基于Simulink的GMSK仿真设计移动通信三级项目

1、 移动通信系统三级项目报告Mobile Communication System Project Design Report 项目名称：基于MATLAB的GMSK仿真分析所在班级： 14级通信工程四班 第 四 组课题组成员及贡献比：组长：学号 3 姓名 张曌 贡献 27%组员：学号 3 姓名 郑岚方 贡献 25% 学号 2 姓名 邱悦 贡献 18%学号 6 姓名 蒲琼 贡献 18%学号 4 姓名 陈春 贡献 12%指导教师：肖丽萍 教 务 处 2017年6月移动通信系统三级项目报告Mobile Communication System Project Design Report 项目名称：基于

2、MATLAB的GMSK仿真分析所在班级、组： 14级通信工程 4 班 第 4 组组内成员贡献比及分工：组长：学号 3 姓名 张曌 贡献 27% 分工： MATLAB仿真、论文撰写组员：学号 3 姓名 郑岚方 贡献 25%分工：MATLAB仿真、PPT制作 学号 2 姓名 邱悦 贡献 18%分工：查阅资料、PPT制作学号 6 姓名 蒲琼 贡献 18%分工：查阅资料、PPT制作学号 4 姓名 陈春 贡献 12%分工：查阅资料、论文排版组长签字：2017年 6月 30日基于MATLAB的GMSK仿真分析张曌、郑岚方、邱悦、蒲琼、陈春（燕山大学 信息科学与工程学院）摘要：本三级项目利用了Simulin

3、k软件进行通信系统的建模，第一部分主要对GMSK调制解调的仿真系统分析，对使用的各个Simulink模块进行介绍；第二部分主要是对仿真系统的结果分析，分别绘制了基带信号和解调信号的时域波形、已调信号的频谱；第三部分分析了在高斯信号和瑞利信道下分析误码率与信噪比和归一化BT的关系。通过Simulink仿真，观察到基带信号和解调信号的时域波形，在信噪比较高的情况下，解调信号与基带信号基本一致，但出现了延时；观察到不同BT值下已调信号的频谱，BT值越小，调制信号频谱主瓣越窄；利用MATLAB的脚本文件调用Simulink，从而得到高斯信道下不同的BT下误码率与信噪比的关系曲线，可得相同BT值下，信噪

4、比越高，误码率越低，以及相同信噪比下，BT选取合适的值，误码率越低；同时，通过绘制瑞利信道和高斯信道共同作用下不同的BT下误码率与信噪比的关系曲线，可得瑞利信道会使GMSK系统的误码率大大增加，通信质量下降，所以，实际的GMSK通信系统必须在接收端采取抗多径措施以提升通信系统的可靠性。关键词：Simulink仿真、GMSK、加性高斯白噪声信道、多径瑞利衰落信道一、GMSK系统仿真设计1.1 GMSK调制原理调制原理图如图1，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1 GMSK调制原理图GMSK非相干解调原理图如图2，图中是采用FM鉴频器（斜率鉴

5、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2 GMSK解调原理图1.2 GMSK系统整体设计图利用Simulink中自带的各通信系统常用模块搭建高斯噪声信道下GMSK调制系统的仿真图，整个系统主要由调制信号产生模块、调制模块、加性高斯白噪声信道、误码率测量模块、观察模块组成。图3 高斯信道下GMSK系统总体设计图1.3 GMSK系统各模块简介下面分模块简介系统仿真图中各模块参数设置的具体情况。1.3.1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（Bernoulli Binary Generator）来产生一个二进制序列作为输入信号。图4 GMSK信

6、号产生器该模块的参数设计这只主要包括以下几个。其中probability of a zero 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；Initial seed 为61表示随机数种子为61；sample time为0.01表示抽样时间即每个符号的持续时为0.01s。当仿真时间固定时，可以通过改变sample time参数来改变码元个数。设置仿真时间为10s，则产生码元个数为1000。如图5所示。图5 Bernoulli Binary Generator参数设置1.3.2调制解调模块图6 GMSK调制解调模块GMSK Modulator Baseband为GMSK基带调制模块，其i

