北邮通信原理GMSK实验报告

通信原理GMSK实验报告第1页共28页通信原理实验报告“GMSK调制器”系统实验指导老师韩玉芬班级学生姓名学号班内序号报告日期2013年5月16日信通院实验中心高斯最小移频键控调制器实验通信原理GMSK实验报告第2页共28页摘要本实验是利用数字基带处理方法来实现高斯最小移频键控(GMSK)调制器算法的基带硬件实验。在实验中，首先详细推导了GMSK调制的相位路径计算公式，为进一步简化计算，同时保证足够的精度，实验中对高斯滤波器的冲击响应g(t)进行截短处理，得到实际编程时运用的相位计算公式。之后运用MATLAB软件完成编写g(t)、，再计算的各1024个点，绘制并观察其相位路径及眼图。接着使用均匀量化的方式对每个样值进行10比特量化，写入ROM表，并将ROM表中的数据通过硬件显示在示波器上，观察到稳定的眼图。对于地址逻辑电路，在理解电路图的基础上，利用MAX+plusII及可编程器件对GMSK地址逻辑进行了仿真，得到了正确的地址逻辑关系。在完成实验基本要求的基础上，本文详细讨论并比较了GMSK和MSK的特性，得出了GMSK调制相位更平滑、频谱利用率更高、邻道干扰更小、通信容量更大等优点。关键词：GMSKMatlab眼图量化VHDL目录通信原理GMSK实验报告第3页共28页1.实验目的----------------------------------------------------------42.实验内容----------------------------------------------------------43.实验原理----------------------------------------------------------43.1GMSK调制器工作原理和相位路径的计算---------------------43.2数字信号处理方法实现GMSK调制器--------------------------64.系统设计----------------------------------------------------------74.1软件设计----------------------------------------------------------------74.1.1g(t)信号的产生----------------------------------------------------84.1.2函数的实现---------------------------------------------------84.1.3存正弦表和余弦表----------------------------------------------114.1.4量化前的眼图----------------------------------------------------124.1.5量化及bin文件生成--------------------------------------------144.1.6量化后的眼图----------------------------------------------------164.2硬件设计--------------------------------------------------------------174.2.1地址逻辑设计与仿真-------------------------------------------174.2.2结果显示---------------------------------------------------------215.GMSK与MSK的比较----------------------------------------236.总结、反思------------------------------------------------------247.参考文献---------------------------------------------------------27一、实验目的1.通过利用数字基带处理方法来实现高斯最小移频键控（GMSK）调制器算通信原理GMSK实验报告第4页共28页法的基带硬件实验，对通信系统硬件实现有新的认识及新的思路。2.掌握MAX+plusII及可编程器件的应用。3.学会用C语言或MATLAB软件进行GMSK相位路径及仿真眼图的编程。4.正确使用测试仪表。5.理论联系实际，培养科学实验态度，提高实际动手能力。二、实验内容1.了解GMSK调制器工作原理，推导GMSK信号的相位路径计算公式，掌握GMSK调制器数字化实现的原理。2.掌握GMSK调制器数字化，实现地址逻辑的工作原理，用可编程器件实现逻辑地址的设计，并仿真各点波形，分析检验其时序逻辑关系。3.了解GMSK相位路径的编程流程图，并用计算机编出相位路径的余弦及正弦表。4.为了检验所编码表的正确性，可进一步利用计算机软件检验从上述码表得出的GMSK基带波形的眼图与理论计算是否一致，若二者一致，说明所编码表正确，于是可将码表写入EPROM中，并将EPROM片子插在GMSK调制器硬件实验板上。5.在通信实验板上，正确使用测试仪器表观看各点波形:(1)用示波器观看GMSK基带信号眼图；(2)用逻辑分析仪观看地址逻辑电路各点波形及其时序关系；(3)用频谱仪观看GMSK调制器基带波形的功率谱。6．按上述要求写出实验报告。三、实验原理3.1GMSK调制器工作原理和相位路径的计算MSK调制可以看成是调制指数为0.5的连续相位2FSK调制器，为了满足移动通信对发送信号功率普的带外辐射要求，在MSK调制前加入高斯滤波器。产生GMSK信号的原理图如图1所示：注：二进制码元周期T=3.6923us。