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1、课程设计汇报题 目:基于MATLABGMSK系统设计仿真 学生姓名： 学生学号： 系 别： 专 业： 届 别： 指导老师： 基于MATLABGMSK系统设计仿真1课程设计任务和要求1.1课程设计任务（1）加深对GMSK基础理论知识了解。（2）培养独立开展科研能力和编程能力。（3）经过SIMULINK对GMSK调制系统进行仿真。1.2 课程设计要求（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参数关系。（4）和MSK系统对比。1.3 课程设计研究基础调制原理图图1，图中滤波器是高斯低通滤波器，它输出直接对VCO进行调制，以保持已调包络恒定和相位连续。图1 G
2、MSK调制原理图为了使输出频谱密集，前段滤波器必需含有以下待性：1.窄带和尖锐截止特征，以抑制FM调制器输入信号中高频分量；2.脉冲响应过冲量小，以预防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面积对应pi/2相移。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)由来。GMSK本是MSK一个，而MSK又是是FSK一个，所以，GMSK检波也能够采取FSK检波器，即包络检波及同时检波。而GMSK还能够采取时延检波，但每种检波器误码率不一样。我们在构建数字通信系统模型后，利用计算机仿真作为分析手段，对在不一样通信环境下设计方案误码性能进行定
3、量分析，用来对各调制，解调方案性能进行评定。因为GMSK信号含有良好频潜效率、和恒包络性质，所以广泛应用于移动通信系统。高斯最小频移键控(GMSK)因为带外辐射低所以含有很好频谱利用率，其恒包络特征使得其能够使用功率效率高C类放大器。这些优良特征使其作为一个高效数字调制方案被广泛利用于多个通信系统和标准之中。如上所述，GMSK有着广泛应用。所以，从本世纪80年代提出该技术以来，广大科研人员进行了大量针对其调制解调方案研究。GMSK非相干解调原理图图2，图中是采取FM鉴频器（斜率鉴频器或相位鉴频器）再加判别电路，实现GMSK数据解调输出。图2 GMSK解调原理图2 GMSK系统设计2.1 信号发
4、生模块因为GMSK信号只需满足非归零数字信号即可，本设计中选择（Bernoulli Binary Generator）来产生一个二进制序列作为输入信号。图3 GMSK信号产生器该模块参数设计这只关键包含以下多个。其中probability of a zero 设置为0.5表示产生二进制序列中0出现概率为0.5；Initial seed 为61表示随机数种子为61；sample time为1/1000表示抽样时间即每个符号连续时为0.001s。当仿真时间固定时，能够经过改变sample time参数来改变码元个数。比如仿真时间为10s，若sample time为1/1000，则码元个数为1000
5、0。图4所表示。图4 Bernoulli Binary Generator参数设置2.2 调制解调模块图5 GMSK调制解调模块GMSK Modulator Baseband为GMSK基带调制模块，其input type参数设为Bit表示表示模块输入信号时二进制信号（0或1）。BT product为0.3表示带宽和码元宽度乘积。其中B是高斯低通滤波器归一化3dB带宽，T是码元长度。当BT=时，GMSK调制信号就变成MSK调制信号。BT=0.3是GSM采取调制方法。Plush length则是脉冲长度即GMSK调制器中高斯低通滤波器周期，设为4。Symbol prehistory表示GMSK调制
6、器在仿真开始前输入符号，设为1。Phase offset 设为0，表示GMSK基带调制信号初始相位为0。Sample per symbol为1表示每一个输入符号对应GMSK调制器产生输出信号抽样点数为1。图6所表示。AWGN Channel为加性高斯白噪声模块，高斯白噪声信道Mode参数设置为Signal to noise(SNR),表示信道模块是依据信噪比SNR确定高斯白噪声功率，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，计算不一样信噪比下误码率，改变SNR即改变信道信噪比。图7所表示。GMSK Demodulator Baseband是GM
7、SK基带解调器。其前六项参数和GMSK调制器相同，并设置值也相同。最终一项为回溯长度Traceback Length,设为变量Tracebacklength，在m文件经过改变其值，能够观察回溯长度对调制性能影响。图8所表示。图6 GMSK Modulator Baseband参数设置图7 AWGN Channel参数设置图8 GMSK Demodulator Baseband参数设置2.3 误码率计算模块图9 误码率计算模块Receive dely(接收端时延)设置为回溯长度加一，表示接收端输入数据滞后发送端数据TracebackLength+1个输入数据；Computation delay(
