GMSK调制与解调系统的设计说明.doc

. . . .目 录摘 要1Abstract2GMSK调制与解调系统的设计3第1章 绪论3第2章 GMSK调制与解调系统42.1 GMSK系统的介绍42.2 GMSK系统的设计原理42.2.1 GMSK调制原理52.2.2 GMSK解调原理5第3章 GMSK系统功能模块设计与结果分析73.1 GMSK系统的功能模块设计73.1.1 信号发生模块73.1.2 调制与解调模块73.1.3 误码率计算模块83.1.4 波形观察模块83.2 GMSK系统结果分析113.2.1 GMSK调制与解调波形113.2.2 GMSK调制信号眼图13第4章 结 论16参考文献16附录：程序17摘 要 高斯滤波最小频移键控（GMSK）系统的特点是在MSK(最小移频键控)调制器之前插入高斯低通预调制滤波器进行预调制滤波，因此GSMK调制的信号频谱紧凑、误码特性好，在数字移动通信中得到了广泛使用，如现在广泛使用的GSM（Global System for Mobile communication）移动通信体制就是使用GMSK调制方式。本文主要在瑞利信道下，通过在Matlab中的Simulink建立仿真模型进行仿真研究。并通过观察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系统较为良好的性能。关键词：GMSK，瑞利信道，SimuLink仿真，误码率曲线Abstract Gaussian filtering minimum frequency shift keying (GMSK) the characteristics of the System is in the MSK (minimum frequency shift keying) modulator before insert gaussian low-pass preset System filter to preset System filtering, so GSMK modulation signal spectrum compact, error characteristics, in the digital Mobile communication has been widely used, such as now widely used GSM (Global System for Mobile communication) Mobile communication System is to use GMSK modulation mode. This paper mainly in the Rayleigh channel, through the Simulink in Matlab building simulation model simulation. And through the observation GMSK modulation and demodulation system signal waveform and spectrum diagram, eye diagram and bit error rate curve, which testified GMSK system is relatively good performance. Keywords: GMSK, Rayleigh channel, SimuLink, bit error rate curveGMSK调制与解调系统的设计第1章 绪论高斯滤波最小频移键控（Gaussian Filtered Minimum Shift Keying）是GSM系统采用的调制方式。数字调制解调技术是数字峰窝移动通信系统空中接口的重要组成部分。GMSK是从MSK(最小移频键控)发展起来的一种技术。MSK调制实际上是调制指数为0.5的二进制调频，具有包络恒定、占用相对较窄的带宽和能进行相干解调的优点。但是MSK的带外辐射较高，影响了频谱效率。为了抑制带外辐射、压缩信号功率，可在MSK调制器前加入预调制滤波器。GMSK调制是在MSK（最小频移键控）调制器之前插入高斯低通预调制滤波器这样一种调制方式。GMSK提高了数字移动通信的频谱利用率和通信质量。 GMSK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SFSK。GMSK已确定为欧洲新一代移动通信的标准调制方式。第2章 GMSK调制与解调系统2.1 GMSK系统的介绍高斯滤波最小频移键控（Gaussian Filtered Minimum Shift Keying - GMSK）调制技术是从MSK调制的基础上发展起来的一种数字调制方式，其特点是在数据流送交频率调制器前先通过一个Gauss滤波器（预调制滤波器）进行预调制滤波，以减小两个不同频率的载波切换时的跳变能量，使得在相同的数据传输速率时频道间距可以变得更紧密。由于数字信号在调制前进行了Gauss预调制滤波，调制信号在交越零点不但相位连续，而且平滑过滤，因此GSMK调制的信号频谱紧凑、误码特性好，在数字移动通信中得到了广泛使用，如现在广泛使用的GSM（Global System for Mobile communication）移动通信体制就是使用GMSK调制方式。2.2 GMSK系统的设计原理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1。在图形观察方面还包含频谱仪、示波器和眼图绘制模块。本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，之后便将调制信号送入信道，经过解调器解调得到解调信号。为计算系统误码率，则在调制器后加一误码率计算模块，计算误码率。GMSK系统原理框图如图2.1所示：误码率计算模块信号产生模块频谱仪示波器解调模块信道调制模块图2.1 GMSK调制与解调系统原理框图在设计中，选用贝努力二进制序列产生器来产生器（Bernoulli Binary Generator）产生一个二进制序列，将序列送入GMSK基带调制器模块（GMSK Modulator Baseband）中得到已调信号，再将已调信号送入一个加性高斯白噪声信道，将信噪比设为一个变量，用于绘制信噪比误码率曲线。解调阶段则将通过加性高斯白噪声信道的信号输入GMSK基带解调器模块（GMSK Demodulator Baseband）中，其后接一个误码率统计模块（Error Rate Calculation），且误码率统计模块另一输入端接至源信号处。而用示波器观察解调波形并与源信号波形进行比较。因为已调信号是一复合信号，所以要用complex to Magnitude-Angle 模块，再用示波器分别观察其幅度与相角。另外还用频谱仪观察了已调信号的频谱。2.2.1 GMSK调制原理调制原理图如图2.2所示，图中滤波器是高斯低通滤波器，它的输出直接对VCO进行调制，以保持已调包络恒定和相位连续。