通信原理GMSK实验报告.docx

信息与通信工程学院北京邮电大学通信原理实验实验报告实验名称：高斯最小移频键控（GMSK）调制器实验学院： 信息与通信工程学院 班级： 2010211123 姓名： 刘伟强 学号： 10210958 教师： 韩老师 目录一、实验目的2二、实验内容2三、实验原理21、 GMSK调制器工作原理及相位路径的计算22、数字信号处理方法实现GMSK调制器5四、实验步骤5五、系统设计61、总体设计62、软件部分63、硬件部分16六、拓展部分20七、故障与解决方法221、软件部分222、硬件部分24八、心得体会25一、 实验目的1、 通过利用数字基带处理方法来实现高斯最小移频键控（GMSK）调制器算法的基带硬件实验，对通信系统硬件实现有新的认识及新的思路。2、 掌握MAX+plusII 及可编程器件的应用。3、 学会C语言或Matlab软件进行GMSK相位路径及仿真眼图的编程。4、 正确使用测试仪表。5、 理论联系实际，培养科学实验态度，提高实际动手能力。二、 实验内容1、 了解GMSK调制器工作原理，推导GMSK信号相位路径的计算公式，掌握GMSK调制器数字化实现的原理。2、 掌握GMSK调制器数字化、实现地址逻辑的工作原理，用可编程逻辑器件实现地址逻辑的设计，并仿真各点波形，分析检验其时序逻辑关系。3、 了解GMSK相位路径的编程流程图，并用计算机编出相位路径(t)的余弦及正弦表。4、 为了检验所编码表的正确性，可进一步利用计算机软件检验从上述码表得出的GMSK基带波形的眼图与理论计算是否一致，若两者一致，说明所编码表正确，可将它写入EPROM中，并将EPROM片子插在GMSK调制器硬件实验板上。5、 在通信实验板上，正确使用测试仪表观看GMSK基带信号眼图。（1）用示波器观看GMSK基带信号眼图；（2）用逻辑分析仪观看地址逻辑电路各点波形及其时序关系；（3）用频谱仪观看GMSK调制器基带波形的功率谱。6、 按上述要求写出实验报告。三、 实验原理1、 GMSK调制器工作原理及相位路径的计算MSK调制可以看成调制指数h=0.5的2FSK调制器，为了满足移动通信对发送信号功率谱的带外辐射要求，在MSK调制前加入高斯滤波器，因而GMSK具有恒包络，连续相位的特点，其旁瓣衰减比MSK更快，频谱利用率更高。产生GSMK信号的原理图如下。GMSK信号为st=cosct+t=costcosct-sintsinct相位路径为t=2h-tn=-bng(-nT)d其中，g(t)为BT=0.3高斯滤波器矩形脉冲响应，调制指数h=0.5，bn为双极性不归零码序列的第n个码元，bn为+1或-1。高斯低通滤波器的传输函数为 式中，是与高斯滤波器的3dB带宽有关的一个常数。由3dB带宽定义有 即 所以 由此可见，改变将随之改变。滤波器的冲激响应为由式看出，不是时限的，但它随按指数规律迅速下降，所以可近似认为它的宽度是有限的。由于它的非时限性，相邻脉冲会产生重叠。如果输入为双极性不归零矩形脉冲序列： 式中， 其中，为码元间隔。高斯预调制滤波器的输出为式中，高斯滤波器矩形脉冲响应为gt=xt*ht=12TQ2at-T2-Q2at+T2其中Qt=12texp-x22dx当BTb取不同值时，高斯滤波器的矩形脉冲响应g(t)如下图所示。经计算，BTb=0.3的高斯滤波器的g(t)的积分面积为1/2，且满足以下条件-2.5T2.5Tgd12 gt0 t2.5Tb所以，对于BT=0.3的高斯滤波器，取g(t)的截短长度为5T来计算GMSK信号的相位(t)，就可达到足够精度。由于g(t)在5T时间区间呢的积分面积为1/2，所以BT=0.3的GMSK相位路径计算大为化简。在kTtk+1T期间，BT=0.3的GMSK的相位为t=k-2k+2bnn-2Ttg-nT-T2d+L2L=n=-k-3bn (取模4)具体计算如下。在kTtk+1T时t=kT+tkT=k-2k+2bnn-2TkTg-nT-T2d+L2t= =k-2k+2bnkTtg-nT-T2d2、数字信号处理方法实现GMSK调制器在算得t后，即可算出cost及sint值。在工程上，首先将cost及sint离散化，制成表，固化在ROM中。由随机数据bn形成ROM表的地址，根据地址取出ROM中相应的基带信号离散值，然后利用D/A将其数模变换成模拟基带信号cost和sint，再由正交调制器将基带频谱搬移至载频上。本实验的电路原理如图所示。在上图中，虚框内表示地址逻辑，功能是取出所需要的采样量化点。ROM表中存放的是1024个点的余弦值和正弦值。DAC是模数转换，即将1024个数据进行量化，可以通过计算机绘图plot函数实现。由于存在着采样造成的副主瓣，影响了功率谱特性，因此必须在D/A后加低通滤波器来抑制高频分量，减少副主瓣对功率谱的影响。选用在上图中，虚框内表示地址逻辑，功能是取出所需要的采样量化点。ROM表中存放的是1024个点的余弦值和正弦值。DAC是模数转换，即将1024个数据进行量化，又计算机绘图程序实现。