基于MATLAB的GMSK调制与解调课设报告.docx
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基于MATLAB的GMSK调制与解调课设报告
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。
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。
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。
4.2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。
4.3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。
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:
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
5.2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
end
semilogy(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);
end
semilogy(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);
end
semilogy(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');
6.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。
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
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。
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。
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。
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。
7.参考文献
[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
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