8、计算时延)设为0，表示错误率统计模块不忽略最初任何输入数据。Computation mode(计算模式)设置为Entire frame(帧计算模块)，表示错误率统计模块对发送端和接收端全部数据进行统计。Output data(输出数据)设为workspace，表示竟统计数据输出到工作区。Variable name (变量名)则是设置m文件中要返回参数名称，设为xErrorRate。图10所表示。 图10 Error Rate Calculation参数设置2.4 波形观察模块2.4.1调制、解调信号观察模块因为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
9、在调制信号和示波器间加一转换模块Complex to magnitude-angle将调制信号分别在幅度和相角两方面来观察。图11调制信号观察模块将Complex to magnitude-angleoutputoutput参数设为magnitude and angle,表示同时输出调制信号幅度和相角。示波器scope1number of axes 为2表明有纵坐标个数为2；time range表示时间轴显示范围，设为auto,表示时间轴显示范围为整个仿真时间段。Tick Tabels 设为bottom axis only时，只显示各个纵坐标和最下面横坐标标签。图12所表示。图12 Compl
10、ex to Magnitude-Angle参数设置图13 解调信号观察模块2.4.2 调制信号频谱观察模块图14 GMSK调制信号频谱观察模块设置了坐标Y范围为0到7，X范围为-FS,FS，Amplitude scaling表示幅度计算，选择通常模式即以V为单位进行计算。但Y坐标标识Y-axis title设为magnitude，dB转换为dB形式。图15所表示。图15 Spectrum Scope参数设置2.4.3眼图观察模块图16 GMSK调制解调信号眼图观察模块Offset(sample)参数表示MATLAB在开始绘制眼图之前应该忽略抽样点个数。Symbols per trace表示每径
11、符号数，每条曲线即成为一个“径”。Traces displayed 则是要显示径数。New traces per display 是每次重新显示径数目。图17所表示。图17 Discrete-Time Eye Diagram Scope参数设置2.4.4星座图观察模块图18 GMSK调制解调星座图观察模块星座图展示了信号在空间排列分步，即在噪声环境下信号之间最小距离。2.4.5 GMSK系统设计仿真模型图图19 GMSK系统设计仿真模型图3 GMSK系统和MSK系统性能比较3.1 MSK系统设计最小频移键控(MSK)是恒定包络调制技术，是2FSK改善调制方法，它含有波形连续，相位稳定，带宽最小
12、而且严格正交特点。以下是MSK各个系统模块介绍。其参数设置参考GMSK参数设置。3.1.1 信号发生模块图20 MSK信号产生器3.1.2 调制解调模块图21 MSK调制解调模块3.1.3 误码率计算模块图22 误码率计算模块3.1.4 MSK系统设计仿真模型图图23 MSK系统设计仿真模型图3.2 GMSK系统设计图24 GMSK系统设计图3.3 GMSK调制仿真误码性能M文件代码图25 GMSK调制仿真误码性能M文件3.4 GMSK系统和MSK系统性能比较M文件代码图26 GMSK系统和MSK系统性能比较M文件4 GMSK系统仿真4.1 仿真系统仿真是用模型替换实际系统进行试验。它是在不破
13、坏真实系统环境情况下，为研究系统特征而结构并运行这种真实系统模型方法。仿真工作目标就是在合理结构系统模型基础上，采取有效方案对系统性能进行评定。通常我们能够依据公式进行计算;利用计算机进行波形级仿真;或经过用硬件组成样机进行测量来对通信系统性能进行评定。用基于公式方法能够透彻了解设计参数和系统性能之间关系。不过，除了部分理想和过分简化情况外，仅用解析方法评定通信系统性能是很困难。依据设计样机时得到测量数。据评沽性能当然是正确可信方法。不过，其缺点是费时、开销大、不灵活。这在早期设计阶段也显得有些不适宜。而将基于计算机仿真方法用于性能评价，几乎能够按任意具体程度要求建立模型。而且能够很轻易将数学
14、和经验模型结合起来，把测量器件特征和实际信号全部组合到分析和设计当中去。即使在很多情况下，计算机仿真是系统分析一个很好方法，尤其是大多数含有随机性复杂系统无法用正确数学模型并用解析方法求解时，仿真通常成为处理这类问题有力工具。不过，仿真在实际应用中还仍然不足之处。诸如，结构和确定仿真模型需要花费较多时间：在初步设计中，确定复杂模型，可能会很困难;系统模型中往往有不少随机变量，而在系统仿真时，受到样本量限制，使得仿真精度受到限制。这些缺点，只有经过仔细选择建模和仿真技术才能给予缓解。本文采取MATLABSimulink仿真。4.2 GMSK调制和解调波形图27 GMSK调制信号幅度和相角波形因为
