测仿真设计- 24 -致致 谢谢首先，我要感谢我的论文导师，夏老师。由于国防生训练较多，时间较少。但是在夏老师的辛勤辅导下，最终才能完成课题的设计。夏老师渊博的学术给了我很大的帮助，很多问题都能一针见血的给出回答。但是夏老师严谨的学风和积极的态度给了我更大的影响。在我每次为论文感到无力的时候，总能回想起夏老师给我的叮嘱：你要努力，还来得及。当我由于急躁想要偷懒的时候，就会想起那上万字的论文中，夏老师红色加注的错别字。每每被夏老师这种严谨认真的学风感动。其次我要感谢我们电子信息学院对我这4年来的培养。从小我就对电子方面有兴趣，小时候经常自己修理收音机、游戏机，高中的时候还自己买了电烙铁修理MP3等。自从进入了四川大学，我才真正的认识到自己所认为的电子是多么的狭隘。在学院提供的平台上，我的理论知识和实践水平都有了很大的提高。最后感谢帮助我的同学们。帮我解决MATLAB中遇到的问题。四川大学本科毕业论 GSM 同步检测仿真设计- 25 -附录附录 1 中文翻译中文翻译3GPP 版本版本 7 中高速分组接入的演进中高速分组接入的演进概 述高速分组接入（ HSPA ）被列入第三代合作项目计划（ 3GPP ）的第 5 版和第 6 版的下行和上行链路中。3GPP 版本 7 提供了一些 HSPA 的增强，对终端用户的性能和网络速率提供了重大改进。版本7 的特性将在本文中中介绍。版本 7 也被称为 HSPA 的演进版或 HSPA+。在 HSPA+的下行峰值速率在多输入多输出（ MIMO ）天线解决方案的情况下可增加至 28.8 Mbps，上行速率在版本 7 中高阶调制的情况下可提高至 11.5 Mbps。通过下行链路中第 2 层的优化促进了数据速率的更高峰值。此外，在数据包的应用中终端的功耗可以大大减少。 在新型终端的需求下对于双天线与 MIMO 的均衡，下行单元的容量将得到加强。总之，对语音IP （ VoIP ）服务，版本 7 的单元容量与版本 6 相比，提高了将近一倍。3GPP 版本 7 使简化了网络架构。对于用户标准来说，一些网络元素可以从版本 6 中的的 4 个减少为版本 7 中的 2 个。版本 7 中 HSPA 的网络扁平架构类似于用于 3GPP 长期演进（ LTE ）计划的结构，从而使后来的从 HSPA 网络平滑演进到 LTE。 LTE 技术将被作为版本 8 的一部分 进一步推动无线电的容量，有更大的带宽和更低的延迟。在LTE 的性能目标是提供 2 到 4 倍于 HSPA 版本 6 的性能，参考实例 1 。HSPA 演进的 3GPP 版本 7 和版本 8 的解决方案将与 LTE 的发展并行，某些方面的 LTE 的工作预计也将反映在 HSPA 演进上。3GPP 版本 7 完成于 2007 年 6 月，还存在一些剩余的性能的要求。商业部署和设备预计到 2009 年完成。 前 言随着 2002 年高速下行分组接入（HSPA）的推出，第三代合作伙伴计划项目（ 3GPP ）规范包括下行数据传输速率和第五版容量的重大改进。2004 年末，类似的技术解决方案，作为第六版高速上行分组接入（HSUPA）的一部分，适用于上行链路方向。HSDPA 和 HSUPA 技术如 2 中所描述。3GPP 版本 7 在 2007 年 6 月完成了若干补充和一些基本的对终端用户性能、对单元吞吐量和网络架构的增强。本文中总结了 3GPP 版本 7 详细的解决方案和他们的性能优势。持续数据包连接的移动终端降耗一般情况下，技术的演进有利于降低移动终端能耗。此外，快速和准确的功率控制宽带码分多址（WCDMA）有利于减少传输的功率水平。3GPP 的挑战来自当移动终端正在使用 HSDPA/HSUPA 时从版本 99 到版本 6 仍然是连续接收和传输，3GPP 版本 7 介绍了一些改进的 HSDPA/HSUPA，这对数据包服务，如浏览器和 IP 电话（VoIP） ，有助于降低功耗。3GPP 版本 6 移动终端保持发射物理控制信道，甚至无数据的信道发射。版本 7 中，当没有数据的信道发射时，移动终端切断了控制信道的发射，允许其完全关闭发射机。这个解决方案就是所谓的连续上行传输，它明显的减少了发射机功率消耗。一个类似的概念在下行链路中也介绍了，仅当下行数据传输是否重新开始时终端必须唤醒。如果没有数据接收时，在其他区域帧，终端可以使用省电模式。这个解决方案被称为下行间断接收。网页四川大学本科毕业论 GSM 同步检测仿真设计- 26 -浏览的连续传输的概念说明图如图 1。一旦网页被下载，连接进入间断传输和接收。最大数据传输速率因多输入多输出和高次调制而提高HSDPA 的第六版中下行链路的最大数据传输速率是 10.8Mbps，3/4 的编码和 14.4Mbps 的传输率，不含任何信道编码。理论上来说，有很多的方式提高最大数据传输速率：如增加带宽、高次调制、或者是利用多输入多输出(MIMO)的多天线传输。MIMO 和高次调制都包含在改进过的第七版的 HSPA 中。3GPP 的长期改进也增加了带宽，提高到了 20MHZ。HSDPA 第七版中 3GPP 的多输入多输出操作的概念是在基站采用两个传输天线，在终端使用从终端反馈的加权校准的传输天线的封闭回路。MIMO 传输的图示如 Fig.2。高次调制在不增加传输带宽的情况下就可以提高最大数据传输速率。版本 6 支持下行链路的正交相移编码（QPSK）和 16 阶正交幅度调制（QAM） ，上行链路的二进制相移编码。双信道的 BPSK 调制和 QPSK 相似。第七版介绍