GMSK调制与解调在不同的信道.doc

目 录第一章 设计要求3 1.1 设计内容.3 1.2 设计要求.3第二章 GMSK系统的组成及工作原理.4 2.1 GMSK系统的组成.4 2.2 GMSK设计原理.4 2.3 GMSK简介及调制解调原理.5 2.3.1 GMSK调制原理.5 2.3.2 GMSK解调原理.6第三章 GMSK系统功能模块设计.7 3.1 系统模块.7 3.1.1 信号产生模块.7 3.1.2 GMSK调制模块.8 3.1.3 信道模块.9 3.1.3.1 高斯信道.9 3.1.3.2 锐利信道.10 3.1.4 解调模块.11 3.1.5 误码率模块.11 3.2 GMSK系统观察模块.12 3.2.1 调制观察模块.12 3.2.2基带与解调信号的比较模块.13第四章 调试与结果分析.14 4.1 调试分析.14 4.2 调试结果分析.15 4.2.1 运行在不同的信噪比的情况下得到了相应的误码率曲线.15 4.2.2 运行在不同的BT值时的误码率曲线图 .15 4.2.3 GMSK调制图.16 4.2.4 GMSK调制后的频谱.17 4.2.5 解调后的信号与基带信号的比较.18第5章 结论.19参考文献.20附录一：高斯与锐利的程序.21附录二：不同BT下的误码率程序.22附录三：simulink总图.24第一章 GMSK设计要求1.1 设计内容：通过脚本编程或者SIMULINK对BT=0.3的GMSK调制系统进行仿真；1.2 设计要求：1. 观察基带信号和解调信号波形；2. 观察已调信号频谱图 3.分析调制性能和BT参数的关系。提高要求：1.将高斯信道改为锐利信道 2.观察已调信号频谱图 3.观察误码率曲线第二章 GMSK系统的组成及工作原理2.1 GMSK系统的组成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。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一信道，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。图2.1 系统的组成框图2.2 GMSK设计原理 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（或锐利信道）的信号输入GMSK基带解调器模块（GMSK Demodulator Baseband）中，其后接一误码率统计模块（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（或者说用complex to Real-Imag模块，后用示波器分别观察其调制后的信后）。另外还用频谱仪观察了已调信号的频谱。2.3 GMSK简介及调制解调原理 高斯滤波最小频移键控（Gaussian Filtered Minimum Shift Keying - GMSK）调制技术是从MSK（Minimum Shift Keying）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。2.3.1 GMSK调制原理 GMSK调制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。 调制原理图如图2.2，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。图2.2 GMSK调制原理图为了使输出频谱密集，前置滤波器必须具有以下待性：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。2.3.2 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。图2.3 GMSK解调原理图 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。18第三章 GMSK系统功能模块设计3.1 系统模块3.1. 信号产生模块 由于GMSK信号只需满足非归零数字信号即可，因此本设计中选用（Bernoulli Binary Generator）来产生一个二进制序列作为输入信号。 图3.1 信号产生其中Bernoulli Binary Generator这个模块需要设计的参数如图3.2图3.2 Bernoulli Binary Generator模块内部参数图其中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。3.1.2 GMSK调制模块图3.3 调制模块GMSK Modulator Baseband为GMSK基带调制模块，其参数设计如图3.4图3.4 GMSK调制模块内部参数图GMSK Modulator Baseband为GMSK基带调制模块，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8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8。3.1.3 信道模块3.1.3.1 高斯信道图3.5 高斯信道图3.6 AWGN信道内部参数图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 ratio(Es/No),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即信噪比和周期。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。而Es/No=10*log10（Tsymbol/Tsample）+SNR （dB）。3.1.3.2 锐利信道图3.7 锐利信道模块图3.8 锐利信道内部参数图 Multipath Rayleigh Fading Channel为锐利信道，Maximum Doppler shift（HZ）为多径锐利退化信道模块的最大多普勒频移；Delay Vector为多径锐利退化信道模块输入信号各路径的时延；Gain Vector 为多径锐利退化信道模块输入信号各路径的增益；Sample time为采样时间；Initial seed多径锐利退化信道模块的初始化种子。3.1.4 解调模块图3.9 GMSK解调模块图3.10 GMSK解调内部参数图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。但在这里我们设为16。3.1.5 误码率模块图3.11 误码率模块图3.12 误码率参数图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，故而设为17；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。3.2 GMSK系统观察模块3.2.1 调制观察模块调制观察模块主要是由频谱观察模块、调制信号观察模块与眼图模块，其图如下：图3.13 调制观察图在这个模块中，采用Complex to Magnitude-Angle 与Complex to Real-Imag来观察其调制波形主要是因为调制后的信号是一个复合的信号，必须经过转换后才能用示波器观察其波形。