MATLAB应用于数字通信系统调制解调技术的仿╲t 真设计.doc

江 西 理 工 大 学 南 昌 校 区毕 业 设 计（论文）题 目：MATLAB应用于数字通信系统调制解调技术的仿 真设计 城市地形下GMSK仿真设计系 ：专 业：班 级：学 生：学 号：指导教师： 职称：讲 师摘 要在数字通信系统中,全数字接收机已经得到了广泛的应用。利用数字化方法控(GMSK)是一种典型的连续相位调制方式,具有包络恒定、频谱紧凑、抗干扰能力强等特点,可有效降低邻道干扰,提高非线性功率放大器的效率,已在移动通信(如GSM系统)、航天测控等场合得到广泛应用。传统方法设计的GMSK调制解调器不能很好满足全数字化设计通信系统中的调制解调技术是实际应用中的一项重要技术。最小高斯频移键接收机可编程、多模式等需要。 论文重点研究利用全数字化技术设计GMSK调制解调器,以便更广泛地使用GMSK调制解调技术。主要研究工作有: 1.针对传统GMSK调制技术实现中存在的设计复杂、有相位累计误差等不足,基于相关文献思想,设计实现了一种改进的波形存储正交法GMSK调制信号生产方案。该方法不存在传统方法相位累加过程中的累计误差,而且无需滤波器,降低了数字化实现中的器件资源。仿真及FPGA实现结果表明,该方法计算量小、占用资源少,更容易实现高旁瓣抑制度的GMSK信号。 2.研究了GMSK信号的数字化解调技术,针对突发通信系统的需要,对1比特差分解调和2bit差分解调技术进行研究,设计实现了1bit差分解调。计算机仿真和FPGA仿真测试表明,设计方案能正确实现GMSK的解调,误码性能较好。 3.讨论了GMSK参数对系统性能影响。通过仿真对比,研究在收发端BT值的选取准则,对不同调制与解调技术的误码性能进行仿真研究和分析。 4.完成设计方案的FPGA设计,进行FPGA仿真和在线下载验证,结果表明,设计方案可以正确实现GMSK的调制解调。 论文的研究通过理论分析、方案对比、计算机仿真和关键技术FPGA验证的方式进行。研究表明,设计方案可行,经进一步细化和改造后可用于实际通信系统。关键词：通信系统；数字化；调制解调；GMSK；仿真ABSTRACTIn digital communication systems, digital receivers has been a wide range of applications. Using digital method controlled is a typical of continuous phase modulation way,has package complex constant, and spectrum compact, and anti-interference ability strong, features,can effective reduce o road interference,improve nonlinear power amplifier of efficiency,has in mobile communications, and space measurement and control, occasions are widely application. Design of the traditional method of GMSK modem cannot be met is very good modulation and demodulation technology of all-digital design communication system is an important technology in practical application. Minimum GFSK Gauss Frequency Shift Key receiver programmable, multi-mode requirements. Papers focus on the use of digital technology design of GMSK modem, so that more extensive use of GMSK modulation and demodulation technique. Main research work: 1.for traditional GMSK modulation technology in the design of complex, phase lack of cumulative error, based on documents related to thought, design and implementation of a modified waveform storage of orthogonal GMSK modulation signal production programme. In that method there is no conventional phase accumulation process of cumulative error, without filter, reducing devices in the digital resources. Simulation and FPGA implementation showed, the calculated volume is small, small footprint,easier to achieve high side-lobe suppression of GMSK signal. 