基于Simulink的GMSK仿真设计移动通信三级项目

移动通信系统三级项目报告mobile communication system project design report项目名称：基于MATLAB GMSK仿真分析课程：14级通信工程4班第4组任务组成员和贡献百分比：组长：学张潮27%赵元：学郑兰芳贡献度25%学邱悦18%学普琼贡献18%学陈春贡献12%导师：萧丽萍教务处2017年6月移动通信系统三级项目报告mobile communication system project design report项目名称：基于MATLAB GMSK仿真分析类，组：14通信工程4类4组集团的成员贡献度和分工：组长：学张潮27%分工：MATLAB模拟，论文写作赵元：学郑兰芳贡献度25%分工：MATLAB模拟，PPT生产学邱悦18%分工：信息，PPT生产审查学普琼贡献18%分工：信息，PPT生产审查学陈春贡献12%分工：资料，论文排版审查组长签名：2017年6月30日基于MATLAB的GMSK仿真分析张敬、郑兰芳、邱悦、傅琼、陈春(燕山大学信息科学与工程学院)摘要：该三阶段项目利用Simulink软件进行通信系统建模，第一部分主要介绍了用于GMSK调制解调的仿真系统分析的各个Simulink模块。第二部分主要是绘制基带信号和解调信号的时域波形、调节信号频谱的仿真系统的结果分析。第三部分分析了高斯信号和瑞利信道中比特误码率与信噪比和正则化BT的关系。通过Simulink模拟，观察了基带信号和解调信号的时域波形，在信噪比高的情况下，解调信号与基带信号基本一致，但存在延迟。观察从不同BT值调整的信号频谱，BT值越小，调制信号频谱主瓣越窄。使用MATLAB脚本文件调用Simulink可以获得高斯信道中其他BT的比特率和信噪比的关系曲线。在相同的BT值下，信噪比越高，比特错误率越低，在相同的信噪比下，BT选择的适当值越低，比特错误率越低。同时，由于在瑞利信道和高斯信道协同工作的不同BT上绘制了误码率和信噪比的关系曲线，使用瑞利信道会大大提高GMSK系统的误码率并降低通信质量，因此实际的GMSK通信系统需要在接收端采取多路径防范措施，以提高通信系统的可靠性。关键字：Simulink模拟、GMSK、加值高斯白噪声信道、多路径瑞利衰落信道一、GMSK系统仿真设计1.1 GMSK调制原理调制结构图在图1中，滤波器是高斯低通滤波器，其直接调制VCO以保持调整后的包络常数和相位连续性。图1 GMSK调制结构GMSK非干涉解调电路图在图2中使用FM鉴频器(斜率鉴频器或相位鉴频器)实现GMSK数据的解调输出。图2 GMSK解调结构1.2 GMSK全系统设计使用Simulink中包含的每个通信系统的公用模块在Gaussian noise channel中构建GMSK modulation system的模拟图。该系统主要由调制信号生成模块、调制模块、增值高斯白噪声信道、误码率测量模块、观测模块组成。图3高斯信道下GMSK系统的总体设计1.3 GMSK系统模块简介以下子模块说明了系统模拟图中每个模块参数的设置。1.3.1信号发生模块在此设计中，GMSK信号用于生成二进制序列作为输入信号，因为只需满足非零数字信号即可。图4 GMSK信号发生器模块的参数设计主要包括：其中，如果probability of a zero设置为0.5，则生成的二进制序列中出现0的概率为0.5。如果初始种子为61，则随机数种子为61。如果Samplecome为0.01，则采样时间，即每个符号的持续时间为0.01s。模拟时间固定后，可以通过更改samplecome参数来更改关键点元素的数量。如果将模拟时间设置为10s，生成代码元素的数量将为1000。如图5所示。