GMSK调制方式的仿真分析.doc

三级项目报告GMSK调制方式的仿真分析班 级：小组成员及分工（贡献）： 课 程 名 称： GMSK调制方式的仿真分析指 导 教 师：2015年6月GMSK调制方式的仿真分析摘 要：本设计在瑞利信道下，通过在Matlab中的Simulink建立仿真模型进行仿真研究。该系统由信号产生模块产生一个二进制序列，再经过调制器进行调制，然后将调制信号送入一信道，经过解调器解调得到解调信号。通过观察GMSK系统调制、解调信号的的波形、频谱图、眼图和误码率曲线，从而验证GMSK系统的合理性和必要性。关键词：GMSK，调制，解调，仿真，MATLAB1 引言随着现代通信技术的发展，移动通信技术得到快速的发展，GMSK技术起到了关键性的技术。GMSK是一种二进制数字调制技术，它是无线通信中最突出的调制类型。在世界范围内有许多通信标准都采用了GMSK技术，例如GSM，DECT等。GMSK信号由于具有恒包络和带外辐射小的特点获得了广泛的应用。本方案主要介绍了GMSK的基本原理，以及利用MATLAB对调制部分的仿真分析来说明GMSK的性能，进而说明它适合于移动无线电通信的特性。2 GMSK系统原理及组成GMSK系统主要由信号产生模块、信号调制模块、信道、信号解调模块、误码率计算模块组成。在图形观察方面还包含频谱仪、示波器和眼图绘制模块。在调制器后加一误码率计算模块，计算误码率。基本的工作原理是将基带信号先经过高斯滤波器成形，再进行最小频移键控(MSK)调制。由于成形后的高斯脉冲包络无陡峭边沿，亦无拐点，因此频谱特性优于MSK信号的频谱特性。系统原理框图如下：图1BT=0.3表示高斯滤波器带宽与比特率之比。GMSK是一种特殊的数字FM调制方式。给RF载波频率加上或者减去67.708KHz表示1和0。使用两个频率表示1和0的调制技术记作FSK（频移键控）。在GSM中，数据速率选为270.833kbit/sec，正好是RF频率偏移的4倍，这样作可以把调制频谱降到最低并提高信道效率。比特率正好是频率偏移4倍的FSK调制称作MSK（最小频移键控）。在GSM中，使用高斯预调制滤波器进一步减小调制频谱。它可以降低频率转换速度，否则快速的频率转换将导致向相邻信道辐射能量。双极性码元通过高斯滤波器产生拖尾现象，所以相邻脉冲之间有重迭。对应某一码元，GMSK信号的频偏不仅和该码元有关，而且和相邻码元有关。也就是说在不同的码流图案下，相同码元(比如同为“+1”或“-1”)的频偏是不同的。相邻码元之间的相互影响程度和高斯滤波器的参数有关，也就是说和高斯滤波器的3dB带宽B有关。通常将高斯滤波器的3dB带宽B和输入码元宽度T的乘积BT值作为设计高斯滤波器的一个主要参数。BT值越小，相邻码元之间的相互影响越大。理论分析和计算机模拟结果表明。BT值越小，GMSK信号功率频谱密度的高额分量衰减越快。主瓣越小，信号所占用的频带越窄，带外能量的辐射越小，邻道干扰也越小。图23 系统模块设计3.1 调制模块 围绕着GMSK信号的产生，人们不断探寻，并且提出了多种地调制方式。其中包括：直接数字调频；环路（PLL）调制器，也就是在一个/2BPSK调制器后面跟随一个锁相环电路组成的相位平滑滤波器；利用数字波形生成器的正交调制器等。3.1.1 直接数字调频图3该方案利用脉冲形成后的基带信号直接对压控振荡器VOC进行调频。该方案十分简单，并且在多种模拟和数字系统中采用。例如蜂窝数字分组数据系统(CDPD)和全球通(GSM)。可是该方案不易于集成。而且为了保持中心频率在动态范围内，就必须要求VOC有着较高的线性度和灵敏度。类似的方案还有环路型调制器。3.1.2 环路型调制器图4/2BPSK保证每个码元的相位变化为/2，利用锁相环对相位进行平滑。可是如何设计PLL的传输函数，从而满足功率谱特性的需要是一件很困难的事情。3.1.3 正交调制图5该方案实现简单，容易实现数字化，以达到最终的大规模集成。但是其缺点是，同相和正交两路输出信号必须进行平衡，否则会出现附加调幅，导致频带的扩展。本设计采用了直接数字调频方案。3.2 解调模块 对于GMSK信号可以采用多种非相干技术进行解调。非相干解调技术不需要知道参考相位，因此也就不需要锁相环路、本地晶振以及载波恢复电路了。相对于相干解调技术，非相干解调技术的成本更低，更易于实现。非相干解调技术的种类很多。主要分为限幅鉴频器和差分解调两个大类。