毕业设计（论文）GSM系统仿真

1、目 录摘要iabstractii第一章 引 言11.1 课题研究背景与意义11.2 课题国内外研究现状11.3 课题研究内容与技术路线21.4 本文结构2第二章 gsm主要原理及组成42.1 基本工作原理42.2 gsm系统的构成42.2.1 移动台（ms）42.2.2 基站子系统（bss）42.2.3 网络子系统（nss）5第三章 gsm系统仿真设计与分析73.1 gsm系统仿真流程73.2 信源模块73.3 调制模块73.3.1 gmsk调制原理73.3.2 gmsk模块设计93.3.3 msk调制解调仿真设计与分析103.4 发射模块163.5 信道模块163.6 射频接收模块163.7

2、 混频模块173.7.1 混频器的变频作用173.7.2 混频器工作原理183.7.3 混频器主要性能指标193.7.4 混频模块设计203.8 解调模块203.9 仿真参数设置213.10 性能测试与结果分析22第四章 结束语284.1 设计结果与不足284.2 总结与展望28致谢30参考文献31附录：仿真模块参数表32gsm系统仿真摘要：gsm (global system for mobile communication)俗称“全球通”，它依照欧洲通信标准化委员会（etsi）制定的gsm规范研制而成，属于第二代移动通信技术（2g），其开发目的是让全球各地可以共同使用一个移动电话网络标准，

3、让用户使用一部手机就能行遍全球。该系统目前已经扩展到全世界的各个角落，成为用户数量最大的移动通信系统，而中国是拥有gsm移动用户数量最多的国家。尽管gsm在数据通信方面与cdma相比有一定劣势，但作为最大的移动通信系统，尤其在二代半或第三代移动通信系统还没有大规模实际应用的情况下，对gsm做进一步研究和挖掘具有很大的意义。本设计主要利用systemview仿真一个gsm系统，在研究了gsm系统传输原理和各种相关技术理论的基础上，利用systemview对其进行了仿真。根据系统功能和指标要求，分别设计了信源、调制、信道、射频接收、混频、解调等模块，并着重介绍了gmsk调制和混频模块，然后计算和设

4、置了相对应的参数，获得了系统仿真的整个框图，最后对仿真结果进行了分析。通过波形、功率谱、频谱图和相位图等仿真结果，对传输过程中的误码率等系统性能进行了评估，并对设计的仿真系统作了进一步的改进与完善。关键词：gsm；仿真模块；gmsk；混频simulation of gsm systemabstract：gsm (global system for mobile communication) was established in accordance with the gsm standard made by etsi (european telecommunications standards

5、 institute), it is a kind of second generation (2g) mobile communication technology. its development goal is to establish a common mobile phone network standard for all user over the world, client can use his cellphone anywhere. so far, it has been extended to all corners of the world and become the

6、 largest mobile communication system, china possesses the largest number of gsm mobile users. although it has a disadvantage in compare with cdma in daily communication, as the biggest communication system the further research for gsm is very important, especially during the period of the second or

7、third generation mobile communication systems have no practical application of the large-scale. this design uses systemview carry out the simulation of gsm system, and it is based on transfer principles and technology of gsm. according to the system function and indicators, an design of gsm system s

8、imulation model include: signal sources, modulation, channel transmission, radio frequency receiver, mixer and demodulator, it gave emphasis on gmsk and frequency mixer modules. this paper should figure out and set up parameters, draw up the chart the system and of analysis the simulation results. m

9、aking a simple analysis of the system performance through the simulation results of waveform, power spectrum, spectrogram plot and phase and so on, and do further improvements and perfection of the simulation system. keywords：gsm; simulation module; gmsk; frequency mixer第一章 引 言1.1 课题研究背景与意义gsm是为了解决欧

10、洲第一代蜂窝系统四分五裂的状态而发展起来的基于tdma（时分多址）的数字移动通信系统，也是世界上第一个对数字调制、网络层结构和业务作了规定的蜂窝系统。在gsm之前，欧洲各国在整个欧洲大陆上采用了不同的蜂窝标准，对用户来讲，就不能用一种制式的移动台在整个欧洲进行通信。另外，模拟网本身的弱点，也使得它的容量受到了限制。为此欧洲电信联盟在20世纪80年代初期就开始研制一种覆盖全欧洲的移动通信系统，也就是现在被人们称为gsm的系统。如今gsm移动通信系统已经遍及全世界，即所谓“全球通”。目前我国的移动通信网就是以gsm系统为基础的移动通信网络系统，并已成为拥有gsm移动用户数量最多的国家。随着社会的发