LPF是低通滤波器，可抑制高频分量，减少副主瓣对功率谱的影响。选用3dB带宽为330kHz的6阶贝塞尔低通滤波器，数模变换后的基带信号经低通滤波器后的功率谱满足GSM05.05建议的要求。四、 实验步骤1、 仔细推导gt、t的计算公式。2、 编写GMSK高斯滤波器的矩形脉冲响应gt子程序，并绘制gt的函数。3、 编写计算t的程序。4、 编写计算cost及sint的程序，并设计余弦及正弦ROM表。5、 将余弦和正弦码表中的每个样值的10bit码字，按照地址逻辑进行存放， 并用matlab程序实现。6、 得到ROM存储的基本波形表，利用信号源产生的伪随机序列an经预编码后得到bn，经过地址逻辑运算由ROM中顺序取出cost及sint的离散值，然后利用计算机绘图程序（功能相当于数模变换DAC），得到基带波形的输出，观察仿真眼图。7、 把得到的正余弦表进行数字量化，写入BIN文件，下载到硬件系统中，通过示波器观察实际硬件实现的GMSK信号眼图。五、 系统设计1、总体设计2、软件部分系统软件流程图如下图所示。（1）gt函数的产生思路：了解到Matlab内置有erfc函数，可以通过erfc(x)的表达式，得到Q(t)的表达似式，从而根据设定的时间等参数得到gt的表达式，然后在-2.5T,2.5T内用linspace取1000个点作图可以得到gt的图像。具体编程实现如下（gt_m.m）：代码：function gt = gt_m( t )%计算g(t)clc;clear;T=1/270833;B=0.3/T;a=1/B*sqrt(log(2)/2);t=linspace(-2.5*T,2.5*T,1000);gt=1/(2*T)*1/2*(erfc(pi/a*(t-T/2)-erfc(pi/a*(t+T/2);plot(t,gt);title( BT=0.3时，高斯滤波器矩形脉冲响应g(t);xlabel(t(限定在5T范围内);ylabel(g(t);end可以得到图像如下图所示：（2）相位路径t与cost及sint的码表的产生思路：首先由于每一个相位路径是由5个码元所组成的，先要编写四个象限的bn表，将所有情况全部罗列出来。然后根据相位路径产生的公式，借助matlab中的积分quad函数，计算相位路径t，最后得到cost及sint，分别用一个1*1024的矩阵来表示。具体编程实现如下（p.m）。流程图如下所示：代码：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); %g(t)b=zeros(32,5);for n=0:31 %将n转化为二进制 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+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; 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 pb=fai+delta; pa=pa,pb; end endend%plot(t,pa)s=sin(pa); %正弦表c=cos(pa); %余弦表save(sin.mat,s);save(cos.mat,c);(3)眼图的绘制思路：得到ROM存储的基本波形表后，利用信号源产生的伪随机序列an经预编码后得到bn，经过地址逻辑运算由ROM中顺序取出cost及sint的离散值，然后利用计算机绘图程序（功能相当于数模变换DAC），得到基带波形的输出，观察仿真眼图。流程图如下：说明：A、 开辟空间存入ROM表以及伪随机序列。B、根据所用的ROM表确定采样频率fs=8fb(fb=270.833KHz), 即一个码元时间内有8个抽样值，每样值的量化电平是10，并设初始相位是0，即起始地址是0000000000。C、确定读取信号的数目为10*TIMES，即每十个码元时间的波形显示于同一屏幕。共显示TIMES次。D、由bk-2,bk-1,bk,bk+1,bk+25个码元及象限L形成地址逻辑获得ROM表中的7位地址；E、再取三位地址码，顺序取出i=0,1,2,3,4,5,6,7个抽样量化值，由10位地址逻辑找到ROM中基带波形的位置，将其转换成实际值，存入一个数据文件用于眼图仿真，共有10*TIMES*n个值（n=8）；F、根据产生眼图的原理，将每次扫描结果叠加而成，删除程序中清屏幕命令，即可看到眼图；代码：close all;%仿真眼图p; %将ROM表导入m=223-1; %伪随机序列个数TIMS=500; %显示次数k=5;t=1:80;bcos=zeros(1,80);bsin=zeros(1,80);seq=round(rand(1,m); %产生伪随机序列an=0,seq(1:4); %初始4位随机码figure(1);for i=1:TIMS for j=0:9 an=an(2:5),seq(k); %取下一位信息码 n=an(1)*16+an(2)*8+an(3)*4+an(4)*2+an(5); if(k=5) L=0; else 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眼图);end;眼图仿真波形图：（4）量化并生出BIN文件思路：为了将眼图在示波器上显示，首先将正余弦表进行10bit单极性量化，量化范围为0-1023。