7、nput type参数设为Integer表示表示模块的输入信号时二进制信号（0或1）。但由于前面的信号发生器产生0/1比特数据，所以信号发生器之后需要接入无极性数据转成有极性数据转换器，同理GMSK解调模块后需要接入有极性数据转成无极性数据转换器（若将input type参数设为Bit，则不需要数据转换器）。BT product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BT=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。Plush length则是脉冲长度即GMSK调制器中高斯低通滤波器的周期，设为3。Symbol pr

8、ehistory表示GMSK调制器在仿真开始前的输入符号，设为1。Phase offset 设为0，表示GMSK基带调制信号的初始相位为0。Sample per symbol为8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8。如图7所示。AWGN Channel为加性高斯白噪声模块，高斯白噪声信道的Mode参数设置为Signal to noise(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。如图8所示。GMSK

9、Demodulator Baseband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。由于解调采用维特比译码方式，所以需要设置回溯长度Traceback Length,设为16，从而产生延迟。如图9所示。图7 GMSK Modulator Baseband参数设置图8 AWGN Channel参数设置图9 GMSK Demodulator Baseband参数设置1.3.3 误码率计算模块图10误码率计算模块由于经GMSK解调后产生时延（回溯长度Traceback Length设置为16），因此为了正确测得误码率，将Receive dely(接收端时延)设置为16，

10、表示接收端输入的数据滞后发送端数据TracebackLength个输入数据；Computation delay(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。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的所有数据进行统计。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文件中要返回的参数的名称，设为ErrorVec。如图11所示。 图11 Error Rate Calculation参数设置1.3.4 波形观察模块

11、1.3.4.1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Complex to magnitude-angle将调制信号分别在幅度和相角两方面来观察。图12调制信号观察模块将Complex to magnitude-angleoutput的output参数设为magnitude and angle,表示同时输出调制信号的幅度和相角。示波器scope1的number of axes 为2表明有纵坐标个数为2；1.3.4.2调制信号频谱观察模块Spectrum Analyzer用于观察GMSK已调制信

12、号频谱，其各种参数使用默认设置。图13调制信号频谱观察模块二、GMSK系统仿真结果及分析2.1基带信号和解调信号时域波形分析图14基带信号和解调信号时域波形图14中上半部分为基带信号的波形，下半部分为解调信号的波形，由图可知上半部分和下半部分的波形基本一致，但下部部分较于上半部分波形出现延迟。2.2 GMSK调制信号的幅值和相位的波形图15 GMSK调制信号的幅值和相位的波形图图15中上半部分波形为幅度的波形，下半部分为相角的波形，由图可知，GMSK调制信号为幅度不变、相角连续的波形。2.3调制信号的频谱图通过改变BT值（BT=0.1，BT=0.3，BT=0.5），利用Spectrum Ana

13、lyzer测得不同BT值下调制信号的频谱图，如下图所示。图16 BT=0.1时的频谱图图17 BT=0.3时的频谱图图18 BT=0.5时的频谱图通过对比观察BT=0.1，BT=0.3和BT=0.5下各调制信号的频谱图，可得结论：GMSK调制信号的频谱随着BT的减小而变得紧凑起来，BT值越小，GMSK信号功率频谱密度的高额分量衰减越快。主瓣越小，信号所占用的频带越窄，带外能量的辐射越小，邻道干扰也越小。2.4高斯信道下的误码率与信噪比和归一化带宽BT的关系通过将Simulink系统仿真图中GMSK模块的BT值设为变量bt，将AGWN模块中SNR值设为变量xSNR，利用MATLAB的脚本文件,改

14、变变量bt和xSNR的值，得到高斯信道下的误码率与信噪比和归一化带宽BT的关系曲线图如下。 图19高斯信道不同BT值下误码率与信噪比的曲线图分析上图可得结论： 在BT值相同时，高斯信道中信噪比越高误码率越低 在信噪比相同的情况下，BT越大误码率越低2.5 GMSK调制信号眼图图20 BT=0.1时GMSK调制信号眼图分析：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21 BT=0.3时GMSK调制信号眼图分析：由图中混乱的线条可知，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22 B

