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1、基于Matlab的基帶GMSK的仿真研究摘要：隨著現(xiàn)代通信技術的發(fā)展，移動通信技術得到快速發(fā)展，許多優(yōu)秀的調制技術應運而生，其中高斯最小頻移鍵控（GMSK）技術是無線通信中比較突出的一種二進制調制方法，它具有良好的功率譜特性和較好的抗干擾性能，特別適用于無線通信和衛(wèi)星通信，目前，很多通信標準都采用了GMSK技術，例如，GSM，DECT等。本文首先介紹了MSK的一般原理，接著對GMSK的調制原理和幾種調制方法進行了闡述，然后，重點研究了GMSK的幾種差分解調方法并進行了比較，最后用Matlab軟件中的simulink進行仿真，結果表明GMSK具有包絡恒定、相位連續(xù)、頻道干擾小、誤碼率較低等優(yōu)點。
2、關鍵詞：高斯最小頻移鍵控；調制；差分解調；Matlab；simulink1 系統(tǒng)的組成及設計原理GMSK系統(tǒng)主要由信號產生模塊、信號調制模塊、信道、信號解調模塊、誤碼率計算模塊組成。在圖形觀察方面還包含頻譜儀、示波器和眼圖繪制模塊。本系統(tǒng)由信號產生模塊產生一個二進制序列，再經(jīng)過調制器進行調制，之后便將調制信號送入信道，經(jīng)過解調器解調得到解調信號。為計算系統(tǒng)誤碼率，則在調制器后加一誤碼率計算模塊，計算誤碼率。信道解調模塊誤碼率計算模塊頻譜儀示波器調制模塊信號產生模塊圖1.1 系統(tǒng)原理框圖在設計中，選用貝努力二進制序列產生器來產生器（Bernoulli Binary Generator）產生一個二
3、進制序列，將序列送入GMSK基帶調制器模塊（GMSK Modulator Baseband）中得到已調信號，再將已調信號送入一個加性高斯白噪聲信道，將信噪比設為一個變量，用于繪制信噪比誤碼率曲線。解調階段則將通過加性高斯白噪聲信道的信號輸入GMSK基帶解調器模塊（GMSK Demodulator Baseband）中，其后接一誤碼率統(tǒng)計模塊（Error Rate Calculation），且誤碼率統(tǒng)計模塊另一輸入端接至源信號處。而用示波器觀察解調波形并與源信號波形進行比較。因為已調信號是一復合信號，所以要用complex to Magnitude-Angle 模塊，再用示波器分別觀察其幅度與相
4、角。另外還用頻譜儀觀察了已調信號的頻譜。1.1GMSK調制調制原理圖如圖1.2，圖中濾波器是高斯低通濾波器，它的輸出直接對VCO進行調制，以保持已調包絡恒定和相位連續(xù)。非歸零數(shù)字序列高斯低通濾波器頻率調制器（VCO）GMSK已調信號圖1.2 GMSK調制原理圖為了使輸出頻譜密集，前段濾波器必須具有以下待性：1.窄帶和尖銳的截止特性，以抑制FM調制器輸入信號中的高頻分量；2.脈沖響應過沖量小，以防止FM調制器瞬時頻偏過大；3.保持濾波器輸出脈沖響應曲線下的面積對應丁pi2的相移。以使調制指數(shù)為12。前置濾波器以高斯型最能滿足上述條件，這也是高斯濾波器最小移頻鍵控(GMSK)的由來。1.2GMSK
5、解調GMSK本是MSK的一種，而MSK又是是FSK的一種，因此，GMSK檢波也可以采用FSK檢波器，即包絡檢波及同步檢波。而GMSK還可以采用時延檢波，但每種檢波器的誤碼率不同。GMSK非相干解調原理圖如圖1.3，圖中是采用FM鑒頻器（斜率鑒頻器或相位鑒頻器）再加判別電路，實現(xiàn)GMSK數(shù)據(jù)的解調輸出。帶通濾波器限幅器鑒頻器判決器數(shù)據(jù)GMSK信號圖1.3 GMSK解調原理圖如圖1.4為GMSK調制解調系統(tǒng)的SimuLink仿真模型，整個系統(tǒng)主要包括五大模塊：隨機信號發(fā)生模塊、GMSK調制模塊、信道、GMSK解調模塊、誤碼率統(tǒng)計模塊。所選庫模塊如圖1.4中所示。圖1.4 系統(tǒng)SimuLink仿真模