图1产生GMSK信号原理图GMSK是恒包络连续相位调制信号，它的表示式如下：相位路径为预编码dn=an⊕an-1bnanan1调制指数h=0.5的MSKGMSK信号延迟TBT=0.3高斯滤波器VCO电平变换dnB为高斯滤波器3dB带宽bn{+1,-1}{bn}二进制序列{an}通信原理GMSK实验报告第5页共28页其中，g(t)为BT=0.3的高斯滤波器矩形脉冲响应。调制指数h=0.5,为双极性不归零码序列的第n个码元，bn为+1或-1。高斯滤波器的传递函数为H(f)为其中，,B是高斯滤波器的3dB带宽。高斯滤波器冲击响应为h(t)矩形脉冲为式中u(t)为单位阶跃函数，其表达式为：高斯滤波器的矩形脉冲响应为其中可证明将g(t)截短，对BT=0.3的g(t)经计算，取最短长度为5T时，有因而在具体计算时，取g(t)的截短长度为5T，就可达到足够精度。BT=0.3的高斯滤波器矩形脉冲响应如图2所示：图2BT=0.3的高斯滤波器矩形脉冲响应在时，通信原理GMSK实验报告第6页共28页（取模4）图3表示不归零矩阵脉冲序列通过BT=0.3的高斯滤波器的相响应示意图。图3BT=0.3的高斯滤波器矩形脉冲序列响应示意图3.2数字信号处理方法实现GMSK调制器在算得后，可得出和值。在工程上，首先将和的值离散化，固化在ROM中。由随机数据{bn}形成ROM表的地址，根据地址取出ROM中的相应的基带信号离散值，然后利用D/A将其数模变换成模拟基带信号和，再由正交调制器将基带频谱搬移至载频上。本实验的电路原理框图如图4：图4用数字化方法实现GMSK的原理框图为得到的余弦表和正弦表，必须将基带信号和离散化，即抽样、量化。根据随机信号功率谱估计仿真方法，对不同采样速率、不同量化电平值的GMSK基带信号进行谱估计，最后选用采样速率为每比特抽8个样，每个样值量化编码为10比特（Q=10）。在采样速率的情况下，由于存在采样造成的副主瓣，影响了功率谱特性，因此必须在D/A转化后加低通滤波器来抑制高频分量，选用3dB带宽的330KHZ的6阶贝塞尔函数低通滤波器，数/模变换后的基带信号经低通滤波器后的功率谱满足GSM05.05建议的要求。通信原理GMSK实验报告第7页共28页四、系统设计4.1软件设计软件部分仿真眼图的流程图如下：设置采样点数（每比特8个采样点），每采样值量化为10bit（Q=10）产生223-1m序列伪随机序列起始地址为0000000000取下一位随机码先取4位随机码作为初始值M=0，TIMS形成7位地址逻辑（含2位象限数及5位信息随机码）I=0,1,2,3,4,5,6,7转换成实际值取ROM中的值将此值转化为屏幕上一点清屏结束开始图5仿真眼图流程图4.1.1g(t)信号的产生在编写g(t)函数之前，先编写q(t)函数，实现上面提到的函数Q(t)，其代码如下：通信原理GMSK实验报告第8页共28页functiony=q(x);%调用erfc函数实现Q(t)y=erfc(x./(sqrt(2)))./2;之后，g(t)通过调用q(t)实现：functiongt=g(t)%调用Q(t)函数实现g(t)T=3.6923*10^-6;B=0.3/T;alpha=(1/B)*sqrt((log(2)/2));gt=(1/(2*T))*(q(sqrt(2)*pi*(t-T/2)/alpha)-q(sqrt(2)*pi*(t+T/2)/alpha));end绘制出g(t)如下图6：t=linspace(-1,1,20000);fori=1:20000y(i)=g(t(i)*2.5*T);endplot(t,y),title('BT=0.3截断长度为5T的g(t)'),xlabel('时间t(*2.5T)'),ylabel('g(t)')图6BT=0.3高斯滤波器矩形脉冲响应4.1.2函数的实现计算相位路径及计算余弦正弦值的流程图如下：通信原理GMSK实验报告第9页共28页图7相位路径余弦表与正弦表的设计流程图具体在计算时，将分解为两个部分，其中但在以下Ph(t,b,L)函数中，参数t不是绝对时间，而是绝对时间除以T的倍数，如1/8,1等数。计算时可写成两个积分，但由于积分的函数相同，只是上下限不同，故程序中写为一个积分，调用了matlab中的quad函数。functionphase=Ph(t,b,L)%计算phi(t)；注意这里t不是绝对时间开始输入抽样点数(抽8个样/比特),量化电平数Q=10,BT=0.3,状态组合数组b[32],L[4]GMSK高斯滤波器的矩形脉冲响应g(t)子程序象限计数器L=0,1,2,3220()[](/2)tjjjtbngjTTd计算cos()k及sin()k结束状态数n=0,1,2..31022(2)(0)[](/2)/2jjjjTbngjTTdL/8,0,1,2,3,4,5,6,7tTii1ii通信原理GMSK实验报告第10页共28页T=3.6923*10^-6;n=floor(t);ph=0;%初始化fori=-2:2%循环叠加求出phi(0)+deltaphi(t)ph=ph+quad(@g,-2.5*T,t*T-i*T-T/2)*pi*b(i+3);endphase=ph+L*pi/2;%得到最后的相位phi(t)为验证相位路径Ph(t,b,L)编写是否正确，需绘制出相位路径图，实现的代码原理为：1）产生足够长的随机0-1序列a(1024个点)；2）由a经预编码及电平变换，得到b=2*a-1;3）初始化screen，LL（表示未模4的象限数），L（表示模4后的象限），path数组和temp数组；4）设立两级循环，每次得到新的temp后，计算所属的相位值path((k-1)*8+j*8)，这里调用了Ph函数，注意是连续相位，要加上模4而带来的相位损失。然后得到新的LL和L，temp数组移位。5）绘出图像。functionphasepath()a=randint(1,1024);%等概率生成0/1序列ab=2*a-1;%预编码+电平变换，得到序列bscre