15、调制信号是一个复合信号，不能直接由示波器观察，经过一complex to magnitude-angle模块将调制信号分为幅度和相角两个变量来观察。经过幅度波形（上）和相角波形（下）验证了GMSK幅度不变，由相角波形来看，相角连续，和理论符合。所以图形基础正确。由图28中基带信号（上）和解调信号波形（下）比较可得，其由起始码元到最终一个码元，发觉调制信号波形从第四个码元开始和基带信号完全符合，说明系统调制性能很好，基础实现了解调目标将调制信号还原为基带信号。图28 GMSK基带信号和解调信号图29 BT=0.3GMSK调制信号频谱简单说，任何信号（满足一定数学条件），全部能够经过傅里叶变换而分
16、解成一个直流分量和若干个正弦信号和。每个正弦信号全部有自己频率和幅值，这么，以频率值作横轴，以幅值作纵轴，把上述若干个正弦信号幅值画在其所对应频率上，就做出了信号幅频分布图，也就是所谓频谱图。图30 BT=0.5GMSK调制信号频谱试验所得频谱图主瓣和理论频谱近似，只是顶端稍显尖锐，不够圆滑。图31 BT=0.9GMSK调制信号频谱比较图29、图30和图31中频谱，发觉BT=0.3和BT=0.9得GMSK调制频谱，并无显著差异，和GMSK调制信号频谱伴随BT减小而变得紧凑起来理论结果不符合，从而验证可能是系统一些参数设置不太合理，造成得不到正确结果。4.3 GMSK调制信号眼图图32 BT=0
17、.1时GMSK调制信号眼图眼图“眼睛”张开大小反应着码间串扰强弱。眼睛张越大，且眼图越端正，表示码间串扰越小；反之表示码间串扰越大。当存在噪声时，噪声将叠加在信号上，观察到眼图线迹会变得模糊不清。若同时存在码间串扰，“眼睛”将张开得更小。和无码间串扰时眼图相对比，原来清楚端正细线迹，变成了比较模糊带状线，而且很不端正。噪声越大，线迹越宽，越模糊；码间串扰越大，眼图越不端正。眼图对于展示数字信号传输系统性能提供了很多有用信息：能够从中看出码间串扰大小和噪声强弱，有利于直观地了解码间串扰和噪声影响，评价一个基带系统性能优劣；能够指示接收滤波器调整，以降低码间串扰。（1）最好抽样时刻应在“眼睛”张开
18、最大时刻。（2）对定时误差灵敏度能够由眼图斜边斜率决定。斜率越大，对定时误差就越敏感。（3）在抽样时刻上，眼图上下两分支阴影区垂直高度，表示最大信号畸变。（4）对于利用信号过零点取平均来得到定时信息接收系统，眼图倾斜分支和横轴相交区域大小，表示零点位置变动范围，这个变动范围大小对提取定时信息相关键影响。分析：由图中混乱线条可知，BT=0.1时，眼图“眼睛”睁开很小，失真严重，系统码间串扰较大。图33 BT=0.3时GMSK调制信号眼图分析：由图中混乱线条可知，BT=0.3时，眼图“眼睛”睁开比图32中大，但存在过零点失真，仍然存在码间串扰，但比BT=0.1时好得多。图34 BT=0.9时GMS
19、K调制信号眼图分析：和图33，34相比较，图34中眼图最为清楚，眼睛睁开程度也较大，且眼图端正，说明码间串扰较小。综合上述分析，可知BT值越小，码间串扰越大，这也是GMSK体制缺点。4.4 GMSK基带信号星座图GMSK基带信号星座图以下图所表示，分别为信噪比等于16及28时星座图。在通信科技中星座图展示了信号在空间排列分步，即在噪声环境下信号之间最小距离。星座图对于判定调制方法误码率有很直观效用。而且，因为频率调制时，其频率分量一直伴随基带信号改变而改变，故而其基向量也是不停改变，而且，此时在信号空间中分量也为一个确定量。所以，对于频率调制通常不讨论其星座图。由图能够发觉信噪比越大信号在空间
20、排列分布越紧凑。图35 SNR=16时GMSK基带信号星座图图36 SNR=28时GMSK基带信号星座图4.5 GMSK系统误码率曲线在BT=0.3、0.5时，对系统误码率进行仿真。当BT=0.3时,既能够使频域带宽很窄,时域连续时间合适,又使时域信号轻易实现。图37 BT=0.3和BT=0.5 GMSK系统误码率曲线仿真结果表明，系统在BT=0.5时误码率要低于BT=0.3时误码率。这表明GMSK调制信号频谱伴随BT减小而变得紧凑时候，GMSK调制信号误码性能却变得越来越差。可见，GMSK频谱特征改善是以误码率性能下降为代价。 所以，在使用GMSK调试方法时候，要同时考虑频谱和误码性能要求，
21、选择合适BT值。BT=0.3是个经验数据，常见于实际工程。当然GMSK信号误码率不仅取决于信噪比，还和GMSK调制器参数Sample per symbol和GMSK解调器参数Tracebacklength相关。增大这两个参数值，其误码率将会降低。合适改变这些参数并比较误码率性能改变，从而搞清实际GMSK系统参数确实定依据。经过仿真试验，能够对通信系统建立、通信理论深入分析研究起到很好效果。4.6 不一样BT参数下GMSK和MSK比较图38 BT=0.2GMSK和MSK比较从图中能够看出，BT=0.2性能比BT=0.4差；BT=0.4曲线比较靠近MSK曲线；MSK曲线性能较优。图39 BT=0.