6、型圖2系統(tǒng)調試與結果分析2.1實驗調試調試過程中主要通過MATLAB自帶的Help功能來進行調試，在Help中查找所需函數(shù)的定義及形式和使用方法。通過報錯信息找出相應的錯誤，翻閱相關資料，與同組人經(jīng)過討論后進行修改。在最終解決不了的情況下，請教老師，最終改正所有錯誤。設計模塊、參數(shù)設置及程序代碼編寫完成后。先將高斯白噪聲信道信噪比xSNR和GMSK解調模塊的回溯長度參數(shù)設為常數(shù)，運行實驗模型，觀察示波器，發(fā)現(xiàn)沒有出現(xiàn)基帶與解調信號波形。先檢查示波器參數(shù)，發(fā)現(xiàn)并無問題，編譯SimuLink的.mdl文件時信號發(fā)生器報錯，錯誤信息為：For integer inputs, the input va
7、lues must be in the range +/- (M-2i-1), i=0,1, ., (M/2)-1，檢查GMSK調制模塊參數(shù)input type與GMSK解調模塊out put 參數(shù)均設置為integer，但實際上貝努力二進制序列產生器產生的是一個由0和1組成二進制序列，與integer產生沖突，將上述兩參數(shù)就改為bit，再編譯mdl文件，無錯誤顯示。進而運行m文件，mdl文件界面彈出，說明無法執(zhí)行mdl模型。檢查程序，發(fā)現(xiàn)xSimulation Time在m文件中有設置，而此參數(shù)在SimuLink中的simulation/simulation parameters中已根據(jù)st
8、art time 和stop time 設定，刪除m文件中的xSimulation Time=10，再運行，觀察示波器，示波器顯示波形。誤碼率曲線也能畫出。署名系統(tǒng)基本功能已經(jīng)實現(xiàn)。在執(zhí)行瑞麗信道模塊時，多徑道瑞麗信道模塊報錯，報錯信息為：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
9、Transition block must be inserted between the two blocks；在資料上查找多徑道瑞麗信道模塊的參數(shù)，發(fā)現(xiàn)其Sample time參數(shù)必須設置為1/BitRate/SampleperSymbol，前面二進制序列發(fā)生器的sample time 為1/1000，而多徑道瑞麗信道模塊SampleperSymbol參數(shù)為1，故多徑道瑞麗信道模塊的Sample time參數(shù)應為1/1000。改正后，運行文件，無錯。各調制信號觀察時，頻譜儀顯示的圖形都與理論頻譜形狀相差很大，尤其GMSK的頻譜，都沒有出現(xiàn)主瓣與旁瓣的明顯區(qū)分，重新修改頻譜儀的參數(shù)，將Amp
10、litude scaling 參數(shù)由dB改為magnitude，情況就好很多了。但是無論怎樣改變，都不能得到理想的狀態(tài)，估計是其他模塊的一些參數(shù)對頻譜儀的圖形觀察有影響。最后執(zhí)行總的文件，各模塊都能順利執(zhí)行，說明軟件調試基本完成。2.結果分析2.2.1 GMSK調制與解調波形:圖2.1 GMSK調制信號幅度和相角波形由于調制信號時一個復合信號，不能直接由示波器觀察，通過complex to magnitude-angle模塊將調制信號分為幅度和相角兩個變量來觀察。通過幅度的波形（上）驗證了GMSK的幅度不變，由相角波形（下）來看，相角連續(xù)，與理論符合。所以圖形基本正確。圖2.2 GMSK基帶信