2.study the GMSK signal digital demodulation technology,need for burst communication system,1bit difference harmonic2bitdifference adjusting technology research,design and implementation of a bit difference adjustment. Computer simulation andFPGAsimulation tests, design programmes to correct implementation of GMSK demodulator, BER performance better. 3. discuss GMSK parameter effects on system performance. Comparison by Simulation, research on the transceiver sideBTvalues of selection criteria, on error performance for different modulation and demodulation technology for simulation and analysis shows,design programmes can be properly implemented GMSK modulation and demodulation. Comparison of research through theoretical analysis, programme papers, computer simulation and key technology of FPGA verification ways. Study, design feasible, after further refinement and improvement can be used for the actual communication system.Keywords: communication; digital; modem; GMSK; simulation目 录第一章 引 言11.1设计背景及意义11.2设计方法及预期结果11.3 MATLAB及其仿真的实现方法21.3.1MATLAB的特点21.3.2基于MATLAB的仿真实现方法3第二章 数字通信系统及调制解调52.1数字通信系统52.2信道编码62.2.1信道编码的基本思想和基本方式62.2.2常用的信道编码72.3调制解调技术72.3.1调制解调的概念72.3.2Modem的类别82.3.2数字调制的基本类型92.3.3在实际应用中，有两类用得最多的数字调制方式92.3.4几种常见的数字调制方式102.4程序仿真中相关MATLAB库函数（M函数）的介绍13第三章 GMSK 解调原理及设计方案163.1 GMSK的1 比特差分非相干解调163.2基于MATLAB的基带GMSK 信号解调技术研究与实现183.3基于 FPGA 的基带GMSK信号解调自主设计和实现193.3.1基带GMSK 信号一比特非相干解调193.4基带GMSK 信号的相干解调20第四章 具体设计224.1GMSK调制原理224.2GMSK在双模中的实现原理234.3GMSK算法描述244.4MATLAB仿真实现流程244.5MATLAB仿真结果及验证254.6结论26第五章 城市地形gmsk仿真设计275.1 城市地形设计gmsk仿真设计原理275.2程序的PAD图28致 谢29参考文献：30江西理工大学2011届本科生毕业设计（论文）第一章 引 言随着通信系统的规模和复杂度的不断增加，通信系统的模拟仿真技术越来越受到重视。通信系统的模拟仿真技术是介于手工分析和电路试验的一种系统设计方法，它可以让用户在很短的时间内建立整个通信系统模型，并对其进行模拟仿真。而在众多的仿真平台中，MATLAB 及SIMULINK 仿真模块较之于其它仿真软件有着独到的优势，它能使技术人员摆脱系统仿真中繁琐的编程，有效提高了系统仿真的可靠性和实用性。