由于选用的芯片ROM为8K。根据硬件逻辑地址，量化后的正余弦高两位、低八位分别放在不同的芯片里，所以需要三个BIN文件。两个BIN文件写入cos和sin的低八位，一个BIN文件写入cos和sin的高两位，sin在前，cos在后。另外，由于硬件电路图是用了A12A3的信号，所以A2、A1、A0是没有用的，在写入BIN文件前需要在每两个量化结果之间插入7个0作为低位，即对每一个BIN文件进行扩容，否则会出现眼图无法正常显示的现象。代码：cosbin=zeros(10,1024);sinbin=zeros(10,1024);p; %将ROM表导入c1=(c+1)*511.5; %值为0-1023c2=(s+1)*511.5;for i=1:1024 m=c1(i); for j=9:-1:1 if floor(m/2j)=1 cosbin(10-j,i)=1;m=m-2j;end; %量化为10bit end; cosbin(10,i)=floor(m);end;for i=1:1024 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);sinlow=zeros(1,1024);cossin=zeros(1,1024);for i=1:1024 %生成3片ROM coslow(i)=cosbin(3,i)*27+cosbin(4,i)*26+cosbin(5,i)*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*8);sinlowbin=zeros(1,1024*8);cossinbin=zeros(1,1024*8);for i=1:1024 %由1K向8K扩容 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);fwrite(fidsin,sinlowbin);fidcossin = fopen(cossin.bin,w);fwrite(fidcossin,cossinbin);fclose(all);产生的BIN文件如下图所示：cos和sin的高两位合成的BIN文件cos低八位的BIN文件sin低八位的BIN文件3、硬件部分硬件我们采用的是GMSK调制器通信系统实验箱，紫外线擦除器，40MHz双踪同步示波器，双16V（1.5A）直流稳压电源，28管脚ROM编程器。由实验原理分析可知，地址逻辑可由伪随机序列an经预编码后得到bn，再经地址逻辑运算形成。电路设计可分为时钟分频、伪随机序列的产生、地址逻辑的生成3部分。其中时钟分频和伪随机序列产生可由VHDL语言实现，地址逻辑的生成可由硬件之间的连线实现。下面利用Quartus软件环境完成硬件仿真。（1）地址逻辑框图利用Quartus软件得到的地址逻辑电路图如下图。其中clockmgdf器件是时钟脉冲发生器以及伪随机序列发生器；DATA为伪随机输出信号，A5、A4、A3为8个采样值的逻辑地址码，分别为fb，2fb，4fb，fb=270.833kHz为码元速率；A6、A7为两位象限逻辑地址码，对应L从0到3；A8、A9、A10、A11、A12为5为信息地址码。其中clockmgdf时钟脉冲发生器的VHDL代码为：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:out 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 (CLKevent and CLK=1) thenif n = 7 thenn = 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;伪随机序列发生器addrlogic的VHDL代码为：library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_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;signal L:std_logic_vector(1 downto 0):=00;beginprocess(A5)beginif (A5event 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= DataTemp(1);A10= DataTemp(2);A11= DataTemp(3);A12= DataTemp(4);end;（2）输出波形计算机仿真逻辑的输出波形为：（3）器件编程将文件下载到GMSK通信系统实验箱通信实验板，用逻辑分析仪或存储示波器观测地址逻辑波形。