11、展对通信业务种类和数量的需求剧增，人们已不再满足于第二代系统，而是正在努力的进行系统的改进，并朝着第三代移动通信系统(3g)方向迈进。尽管gsm在数据通信方面与cdma相比有一定劣势，但作为最大的移动通信系统，尤其在二代半或第三代移动通信系统还没有大规模实际应用的情况下，gsm技术在很长一段时间内将仍然占据我国通信系统的主导地位，所以对gsm做进一步研究和挖掘依然具有重大的意义。1.2 课题国内外研究现状第二代移动通信中，gsm系统显然极为重要。现有的gsm网络可以平滑过渡到无线接口技术（wcdma，wideband code division multiple access）/全球移动电信系

12、统（umts，universal mobile telecommunication system）网络。在无线通信系统中，无线网络部分的数据处理能力，始终是一个瓶颈，从gsm到无线分组服务（gprs，general packet radio service），再到wcdma，无线网络部分的数据传送能力随着网络的演进是大幅度增强的，从gsm的9.6kb/s，演进到后面的hsdpa的下行数据处理能力达到14mb/s。无线网络数据传送能力的提高，也就有能力为终端用户提供越来越丰富的业务。可以想象，从gsm系统仅仅提供语音业务到hsdpa系统可以提供高达十几兆的数据下载速率将是一个多么惊人的变化，这也

13、将会给人们的通信带来极大的便利。现有gsm/gprs核心网则可以逐步演进为umts核心网络，它可以同时连接gsm bss和wcdma ran，也就是说gsm bss和wcdma ran可以共享同一个核心网络。从gsm到hsdpa的演进方式能确保现有gsm运营商的利益，从技术上保证过渡的平稳性。gsm的分层结构和网络实体间的标准接口，使运营者可以从不同的设备供应商那儿选择配件，也允许设备制造商们只制造某专用部分，而不需要制造整个系统，这一点很受设备制造商的支持。gsm设备制造商能够不断推出专用设备的第二代和第三代，使其集成度更好、质量更好、成本更低。由此，gsm继续保持良好的发展势头。我国自从1

14、992年在嘉兴建立和开通第一个gsm演示系统，并于1993年9月正式开放业务以来，全国各地的移动通信系统中大多采用gsm系统，这使得gsm系统成为目前我国最成熟和市场占有量最大的一种数字蜂窝系统。截至2010年1月，中国手机用户由2007年年底的5.40亿增加到7.38亿。目前我国主要的两大gsm系统为gsm900及gsm1800，由于采用了不同频率，因此适用的手机也不尽相同。不过目前大多数手机基本是双频手机，可以自由在这两个频段间切换。欧洲国家普遍采用的系统除gsm900和gsm1800外，还加入了gsm1900，手机为三频手机。在我国随着手机市场的进一步发展，现也已出现了三频手机，即可在g

15、sm900/gsm1800/gsm1900三种频段内自由切换的手机，真正做到了一部手机可以畅游全世界。发展时期来看，gsm900发展的时间较早，使用的较多，而gsm1800发展的时间较晚。物理特性方面，前者频谱较低，波长较长，穿透力较差，但传送的距离较远，同时，手机发射功率较强，耗电量较大，因此待机时间较短；而后者的频谱较高，波长较短，穿透力佳，但传送的距离短，其手机的发射功率较小，待机时间则相应地较长。1.3 课题研究内容与技术路线本设计主要利用systemview仿真一个gsm系统。systemview仿真软件是一种非常快捷、方便和实用的eda仿真软件，运用它仿真系统不仅能有效地模拟各个模

16、块的工作过程，还可以通过运行波形方便地分析其功能和总体特性，非常适用于研究各种通信系统。采用动态仿真软件systemview从动态地对研究对象进行仿真分析。使用systemview进行gsm系统仿真的主要流程及方法如下：(1) 建立通信系统的基本数学模型：根据通信系统的基本工作原理，确定总的系统功能，将各部分功能模块化，然后找出各部分之间的关系，画出系统框图。(2) 建立仿真电路图：在信号源图符库、算子图符库、函数图符库、信号接收器图符库中选取满足需要的功能模块、将其双击或拖动到设计窗口，按设计的系统框图组建系统，即从各种功能库中选取可视化图符，组建gsm模拟通信系统。(3) 设置仿真系统参数

17、：参数设置包括运行系统参数设置和功能模块运行参数，如正弦信号的频率、幅度和初相等。(4) 运行仿真电路：根据系统性能指标，不断调整各模块参数设置，实现系统运行仿真，可在系统的关键点处设置观察窗口实时显示，观察分析结果。1.4 本文结构本文共分四章，各章节主要内容如下：第一章为引言，主要介绍了课题研究背景与意义、国内外技术现状、研究内容与技术路线以及本文的结构安排。第二章为gsm主要原理及组成介绍，第一节介绍了gsm的基本工作原理，第二节则着重介绍了gsm系统的构成，为后面gsm系统仿真设计提供理论依据。第三章是全文的主体部分，给出了gsm系统设计仿真流程，详细介绍了系统各模块设计方案，通过sy