15、T=0.9时GMSK调制信号眼图分析：与图20，21相比较，图22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。2.5总结在使用GMSK调试方式的时候，要同时考虑频谱和误码性能要求，选取适当的BT值。 系统误码率随着BT增大误码率减小，但减小幅度越来越小。 GMSK频谱特性的改善是以误码率性能的下降为代价的。BT=0.3/0.5是个经验数据，常用于实际工程。三、瑞利信道与高斯信道下GMSK系统仿真3.1整体系统仿真图瑞利信道仿真的是信号的衰落情况，高斯信道仿真的是信号传播中的噪声影响，噪声是必须有的。在2

16、.1中提供的系统仿真图的基础上，高斯信道模块前加入瑞利信道模型，即得到瑞利信道与高斯信道下GMSK系统仿真图，如下。图23 瑞利信道与高斯信道下GMSK系统仿真3.2瑞利与高斯信道下的误码率与信噪比和归一化带宽BT的关系利用2.4中相同的方法，可以得到瑞利与高斯信道下的误码率与信噪比和归一化带宽BT的关系曲线图，如下。图24（瑞利+高斯信道）下，不同BT值下误码率与信噪比关系曲线图为了进一步对比分析瑞利信道对GMSK系统的影响，将不同BT值下，（瑞利+高斯信道）和（高斯信道）误码率随信噪比关系曲线绘制与同一坐标系下。图25（瑞利+高斯信道）和（高斯信道）下，不同BT值误码率与信噪比关系曲线对比

17、图由上图可知，瑞利信道会使系统误码率大大增加，系统性能恶化明显，所以在实际的GMSK通信系统中，必须在接收端采用抗多径措施。且瑞利信道加入后，误码率随信噪比变化不明显，3.3瑞利信道的最大多普勒频移值与误码率的关系通过将Simulink系统仿真图中瑞利信道模块的Max Doppler Shift值设为变量maxdoppler，利用MATLAB的脚本文件,改变变量maxdoppler的值，得到瑞利信道的最大多普勒频移值与误码率的关系曲线图如下。图26 瑞利信道的最大多普勒频移值与误码率的关系曲线图由上图可知，瑞利信道中最大多普勒频移值越大，误码率越高，即多径信道参数变化得越快，信道质量越差，通信

18、质量越差，误码率也就越高。四、参考文献1 杨发权.MATLAB通信系统建模与仿真M.北京：清华大学出版社， 2016 2 樊昌信，曹丽娜.通信原理M.北京：国防工业出版社，20063 刘学勇.详解MATLAB/Simulink通信系统建模与仿真M.北京:电子工业出版社，20124 周炯槃、续大我等.通信原理（第3版） M.北京：北京邮电大学出版社.20115 杨育红.通信系统仿真实验M.北京：国防工业出版社.2015五、附录程序5.1高斯信道下GMSK误码率作图M文件源程序x=-10:0;y1=x;y2=x;y3=x;y4=x;bt=0.1;for i=1:length(x) xSNR=x(i

19、); sim (gmsk); y1(i)=ErrorVec(1);endsemilogy(x,y1,-r*);hold onbt=0.3;for i=1:length(x) xSNR=x(i); sim (gmsk); y2(i)=ErrorVec(1);endsemilogy(x,y2,-go);hold onbt=0.5;for i=1:length(x) xSNR=x(i); sim (gmsk); y3(i)=ErrorVec(1);endsemilogy(x,y3,-bs);hold on% bt=0.7;% for i=1:length(x)% xSNR=x(i);% sim (gmsk);% y4(i)=ErrorVec(1);% end% semilogy(x,y4,-k*);xlabel(SNR(dB)ylabel(Symbol Error Rate)legend(bt=0.1,bt=0.3,bt=0.5)5.2高斯信道和瑞利信道下GMSK误码率比较作图M文件源程序x=-5:5;y1=x