3.2.1 限幅鉴频器图6限幅鉴频器，顾名思义由两个部分组成：限幅器，用来恢复受到噪声和干扰影响的接收信号的恒包络的特性；鉴频器，用来将相位调制转化为幅度调制，以供随后的包络检测。鉴频器之后通常跟随一个低通滤波器，例如一个积分滤波器。信号通过低通滤波器之后进入判决器判决。3.2.2 非相干差分解调器图7非相干差分解调，利用接收信号以及其时延信号进行解调。4 GMSK系统仿真4.1 SimuLink仿真模型下图为GMSK调制解调系统的SimuLink仿真模型，整个系统主要包括五大模块：随机信号发生模块、GMSK调制模块、信道、GMSK解调模块、误码率统计模块。图84.2 信号产生模块因为GMSK信号只需满足非归零数字信号即可，该设计中选用（Bernoulli Binary Generator）来产生一个二进制序列作为输入信号。该模块的参数设计主要包括以下几个。其中probability of a zero 设置为0.5表示产生的二进制序列中0出现的概率为0.5；Initial seed 为61表示随机数种子为61；sample time为1/1000表示抽样时间即每个符号的持续时间为0.001s。当仿真时间固定时，可以通过改变sample time参数来改变码元个数。4.3 调制、解调模块GMSK Modulator Baseband为GMSK基带调制模块，其input type参数设为Bit，表示模块的输入信号是二进制信号（0或1）。BT product为0.3表示带宽和码元宽度的乘积。其中B为高斯低通滤波器的归一化3dB带宽，T为码元宽度。 当BT=时，相当于未加滤波器，这时的曲线为MSK信号的功率谱密度；当BT1时，表明高斯低通滤波器的带宽大于数据信号的带宽，BT值越大，滤波器的作用越弱；当BT1时，滤波器的作用明显，BT的值越小，表明滤波器的带宽越窄，已调波的高频滚将就越快，频谱的主瓣也越小。随着BT值的减小，GMSK的频谱变得越来越紧凑，但误码性能也将变差。BT=0.3是GSM采用的调制方式。Plush length则是脉冲长度即GMSK调制器中高斯低通滤波器的周期，设为4。Symbol prehistory表示GMSK调制器在仿真开始前的输入符号，设为1。Phase offset 设为0，表示GMSK基带调制信号的初始相位为0。Sample per symbol为1表示每一个输入符号对应的GMSK调制器产生的输出信号的抽样点数为1。AWGN Channel为加性高斯白噪声模块，高斯白噪声信道的Mode参数（操作模式）设置为Signal to noise(SNR),表示信道模块是根据信噪比SNR确定高斯白噪声的功率，这时需要确定两个参数：信噪比和周期。计算不同信噪比下的误码率，改变SNR即改变信道信噪比。GMSK Demodulator Baseband是GMSK基带解调器。其前六项参数与GMSK调制器相同，并设置的值也相同。最后一项为回溯长度Traceback Length,设为变量Tracebacklength，在文件中通过改变其值，可以观察回溯长度对调制性能的影响。4.4 误码率计算模块Receive dely(接收端时延)设置为回溯长度加一，表示接收端输入的数据滞后发送端数据TracebackLength+1个输入数据；Computation delay(计算时延)设为0，表示错误率统计模块不忽略最初的任何输入数据。Computation mode(计算模式)设置为Entire frame(帧计算模块)，表示错误率统计模块对发送端和接收端的所有数据进行统计。Output data(输出数据)设为Workspace，表示统计数据输出到工作区。Variable name (变量名)则是设置文件中要返回的参数的名称，设为xErrorRate。4.5 波形观察模块4.5.1 调制、解调信号观察模块因为GMSK调制信号是一个复合信号，所以只用示波器（Scope）无法观察到调制波形，所以在调制信号和示波器间加一转换模块Complex to magnitude-angle将调制信号分别在幅度和相角两方面来观察。将Complex to magnitude-angleoutput的output参数设为magnitude and angle,表示同时输出调制信号的幅度和相角。示波器scope1的number of axes 为2表明有纵坐标个数为2；time range表示时间轴的显示范围，设为auto,表示时间轴的显示范围为整个仿真时间段。