其中管脚分配如下：地址线A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3管脚号46686765646361604948（4）硬件调试步骤A、用编程器将量化后的码表的二进制bin数据文件下载到ROM中，在将下载成功的芯片插在GMSK通信实验板上，注意芯片的位置和方向；B、将GMSK通信实验板上的JTAG接口与计算机相连；C、将双路稳压电源调整为16V；D、接通电源，用示波器观察余弦cost经过低通滤波器LPF后的输出波形，与Matlab软件仿真的眼图比较。（5）示波器输出眼图六、 拓展部分（1） 眼图的功率谱密度思路：仿真功率谱密度与仿真眼图类似，都是使用伪随机序列提供地址逻辑，最后生成的值运用编写的t2f函数进行傅立叶变换，再平方，运用对数刻度将其plot即可仿真功率谱密度。代码：p;fs=2.166664*106; %采样速率(Hz)m=27; %采样点数T=(m-4)/270833; %时域范围（时域点数）df=1/T;f=-fs/2+df:df:fs/2; %频域范围（频域点数） bn=round(rand(1,m);tmp=0,bn(1:4); %b(k-2)至b(k+2)数据暂存器k=5;bcos=;for i=1:m-4 %bn取值范围为1至m tmp=tmp(2:5),bn(k); n=tmp(1)*16+tmp(2)*8+tmp(3)*4+tmp(4)*2+tmp(5);%对应数列中位置的高5位 if k=5 L=0; else bn(k-5)=2*bn(k-5)-1; %预编码 L=L+bn(k-5); end; L=mod(L,4); %L取模4 k=k+1; num=n*32+L*8; %对应数列中的实际地址 bcos(i*8-7:i*8)=c(num+1:num+8); %8位采样点end;S=t2f(bcos,fs);Eg=abs(S).2;plot(f,10*log10(Eg);xlabel(f(Hz);ylabel(dB/Hz);title(GMSK功率谱密度图);其中关于t2f的傅立叶变化的t2f.m如下：%傅里叶正变换function S= t2f(s,fs) % s代表输入信号，S代表s的频谱，fs是采样频率N= length(s); %样点总数T= 1/fs*N; %观察时间f= -N/2:(N/2-1)/T; % 频率采样点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生成的功率谱仿真图如下图所示（由于产生的是随机序列，每次生成的功率谱密度都不相同）：七、 故障与解决方法1、软件部分问题1、生成的眼图如下图所示：解决方法：经检查，在计算t的时候对于码表的遍历，for循环出现了问题。按照课本上，应该是先对L进行遍历，再对bn进行遍历，结果就出现了上图的眼图。最后考虑了逻辑，应该先对bn进行遍历，再对L进行遍历。结果就产生了正确的眼图。书本上的流程图出现了错误。问题2、积分函数的选取解决方法：matlab含有很多的积分函数，由于本题的函数是带有变量的。经过查找资料，我选用了quad函数可以对函数的积分。Quad函数我使用了变限积分的形式，将积分的下限转换到quad函数中，如quad(g,-2.5*T,-j*T-T/2)。问题3、生成的眼图如下图所示：解决方法：在生成眼图的时候，由于一开始是生成4位随机码，后来不断取下一位信息码。而在我的代码中将取得的下一位信息码的5位码却没有再赋给原来变量，导致循环无法进行下去。五位码一直为相同的初始值，所以导致了上图的出现。经过更改变量后出现了正确的眼图。问题4、眼图生成的M序列出现问题解决方法：经过网上查找资料，我找到了idinput函数，这可以生成m序列。可是当我输入至matlab中，matlab输出非常缓慢，达不到实验要求。后来我换成了rand函数进行输出。问题5、最后硬件示波器显示的波形不正确解决方法：在生出BIN文件的时候，cos和sin的高2位写的顺序出现了错误，应该是sin写在高两位，cos写在低两位。而我由于出现相反，导致最后出现的波形出现错误。生出BIN文件时，由于硬件逻辑地址是A12到A3，A2、A1、A0是接地的，所以量化之后每个数之后要添加7个0，即扩容，才能与硬件逻辑地址相对应。2、硬件部分本实验的硬件实验不是很多，而且由于硬件设备出现故障，出现的问题也很有限。主要集中在烧写BIN文件出现的问题。问题1、EPROM无法进行查空原因：EPROM是紫外线擦除式，每次擦写需要通过紫外线进行大概30分钟的擦除过程，每次可能由于没有成功的擦除干净，使得芯片查空失败。问题2、EPROM无法烧写原因：据老师介绍，很多EPROM由于错误的操作不能进行正常的烧写。所以需要进行更换。八、 心得体