MATLAB 在通信系统仿真中的功能非常强大，其应用范围也非常广阔，例如：MATLAB 在通信系统仿真中误码率的计算可以用来计算和比较不同的调制方式、不同的差错控制编码方式和不同信道噪声模型条件下通信系统的误码率；MATLAB 在通信系统的数据传送和接收过程中的同步电路仿真应用，采用“迟早门同步技术”可仿真一个接收设备的同步实现电路；MATLAB 在码分多址通信系统仿真中的应用，码分多址接入作为一种高效率的随机多址接入技术，可对存在多址接入干扰（MAI）的码分多址通信系统进行仿真。其应用之广泛不再一一详述。本篇文章主要介绍MATLAB 在扩频通信中的仿真应用。1.1设计背景及意义随着通信系统的规模和复杂度不断增加,传统的设计方法已经不能适应发展的需要,通信系统的模拟仿真技术越来越受到重视。传统的通信仿真技术主要分为手工分析与电路试验两种，可以得到与真实环境十分接近的结果，但耗时长，方法比较繁杂，而通信系统的计算机模拟仿真技术是介于上述两种方法的一种系统设计方法，它可以让用户在很短的时间内建立整个通信系统模型，并对其进行模拟仿真。早期，多采用计算机高级程序语言(FORTRAN、PASCAL、C等)进行仿真，用这些高级程序语言编写系统仿真程序，虽然比上述两种方法更加便捷，但在程序编写中仍需花费大量时间精力考虑事件的发生、处理以及结果的可视化等因素。即使是一个简单系统，程序都十分冗长，难于调试1。随着计算机仿真技术的发展，构筑通信系统仿真平台，可以在计算机上显示不同系统的工作原理，进行波形观察、频谱分析和性能分析等，为通信系统设计和研究提供强有力的指导。 1.2设计方法及预期结果随着数字技术的飞速发展与数字器件的广泛使用，数字信号处理在通信系统中的应用已经越来越重要。数字信号传输系统分为基带传输系统和频带传输系统。频带传输系统也叫数字调制系统，该系统对基带信号进行调制，使其频谱搬移到适合在信道(一般为带通信道)上传输的频带上。数字调制和模拟调制一样都是正弦波调制，即被调制信号都为高频正弦波。数字调制信号又称为键控信号，数字调制过程中处理的是数字信号，而载波有振幅、频率和相位3个变量，且二进制的信号只有高低电平两个逻辑量即1和0，所以调制的过程可用键控的方法由基带信号对载频信号的振幅、频率及相位进行调制,最基本的方法有三种振幅调制(ASK)、频移键控(FSK)、相移键控(PSK) 2。基于信号的系统仿真，是通信电子类专业教学和科研经常使用的一种方法。80年代以来，通信和信号处理系统越来越复杂，各种新技术的发展对通信系统的实现起着重大的影响。通信系统复杂性的增加使得分析与设计所需的时间和费用也迅速上升，为了节约人力、物力、财力和时间，就需要进行系统仿真。1.3 MATLAB及其仿真的实现方法1.3.1MATLAB的特点MATLAB软件是美国MathWorks公司开发的用于概念设计，算法开发，建模仿真，实时实现的理想的集成环境3。MATLAB内核及辅助工具箱，两者的调用构成了MATLAB的强大功能。MATLAB语言以数组为基本数据单位，包括控制流语句、函数、数据结构、输入输出及面向对象等特点的高级语言，具有以下主要特点:a) 运算符和库函数极其丰富，语言简洁，编程效率高，MATLAB除了提供和C语言一样的运算符号外，还提供广泛的矩阵和向量运算符。利用其运算符号和库函数可使其程序相当简短，两三行语句就可实现几十行甚至几百行C或FORTRAN的程序功能。b) 既具有结构化的控制语句(如for循环，while循环，break语句，if语句和switch语句)，又有面向对象的编程特性。c) 图形功能强大。它既包括对二维和三维数据可视化，图像处理，动画制作等高层次的绘图命令，也包括可以修改图形及编制完整图形界面的，低层次的绘图命令。d) 功能强大的工具箱。工具箱可分为两类:功能性工具箱和学科性工具箱。功能性工具箱主要用来扩充其符号计算功能，图示建模仿真功能，文字处理功能以及与硬件实时交互的功能。而学科性工具箱是专业性比较强的，如优化工具箱、统计工具箱、控制工具箱、小波工具箱、图象处理工具箱、通信工具箱等。e) 易于扩充。除内部函数外，所有MATLAB的核心文件和工具箱文件都是可读可改的源文件，用户可修改源文件和加入自己的文件，它们可以与库函数一样被调用。1.3.2基于MATLAB的仿真实现方法 SIMULINK工具箱MATLAB通信工具箱是一套用于在通信领域进行理论研究、系统开发、分析设计和仿真的专业化工具软件包。MATIAB通信工具箱由两大部分组成：通信系统功能函数库和SIMULINK通信系统仿真模型库。运行MATLAB通信工具箱需要有MATLAB信号处理工具箱支持。MATLAB通信系统功能函数库由七十多个函数组成，每个函数有多种选择参数、函数功能覆盖了现代通信系统的各个方面。这些函数包括：信号源产生函数、信源编码解码函数、纠错控制编码解码函数、调制解调函数（基带和通带）、滤波器函数、传输信道模型函数（基带和通带）、TDMA、FDMA、CDMA函数、同步函数、工具函数等。