眼图观察模块(Discrete-Time Eye Diagram Scope)，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。频谱观察模块（Spectrum scope），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。3.2.2基带与解调信号的比较模块图3.14 基带与解调信号的比较图第四章 调试与结果分析4.1 调试分析在做课设前经过对matlab中simulink中的help得到了有关各个模块功能的叙述，了解了其相应的功能，并在此基础上设置了一些关于课设的数据。在经过一系列的充分准备后，建立simulink文件后，连接好各个模块，进行运行，得到了一些图形，但是，观察其误码率比较大，即是说解调出现了问题，而且调制后的波形是出现了方波并不是正弦波形。基于这两个问题，又查了相关的资料，了解到在GMSK的调制模块的其中的参数Sample per symbol并应该设为1，应该换掉，于是把其设为8，而后面的GMSK解调的模块的参数应与调制的相一致，故而也要换掉，这是要注意的一件事。经过修改后，运行得到了相应的正弦波，但是其误码率还是比较大。于是，询问了指导老师有关这方面的知识，于是把AWGN信道中的Mode参数Signal to noise(SNR)改为Signal to noise ratio(Es/No),结果得到了比较满意的误码率。对于锐利信道，查得相关的资料，知道只要把AWGN换成Multipath Rayleigh Fading Channel即可。结果运行出现了错误，其错误显示“ egal rate transition found involving block ruili_error/Multipath Rayleigh Fading Channel/Multipath Fading Channel/Multiply with back propagation/S-Function at input port 1. A Rate Transition block must be inserted between the two blocks”。在资料上查找多径道瑞丽信道模块的参数，发现其Sample time参数必须设置为1/BitRate/SampleperSymbol，前面二进制序列发生器的sample time 为1/1000，而多径道瑞丽信道模块SampleperSymbol参数为1，故多径道瑞丽信道模块的Sample time参数应为1/1000。再次运行出现了相应的波形。对于误码率曲线，需要编辑m文件来控制simulink模块运行，然后画出其误码率曲线。于是，根据所需，通过查找相应的资料，编写了二个m文件，一个是在不同的信噪比的情况下的误码率曲线，另一个是在不同的bit值的误码率曲线。在这个过程中出现的错误是不知道怎么编写各种形状及颜色来控制其描点画图。后来在资料中查到了有关于这方面的知识，使得整个调试过程没有出现差错。4.2 调试结果分析4.2.1 运行在不同的信噪比的情况下得到了相应的误码率曲线下面这个图中的xSNR的范围为20到50dB。图4.1 不同信噪比下的高斯与锐利信道的GMSK误码率在图中 * 标识的是瑞丽信道的误码率曲线，其无线接近0.1，可见调制特性非常不好,而另一条曲线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。比较可见GMSK调制曲线更为平滑。所以二种方式里面GMSK的调制性能更好。4.2.2 运行在不同的BT值时的误码率曲线图 在这个图中，分别是测试了BT=0.1,0.3,0.7对应下的误码率。 图 4.2 不同BT下的误码率在这个图中，红线、青色菱形及*分别代表BT=0.3,0.1,0.7下的误码率。通过图中的分析可知，在不同的BT下，其误码率差别并不是很大，特别是在过了BT=0.3后，随着信噪比的增大，其误码率几乎是没有区别。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。4.2.3 GMSK调制图图4.3 GMSK调制图由于调制后的信号是一个复合的信号，需要通过转换才能观察其波形图。这里采用了Complex to Real-Imag来观察。通过观察运行后的图形可以知道在通过GMSK调制后的图形连续，非方波，是正确的。4.2.4 GMSK调制后的频谱图4.4 调制后的频谱图 此图是BT=0.3时的频谱图。下面的事BT=0.7时的频谱图。图4.5 调制后的频谱图 通过这两个频谱图知道了，在不同的BT值下，其频谱图是差不多的。且两个频谱图都在设置的0.5的左右，即就是说出现0的概率是0.5.而图中的观察知道这是正确的。故而这个调制性能是很好的。但是相比而言，当BT=0.3时，其调制性能最佳。4.2.5 解调后的信号与基带信号的比较图4.6 基带与解调后的信号比较图通过观察图中知晓，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，发现解调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。第五章 结论在接到这个课题时，根据所学到的知识，对于GMSK方面的知识并不知道多少，只是晓得GMSK是最小频移键控，但是经过查找资料，对于有了一定的系统了解。首先，在第一个星期的查找过程中，了解了关于方面的一些基本知识，后来通过与同学交流，对于的了解那是有了更深的认识。其次，在后来的工作中，又对于的实现该如何处理，如何设置方案也在紧张的策划当中。经过一系列的充分准备后，对于模块这个以前未接触的新知识可谓有了一定的心得。最后，通过中的，找到一些模块的参数设计，通过其参考，最终设置了完成系统调制与解调的参数数据。在整个课设的过程中，遇到了一个最大的问题就是关于信噪比的参数设计。由于在一些资料中，都是直接对于直接给出数据，但是在调试的过程中，这与理论并不是很理想的。于是在经过老师的指导后，重新对信噪比进行了设置参数。其次，就是在做提高要求的锐利信道时的一些参数设计，也是费了一些时间。总之，通过这次的课设的系统调制与解调课题，学到了不仅关于方面的知识并且对于的模块设计更是有了很深的感触。在的调制与解调中，通过不同的信噪比来观察其误码率曲线，并且观察其调制频谱图，实现了课题。参考文献1 邵佳 董辰辉 .通信系统建模与仿真实例精讲. 北京： 电子工业出版社，2009年2 樊昌信 曹丽娜 .通信原理. 北京： 国防工业出版社，2006年3邓华MATLAB通信仿真及应用实例详解.北京 ：人民邮电出版社，2003年9月4韩利竹 王华.MATLAB电子仿真与应用.北京： 国防工业出版社，2003年9月5 李贺冰. Simulink 通信仿真教程. 北京： 国防工业出版社，2006年6Stephen J.Chapman MATLAB编程.北京： 科学出版社，2007年8月7 邵玉斌 .Matlab/Simulink通信系统建模与仿真实例. 北京： 清华大学出版社，2008年附录一：高斯与锐利的程序%gmsk误码率x=20:50;y=x;TracebackLength=16;%回溯长度for i=1:length(x) xSNR=x(i); sim(shi1); y(i)=xErrorRate(1);%获取误码率endsemilogy(x,y,r);gri