18、stemview软件对信源、调制、发射、信道、接收和解调等模块进行设计，并计算和设置相对应的参数进行仿真，最后对仿真结果进行分析。通过波形、功率谱、频谱图和相位图等仿真结果，对传输过程中的信号失真等系统性能进行了分析，并对设计的仿真系统作了进一步的改进与完善。第四章为结束语，总结了本次设计，并对不足之处及其造成原因进行了分析，另外对课题研究对象的前景做了进一步的展望。第二章 gsm主要原理及组成2.1 基本工作原理gsm是采用fdma（频分）与tdma（时分）制式相结合的一种通信技术，其网络中所有用户分时使用不同的频率进行通信。在gsm900频段，25mhz的频率范围划分为124个不同的信道，

19、每个信道带宽为200k，每个信道含8个时隙，即gsm900m频段在同一区域内，可同时供近1000个用户使用。2.2 gsm系统的构成一个gsm系统可由移动台（ms），基站子系统（bss）和网络子系统（nss）三个子系统组成，系统网络结构如图2-1所示。图2-1 gsm网络系统组成2.2.1 移动台（ms）移动台是用户直接使用以完成移动通信的设备。对于数字移动通信来讲，已经从一定程度上具备了个人化的特点即具有用户私人信息的sim卡和通信的物理实现设备的分离。sim卡上包含所有与用户有关的无线接口一侧的信息，也含有鉴权和加密实现的信息；而物理设备可以是手持机，车载机或是由移动终端直接与终端设备相连

20、而构成。2.2.2 基站子系统（bss）bbs由以下几部分组成：(1) 基站控制器（bsc）：bsc是基站子系统（bss）的控制部分，主要有如下功能：接口管理：支持与移动交换中心（msc）间的a接口、与基站收发信机（bts）间的abis接口及与操作维护中心（omc）间的x.25接口。btsbsc之间的地面信道管理：bsc对bts间的无线信令链路和操作维护链路进行监测、对无线业务信道进行分配管理。无线参数及无线资源管理：无线参数包括bts载频频率、空中接口是否应用了非连续接收和发射、移动台接入网最小电平设置以及逻辑信道与物理信道的映射关系。无线资源包括：小区内信道配置、专用信道与业务信道的分配管

21、理和切换资源管理等。测量和统计：对无线链路的测量包括处理移动台和bts送上的测量报告，决定是否需调整bts和移动台功率，决定是否切换；话务量统计：对业务信道的阻塞率，呼叫成功率，越区切换频度等做出统计，为系统扩容和小区分裂等提供凭据。切换：根据小区功率电平，话音质量及干扰情况，选择切换的目的对象，对于小区内切换，同一bsc控制的小区间切换，bsc完全控制，而不同bsc控制的小区间切换则由msc完成。支持呼叫控制：通过交换电路实现话路连接，还可提供主、被叫排队机制。操作与维护：收集bsc及bts告警，并传至dmc，同时更新自身内部资源表，配合omc实现对bss的软件升级。(2) 基站发信台（bt

22、s）：受控于基站控制器（bsc），属于基站子系统（bss）的无线部分，服务于小区的无线收发信设备，实现bts与移动台（ms）空中接口的功能。bts主要分为基带单元、载频单元和控制单元三部分。基带单元主要用于话音和数据速率适配以及信道编码等；载频单元主要用于调制/解调与发射机/接收机间的耦合；控制单元则用于bts的操作与维护。2.2.3 网络子系统（nss）nss包括以下五个主要部分：(1) 移动业务交换中心（msc）：msc是整个网路的核心，完成或参与网络子系统（nss）的全部功能，协调与控制整个gsm网络中bss.oss的各个功能实体。首先，msc提供与bsc的接口，a接口提供gsm900/

23、1800的tdma方式，abis接口提供cdma的接入，提供内部各功能实体的接口，实现各种相应的管理功能，提供与公用交换电话网（pstn）、综合业务数字网（isdn）、公用数据网（pdn）和公用陆地移动通信网（plmn）的接口；其次，支持一系列业务电信业务，承载业务和补充业务；最后，支持位置登记、越区切换和自动漫游等其它网路功能。(2) 访问用户位置寄存器（vlr）：访问用户位置寄存器（vlr）是服务于其控制区域内移动用户的，存储着进入其控制区域内已登记的移动用户相关信息，为已登记的移动用户提供建立呼叫接续的必要条件。当某用户进入vlr控制区后，此vlr将由该移动用户的归属用户位置寄存器（hl

