基于MATLAB的GMSK调制解调实验

Ⅰ本科课程设计说明书题目：基于Matlab的GMSK调制与解调院（部）：信息与电气工程学院专业：通信工程班级：姓名：学号：指导教师：完成日期：目录Ⅰ摘要.............................................................Ⅱ第1章绪论........................................................1第2章GMSK调制与解调系统..........................................22.1GMSK系统的介绍..............................................22.2GMSK系统的设计原理..........................................22.2.1GMSK调制原理..........................................32.2.2GMSK解调原理..........................................4第3章GMSK系统功能模块设计与结果分析..............................53.1GMSK系统的功能模块设计......................................53.1.1信号发生模块...........................................53.1.2调制与解调模块.........................................73.1.3误码率计算模块.........................................93.1.4波形观察模块..........................................103.2GMSK系统结果分析...........................................153.2.1GMSK调制与解调波形...................................153.2.2GMSK调制信号眼图.....................................17第4章结论......................................................19参考文献..........................................................20附录一：程序附录二：建模图Ⅱ摘要高斯滤波最小频移键控（GMSK）系统的特点是在MSK(最小移频键控)调制器之前插入高斯低通预调制滤波器进行预调制滤波，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。本文主要在瑞利信道下，通过在Matlab中的Simulink建立仿真模型进行仿真研究。并通过观察GMSK系统调制、解调信号的的波形、频谱图、眼图和误码率曲线，从而验证GMSK系统较为良好的性能。关键词：GMSK，瑞利信道，SimuLink仿真，误码率曲线1第1章设计要求1.1设计内容：学习GMSK系统的传输原理，并使用Simulink搭建GMSK系统的调制与解调模块，利用高斯信道模块来模拟信号传输仿真，用示波器观察各点波形，通过与理论波形的对比，验证电路的正确性。1.2设计要求：1.观察基带信号和解调信号波形；2.观察已调信号频谱图3.分析调制性能和BT参数的关系。2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[1]。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信号产生模块调制模块信道解调模块误码率计算模块示波器频谱仪3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，将信噪比设为一个变量，用于绘制信噪比——误码率曲线。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，其后接一个误码率统计模块（ErrorRateCalculation），且误码率统计模块另一输入端接至源信号处。而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。非归零自序GMSK已调信号图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[2]：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丁pi／2的相移。以使调制指数为1／2。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。高斯低通滤波器频率调制器（VCO）42.2.2GMSK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。GMSK信号数据图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、误码率统计模块。所选库模块模型如图2.4中所示。带通滤波器限幅器鉴频器判决器5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。6图3.1GMSK信号产生器该模块的参数设计这只主要包括以下几个[3]。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200表示随机数种子为200；sampletime为1/10表示抽样时间即每个符号的持续时间为0.1s。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。7GMSK解调信号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[4]，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。而将SNR参数设为一个变量xSNR是为了在m文件中编程，计算不同信噪比下的误码率，改变SNR即改变信道信噪比。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16，在m文件通过改变其值，可以观察回溯长度对调制性能的影响。GMSK信号893.1.3误码率计算模块图3.3误码率计算模块Receivedely(接收端时延)设置为回溯长度加一，表示接收端输入的数据滞后发送端数据TracebackLength+1个输入数据；Computationdelay(计算时延)设为0，表示错误率统计模块不忽略最初的任何输入数据。Computationmode(计算模式)设置为Entireframe(帧计算模块)，表示错误率统计模块对发送端和接收端的所有数据进行统计。Outputdata(输出数据)设为workspace，表示竟统计数据输出到工作区。Variablename(变量名)则是设置m文件中要返回的参数的名称，设为ErrorVec。基带信号GMSK解调信号103.1.4波形观察模块调制、解调信号观察模块如图3.4和图3.5所示：图3.4调制信号观察模块GMSK调制信号11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3.5解调信号观察模块12调制信号频谱观察模块如图3.6所示：图3.6GMSK调制信号频谱观察模块设置了坐标Y的范围为-30到5，X的范围为[0,FS]，Amplitudescaling表示幅度计算，选择一般模式即以V为单位进行计算。但Y坐标标记Y-axistitle设为magnitude，dB转换为dB形式。13眼图观察模块如图3.7所示：14153.2GMSK系统结果分析3.