11、號與解調信號由圖2.2中基帶信號（上）與解調信號波形（下）比較可得，其由起始碼元到最后一個碼元，發(fā)現(xiàn)調制信號波形從第四個碼元開始與基帶信號完全符合，說明系統(tǒng)的調制性能較好，基本實現(xiàn)了解調的目的將調制信號還原為基帶信號。圖2.3 BT=0.3的GMSK調制信號頻譜圖2.4 GMSK等理論調制頻譜對比圖2.3和圖2.4，實驗所得頻譜圖的主瓣與理論頻譜近似，只是頂端稍顯尖銳，不夠圓滑，可能的頻譜儀的參數(shù)或去其他模塊參數(shù)設置不恰當。圖2.5 BT=0.9的GMSK調制信號頻譜比較圖2.3和圖2.5中頻譜，發(fā)現(xiàn)BT=0.3與BT=0.9得GMSK調制頻譜，并無明顯差異，與GMSK調制信號的頻譜隨著B.T
12、的減小而變得緊湊起來的理論結果不符合，從而驗證可能是系統(tǒng)的某些參數(shù)設置不太合理，導致得不到正確的結果。圖2.6MSK調制信號頻譜比較圖2.3和圖2.6，發(fā)現(xiàn)GMSK的旁瓣衰減比MSK明顯，也充分說明了GMSK頻譜特性較MSK更好。2.2.2 GMSK調制信號眼圖圖2.7 BT=0.1分析：由圖中混亂的線條可知，BT=0.1時，眼圖“眼睛”睜開很小，失真嚴重，系統(tǒng)碼間串擾較大。圖2.8 BT=0.3分析：由圖中混亂的線條可知，BT=0.3時，眼圖“眼睛”睜開比圖2.7中大，但存在過零點失真，仍然存在碼間串擾，但比BT=0.1時好得多。圖2.9 BT=0.9分析：與圖2.7，2.8相比較，圖2.9
13、中眼圖最為清晰，眼睛睜開程度也較大，且眼圖端正，說明碼間串擾較小。綜合上述分析，可知BT值越小，碼間串擾越大，這也是GMSK體制的缺點。圖2.10 不同BT值時的GMSK誤碼率曲線在BT=0.2、0.3、0.7時，對系統(tǒng)誤碼率進行仿真。比較三條曲線，可以看到其差別并不大。結果表明:不同BT值的信號調制性能差別不大.隨著信噪比的增大,BT=0.2與BT=0.3的系統(tǒng)性能基本一致。當BT=0.3時,既可以使頻域帶寬很窄,時域持續(xù)時間適當,又使時域信號容易實現(xiàn)。3結論設計中主要研究GMSK的調制特性，通過不同信噪比時的誤碼率繪制誤碼率曲線分析與比較為信號選擇合適的調制、解調方式。盡管本設計能完成調制
14、信號頻譜、眼圖及波形觀察以及誤碼率曲線的繪制，但由于頻譜儀參數(shù)設置方面的問題，使得頻譜圖與理想形態(tài)有所差別，有待改進。應用simulink 進行仿真大大的減少了電路仿真的繁瑣，其中每個模塊都包含幾個電路元件，減少了電路連接時的麻煩，電路連線也更清晰，而且只需改變各參數(shù)即可觀察電路的特性，操作簡單而且所得結果也比較理想。外觀看起來也更為美觀。附錄一 ：誤碼率程序xSampleTime = 1/1000;xInitialSeed = 61;xTracebacklength = 4;x = 0:10;y = x;for i = 1:length(x)xSNR = x(i);sim(GMSK);y(i
15、) = xErrorRate(1);endsemilogy(x,y);xlabel(信噪比/dB);ylabel(誤碼率);附錄二：GMSK調制解調建模圖參考文獻1鄧華MATLAB通信仿真及應用實例詳解.北京 ：人民郵電出版社，2003年9月2韓利竹 王華.MATLAB電子仿真與應用.北京： 國防工業(yè)出版社，2003年9月3 李賀冰. Simulink 通信仿真教程. 北京： 國防工業(yè)出版社，2006年4 樊昌信 曹麗娜 .通信原理. 北京： 國防工業(yè)出版社，2006年5Stephen J.Chapman MATLAB編程.北京： 科學出版社，2007年8月6 邵玉斌 .Matlab/Simulink通信系統(tǒng)建模與仿真實例. 北京： 清華大學出版社，2008年
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