24、r）获取并存储必要数据。而一旦此用户离开后，将取消vlr中此用户的数据。vlr通常在每个msc中实现。(3) 归属用户位置寄存器（hlr）：相对于vlr，归属用户位置寄存器（hlr）是一个静态数据库。当然，也存储部分漫游移动用户所在msc区域的有关动态数据，包括用户识别号码，访问能力、用户类别和补充业务等数据，由它控制整个移动交换区域乃至整个plmn。(4) 鉴权中心（auc）：鉴权中心（auc）存储着鉴权信息和加密密钥，防止无权用户接入系统和防止无线接口中数据被窃。(5) 移动设备识别寄存器（eir）：移动设备识别寄存器（eir）存储着移动设备的国际移动设备识别码（imei），通过核查三种表

25、格（白名单、灰名单、黑名单）使用的网络实现防止无权用户接入、监视故障设备的运行和保障网络运行安全的功能。第三章 gsm系统仿真设计与分析3.1 gsm系统仿真流程gsm系统仿真流程有如图3-1所示几个过程。图3-1 gsm系统仿真流程图比较你的图3-1-1和图3-2-1，要求文中所有图形内的字体大小是一致的，请自行修改。下面同样的问题不再一一指出，请一并修改。3.2 信源模块gsm系统提供给gsm用户最重要的电信业务是电话（即语音业务），人的语音通过话筒转换成电信号，然后通过一个滤波器使其只保留语音频带（300-3.4khz）的信号，再以125hz进行采样，并用13bit字进行量化，一个13b

26、it具有8192个量化电平，再进行编码。目前，在gsm系统中采用的编码方案是13 kbit/s的rpe-ltp（规则脉冲激励长期预测），其目的是在不增加误码的情况下，以较小的速率优化频谱占用，同时到达与固定电话尽量相接近的语音质量，流程如图3-2所示。图3-2 信源处理过程在gsm中，数据速率选为270.833kbit/s，正好是rf频率偏移的4倍，这样做可以把调制频谱降到最低并提高信道效率。设计中采用一个频率为270.833khz的伪随机序列（pn码）作为二进制数据信号源，将其进行抽样系数为256hz的抽样，来模拟gsm系统中的信源部分，如图3-3所示。图3-3 信源模块3.3 调制模块 在

27、gsm系统中采用的是gmsk（高斯最小频移键控）调制。3.3.1 gmsk调制原理gmsk调制技术是在msk基础上经过改进得到的。msk(minimum frequency shift keying，最小频移键控)是二进制连续相位fsk(frequency shift keying，频移键控)的一种改进形式。在fsk方式中，每一码元的频率不变或者跳变一个固定值，而在两个相邻的频率跳变码元信号之间，其相位通常是不连续的。msk就是fsk信号的相位始终保持连续变化的特殊形式，即保证两个频率键控信号正交的前提下，使用最小的频偏，此时必须满足： (3-3-1)其中为msk调制器输入的二进制码序列的码元

28、周期（间隔）。msk信号可表为正交信号形式，即： (3-3-2) (3-3-3) (3-3-4)由(3-3-2)、(3-3-3)、(3-3-4)式可知，msk信号也可以看成是一种特殊类型的oqpsk，只是在msk 中，oqpsk的两路基带信号的矩形脉冲被正弦形脉冲所取代。其中，、为信息经过串并变换后的两个序列，取值为双极性（），rect为矩形函数。msk调制信号具有包络恒定，带宽较窄，抗干扰性强的特点，是适合在窄带信道传输的一种调制方式。gmsk就是在msk基础上改进的一种简单的二进制调制方法，gmsk调制的基本原理是让基带信号先经过高斯滤波器滤波，使基带信号形成高斯脉冲之后再进行msk调制，

29、gmsk调制原理如图3-4所示。图3-4 gmsk调制原理借助现有的msk调制器，很容易得到一种并行的gmsk调制器的结构：将码元宽度为t的双极性非归零码序列经串并变换后，变为码元宽度为的两路并行码序列，且时间上相互错开一个码元宽度，将两路信号分别通过一个高斯滤波器，然后再进行msk调制，就得到了gmsk信号。由前面分析可知，高斯滤波器是形成gmsk信号的关键，直接影响了已调波的特性。为了保证输出已调波包络恒定，相位连续且频谱密集，高斯滤波器应该具有以下特性：窄带和尖锐的截止特性，以抑制信号的高频分量；冲激响应的过冲量小，是为了防止滤波后出现过大的瞬时频偏；保持滤波器的输出冲激响应下的曲线面积

30、对应于的相移，是为了保证调制指数为。在gmsk中，将调制的不归零数据通过预调制高斯脉冲成型滤波器，使其频谱上的旁瓣水平进一步降低。预调制高斯滤波器将全响应信号转换为部分响应信号，由于脉冲成型并不会引起平均相位曲线的偏离，gmsk信号可以作为msk信号进行相干检测，或者作为一个简单的fsk信号进行非相干检测，预调制高斯滤波冲击响应和传递函数如下形式： 冲击响应： (3-3-5)传递函数： (3-3-6)其中，与的 的3db带宽b有关，且有。高斯滤波器的冲激响应没有负值且不是时限的，但是由于其随时间的平方按指数规律下降，因此可近似认为其脉冲宽度是有限的。输入的基带二进制序列经过这样的高斯滤波器滤波

