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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)是無線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，特別適用于無線通信和衛(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)主要由信號產(chǎn)生模塊、信號調(diào)制模塊、信道、信號解調(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)由信號產(chǎn)生模塊產(chǎn)生一個二進(jìn)制序列，再經(jīng)過調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制，之后便將調(diào)制信號送入信道，經(jīng)過解調(diào)器解調(diào)得到解調(diào)信號。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)生器來產(chǎn)生器（Bernoulli Binary Generator）產(chǎn)生一個二

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，再將已調(diào)信號送入一個加性高斯白噪聲信道，將信噪比設(shè)為一個變量，用于繪制信噪比誤碼率曲線。解調(diào)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(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處。而用示波器觀察解調(diào)波形并與源信號波形進(jìn)行比較。因?yàn)橐颜{(diào)信號是一復(fù)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(diào)信號的頻譜。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)制器輸入信號中的高頻分量；2.脈沖響應(yīng)過沖量小，以防止FM調(diào)制器瞬時頻偏過大；3.保持濾波器輸出脈沖響應(yīng)曲線下的面積對應(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(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，整個系統(tǒng)主要包括五大模塊：隨機(jī)信號發(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)試過程中主要通過MATLAB自帶的Help功能來進(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。通過報錯信息找出相應(yīng)的錯誤，翻閱相關(guān)資料，與同組人經(jīng)過討論后進(jìn)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(shè)計(jì)模塊、參數(shù)設(shè)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(diào)模塊的回溯長度參數(shù)設(shè)為常數(shù)，運(yùn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，觀察示波器，發(fā)現(xiàn)沒有出現(xiàn)基帶與解調(diào)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(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，無錯誤顯示。進(jìn)而運(yùn)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(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。誤碼率曲線也能畫出。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，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(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，無錯。各調(diào)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(jì)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(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)制信號幅度和相角波形由于調(diào)制信號時一個復(fù)合信號，不能直接由示波器觀察，通過complex to magnitude-angle模塊將調(diào)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(yàn)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(diào)信號由圖2.2中基帶信號（上）與解調(diào)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(diào)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(diào)制性能較好，基本實(shí)現(xiàn)了解調(diào)的目的將調(diào)制信號還原為基帶信號。圖2.3 BT=0.3的GMSK調(diào)制信號頻譜圖2.4 GMSK等理論調(diào)制頻譜對比圖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，并無明顯差異，與GMSK調(diào)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(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(diào)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(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(diǎn)失真，仍然存在碼間串?dāng)_，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?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值時的GMSK誤碼率曲線在BT=0.2、0.3、0.7時，對系統(tǒng)誤碼率進(jìn)行仿真。比較三條曲線，可以看到其差別并不大。結(jié)果表明:不同BT值的信號調(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,既可以使頻域帶寬很窄,時域持續(xù)時間適當(dāng),又使時域信號容易實(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(diào)制、解調(diào)方式。盡管本設(shè)計(jì)能完成調(diào)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(shè)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(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(jié)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(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(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