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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(shù)的發(fā)展，移動(dòng)通信技術(shù)得到快速發(fā)展，許多優(yōu)秀的調(diào)制技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其中高斯最小頻移鍵控（GMSK）技術(shù)是無(wú)線(xiàn)通信中比較突出的一種二進(jìn)制調(diào)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(wú)線(xiàn)通信和衛(wèi)星通信，目前，很多通信標(biāo)準(zhǔn)都采用了GMSK技術(shù)，例如，GSM，DECT等。本文首先介紹了MSK的一般原理，接著對(duì)GMSK的調(diào)制原理和幾種調(diào)制方法進(jìn)行了闡述，然后，重點(diǎn)研究了GMSK的幾種差分解調(diào)方法并進(jìn)行了比較，最后用Matlab軟件中的simulink進(jìn)行仿真，結(jié)果表明GMSK具有包絡(luò)恒定、相位連續(xù)、頻道干擾小、誤碼率較低等優(yōu)點(diǎn)。

2、關(guān)鍵詞：高斯最小頻移鍵控；調(diào)制；差分解調(diào)；Matlab；simulink1 系統(tǒng)的組成及設(shè)計(jì)原理GMSK系統(tǒng)主要由信號(hào)產(chǎn)生模塊、信號(hào)調(diào)制模塊、信道、信號(hào)解調(diào)模塊、誤碼率計(jì)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(hào)產(chǎn)生模塊產(chǎn)生一個(gè)二進(jìn)制序列，再經(jīng)過(guò)調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制，之后便將調(diào)制信號(hào)送入信道，經(jīng)過(guò)解調(diào)器解調(diào)得到解調(diào)信號(hào)。為計(jì)算系統(tǒng)誤碼率，則在調(diào)制器后加一誤碼率計(jì)算模塊，計(jì)算誤碼率。信道解調(diào)模塊誤碼率計(jì)算模塊頻譜儀示波器調(diào)制模塊信號(hào)產(chǎn)生模塊圖1.1 系統(tǒng)原理框圖在設(shè)計(jì)中，選用貝努力二進(jìn)制序列產(chǎn)生器來(lái)產(chǎn)生器（Bernoulli Binary Generator）產(chǎn)生一個(gè)二

3、進(jìn)制序列，將序列送入GMSK基帶調(diào)制器模塊（GMSK Modulator Baseband）中得到已調(diào)信號(hào)，再將已調(diào)信號(hào)送入一個(gè)加性高斯白噪聲信道，將信噪比設(shè)為一個(gè)變量，用于繪制信噪比誤碼率曲線(xiàn)。解調(diào)階段則將通過(guò)加性高斯白噪聲信道的信號(hào)輸入GMSK基帶解調(diào)器模塊（GMSK Demodulator Baseband）中，其后接一誤碼率統(tǒng)計(jì)模塊（Error Rate Calculation），且誤碼率統(tǒng)計(jì)模塊另一輸入端接至源信號(hào)處。而用示波器觀察解調(diào)波形并與源信號(hào)波形進(jìn)行比較。因?yàn)橐颜{(diào)信號(hào)是一復(fù)合信號(hào)，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(diào)信號(hào)的頻譜。1.1GMSK調(diào)制調(diào)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(duì)VCO進(jìn)行調(diào)制，以保持已調(diào)包絡(luò)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(diào)制器（VCO）GMSK已調(diào)信號(hào)圖1.2 GMSK調(diào)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(diào)制器輸入信號(hào)中的高頻分量；2.脈沖響應(yīng)過(guò)沖量小，以防止FM調(diào)制器瞬時(shí)頻偏過(guò)大；3.保持濾波器輸出脈沖響應(yīng)曲線(xiàn)下的面積對(duì)應(yīng)丁pi2的相移。以使調(diào)制指數(shù)為12。前置濾波器以高斯型最能滿(mǎn)足上述條件，這也是高斯濾波器最小移頻鍵控(GMSK)的由來(lái)。1.2GMSK