以纠错控制编解码函数为例：函数库提供了线性分组码、汉明码、循环码、BCH码、里德一索洛蒙码（REEDSOLOMON）、卷积码等6种纠错控制编码，每种编码又有编码、解码、矢量输入输出、序列输入输出等四种形式的函数表达。在SIMULINK通信系统仿真模型库中，整个通信系统的流程图被概括为：信号的产生与输出、编码与解码、调制与解调。多址接入方式、滤波器以及传输介质的模型。每个框图都由一个子仿真模型库构成。在通信系统中，一般情况下，传输和接受所采用的技术是相互对应的，因此，可以将发射与接收部分中各个子仿真模型库进行相应的归类。发射部分的信源编码和接收部分的信源解码所对应的子仿真模型库归类后共有5种信源编解码仿真模型。另外，为能进行通信的全系统仿真，SIMULINK通信系统仿真模型库提供了通带和基带两种类别的信道模型，其中通带信道有4种模型，基带信道有6种模型。扩频通信，即扩展频谱通信(Spread Spectrum Communication)，与光纤通信、卫星通信，一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。它是指发送的信息被展宽到一个很宽的频带上，在接收端通过相关接收，将信号恢复到信息带宽的一种系统。扩频通信系统具备3个主要特征:(1)载波是一种不可预测的，或称之为伪随机的宽带信号。(2)载波的带宽比调制数据的带宽要宽得多。(3)接收过程是通过将本地产生的宽带载波信号的复制信号与接收到的宽带信号相关来实现的。采用扩频信号进行通信的优越性在于用扩展频谱的方法可以换取信噪比上的好处。即接收机输出的信噪比相对于输入的信噪比有很大改善，从而提高了系统的抗干扰能力。文章根据扩频通信的原理，利用MATALB提供的可视化仿真工具Simulink建立了扩频通信系统仿真模型，研究了扩频通信的特性和扩频增益与输出端信噪比的关系，目的是为以扩频通信为基础的现代通信的研究和设计提供依据。随着 FPGA 技术的发展，FGPA 的灵活性及性价比都很高。如何将FPGA 应用到AIS系统中，为此达到系统具有灵活性的目的，是摆在人们面前的重要课题。进一步研究GMSK 信号在FGPA 芯片上的实现不仅具有一定的理论意义，同时具有重要的现实意义。通过对GMSK 基本理论知识的学习，分析基带GMSK 调制解调器的基本构成，完成了基于MATLAB 平台下的GMSK 调制解调器的系统仿真，尤其对GMSK 解调部分做了具体的自主研究与设计实现，并将仿真算法用于FPGA 中进行实践设计，使用软硬件结合的方式来设计研究GMSK 基带信号的解调，为以后通信系统的研究奠定了一定的基础。第二章 数字通信系统及调制解调2.1数字通信系统最简单的数字通信系统模型由信源、信道和信宿三个基本部分组成。实际的数字通信系统模型要比简单的数字通信系统模型复杂得多。一般的数字通信系统模型如图1-1所示。图2-1 数字通信系统模型数字信号与模拟信号不同，它是一种离散的、脉冲有无的组合形式，是负载数字信息的信号。电报信号就属于数字信号。现在最常见的数字信号是幅度取值只有两种(用0和1代表)的波形，称为“二进制信号”。“数字通信”是指用数字信号作为载体来传输信息，或者用数字信号对载波进行数字调制后再传输的通信方式。 数字通信与模拟通信相比具有明显的优点：首先是抗干扰能力强。模拟信号在传输过程中和叠加的噪声很难分离，噪声会随着信号被传输、放大、严重影响通信质量。数字通信中的信息是包含在脉冲的有无之中的，只要噪声绝对值不超过某一门限值，接收端便可判别脉冲的有无，以保证通信的可靠性。其次是远距离传输仍能保证质量。因为数字通信是采用再生中继方式，能够消除噪音，再生的数字信号和原来的数字信号一样，可继续传输下去，这样通信质量便不受距离的影响，可高质量地进行远距离通信。此外，它还具有适应各种通信业务要求(如电话、电报、图像、数据等)，便于实现统一的综合业务数字网，便于采用大规模集成电路，便于实现加密处理，便于实现通信网的计算机管理等优点。 实现数字通信，必须使发送端发出的模拟信号变为数字信号，这个过程称为“模数变换”。模拟信号数字化最基本的方法有三个过程，第一步是“抽样”，就是对连续的模拟信号进行离散化处理，通常是以相等的时间间隔来抽取模拟信号的样值。第二步是“量化”，将模拟信号样值变换到最接近的数字值。因抽样后的样值在时间上虽是离散的，但在幅度上仍是连续的，量化过程就是把幅度上连续的抽样也变为离散的。第三步是“编码”，就是把量化后的样值信号用一组二进制数字代码来表示，最终完成模拟信号的数字化。数字信号送入数字网进行传输。接收端则是一个还原过程，把收到的数字信号变为模拟信号，即“数据摸变换”，从而再现声音或图像。信息源中，模拟信息源（如模拟式电话机、电视摄像机）输出的是幅度连续变化的信号，离散信息源（如计算机）输出的是离散的符号序列或文字。通过采样和量化可以将模拟信息变换为离散信息。发送设各的基本功能是使不同种类和速率的信息源与传输媒介相匹配，通常是将信息源产生的信息经过编码，并变换为便于传送的信号形式，送往传输介质。