22、4GMSK和MSK比较从原理上说，GMSK是MSK改善，GMSK频谱在主瓣以外比MSK衰减得愈加快，而邻路干扰小。不过，GMSK信号频谱特征改善是经过降低误码率性能换来。前置滤波器带宽越窄，即BT值越小，输出功率频谱就越紧凑，误码率性能就变得越差。当BT趋于无穷时，GMSK就蜕变为MSK。即使，图中只比较了BT=0.2和BT=0.4曲线，但从趋势上来看，BT值越大，其曲线将越靠近MSK曲线。5总结我们在构建数字通信系统模型后，利用计算机仿真作为分析手段，对在不一样通信环境下设计方案误码性能进行定量分析，用来对各调制，解调方案性能进行评定。对GMSK良好性能有了更感性认识。在此次专业课程设计中第
23、一次接触到SimuLink ，刚开始是一头雾水毫无头绪。以后经过资料查阅逐步了解了SimuLink是MATLAB提供用于对动态系统进行建模、仿真和分析工具包。设计中要求用SimuLink搭建GMSK调制和解调模块、计算误码率，而且绘制信噪比误码率曲线。第一星期内，关键进行了资料查询及建模任务，先将各模块参数均设为常数，对调制解调波形进行观察，分析器实际波形和理论波形间差距和产生误差原因。依次采取分步进行方法，逐步实现系统所需各个功效。调试过程采取也是相同方法，每搭建一个功效模块就优异行仿真，调试待得到满意结果后再进行下一功效模块搭建和调试。并在不停出现错误过程中学会了应用MATLAB系统帮助。
24、整个专业课程设计中碰到最大问题就是FFT频谱仪参数设置及仿真参数设置，总是solver options得选择时出问题，把握不好固定步长和可变步长选择，和固定步长时连续求解器选择。经实践证实，GMSK调制和解调因选择固定步长Fixed-step,因为传输是数字信号，所以选择离散求解器（discrete solver）。设计中关键研究GMSK调制特征，经过不一样信噪比时误码率绘制误码率曲线分析和比较为信号选择适宜调制、解调方法。尽管本设计能完成调制信号频谱、眼图及波形观察和误码率曲线绘制，但因为频谱仪参数设置方面问题，使得频谱图和理想形态有所差异，有待改善。应用simulink 进行仿真大大降低了
25、电路仿真繁琐，其中每个模块全部包含多个电路元件，降低了电路连接时麻烦，电路连线也更清楚，而且只需改变各参数即可观察电路特征，操作简单而且所得结果也比较理想。外观看起来也更为美观。三周专业课程设计让人受益匪浅，在要感谢我指导老师和搭档，有她们帮助才顺利完成任务。参考文件1 李永忠.现代通信原理和技术M.北京：国防工业出版社， .5 2 樊昌信，曹丽娜.通信原理M.北京：国防工业出版社，3 薛定宇，陈阳泉.基于MATLAB/Simulink系统仿真技术和应用M.北京:清华大学出版社，.24 刘思峰，方志耕，朱建军，沈洋.系统建模和仿真M.北京：清华大学出版社， 附录GMSK误码率作图M文件源程序x
26、SampleTime=1/10000;xSimulationTime=10;xInitialSeed=61;xTracebackLength=4;x=0:10;y1=x;y2=x;bt=0.3;for i=1:length(x) xSNR=x(i); sim (GMSK); y1(i)=xErrorRate(1);endbt=0.5;for i=1:length(x) xSNR=x(i); sim (GMSK); y2(i)=xErrorRate(1);endsemilogy(x,y1,b:*,x,y2,r-);xlabel(SNR(dB)ylabel(Symbol Error Rate)le
27、gend(bt=0.3,bt=0.5)GMSK，MSK误码率比较作图M文件源程序xInitialSeed=67;xTracebackLength=4;Rb=10000;x=0:15;y1=x;y2=x;xSamplesPerSymbol=2;bt=0.4;for i=1:16 xSNR=x(i); sim (GMSK); y1(i)=xErrorRate(1);endfor i=1:16 xSNR=x(i); sim(MSK); y2(i)=xErrorRate(1);endsemilogy(x,y1,b:*,x,y2,r-);xlabel(SNR(dB)ylabel(Symbol Error Rate)legend(GMSK,MSK)指导老师评语成绩评定指导老师签字：年 月 日答辩小组评语成绩评定答辩小组签字：年 月 日