5、解調(diào)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(luò)檢波及同步檢波。而GMSK還可以采用時(shí)延檢波，但每種檢波器的誤碼率不同。GMSK非相干解調(diào)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(shí)現(xiàn)GMSK數(shù)據(jù)的解調(diào)輸出。帶通濾波器限幅器鑒頻器判決器數(shù)據(jù)GMSK信號(hào)圖1.3 GMSK解調(diào)原理圖如圖1.4為GMSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的SimuLink仿真模型，整個(gè)系統(tǒng)主要包括五大模塊：隨機(jī)信號(hào)發(fā)生模塊、GMSK調(diào)制模塊、信道、GMSK解調(diào)模塊、誤碼率統(tǒng)計(jì)模塊。所選庫(kù)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(diào)試與結(jié)果分析2.1實(shí)驗(yàn)調(diào)試調(diào)試過(guò)程中主要通過(guò)MATLAB自帶的Help功能來(lái)進(jìn)行調(diào)試，在Help中查找所需函數(shù)的定義及形式和使用方法。通過(guò)報(bào)錯(cuò)信息找出相應(yīng)的錯(cuò)誤，翻閱相關(guān)資料，與同組人經(jīng)過(guò)討論后進(jìn)行修改。在最終解決不了的情況下，請(qǐng)教老師，最終改正所有錯(cuò)誤。設(shè)計(jì)模塊、參數(shù)設(shè)置及程序代碼編寫(xiě)完成后。先將高斯白噪聲信道信噪比xSNR和GMSK解調(diào)模塊的回溯長(zhǎng)度參數(shù)設(shè)為常數(shù)，運(yùn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停^察示波器，發(fā)現(xiàn)沒(méi)有出現(xiàn)基帶與解調(diào)信號(hào)波形。先檢查示波器參數(shù)，發(fā)現(xiàn)并無(wú)問(wèn)題，編譯SimuLink的.mdl文件時(shí)信號(hào)發(fā)生器報(bào)錯(cuò)，錯(cuò)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(diào)制模塊參數(shù)input type與GMSK解調(diào)模塊out put 參數(shù)均設(shè)置為integer，但實(shí)際上貝努力二進(jìn)制序列產(chǎn)生器產(chǎn)生的是一個(gè)由0和1組成二進(jìn)制序列，與integer產(chǎn)生沖突，將上述兩參數(shù)就改為bit，再編譯mdl文件，無(wú)錯(cuò)誤顯示。進(jìn)而運(yùn)行m文件，mdl文件界面彈出，說(shuō)明無(wú)法執(zhí)行mdl模型。檢查程序，發(fā)現(xiàn)xSimulation Time在m文件中有設(shè)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(shè)定，刪除m文件中的xSimulation Time=10，再運(yùn)行，觀察示波器，示波器顯示波形。誤碼率曲線(xiàn)也能畫(huà)出。署名系統(tǒng)基本功能已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。在執(zhí)行瑞麗信道模塊時(shí)，多徑道瑞麗信道模塊報(bào)錯(cuò)，報(bào)錯(cuò)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(shè)置為1/BitRate/SampleperSymbol，前面二進(jìn)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(yīng)為1/1000。改正后，運(yùn)行文件，無(wú)錯(cuò)。各調(diào)制信號(hào)觀察時(shí)，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(méi)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(wú)論怎樣改變，都不能得到理想的狀態(tài)，估計(jì)是其他模塊的一些參數(shù)對(duì)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(shuō)明軟件調(diào)試基本完成。2.結(jié)果分析2.2.1 GMSK調(diào)制與解調(diào)波形:圖2.1 GMSK調(diào)制信號(hào)幅度和相角波形由于調(diào)制信號(hào)時(shí)一個(gè)復(fù)合信號(hào)，不能直接由示波器觀察，通過(guò)complex to magnitude-angle模塊將調(diào)制信號(hào)分為幅度和相角兩個(gè)變量來(lái)觀察。通過(guò)幅度的波形（上）驗(yàn)證了GMSK的幅度不變，由相角波形（下）來(lái)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(hào)與解調(diào)信號(hào)由圖2.2中基帶信號(hào)（上）與解調(diào)信號(hào)波形（下）比較可得，其由起始碼元到最后一個(gè)碼元，發(fā)現(xiàn)調(diào)制信號(hào)波形從第四個(gè)碼元開(kāi)始與基帶信號(hào)完全符合，說(shuō)明系統(tǒng)的調(diào)制性能較好，基本實(shí)現(xiàn)了解調(diào)的目的將調(diào)制信號(hào)還原為基帶信號(hào)。圖2.3 BT=0.3的GMSK調(diào)制信號(hào)頻譜圖2.4 GMSK等理論調(diào)制頻譜對(duì)比圖2.3和圖2.4，實(shí)驗(yàn)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(shè)置不恰當(dāng)。圖2.5 BT=0.9的GMSK調(diào)制信號(hào)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(diào)制頻譜，并無(wú)明顯差異，與GMSK調(diào)制信號(hào)的頻譜隨著B(niǎo).T