编码包括信源编码与信道编码两部分。信源编码把连续消息变换为数字信号，信道编码则使数字信号与传输介质匹配，提高传输的可靠性和有效性。调制是多种变换方式中最常见的一种。发送设各还包括为达到某些特殊要求所进行的各种处理，如多路复用、保密处理、纠错编码处理等。传输介质是发送设备到接收设备之间信号传递所经过的媒介，例如：电磁波、红外线等无线传输介质，各种电缆、光缆、双绞线等有线传输介质。传输过程中必然会引入热噪声、衰减、脉冲等干扰。介质的固有特性和干扰特性直接关系到编码方式的选取。接收设备的基本功能是完成对发送的反变换（解调、译码、解密等），从带有干扰的信号中恢复出正确的原始信息；对于多路复用信号还包括解除多路复用和实现正确分路（或称输出扫描）。双向通信要求通信双方都有发送设备和接收设备，如果两个方向共用一个传输媒介，则必须采用分频或分时的办法。信息的传输系统和交换系统组成完整的通信系统，直至构成复杂的通信网络。2.2信道编码2.2.1信道编码的基本思想和基本方式信道编码的基本思想是：在发端被传输的信息序列上附加一些多余的检验码元，这些监督码元与信息码元间以某种特定的规则相互关联。接收端按照既定的规则检验信息码元与监督码元间的关系，一但传输出错，则两者间的关系将会受到破坏，从而可以发现错误，乃至纠正错误。信道编码的基本方式是：前向纠错（FEC）、检错重传（ARQ）、混合差错控制（HEC）和信息反馈（IRQ）。2.2.2常用的信道编码（1）线性分组码在分组码中，编码后的码元序列每n位为一组，其中k是信息码元，r（r=n-k）个是附加的监督码元。如果信息元与监督码元之间呈线性关系，则为线性分组码。奇偶校验码和汉明码是典型的线性分组码。循环码是线性分组码，既可纠错又可检错。特点是任一码组的每一次循环移位得到的是码中的另一码组。BCH码是一类纠正多个随机错误的循环码。（2）卷积码卷积码是另一类信道编码，它也是把k位信息编成n（n大于等于k）位，但k和n都很小，适于串行传输。特点是编码后的n个码元不仅与当前段的k位信息有关，而且与前N-1段的信息有关，编码过程中相互关联的码元有Nn个。纠错能力随N的增加而增加，而差错率随N的增加而指数下降。编码过程可以看成是输入信息序列与由移位寄存器和模2加连接所决定的的另一序列的卷积，因此称为卷积没码。N称为约束长度，m=N-1称为编码存储。2.3调制解调技术调制解调是数字通信系统的重要组成部分。调制解调的目的是使已调信号具有高的频谱利用率和的抗干扰和抗衰落的能力。下面就对数字调制解调技术进行介绍。2.3.1调制解调的概念所谓调制，就是用调制信号（基带）去控制或改变载波的一个或几个参数，使调制后的信号（已调信号）含有原来调制信号的全部信息，但载波的某些参数按调制信号的规律变化。调制的目的是使传输的信号与信道相匹配，从而有效传输信号。解调是调制的逆过程，它是从已调信号中恢复出原来调制信号的过程。从广义上讲，调制与解调属于信道编/译码范畴，但调制与解调的目的是实现载波传输，而信道编/译码的主要目的是实现差错控制。调制: 将各种数字基带信号转换成适于信道传输的数字调制信号(已调信号或频带信号；调制就是用基带信号去控制载波信号的某个或几个参量的变化，将信息荷载在其上形成已调信号传输，而解调是调制的反过程，通过具体的方法从已调信号的参量变化中将恢复原始的基带信号。调制就是将基带信号的频谱搬移到信道通带中或者其中的某个频段上的过程，而解调是将信道中来的频带信号恢复为基带信号的反过程. 根据所控制的信号参量的不同，调制可分为： 调幅，使载波的幅度随着调制信号的大小变化而变化的调制方式。 调频，使载波的瞬时频率随着调制信号的大小而变，而幅度保持不变的调制方式。 调相，利用原始信号控制载波信号的相位。 调制的目的是把要传输的模拟信号或数字信号变换成适合信道传输的信号，这就意味着把基带信号（信源）转变为一个相对基带频率而言频率非常高的代通信号。该信号称为已调信号，而基带信号称为调制信号。调制可以通过使高频载波随信号幅度的变化而改变载波的幅度、相位或者频率来实现。调制过程用于通信系统的发端。在接收端需将已调信号还原成要传输的原始信号，也就是将基带信号从载波中提取出来以便预定的接受者（信宿）处理和理解的过程。该过程称为解调。我们常说的Modem，其实是Modulator（调制器）与Demodulator（解调器）的简称，中文称为调制解调器。也有人跟据Modem的谐音，亲昵地称之为“猫”。我们知道，计算机内的信息是由“0”和“1”组成数字信号，而在电话线上传递的却只能是模拟电信号（模拟信号为连续的，数字信号为间断的）。于是，当两台计算机要通过电话线进行数据传输时，就需要一个设备负责数模的转换。这个数模转换器就是我们这里要讨论的Modem。计算机在发送数据时，先由Modem把数字信号转换为相应的模拟信号，这个过程称为“调制”，也成D/A转换。经过调制的信号通过电话载波传送到另一台计算机之前，也要经由接收方的Modem负责把模拟信号还原为计算机能识别的数字信号，这个过程我们称“解调”，也称A/D转换。