基于MATLAB的GMSK调制与解调课设报告

沈阳理工大学通信系统课程设计报告1基于Matlab的GMSK调制与解调1.课程设计目的（1）加深对GMSK基本理论知识的理解。（2）培养独立开展科研的能力和编程能力。（3）通过SIMULINK对BT=0.3的GMSK调制系统进行仿真。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参数的关系。3.相关知识3.1GMSK调制调制原理图如图2.2，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。非归零数字序高斯低通滤波器频率调制器（VCO）GMSK已调信号图3.1GMSK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：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。沈阳理工大学通信系统课程设计报告2GMSK信号数据3.2GMSK解调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。图3.2GMSK解调原理图4.课程设计分析4.1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。图4.1GMSK信号产生器该模块的参数设计这只主要包括以下几个。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61表示随机数种子为61；sampletime为1/1000表示抽样时间即每个符号的持续时为0.001s。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。带通滤波器限幅器判决器鉴频器GMSK信号输出沈阳理工大学通信系统课程设计报告34.2调制解调模块图4.2GMSK调制解调模块GMSKModulatorBaseband为GMSK基带调制模块，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Tracebacklength，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信号沈阳理工大学通信系统课程设计报告44.3误码率计算模块图4.3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xErrorRate。4.4波形观察模块4.4.1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。图4.4调制信号观察模块将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。基带信号GMSK解调信号GMSK调制信号沈阳理工大学通信系统课程设计报告5图4.5解调信号观察模块4.4.2调制信号频谱观察模块图4.6GMSK调制信号频谱观察模块设置了坐标Y的范围为0到7，X的范围为[-FS,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。4.4.3眼图观察模块图4.7GMSK调制信号眼图观察模块Offset(sample)参数表示MATLAB在开始绘制眼图之前应该忽略的抽样点的个数。Symbolspertrace表示每径符号数，每条曲线即成为一个“径”。Tracesdisplayed则是要显示的径数。Newtracesperdisplay是每次重新显示的径的数目。在系统中要求通过m文件编程绘制误码率曲线。其程序流程图如图3.8：开始X=0:10;xTracebackLength=4;Y=x沈阳理工大学通信系统课程设计报告6图4.8程序流程图5.仿真5.1MATLAB仿真模型图图5.1系统SimuLink仿真模型图i=1:length(x)执行SimuLink仿真模型Y(i)=xErrorRate(1)返回沈阳理工大学通信系统课程设计报告75.2程序%gmsk误码率x=0:10;y=x;TracebackLength=7;%回溯长度fori=1:length(x)xSNR=x(i);sim('gmsk_error');y(i)=xErrorRate(1);%获取误码率endsemilogy(x,y,'r');gridon;%加网格holdon;%保留当前图形%msk误码率x=0:10;y=x;TracebackLength=4;fori=1:length(x)xSNR=x(i);sim('msk_error');y(i)=xErrorRate(1);endsemilogy(x,y,'bd');%bd表示蓝色的菱形gridon;holdon;%瑞丽信道误码率x=0:10;y=x;TracebackLength=4;fori=1:length(x)xSNR=x(i);sim('ruili_error');y(i)=xErrorRate(1);endsemilogy(x,y,'*');%用*绘制误码率曲线gridon;xlabel('高斯信道中的信噪比/dB');ylabel('误码率');%曲线标识legend('gmsk误码率曲线','msk误码率曲线','*瑞丽信道误码率曲线');沈阳理工大学通信系统课程设计报告86.结果分析6.1GMSK调制与解调波形:图6.1GMSK调制信号幅度和相角波形由于调制信号时一个复合信号，不能直接由示波器观察，通过一complextomagnitude-angle模块将调制信号分为幅度和相角两个变量来观察。通过幅度的波形（上）和相角波形（下）验证了GMSK的幅度不变，由相角波形来看，相角连续，与理论符合。所以图形基本正确。沈阳理工大学通信系统课程设计报告9图6.2GMSK基带信号与解调信号由图6.2中基带信号（上）与解调信号波形（下）比较可得，其由起始码元到最后一个码元，发现调制信号波形从第四个码元开始与基带信号完全符合，说明系统的调制性能较好，基本实现了解调的目的——将调制信号还原为基带信号。图6.3BT=0.3的GMSK调制信号频谱沈阳理工大学通信系统课程设计报告10图6.4GMSK等理论调制频谱对比图6.3和图6.4，实验所得频谱图的主瓣与理论频谱近似，只是顶端稍显尖锐，不够圆滑，可能的频谱仪的参数或去其他模块参数设置不恰当。图6.5BT=0.9的GMSK调制信号频谱比较图6.3和图6.5中频谱，发现BT=0.3与BT=0.9得GMSK调制频谱，并无明显差异，与GMSK调制信号的频谱随着BT的减小而变得紧凑起来的理论结果不符合，从而验证可能是系统的某些参数设置不太合理，导致得不到正确的结果。沈阳理工大学通信系统课程设计报告11图6.6MSK调制信号频谱比较图6.3和图6.5，发现GMSK的旁瓣衰减比MSK明显，也充分说明了GMSK频谱特性较MSK更好。6.2GMSK调制信号眼图图6.7BT=0.1分析：由图中混乱的线条可知，BT=0.1时，眼图“眼睛”睁开很小，失真严重，系统码间串扰较大。沈阳理工大学通信系统课程设计报告12图6.8BT=0.3分析：由图中混乱的线条可知，BT=0.3时，眼图“眼睛”睁开比图6.8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6.9BT=0.9分析：与图6.7，6.8相比较，图6.9中眼图最为清晰，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体制的缺点。沈阳理工大学通信系统课程设计报告13图6.10信噪比为0：10的不同模块的误码率图6.10中*标识的是瑞丽信道的误码率曲线，近似水平线，可见调制特性非常不好,而其余两条曲线都是通过高斯白噪声信道的误码率，明显的比前者平滑且下降现象明显，说明采用高斯白噪声信道所得调制特性更好；而实线和菱形标识的是分别是GMSK、MSK的误码率曲线,比较可见GMSK调制曲线更为平滑。所以三种方式里面GMSK的调制性能最好。图6.11不同BT值时的GMSK误码率曲线在BT=0.2、0.3、0.7时，对系统误码率进行仿真。比较三条曲线，可以看到其差别并不大。结果表明:不同BT值的信号调制性能差别不大.随着信噪比的增大,BT=0.2与BT=0.3的系统性能基本一致。当BT=0.3时,既可以使频域带宽很窄,时域持续时间适当,又使时域信号容易实现。沈阳理工大学通信系统课程设计报告147.参考文献[1]樊昌信曹丽娜.通信原理.北京：国防工业出版社，2006年[2]徐明远邵玉斌.MATLAB仿真在通信与电子工程中的应用.西安电子科技大学出版社，2005.6[3]邵玉斌.Matlab/Simulink通信系统建模与仿真实例.北京：清华大学出版社，2008年