Tick Tabels 设为bottom axis only时，只显示各个纵坐标以及最下面的横坐标的标签。4.5.1 调制信号频谱观察模块设置了坐标Y的范围为0到7，X的范围为-FS/2,FS/2，Amplitude scaling表示幅度计算，选择一般模式即以dB为单位进行计算。但Y坐标标即把Y-axis title的 magnitude，dB转换为dB形式。4.5.1 眼图观察模块Offset(sample)参数表示MATLAB在开始绘制眼图之前应该忽略的抽样点的个数。Symbols per trace表示每径符号数，每条曲线即成为一个“径”。Traces displayed 则是要显示的径数。New traces per display 是每次重新显示的径的数目。5 系统调试分析5.1 实验调试调试过程中主要通过MATLAB自带的Help功能来进行调试，在Help中查找所需函数的定义及形式和使用方法。通过报错信息找出相应的错误料，在最终解决不了的情况下，请教老师，最终改正所有错误。设计模块、参数设置及程序代码编写完成后。先将高斯白噪声信道信噪比xSNR和GMSK解调模块的回溯长度参数设为常数，GMSK调制模块参数input type与GMSK解调模块out put 参数均设置为bit，运行实验模型，观察示波器，示波器显示波形，误码率曲线也能画出。各调制信号观察时，频谱仪显示的图形都与理论频谱形状相差很大，尤其GMSK的频谱，都没有出现主瓣与旁瓣的明显区分，重新修改频谱仪的参数，将Amplitude scaling 参数由dB改为magnitude，情况就好很多了。但是无论怎样改变，都不能得到理想的状态，估计是其它模块的一些参数对频谱仪的图形观察有影响。5.2 结果分析5.2.1 GMSK调制与解调波形图9 GMSK调制信号幅度和相角波形由于调制信号是一个复合信号，不能直接由示波器观察，通过一complex to magnitude-angle模块将调制信号分为幅度和相角两个变量来观察。通过幅度的波形（上）和相角波形（下）验证了GMSK的幅度不变，由相角波形来看，相角连续，与理论符合。所以图形基本正确。图10 GMSK基带信号与解调信号由图中基带信号（上）与解调信号波形（下）比较可得，由起始码元到最后一个码元，发现调制信号波形从第四个码元开始与基带信号完全符合，说明系统的调制性能较好，基本实现了解调的目的将调制信号还原为基带信号。 图11 BT=0.3的GMSK调制信号频谱 图12 BT=0.6的GMSK调制信号频谱比较图11和图12中频谱，发现BT=0.3与BT=0.6得GMSK调制频谱，并无明显差异，与GMSK调制信号的频谱随着BT的减小而变得紧凑起来的理论结果不符合，从而验证可能是系统的某些参数设置不太合理，导致得不到正确的结果。5.2.2 GMSK调制信号眼图 图13 BT=0.3分析：由图中混乱的线条可知，BT=0.3时，眼图“眼睛”睁开大，但存在过零点失真，存在码间串.图14 BT=0.6分析：与图13相比，图14中眼图最为清晰，眼睛睁开程度也较大，且眼图端正，说明码间串扰较小。综合上述分析，可知BT值越小，码间串扰越大，这也是GMSK体制的缺点。6 结论我们设计的GMSK系统，先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，之后进行MSK调制。由于滤波形成的高斯脉冲包络无陡峭的边沿，亦无拐点，所以经调制后的已调波相位路径在MSK的基础上进一步得到平滑，它把MSK信号的相位路径的尖角平滑掉了，因此频谱特性优于MSK和FSK。GMSK已确定为欧洲新一代移动通信的标准调制方式。 本设计方案主要研究了高斯滤波最小频移键控（GMSK）调制与解调系统的设计与实现，同时仿真结果验证了其正确性。先介绍GMSK调制与解调系统的原理，然后在Matlab的Simulink中逐个实现信号发生模块、调制与解调模块、误码率计算模块和波形观察模块的建立。然后通过Simulink建立系统模型进行仿真和实验调试。最后通过对GMSK系统调制、解调信号的波形、频谱图、眼图和误码率曲线的分析验证了GMSK系统良好的性能。参考文献：1 李永忠 .现代通信原理与技术. 北京：国防工业出版社， 2010.52 樊昌信 曹丽娜 .通信原理. 北京：