正是通过这样一个“调制”与“解调”的数模转换过程，从而实现了两台计算机之间的远程通讯。2.3.2Modem的类别一般来说，根据Modem的形态和安装方式，可以大致可以分为以下四类： 1、外置式Modem外置式Modem放置于机箱外，通过串行通讯口与主机连接。这种Modem方便灵巧、易于安装，闪烁的指示灯便于监视Modem的工作状况。但外置式Modem需要使用额外的电源与电缆。 2、内置式Modem内置式Modem在安装时需要拆开机箱，并且要对中断和COM口进行设置，安装较为繁琐。这种Modem要占用主板上的扩展槽，但无需额外的电源与电缆，且价格比外置式Modem要便宜一些。 3、PCMCIA插卡式Modem插卡式Modem主要用于笔记本电脑，体积纤巧。配合移动电话，可方便地实现移动办公。 4、机架式Modem机架式Modem相当于把一组Modem集中于一个箱体或外壳里，并由统一的电源进行供电。机架式Modem主要用于Internet/Intranet、电信局、校园网、金融机构等网络的中心机房。 除以上四种常见的Modem外，现在还有ISDN调制解调器和一种称为Cable Modem的调制解调器，另外还有一种ADSL调制解调器。Cable Modem利用有线电视的电缆进行信号传送，不但具有调制解调功能，还集路由器、集线器、桥接器于一身，理论传输速度更可达10Mbps以上。通过Cable Modem上网，每个用户都有独立的IP地址，相当于拥有了一条个人专线。目前，深圳有线电视台天威网络公司已推出这种基于有线电视网的Internet接入服务，接入速率为2Mbps-10Mbps！2.3.2数字调制的基本类型数字信号调制的基本类型分振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。此外，还有许多由基本调制类型改进或综合而获得的新型调制技术。表2-1给出调制方式以及主要用途。表2-1 调制方式及用途 调制方式主要用途振幅键控ASK数据传输频率键控FSK数据传输相位键控PSK、DPSK、QPSK等数据传输、数字微波、空间通信高效数字调制QAM、MSK等（提高频带利用率）数字微波、空间通信2.3.3在实际应用中，有两类用得最多的数字调制方式（1）线性调制技术这里包括PSK、QPSK、DQPSK、OK-QPSK和多电平的PSK等。所谓的“线性”，是指这类调制技术要求设备从频率变换到放大和发射的过程中保持充分的线性。这种要求在制造移动设备中增加了难度和成本，但这种方式可获得较高的频谱利用率。（2）恒定包络调制技术主要包括MSK、GMSK和TFM等。这类调制技术的优点是已调信号具有相对窄的功率谱和对放大设备没有线性要求，不足之处是其频谱利用率通常低于线性调制技术。另一种获得迅速发展的数字调制技术是振幅和相位联合调制（QAM）。2.3.4几种常见的数字调制方式（1）二进制频移键控（2FSK）调制原理：在二进制移频键控中，调制信号1或0，分别对应载波的两个频率f1 或 f2 。因此，其调制实现方法就是用输入的二进制信号去控制两个独立的载波发生器，如图2-2所示。图2-2 2FSK调制解调也有相干和非相干两种。更简单的方法是过零检测器法：根据移频键控的过零率的大小来检测已调信号的频率变化，其组成及各点波形如图2-3所示。图2-3 2FSK信号过零检测法解调波形示意图其中a是已调信号，b是限幅后已调信号，c是经过微分的信号，d是整流后的已调信号，e是经过宽脉冲发生后的已调信号，f是经过低通的输出信号。（2）最小移频键控（MSK）调制原理：MSK是FSK的一种特殊情况，其特殊之处在于MSK在相邻符号交界处相位保持连续，是一种连续相位FSK。若FSK看作非正交2FSK，则MSK调制方法如图2-4。图2-4 MSK非正交调制式解调原理：MSK可用2FSK方法进行相干解调，并每隔Tb时刻作出判决；也可用鉴频器的方法进行非相干解调。（3）二进制移相键控（BPSK）调制原理：载波的相位（通常为00或1800）随调制信号“1”或“0”而改变，这种调制称为二进制移频键控。BPSK信号是双极性非归零码的双边带调制。BPSK调制有直接相乘方法和相位选择法两种，见图2-5。图2-5 BPSK调制方法解调原理：对于BPSK信号的解调必须采用相干解调的方法。由于BPSK解调器中的本地载波的相位有00、1800的模糊，通常采用在调制输入的数字基带信号中进行差分编码的方法来解决。这种方法称为二进制差分移相键控（2DPSK）。解调时利用延迟电路将其前一码元延迟一个码元时间Ts作为参考相位，并与后一码元相乘，再进行低通滤波，最后经取样判决后恢复出原二进制码。差分相干解调法见图2-6。图2-6 BPSK差分相干解调法（4）多进制频移键控MFSK调制原理：在MFSK方式中，MFSK信号常用频率选择法产生。