12、的減小而變得緊湊起來(lái)的理論結(jié)果不符合，從而驗(yàn)證可能是系統(tǒng)的某些參數(shù)設(shè)置不太合理，導(dǎo)致得不到正確的結(jié)果。圖2.6MSK調(diào)制信號(hào)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(shuō)明了GMSK頻譜特性較MSK更好。2.2.2 GMSK調(diào)制信號(hào)眼圖圖2.7 BT=0.1分析：由圖中混亂的線(xiàn)條可知，BT=0.1時(shí)，眼圖“眼睛”睜開(kāi)很小，失真嚴(yán)重，系統(tǒng)碼間串?dāng)_較大。圖2.8 BT=0.3分析：由圖中混亂的線(xiàn)條可知，BT=0.3時(shí)，眼圖“眼睛”睜開(kāi)比圖2.7中大，但存在過(guò)零點(diǎn)失真，仍然存在碼間串?dāng)_，但比BT=0.1時(shí)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(kāi)程度也較大，且眼圖端正，說(shuō)明碼間串?dāng)_較小。綜合上述分析，可知BT值越小，碼間串?dāng)_越大，這也是GMSK體制的缺點(diǎn)。圖2.10 不同BT值時(shí)的GMSK誤碼率曲線(xiàn)在BT=0.2、0.3、0.7時(shí)，對(duì)系統(tǒng)誤碼率進(jìn)行仿真。比較三條曲線(xiàn)，可以看到其差別并不大。結(jié)果表明:不同BT值的信號(hào)調(diào)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(dāng)BT=0.3時(shí),既可以使頻域帶寬很窄,時(shí)域持續(xù)時(shí)間適當(dāng),又使時(shí)域信號(hào)容易實(shí)現(xiàn)。3結(jié)論設(shè)計(jì)中主要研究GMSK的調(diào)制特性，通過(guò)不同信噪比時(shí)的誤碼率繪制誤碼率曲線(xiàn)分析與比較為信號(hào)選擇合適的調(diào)制、解調(diào)方式。盡管本設(shè)計(jì)能完成調(diào)制

14、信號(hào)頻譜、眼圖及波形觀察以及誤碼率曲線(xiàn)的繪制，但由于頻譜儀參數(shù)設(shè)置方面的問(wèn)題，使得頻譜圖與理想形態(tài)有所差別，有待改進(jìn)。應(yīng)用simulink 進(jìn)行仿真大大的減少了電路仿真的繁瑣，其中每個(gè)模塊都包含幾個(gè)電路元件，減少了電路連接時(shí)的麻煩，電路連線(xiàn)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(jiǎn)單而且所得結(jié)果也比較理想。外觀看起來(lái)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(diào)制解調(diào)建模圖參考文獻(xiàn)1鄧華MATLAB通信仿真及應(yīng)用實(shí)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(yīng)用.北京： 國(guó)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(guó)防工業(yè)出版社，2006年4 樊昌信 曹麗娜 .通信原理. 北京： 國(guó)防工業(yè)出版社，2006年5Stephen J.Chapman MATLAB編程.北京： 科學(xué)出版社，2007年8月6 邵玉斌 .Matlab/Simulink通信系統(tǒng)建模與仿真實(shí)例. 北京： 清華大學(xué)出版社，2008年