31、后，脉冲包络无陡峭的边缘，也没有尖锐的拐点，使得已调波的相位路径在msk的线性路径的基础上得到了进一步的平滑，去掉了msk信号相位路径中的尖角，因此gmsk的频谱性能要优于msk。3.3.2 gmsk模块设计本次基于systemview的gsm系统仿真建模中，为保证仿真的可靠性，我们用软件函数库中的频率调制模块来替代msk调制部分，这样不仅简化了系统设计，而且更加确保了对gsm系统整体仿真的实现。结合上面的分析，得gmsk调制模块如图3-5所示。图3-5 gmsk调制模块gsm使用一种称作0.3 gmsk的数字调制方式，0.3表示高斯滤波器带宽与比特率之比，频率为270.833khz的数据信号

32、源通过一个bt=0.3的高斯低通滤波器，占据了很大范围的信号带宽，同时引入了干扰。由于bt=0.3，因此高斯滤波器的带宽设置为81.2499e+3hz：270.833e+30.3=81.2499e+3。gsm工程应用中基站下行频率935mhz-960mhz，其中频为947.5mhz，故将调频模块的调制频率设为947.5mhz。3.3.3 msk调制解调仿真设计与分析 前面的gmsk调制模块设计中应用了一个简单的调频模块替代了具体的msk调制部分，为了更好的理解msk调制的实现，本节将详细介绍msk调制解调方式，并设计其具体仿真实现。msk具体调制过程如下：先将输入的基带信号进行差分编码，经串/

33、并转换将其分成i、q 两路，并互相交错一个码元宽度，再用加权函数和分别对i、q两路数据加权，然后将两路数据分别用正交载波调制，最后将i、q 两路调制信号相加即得到msk调制信号，调制过程如图3-6所示。图3-6 msk调制原理图1、对基带信号进行差分编码根据差分编码的定义即用过去的样本预测当前样本，然后对差值进行编码可知此模块可以实现对基带信号的差分编码功能，基带信号的差分编码实现如图3-7所示。图3-7 差分编码模块2、对编码后的信号进行串/并转换msk信号是一种相位连续、包络恒定并且占用带宽最小的二进制正交2fsk信号，信号可以分解为同相分量i和正交分量q两部分。经差分编码的基带信号通过串

34、并转换后得到i、q两路信号，编码信号的码元交替变成i、q两支路码元，同相信号i传送偶数位信号，正交信号q传送奇数位信号，串/并转换输出支路码元长度为输入码元长度的两倍，即每比特信号的持续时间为，q路信号相当于i路信号延迟时间。串/并转换过程：对编码后的信号先进行采样，然后分成i、q 两路，其中i路延迟一个码元而q路无延时，对其进行抽样压缩，并添加一保持器保证得到方波信号。串/并转换电路如图3-8所示。图3-8 串/并转换模块3、msk的调制根据图3-6 msk的调制原理框图，建立起其仿真图如图3-9所示。图3-9 msk调制模块4、msk的解调原理msk信号的解调我们使用相干波最佳接收机来解调

35、，其解调原理如图3-10所示。图3-10 msk解调原理图根据图3-10 msk的解调原理框图，我们画出其仿真电路图，如图3-11所示，其中图符(87)是一个带通滤波器，图符(20)、(21)是一个积分清洗器(相当于一个低通滤波器)，图符(42)、(43)是一个缓冲器，图符(46)是一个单刀双掷开关，图符(22)、(23)、(38)是采样器。图3-11 msk解调模块5、仿真参数设置在完成系统的创建后，我们还要对整个系统的仿真参数进行详细的设置，此msk 系统各个模块的参数设置如下：(1) 首先对系统定时窗口进行设置，其设置如下：运行时间：start time：0 秒；stop time： 2

36、.5575 秒；采样点数：no .of samples：1024；采样频率：sample rate：400hz；(2) 其他各个模块的参数参考附表2。6、性能测试与结果分析(1) msk信号波形分析通过输入输出信号来比较系统的整体性能，在信道传播无噪声干扰时，图3-12和3-13所示波形分别为输入基带信号和解调输出波形，观察波形不难看出，解调信号较基带信号延迟了大约0.4s。这可以由图中时间刻度估量，也可以经分析窗口的计算器计算得出，具体操作步骤如下： 单击分析窗口下的计算器按钮。选中cros conv选项下的cross correlate项，在右边2个窗口分别选中基带信号和解调输出信号，按o