图5设置Bernoulli Binary Generator参数1.3.2调制解调模块图6 GMSK调制解调模块GMSK模块基板是GMSK基带调制模块，当input type参数设置为Integer以指示模块的输入信号时，它表示二进制信号(0或1)。但是，以前的信号发生器生成0/1位数据，因此信号发生器之后，必须将对极性数据的访问切换到极性数据转换器。这相当于在GMSK解调模块后需要将对极性数据的访问切换到极性数据转换器(如果输入类型参数设置为Bit，则不需要数据转换器)。BT product表示带宽和代码元素宽度的乘积。其中b是高斯低通滤波器的规范化3dB带宽，t是代码元素长度。如果Bt=，则GMSK调制信号将成为MSK调制信号。BT=0.3是GSM中使用的调制。Plushrength是GMSK调制器高斯低通滤波器周期的脉冲长度，设置为3。Symbol prehistory表示GMSK调制器在模拟开始之前的输入符号，并且设置为1。如果“相位偏移”设置为0，则GMSK基带调制信号的初始相位为零。如果示例per symbol为8，则每个输入符号对应的GMSK调制器生成的输出信号的采样点数为8。如图7所示。AWGN通道是加性高斯白噪声模块，高斯白噪声通道的Mode参数设置为Signal to noise(SNR)。即，信道模块应根据信噪比SNR确定高斯白噪声的功率，此时确定信噪比和周期两个参数。将SNR参数设定为变数xSNR会在m档案中进行程式设计，以计算不同信噪比下的位元错误率，变更SNR会变更频道信噪比。如图8所示。GMSK Demodulator Baseband是GMSK基带调制解调器。前六个参数与GMSK调制器相同，并设置相同的值。由于解调使用非解码方法，因此必须将回溯长度Traceback Length设置为16，以使延迟发生。如图9所示。图7设置GMSK Modulator Baseband参数图8设置AWGN通道参数图9设置GMSK Demodulator Baseband参数1.3.3位错误率计算模块图10位错误率计算模块由于GMSK解调后会发生延迟(反向跟踪长度设置为16)，因此要正确测量位错误率，请将“Receive dely(接收延迟)”设置为16。也就是说，接收端输入的数据将延迟发送端数据Traceback Length个输入数据。如果“Computation delay(计算延迟)”设置为0，错误率统计模块不会忽略初始输入数据。Computation mode设置为Entire frame(帧计算模块)，这意味着错误率统计模块将统计发送方和接收方的所有数据。“输出数据”(Output data)设置为workspace，表示统计数据将输出到工作区。通过设置要从m文件返回的参数的名称，将“Variable name(变量名)”设置为ErrorVec。如图11所示。图11设置Error Rate Calculation参数1.3.4波形观测模块1.3.4.1调制、解调信号观测模块由于GMSK调制信号是复合信号，因此只有示波器(Scope)不能观察调制波形，因此在调制信号和示波器之间添加转换模块Complex to magnitude-angle后，调制信号将分别在振幅和相位各方面进行观察。图12调制信号观测模块complex to magnitude-将angleoutput的output参数设置为magnitude and angle时，将输出调制信号的振幅和相位角度。如果示波器scope1的number of axes为2，则纵坐标数为2。1.3.4.2调制信号频谱观测模块Spectrum Analyzer用于观察GMSK的调制信号频谱，各种参数使用默认设置。图13调制信号频谱观测模块二、GMSK系统仿真结果和分析2.1基带信号和解调信号时域波形分析图14基带信号和解调信号时域波形图14的上半部分是基带信号的波形，下半部分是解调信号的波形，图中上半部分和下半部分的波形基本一致，但是下半部分比上半部分波形有延迟。