高斯低通滤波器频率调制器（VCO）非归零自序 GMSK已调信号图2.2 GMSK调制原理图为了使输出频谱密集，前段滤波器必须具有以下待性2：1.窄带和尖锐的截止特性，以抑制FM调制器输入信号中的高频分量；2.脉冲响应过冲量小，以防止FM调制器瞬时频偏过大；3.保持滤波器输出脉冲响应曲线下的面积对应丁pi2的相移。以使调制指数为12。前置滤波器以高斯型最能满足上述条件，这也是高斯滤波器最小移频键控(GMSK)的由来。2.2.2 GMSK解调原理GMSK本是MSK的一种，而MSK又是是FSK的一种，因此，GMSK检波也可以采用FSK检波器，即包络检波及同步检波。而GMSK还可以采用时延检波，但每种检波器的误码率不同。GMSK非相干解调原理图如图2.3，图中是采用FM鉴频器（斜率鉴频器或相位鉴频器）再加判别电路，实现GMSK数据的解调输出。判决器带通滤波器鉴频器限幅器GMSK信号 数据图2.3 GMSK解调原理图如图2.4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。所选库模块模型如图2.4中所示。图2.4 系统SimuLink仿真模型图第3章 GMSK系统功能模块设计与结果分析3.1 GMSK系统的功能模块设计3.1.1 信号发生模块 因为GMSK信号只需满足非归零数字信号即可，本设计中选用（Bernoulli Binary Generator）来产生一个二进制序列作为输入信号。图3.1 GMSK信号产生器该模块的参数设计这只主要包括以下几个3。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。例如仿真时间为10s，若sample time为1/1000，则码元个数为10000。3.1.2 调制与解调模块GMSK信号GMSK解调信号图3.2 GMSK调制解调模块GMSK Modulator Baseband为GMSK基带调制模块4，其input type参数设为Bit表示表示模块的输入信号时二进制信号（0或1）。BT product为0.3表示带宽和码元宽度的乘积。其中B是高斯低通滤波器的归一化3dB带宽，T是码元长度。当BT=时，GMSK调制信号就变成MSK调制信号。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。而将SNR参数设为一个变量xSNR是为了在m文件中编程，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m文件通过改变其值，可以观察回溯长度对调制性能的影响。3.1.3 误码率计算模块GMSK解调信号基带信号图3.3 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，表示竟统计数据输出到工作区。Variable name (变量名)则是设置m文件中要返回的参数的名称，设为xErrorRate。3.1.4 波形观察模块调制、解调信号观察模块如图3.4和图3.5所示：GMSK调制信号图3.4 调制信号观察模块因为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。图3.5 解调信号观察模块调制信号频谱观察模块如图3.6所示：图3.6 GMSK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,FS，Amplitude scaling表示幅度计算，选择一般模式即以V为单位进行计算。但Y坐标标记Y-axis title设为magnitude，dB转换为dB形式。眼图观察模块如图3.7所示：图3.7 GMSK调制信号眼图观察模块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。在系统中要求通过m文件编程绘制误码率曲线。其程序流程图如图3.8：开始X=0:10;xTracebackLength=4;Y=xi=1:length(x)执行Simulink 仿真模型Y(i)=xErrorRate(1)返回图3.8 程序流程图3.2 GMSK系统结果分析3.2.1 GMSK调制与解调波形图3.1 GMSK调制信号幅度和相角波形由于调制信号时一个复合信号，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。图3.2 GMSK基带信号与解调信号由图3.2中基带信号（上）与解调信号波形（下）比较可得，其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3.3 BT=0.3的GMSK调制信号频谱由图3.3可知，除了顶端稍显尖锐和不够圆滑，实验所得频谱图的主瓣与理论频谱近似。图3.4 MSK调制信号频谱比较图3.3和图3.4，发现GMSK的旁瓣衰减比MSK明显，也充分说明了GMSK频谱特性较MSK更好。3.2.2 GMSK调制信号眼图图3.5 BT=0.1分析：由图中混乱的线条可知，BT=0.1时，眼图“眼睛”睁开很小，失真严重，系统码间串扰较大。图3.6 BT=0.3分析：由图中混乱的线条可知，BT=0.3时，眼图“眼睛”睁开比图3.6中大，但存在过零点失真，仍然存在码间串扰，但比BT=0.1时好得多。图3.7 BT=0.9分析：与图3.5，3.6相比较，图3.7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。图3.8 信噪比为0：10的不同模块的误码率图3.8中 * 标识的是瑞利信道的误码率曲线，近似水平线，可见调制特性非常不好,而其余两条曲线都是通过高斯白噪声信道的误码率，明显的比前者平滑且下降现象明显，说明采用高斯白噪声信道所得调制特性更好；而实线和菱形标识的是分别是GMSK、MSK的误码率曲线,比较可见GMSK调制曲线更为平滑。所以三种方式里面GMSK的调制性能最好。图3.9 不同BT值时的GMSK误码率曲线在BT=0.2、0.3、0.7时，对系统误码率进行仿真。比较三条曲线，可以看到其差别并不大。结果表明:不同BT值的信号调制性能差别不大.随着信噪比的增大,BT=0.2与BT=0.3的系统性能基本一致。当BT=0.3时,既可以使频域带宽很窄,时域持续时间适当,又使时域信号容易实现。第4章 结 论GMSK系统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。本文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。文中先介绍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 邓华MATLAB通信仿真及应用实例详解M.北京 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