调制器框图如图2-7所示，先将数据比特流经过一个串/并转换器变成多路并行数据，将这多路并行数据分别用不同的频率通过线性门进行选择，再将各线性门输出的数据进行叠加，输出的即为MFSK信号。图2-7 MFSK调制器框图解调原理：MFSK的解调方法常用非相干解调，如图2-8所示，将接受到的MFSK信号通过滤波器进行滤波，然后将滤波后的信号分别送到个带通滤波器进行滤波，再将输出信号进行包络检波，最后将这个信号进行抽样和判决，最后经过一个逻辑电路，将多进制信号转化为二进制信号即可。图2-8 MFSK信号非相干解调（5）高斯滤波的最小移频键控GMSK调制原理：GMSK信号是通过在FM调制器前加入高斯低通滤波器（称为预调制滤波器）而产生的。原理图如图2-9所示。图2-9 GMSK信号产生原理图解调原理：GMSK信号的解调可以采用MSK一样的正交相干解调电路。在相干解调中最为重要的是相干载波的提取，在移动通信的环境中是比较困难的，因而通常采用差分解调和鉴频器解调等非相干解调。2.4程序仿真中相关MATLAB库函数（M函数）的介绍*randint 功能：归一化分布随机整数、矩阵产生器。 说明：out= randint(N,M)中 N代表矩阵的行数，M代表矩阵的列数。此命令可以产生一个 N*M均匀分布的二进制矩阵。*encode 功能：差错控制编码（信道编码） 说明：code=encode(msg,N,K,method,opt)中 msg是信息， N 是码字长度，K是信息位长度，method注明编码方式，opt是有些编码方式需要的参数。此命令可以完成汉明码、线性分组码、cyclic码、BCH码、R-S码、卷积码六种主要的差错控制编码。*decode 功能：差错控制译码（信道译码） 说明：msg=decode(code,N,K,method)中 code是指接收到的码字，N是码字长度，K是信息位长度，method注明译码的方式。此命令可以对接收到的码长为N,信息位为K的码字进行译码，恢复出原始的信息，译码方式必须和编码时采用的严格相同。同样具有六种主要的差错控制译码。*dmod 功能：数字调制（通带信号） 说明：modu=dmod(x,Fc,Fd,Fs,method,M)中x是输入信号，Fc是输入信号x的载波频率，Fd是输入信号x的抽样频率， Fs是仿真是的抽样频率，method注明了调制方式，M是进制数，此命令可以对数字信号x进行调制。method对应的调制方法有ask,fsk,msk,psk,qask。注意Fs/Fc=2, Fs/Fd必须是整数。*ddemod 功能：数字解调（通带信号） 说明：x=dmod(y,Fc,Fd,Fs,method,M) 中y是经过dmod 调制的信号，Fc是输入信号x的载波频率，Fd是输入信号x的抽样频率， Fs是仿真是的抽样频率，method注明了解调方式，M是进制数，此命令可以把用dmod调制的信号y解调出。method也有五种调制方法。*biterr 功能：计算误比特数、误比特率 说明：rate= biterr(x,y,K)中x 和y都是矩阵，K是指定x,y矩阵中每个元素都用k位二进制数表示。此命令可以计算两个输入矩阵x,y的不同元素的个数和之比。x,y中的元素必须是非负的二进制数式整数。此命令可以用来计算误比特率，并且，x,y 中的一个为接收数据，一个为正确的参考数据。*fopen 功能:打开文件 说明：fid=fopen(filename,permission)其中filename表示要读写的文件名称，permission则表示要对文件进行的处理方法，处理方法可以是下列任一字符串： r:只读文件 w: 只写文件 a: 只加入文件 a+: 可读取及加入文件*fread 功能: 可从文件中读取二进制数据，将每一个字节看成一个整数，并将结果以一矩阵返回。 说明：fid=fopen(filename,r);% 读取filename文件 data=fread(fid,N M) %fid 是要读取文件的标志码（由fopen 产生），一般是一个非负的整数。若返回的文件标志码为-1，则代表该文件无法打开，N M是指把读出的文件转化成N行M列的矩阵。此命令可读以取filename文件并且将其转化为N行M列的矩阵，然后返回到data。*de2bi 功能:十二进制转化 说明：msg1=de2bi(data)把data中的数据进行十二进制转换。*reshape 功能：可将一矩阵保持其元素个数不变，变成所须矩阵形式。 说明：msg=reshape(msg1,n,m)n是现矩阵的行数，m是现矩阵的列数，msgl是需变换的矩阵，注意n*m的值必须与msg1矩阵的元素个数相同，否则就会发生错误。此命令可将msg1变换成n行m列的矩阵msg。 