2.2 GMSK调制信号的幅度和相位波形图15 GMSK调制信号的幅度和相位波形图图15的上半部分是振幅的波形，下半部分是摊销的波形，如图所示，GMSK调制信号是振幅不变的摊销连续波形。2.3调制信号的频谱通过更改BT值(BT=0.1、BT=0.3、BT=0.5)，您可以使用Spectrum Analyzer从其他BT值测量调制信号的频谱图，如下图所示。图16 BT=0.1的光谱图17 BT=0.3的光谱图18 BT=0.5的光谱可以通过比较BT=0.1、BT=0.3和BT=0.5中每个调制信号的频谱图来得出结论。GMSK调制信号的频谱随BT的减少而变小，BT值越小，GMSK信号功率谱密度的高分量衰减速度越快。主襟翼越小，信号占用的波段越窄，带外能量的辐射越小，相邻信道干扰越小。2.4高斯信道中误码率与信噪比和归一化带宽BT的关系在Simulink系统模拟图中，通过将GMSK模块的Bt值更改为变量Bt、将AGWN模块的SNR值更改为变量xSNR以及使用MATLAB的脚本文件更改变量BT和xSNR值，高斯通道中的比特率和信噪比和规范化带宽BT之间的关系图如下所示：图19高斯信道不同BT值下的误码率和信噪比的图分析上面的图片，就可以得出结论。如果BT值相同，则高斯信道中的信噪比越高，比特错误率越低信噪比相同的情况下，BT越大，比特错误率越低2.5 GMSK调制信号眼图图20 BT=0.1 GMSK调制信号眼图分析：当BT=0.1时，眼睛形状“眼睛”打开得小，扭曲严重，系统代码之间的串扰更大。图21 BT=0.3 GMSK调制信号眼睛图分析：当BT=0.3时，眼睛形状“眼睛”比图32更大，但是0扭曲了，代码之间的交叉仍然存在，但是比BT=0.1好多了。图22 BT=0.9 GMSK调制信号眼睛图分析：与图20，21相比，图22中眼睛最清晰，眼睛睁得更大，眼睛准确，说明代码之间的串扰较少。综合以上分析，BT值越小，代码间串扰越大，这也是GMSK系统的缺点。2.5摘要使用GMSK调试方法时，请同时考虑频谱和错误性能要求，并选择适当的BT值。系统误码率随着BT增加误码率而减少，但减小幅度越来越小。 GMSK频谱特性的改善以误码率性能下降为基础。BT=0.3/0.5是实际工程中常用的经验数据。三、GMSK系统在瑞利信道和高斯信道中的仿真3.1整体系统模拟图瑞利信道模拟信号的衰落，高斯信道模拟信号传播中的噪声效应，噪声必须存在。基于2.1中提供的系统模拟图，在高斯通道模块之前添加了瑞利通道模型，从而从瑞利通道和高斯通道中获得GMSK系统模拟图，如下所示：图23瑞利信道和高斯信道下的GMSK系统仿真3.2瑞利和高斯信道上的误码率与信噪比和正则化带宽BT的关系使用与2.4中相同的方法，可以获得瑞利和高斯信道的误码率以及信噪比和规范化带宽BT之间的关系图，如下所示：图24(瑞利高斯信道)中不同BT值的误码率和信噪比关系图为了进一步比较分析瑞利信道对GMSK系统的影响，将在与信噪比关系曲线相同的坐标系下绘制不同的BT值(瑞利高斯信道)和(高斯信道)比特率。图25(瑞利高斯信道)和(高斯信道)中不同BT值误码率和信噪比关系曲线的比较如上图所示，瑞利信道会显着增加系统位错误率，大大恶化系统性能，因此在实际的GMSK通信系统中，接收端应使用多路径保护措施。添加瑞利信道后，比特误码率不会随信噪比的变化而明显变化。3.3瑞利信道最大多普勒频移值与误码率的关系在Simulink系统模拟图中，通过将raily通道模块的maxdoppler Shift值设置为变量Max Doppler，然后使用MATLAB中的脚本文件更改变量Max Doppler的值，raily通道的最大多普勒频移值和比特率之间的关系图如下所示：图26瑞利信道最大多普勒频移值与