37、k按钮，生产一个新的数据窗口。单击右键选中统计选项statistics，出现统计窗口。单击sample no，可看到最大相关值为160，因此可以确定系统群延时为160个采样点，由于系统采样频率为400hz，经计算可知刚好为0.4s。图3-12 基带信号波形 图3-13 解调输出信号(2) msk支路信号分析图3-14 i路信号 图3-15 q路信号图3-14和图3-15所示为msk调制的i、q两路加权信号。由上图可以看出，i支路信号和q支路信号并不是每隔秒就改变符号，而是每隔秒才有可能改变符号。其中，i路信号只有在奇数位时才可能改变，q路信号只有在偶数位时才可能改变，i、q两路信号不能同时改变

38、。(3) msk信号的相位转移图由systemview的计算窗口可得到msk信号的相位转移图，其操作步骤如下：在计算器窗口下选中style项的scatter plot项。在右面的两个窗口分别选中i路和q路加权信号，按ok按钮，即可得到msk的相位转移图，如图3-16所示。图3-16 msk相位转移图前面提到，msk信号可以看成是一种特殊类型的oqpsk，虽然oqpsk信号消除了qpsk信号中的相位突变，相位特性得到改善，但并没有从根本上解决包络起伏的问题。从图3-16可以看出，msk的相位转移图是一个圆周，它不会出现oqpsk相位路径中的拐点，可见其相位特性得到进一步改善。(4) msk信号的

39、眼图 图3-17和图3-18分别为无噪声时的调制输出信号和叠加噪声后的调制输出信号，从图中可以观察到叠加噪声后的调制输出信号和与无噪声调制输出信号有不同，可见其受到噪声的干扰，波形存在一定的失真，因此会对整个msk调制解调系统性能产生影响。图3-17 无噪声调制输出信号图3-18 加噪声调制输出信号为了更直观的看到噪声对系统性能的影响，这里可采用眼图来进行观察。首先将系统采样率改为100hz，这样能观察到比较明显的msk信号的眼图，采样点数和开始时间不变，观察眼图具体步骤如下：在计算器窗口下选中style项的slice选项。设置参数start=0sec，length=20e-3，这样我们可以观

40、察到一个完整的眼图。选中msk调制输出信号，按ok按钮，即可生产一个眼图观察窗口，如图3-19和3-20所示，通过眼图可清楚的看出噪声对信号的干扰。图3-19 无噪声调制输出眼图图3-20 加噪声调制输出眼图综上，通过systemview软件实现了msk 调制和解调的仿真。从仿真效果上看，msk利用其正交信号的最小频差，在相邻符号交界处相位保持连续行，从根本上解决了包络起伏问题，达到了预期的效果。从msk的解调结果来看，撇开时间上的延迟，解调信号与基带信号的波形基本一致，即接收端误码数很少，由此可知此msk系统是正确的，达到了此系统设计的要求。3.4 发射模块在调制部分，压控振荡器（vco）代

41、表curatamqeoo1-902的调制器，这一部分的增益为25mhz/v，因此，高斯滤波器的输出获得g=67.71e+3/25e+6=2.71e-3即-25.7db的增益。vco理论上输出能量为-3dbm，发射器的理想输出能量为5w（37dbm），这个功率代表基站功率。选择的功率放大器是minicircuits(brooklyn,ny) tia-1000-4，其增益为19db。为得到+37db的输出能量，采用增益为28db的每级放大器和设置其增益为41.5db的衰减器。发射器的最后一个组成部分是低通滤波器，用来消除功率放大器的失真，发射模块如图3-21所示。图3-21 gsm发射模块3.5

42、信道模块 信道由两部分组成，第一部分用于减少5w传输能量的放大器；另一部分是与信号一同进入接收机的热噪声，它可能增加各种各样的衰落现象，也可能以不同的载波频率增加更多的传输进入仿真系统，从而影响临近的信道干扰，信道模块如图3-22所示。图3-22 信道模块3.6 射频接收模块图3-23 射频接收模块射频接收模块如图3-23所示，接收机的第一部分是rf，其频率覆盖范围是从935mhz到960mhz，接收机在天线之后的第一个元件是murata dfy2r902cr947bgh收发器，这部分有效地起到特定滤波器的作用，与其连接的下一个元件是hp mga87563低噪声放大器（lna）。指定所有截取到

43、四阶1db的压缩点、噪声信号和线性增益，列举的参数是放大器输出，rf滤波器是一个319抽头的fir带通滤波器，使用衰减器仿真滤波器的损耗和噪声。对滤波器而言，所有的频率都是采用相对频率，即与采样速率的比值，如此带通滤波器的通带频率取931.84e+6-962.97e+6，则在滤波器窗口中设置的相对频率应设置为通带频率与系统采用速率（4.096e+9）的比值，即0.2275-0.2351。3.7 混频模块接收机接收到的是调制后的高频信号，而原信号相对高频载波比值很小，如果直接从高频提取信号需要相当窄的带通滤波器，邻频信号干扰无法抑制，所以先利用混频器将接收机接收的高频信号变到统一的中频然后再实行