其它调制方式的框图设计与其类似，主要参数差别见下表表2-2调制方式主要参数地 形信号源中“0”的概率噪声类型及信噪比BPSK平原MFSK平原GMSK平原0.4瑞利噪声信噪比Es/No=4BPSK城市MFSK城市GMSK城市 0.4高斯白噪声信噪比Es/No=4BPSK丘陵MFSK丘陵GMSK丘陵 0.2高斯白噪声信噪比Es/No=14第三章 GMSK 解调原理及设计方案GMSK 与MSK 的主要区别在于GMSK 在MSK 基础上加了个高斯滤波器，是基带数字信号经过高斯低通滤波器处理的MSK 调制，为了减少已调信号的频谱宽度，可以减少高斯低通滤波器的归一化带宽BTb（Tb 是比特带宽），BTb 常取0.2、0.25、0.3、0.4、0.5等值，若BTb=1，则GMSK=MSK。GMSK 产生一个几乎恒定的包络，具有比较集中地功率频谱，比MSK 的带外辐射及占用带宽均大为减小。3.1 GMSK的1 比特差分非相干解调在接收端，调制后的GMSK 信号经过数字下变频后恢复成I、Q 两路信号后，可以运用1 比特差分检测进行解调3。根据1 比特差分检测算法找出在1 比特周期内接收到的信号在相位的改变量。这种相位方面的改变量可以用式（1.1）。( ) 1 ( ) ( 2 )(cos( ( ) ( ) cos( ( ) ( 2 )2sin( ( ) ( )sin( ( ) ( 2 )b b b bb b by t R t R t T t t T t T t Tt t T t T t T = ( ) ( )* ( )btt Tt dt htdt = 2（1.1） 通过式（1.1）我们可以知道的值没有超过Tb，所以在1 比特周期内相位可能改变的最大值max (t) =/2。 如果 ( ) ( ) ( ) j (t )i Z t = I t + jQ t = Ae （1.2）式（1.2）中的Ai 是接收到信号矢量的幅值，信号相位的改变量( ) ( )* ( ) b D t = = img z t z t T （1.3） D(t)表示解调的波形。对接收到的I 路和Q 路分量的基带信号通过A/D 转换器后，可以先使用matlab 来实现对其采用1 比特差分检测算法。 通过1 比特差分检测算法，我们可以找出传输的码元，在1 比特周期时间内的相位改变量。这种相位的改变量可以表示为：( ) ( ) ( ) b t = t t T （1.4） 式（1.4）可以用图（1-2）所示的原理来实现：载波提取电路低通滤波器低通滤波器采样判决采样判决并串转换Tb差分译码-2sin(t/2Tb)sinwct2cos(t/2Tb)coswct比特差分检测当的值大于或等于零时，接收到的数据是“1”；当的值小于零时，接收到的数据是“0”。由于1 比特差分检测算法原理简单，软件编程时容易实现，故本次设计在GMSK 信号的解调中采用的是1 比特差分检测算法。3.2基于MATLAB的基带GMSK 信号解调技术研究与实现我们也可以将GMSK 调制信号分成正交的两路信号I 路和Q 路信号，将两路信号都进行延时，延时长度仍为一个码元宽度Tb，然后交叉与未经过延时的Q 路和I 路信号进行相乘，之后两个两路输出在相减，之后进行抽样判决和输出。我们利用MATLAB/Simulink 仿真工具直接进行仿真。输入的基带GMSK 调制信号我们可以直接由Simulink 中自带的基带GMSK 调制器模块进行调制产生的输出作为设计的解调模块的输入。我们在建立模块时同时搭建了两条解调之路。一条是，此方案的解调模块。另一条是调用了Simulink 工具箱里自带的基带GMSK 解调器模块。我们可以通过两路的输出与输入进行比较。Simulink 环境下搭建的模块信号输入延时Tb延时Tb 抽样判决解调输出Q 路I 路低通滤波器低通滤波器延迟Tb延迟Tb 抽样判决IQ（1）基带GMSK 调制模块此模块由于不是本文研究的重点所以我们直接调用了MATLAB 工具箱中的BernoulliRandom Binary Generator（伯努利二进制随机数产生器）产生；将产生的随机二进制数值送入系统自带的基带GMSK 调制模块，进行基带的GMSK 调制，调制出来的信号作为解调模块的输入。（2）基带GMSK 解调模块根据原理框图，将由基带GMSK 调制模块产生的已调信号分成两路即I 路和Q 路，分别延迟一个码元周期后分别与Q 路和I 路进行相乘，两路相乘的结果再相减。（3）抽样判决模块在MATLAB 中我们利用符号进行采样判决，也就是对相减后的信号进行判决，大于零的信号判为1，小于零的信号判为零。3.3基于 FPGA 的基带GMSK信号解调自主设计和实现3.3.1基带GMSK 信号一比特非相干解调（1）总体设计方案本实验只是对基带的GMSK 调制信号的解调进行研究，对解调方案进行设计和实现，所以我们可以将调制好的信号直接作为输入，然后经过解调模块，输出的信号与调制前的信号进行比较。通过上小节利用MATLAB 对基带GMSK 调制信号进行1 比特非相干解调的两种方案的验证，我们首先对第二种方案使用Verilog 语言编程。首先我们在对第二种方案说明一下。（2）结果分析可以根据原理框图我们将整个工程分为如下几个模块：延迟模块该模块的设计思路为：因为解调模块输入时数字信号，我们设信号的信号的采样率fs是码元速率Rb 的4 倍，即fs=4Rb。换言之，一