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gmsk系统仿真解析
第1章绪论
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。
本课程设计主要研究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。
课程设计中先介绍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、眼图的分析验证了GMSK系统良好的性能。
第2章GMSK调制与解调系统
2.1GMSK系统的介绍
高斯滤波最小频移键控(GaussianFilteredMinimumShiftKeying-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(GlobalSystemforMobilecommunication)移动通信体制就是使用GMSK调制方式。
2.2GMSK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。
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:
图2.1GMSK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(BernoulliBinaryGenerator)产生一个二进制序列,将序列送入GMSK基带调制器模块(GMSKModulatorBaseband)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。
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(GMSKDemodulatorBaseband)中。
然后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complextoMagnitude-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。
2.2.1GMSK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。
图2.2GMSK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:
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pi/2的相移。
以使调制指数为0.5。
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。
2.2.2GMSK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。
图2.3GMSK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、频谱仪观察模块。
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
3.1GMSK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(BernoulliBinaryGenerator)来产生一个二进制序列作为输入信号。
该模块的参数设计这只主要包括以下几个。
其中probabilityofazero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;Initialseed为61表示随机数种子为61;sampletime为0.001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sampletime参数来改变码元个数。
例如仿真时间为10s,若sampletime为1/1000,则码元个数为10000。
图3.1信号发生模块参数设置
3.1.2调制与解调模块
图3.2GMSK调制解调模块
GMSKModulatorBaseband为GMSK基带调制模块,其inputtype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)。
BTproduct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B·T=∞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。
Plushlength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。
Symbolprehistory表示GMSK调制器在仿真开始前的输入符号,设为1。
Phaseoffset设为0,表示GMSK基带调制信号的初始相位为0。
Samplepersymbol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。
AWGNChannel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Signaltonoise(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。
GMSKDemodulatorBaseband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TracebackLength,设为变量7。
图3.3调制模块参数设置
图3.4信道模块参数设置
图3.5解调模块参数设置
3.1.3波形观察模块
调制、解调信号观察模块如图所示:
图3.6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Complextomagnitude-angle将调制信号分别在幅度和相角两方面来观察。
将Complextomagnitude-angleoutput的output参数设为magnitudeandangle,表示同时输出调制信号的幅度和相角。
示波器scope1的numberofaxes为2表明有纵坐标个数为2;timerange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。
TickTabels设为bottomaxisonly时,只显示各个纵坐标以及最下面的横坐标的标签。
图3.7调制信号波形观察模块参数设置
调制信号频谱观察模块如图所示:
图3.8GMSK调制信号频谱观察模块
设置了坐标Y的范围为0到10。
图3.9调制信号频谱观察模块参数设置
眼图观察模块如图所示:
图3.10眼图观察模块
图3.11眼图观察模块参数设置
3.2GMSK系统结果分析
3.2.1GMSK调制与解调波形
图3.12调制信号幅度与相角波形
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complextomagnitude-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3.13GMSK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3.14BT=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。
3.2.2GMSK调制信号眼图
图3.15BT=0.3
分析:
由图中混乱的线条可知,BT=0.3时,眼图“眼睛”睁开较大,但存在过零点失真,存在码间串扰。
图3.16BT=0.7的眼图
分析:
图3.15和图3.16相比,图3.16更为清晰,眼睛的睁大程度也更大,且眼图端正,说明码间串扰较小。
综上所述,BT值越小,码间串扰越大,这也是GMSK系统的缺陷。
第4章总结
我们在构建数字通信系统的模型后,利用计算机仿真作为分析手段,对在不同的通信环境下设计方案的误码性能进行定量分析,用来对各调制,解调方案性能进行评估。
对GMSK良好的性能有了更感性的认识。
第一星期内,注意进行了资料查询及建模任务。
先将各模块参数设为常数。
对调制解调波形进行观察,分析实际波形和理论波形间的差距以及产生误差的原因。
依次采用分布进行的方式,逐步实现系统所需各个功能。
调试过程采用的也是相同的方法。
每搭建一个功能模块就先进行仿真,调试待得到满意结果后再进行下一个功能模块的搭建和调试。
并在不断出现错误的过程中学会了应用matlab的系统帮助。
应用simulink进行仿真大大的减少了电路仿真的繁琐,其中每个模块都包含几个电路元件,减少了电路连接时的麻烦,电路连线也更清晰,而且只需要改变各参数即可观察电路的特性,操作简单而且得到的结果也比较理想,外观看起来也更为美观。
3周的专业课程设计让人受益匪浅,在这要感谢指导老师和小组同学,有他们的帮助我才能完成自己的设计。
参考文献
[1]李建东等《移动通信》西安电子科技大学出版社2009.6
[2]樊昌信《通信原理教程》电子工业出版社2006.11
[3]赵鸿图等《通信原理MATLAB仿真教程》人民邮电出版社2011.5
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