44、解调，这样调制信号的相对带宽变宽，更好的解决了邻频干扰，另外，相对带宽变宽和统一的中频也有利于滤波器制作。所以，混频器的使用在无线通信中有着十分重要的意义。3.7.1 混频器的变频作用混频器的作用是将载频为（高频）的已调波信号不失真地变换为载频为（固定中频）的已调波信号，并保持原调制规律不变（即信号的相对频谱分布不变）。因此，混频器也是频谱的线性搬移电路，它是将信号频谱自载频为的频率上线性搬移（或变换）到中频上。混频器是一个三端口的网络，它有两个输入信号如图3-24所示，即输入信号和本地振荡信号，工作频率分别为和；输出信号为，称为中频信号，其频率是和的差频或和频，称为中频，（也可采用谐波的和频

45、或差频）。由此可见，混频器在频域上起着加/减法器的作用。图3-24 混频器结构图由于混频器的输入信号、本振都是高频信号，而输出的中频信号是已调波，除了中心频率与输入信号不同外，其频谱结构与完全相同。表现在波形上，中频输出信号与输出信号的包络形状相同，只是填充频率不同（内部波形疏密程度不同）。与、的关系有几种情况：当混频器的输出信号取和额时，；取差频时有或。当时，称为向下变频，输出低中频；当时，称为向上变频，输出为高中频。虽然高中频比输入的高频信号的频率还要高，但习惯上仍将其称为中频。3.7.2 混频器工作原理如前所述，混频器是频谱的线性搬移过程，完成频谱线性搬移功能的关键是要获得两个输入信号的

46、乘积，能找到这个乘积项就可完成所需的频谱线性搬移功能。设输入到混频器中的输入已调波信号和本振电压分别为：， (3-7-1) 这两个信号的乘积为（设相乘系数k=1）： (3-7-2)如果带通滤波器中心频率取为，带宽为，那么乘积信号经带通滤波器滤除高频分量项后，可得中频电压为： (3-7-3)比较与的表达式可以看出，两信号的包络成线性关系，但载波频率发生了变化。由此可得实现混频功能的原理方框图如图3-25所示。当然，也可利用非线性器件的频率变换作用来实现混频，其功能如图3-26所示。图3-25 线性器件混频原理要求全文所有的图形中的文字的字体和大小都是一致的，请找到所有的问题并自行修改好。图3-2

47、6 非线性器件混频原理3.7.3 混频器主要性能指标衡量混频器性能优劣的主要指标有变频增益、噪声系数、选择性、失真与干扰以及工作稳定性等，分别介绍如下。1、 变频（混频）增益变频增益是指混频器输出中频电压幅值与输入信号电压幅值的比值，即： (3-7-4)如果功率增益以分贝表示，则： (3-7-5)式中，、分别为输出中频信号功率和输入高频信号功率。、都可以用来衡量混频器将输入高频信号转化为输出中频信号的能量。对超外差接收系统，要求、的值要大，以提高其接收灵敏度。2、 噪声系数混频器处于接收机的前端，它的噪声电平高低对整机有较大影响。降低混频器的噪声十分重要。混频器的噪声系数定义为高频输入端信噪比

48、与中频输出端信噪比之比。用分贝数表示为： (3-7-6)混频电路的噪声主要来自混频器件产生的噪声及本振信号引入的噪声。除了正确地选取混频电路的非线性器件及工作点外，还应注意选取混频电路的形式，如平衡式可以抵消本振引入的噪声。3、1db压缩电平在混频器中，输出和输入信号幅度应成线性关系。当输入信号功率较低时，混频增益为定值，输出中频功率随输入信号功率线性地增大；当输入信号增大到一定幅度后，由于非线性作用，中频输出信号的幅度与输入不再成线性关系，输出中频功率增幅将随输入信号的增加而趋于缓慢，直到比线性增长低于1db时所对应的输出中频功率电平称为1db压缩电平，用表示。所对应的输入信号功率是混频器动

49、态范围上限电平。而动态范围的下限电平是由噪声系数确定的最小输入信号功率。4、失真和干扰在接收机中，加在混频器输入端的除有用信号外，还往往同时存在着多个干扰信号。由于非线性，混频器件输出电流中将包含众多组合频率分量，其中，除了有用信号产生的中频分量外，还可能有某些组合频率分量的频率十分接近中频，使输出中频滤波器无法将他们滤除。这些寄生分量叠加在有用中频信号上，将引起失真。通常将这种失真统称为混频失真，它将严重地影响通信质量。5、隔离度理论上，混频器各端口之间是隔离的，任一端口上的功率不会串通到其他端口。实际上，由于各种原因，总有极少量功率在各端口之间串通，隔离度就是用来评价这种串通功率大小一个性

50、能指标，其定义为本端口功率与其串通到另一端口功率之比，用分贝数表示。3.7.4 混频模块设计3-27 混频模块如图3-27所示，一个commquest cqt2030或者芯片作为第一个中频混频器，本地振荡器可收到的频率范围从864-889mhz,即2mhz带宽的波段。此设备的具体频率是876.5mhz，要求得到71mhz的第一中频频率，可以指定本地振荡器的失真值、截取点和其他参数。第一个中频滤波器是854252-1san滤波器，为简单起见，选择一个三级巴特沃斯滤波器。在saw滤波器之后，最高频率是71mhz（对应于947.5mhz），这使得滤波器输出分成10份，得到较低的采样率。这种情况下使用

51、，减少了的仿真时间。滤波器的输出（取10后）进入一个自动增益控制（agc）的参数放大器或混频器。第二个本地振荡器的中频频率设置为58mhz，产生一个13mhz的第二个中频频率，第二个中频频率信号通过一个四极bessel瓷性滤波器和一个52db的自动增益控制放大器。这一部分的输出相当于cqt2030的输出。3.8 解调模块图3-28 解调接收模块解调接收模块如图3-28所示，在前面的调制部分已经详细分析了gmsk的调制解调原理，并建立了仿真模型，得到了正确的仿真结果。这里我们利用一个由电阻、电容、和电感实现的lc正交振荡电路来实现对接收到的中频信号的解调。另外，为恢复原始数据，解调信号必须经过放

52、大和过滤，所以需要通过增益和低通滤波器才能得到最终的输出信号。lc正交振荡器即lc-qaud的值，满足公式： (3-8-1)其中为截止频率。为了达到解调的目的，设置好lc正交振荡器的参数，使其直接工作在13mhz的中频信号，参数设置如图3-29所示。图3-29 lc正交振荡器参数3.9 仿真参数设置gsm模块全图如图3-30所示。1、系统定时窗口参数设置systemview是一时基仿真器，工作于主系统采样速率。在任何一台计算机仿真中，必须在离散时间域进行计算，因此必须遵守采样定理。系统采样率设置为4.096ghz，这个值略大于rf频率（947.5mhz）的4倍。对于采样点数，起始时间、终止时间

53、，基本约束关系是：依此关系式，系统定时窗口设置如下：运行时间：start time：0 秒；stop time：63.999755859375e-6 秒；采样点数：no .of samples：262144；采样频率：sample rate ：4.096e+9；其他各模块详细参数参考附表1。3-30 gsm系统模块3.10 性能测试与结果分析gsm仿真模块设计完成后，进行系统仿真，下面将主要通过对各部分输出信号的波形、功率谱和频谱的观察分析来测试仿真系统的性能。1、 波形分析波形分析主要是通过对输入信号和输出信号的波形进行观察分析来测试系统整体性能，输入、输出波形分别如图3-31、3-32所示

54、，另外，为了更直观的比较输入信号和输出信号，通过分析窗口得到输入、输出信号的波形叠加图以及其采样叠加图，分别如图3-33、3-34所示。图3-31 输入信号波形图3-32 输出信号波形图3-33 输入信号与输出信号叠加图3-34 输入采样与输出采样叠加从叠加结果来看，时域波形除了有一定的延时外，存在一定的波形失真，波形失真属于gsm系统信号传播不可避免的现象，毕竟传播中存在着各种衰落和噪声干扰，不可能与原始波形保持完全一致，但可以看出这里波形存在较大失真。2、 功率谱、频谱分析功率谱反应的是信号在各个频带的功率情况，所以功率谱不仅能直观的反映gsm系统各部分功率情况，而且也能够反映出其在各个阶

55、段的频率特性。通过分析窗口的计算器很容易得到各信号的功率谱和频谱，为了方便比较，同样可以对它们进行叠加再作观察、分析。(1) 输入信号和输出信号图3-35 输入信号功率谱图3-36 输出信号功率谱图3-37 输入与输出信号功率谱叠加输入信号、输出信号以及它们功率谱的叠加图分别如图3-35、3-36和3-37所示。通过图3-37可以看出输入信号与输出信号的功率谱保持基本一致，也说明gsm仿真系统在传输过程中保持了较好的频率特性。(2) 调制后信号和信道衰落后信号调制后信号和信道衰减后信号功率谱及其叠加图分别如图3-38、3-39和3-40所示。图3-38 调制后信号功率谱图3-39 信道衰减后功率谱图3-40 调制后信号与信道衰减后信号功率谱叠加从图3-40可以看出，调制后信号和信道衰减后信号的功率都主要集中在频率为947.5e+6hz处，这是由于调制模块的调制频率为947.5e+6hz，所以信号频谱被搬移到这个中心频率附近。但和调制后信号功率谱相比，信道衰减