第二代手机调制解调系统ystemView仿真实现

PAGEPAGE43本科生学位论文第二代手机调制解调系统SystemView仿真实现摘要近年来,通信理论和技术有迅猛的发展。在我国,电信业务的应用已经深入到千家万户,庞大的现代通信网已经成为国家的重要基础设施之一。我国大陆的电话普及率在1980年时仅为0.43%,到2003年底固定电话主线普及率和移动电话普及率已经分别迅速达到20.5%和20.8%;这相当于普及率增长了约100倍;因特网上网人数已达到7800万人,居世界第二位.与此同时,我国的电信企业、事业单位的数量和其中从业人员的数量也大量增加。因此对于大多数人来说应该对现代通信系统及其技术原理有初步的了解,这样才能让我们更能很好的利用现代通信系统用于我们的工作和生活。本文在分析MSK/GMSK调制解调技术原理和应用的基础上，通过SystemView仿真软件仿真实现了MSK/GMSK的调制解调，并结合其原理对仿真结果进行分析；同时,鉴于现代通的迅猛发展需要大家对通信系统有一个大概的了解,这样我们才能更好的使用,因此本文也对GSM数字移动通信系统作了一个大概的分析介绍。论文共分四章，第一章介绍了本论文的选题背景和对调制技术作了概述；第二章重点分析MSK/GMSK及其调制解调原理；第三章GSM数字移动通信系统作了一个大概的分析介绍；第四章介绍了SystemView仿真软件和完成MSK/GMSK调制解调的仿真。通过以上几章的介绍，我们会对MSK/GMSK和GSM数字移动通信系统有更深的认识，并且让大家对现代调制技术有一定的了解。关键词：仿真MSK/GMSK调制解调SystemViewGSM数字移动通信系统现代数字调制技术Abstractrecentyears,thecorrespondencecommunicationtheoryandthetechnologyhadtheswiftandviolentdevelopment.Inourcountry,thetelecommunicationserviceapplicationalreadypenetratedarriveseveryone,thehugemoderncommunicationsnetworkalreadybecameoneofcountryimportantinfrastructures.Ourcountrymainlandtelephonepopularratewhen1980isonly0.43%,alreadydistinguishedto2003year'sendfixedtelephonemasterlinepopularrateandthemobilephonepopularratetoachieve20.5%rapidlyand20.8%;Thiswasequalinthepopularrategrewapproximately100times;TheInternetsurferpopulationhadachieved78,000,000people,occupysecondintheworld.Atthesametime,ourcountry'stelecommunicationenterprise,institution'squantityandjobholders'quantityalsomassivelyincreases.ThereforeshouldhasthepreliminaryunderstandingregardingthemajoritypeopletotheCommunicationsTodaysystemandthetechnicalprinciple,likethiscanenableustheverygooduseCommunicationsTodaysystemtouseinourworkandthelife.ThisarticleinanalyzestheMSK/GMSKmodulationdemodulationtechnologyprincipleandintheapplicationfoundation,hasrealizedtheMSK/GMSKmodulationdemodulationthroughtheSystemViewsimulationsoftwaresimulation,andunifiesitsprincipletocarryontheanalysistothesimulationresult;Atthesametime,inviewofthefactthatthemodernagepassestheswiftandviolentdevelopmentneedseverybodytohaveageneralunderstandingtothecommunicationssystem,likethiswecanabetteruse,thereforethisarticlehasalsomadeageneralanalysisintroductiontotheGSMnumeralmobilecommunicationsystem.Thepaperaltogetherdividesfourchapters,thefirstchapterintroducedthepresentpaperselectedtopicbackgroundandhasmadetheoutlinetothemodulatingtechnologymodulatingtechnique;SecondchapterkeyanalyzesMSK/GMSKandthemodulationdemodulationprinciple;ThethirdchapterGSMnumeralmobilecommunicationsystemhasmadeageneralanalysisintroduction;FourthchapterintroducedtheSystemViewsimulationsoftwareandcompletestheMSK/GMSKmodulationdemodulationthesimulation.Throughaboveseveralchapterofintroductions,wecanhaveadeeperunderstandingtoMSK/GMSKandtheGSMnumeralmobilecommunicationsystem,letseverybodyhavecertainunderstandingtothemodernmodulatingtechnologymodulatingtechnique.Keyword:ThesimulationMSK/GMSKmodulationdemodulatesSystemViewtheGSMnumeralmobilecommunicationsystemmodernnumeralmodulatingtechnologymodulatingtechnique目录TOC\o"1-3"\u1绪论 41.1选题背景 41.2调制技术概述 52现代数字调制技术 62.1基本调制技术的介绍 62.2几种特殊的数字调制技术 72.2.1正交振幅调制（QAM） 72.2.2交错正交相移键控（OQPSK） 82.2.3最小频移键控（MSK） 82.2.4正弦频移键控（SFSK） 122.2.5平滑调频（TFM） 132.2.6高斯最小频移键控（GMSK） 133GSM数字移动通信 143.1GSM数字移动通信的发展 143.1.1GSM系统历史背景 143.1.2GSM系统技术规范 153.2GSM通信系统 163.2.1系统的组成 163.2.2交换网路子系统 163.2.3无线基站子系统 173.2.4移动台 173.2.5操作维护子系统 183.3GSM关键技术 18工作频段的分配 183.4GSM网络结构 203.4.1全国GSM移动通信网的网路结构 213.4.2省内GSM移动通信网的网路结构 213.4.3移动业务本地网的网路结构 224MSK/GMSK调制解调仿真实现 234.1SystemView简介 234.2MSK/GMSK调制解调仿真 264.3GMSK的眼图 28总结 32参考文献 33致谢 341绪论1.1选题背景随着科技和经济的飞速发展,人们对通信技术的要求越来越高,因此我们要加紧地提高通信技术。在通信领域，用计算机进行仿真分析是新技术的研究中的重要组成部分，从基础的电路设计到整个网络的规划，通过计算机和相应的软件进行仿真分析，是在进行硬件实验前必要准备,同时也为我们节省了不少成本。同样，在对各种现有通信技术的学习中，不管是自学还是通过学校教育，用软件仿真学习现有的通信技术，对技术原理的理解掌握和应用是相当便捷和有效的。作为电子信息工程的一名学生，通过四年的学习，综合各种软件的学习认识,我认为通信软件仿真学习有以下一些优点：1、通信系统的设计，不可避免地涉及到分析通信系统的有效性、可靠性以及组成系统各元器件参数的选取等一系列问题。对一个硬件设备逐步完备、功能结构又相当复杂的实际通信系统，对其做出的任何改变都可能影响到整个系统的性能和稳定性；为减少人力资源和经费的浪费，缩短产品的研发周期，有必要在根据设计思想将系统设计出来之前，对该系统先进行仿真分析，这就需要一种软件来进行试验和分析，SystemView正是我们需要的。2、现代化计算机的使用已相当普遍，而且有很多的仿真软件。这为通过软件仿真学习提供了便利的条件；3、各种仿真软件的功能强大完善，通过对现实条件模拟和一定的简化，在可允许误差的范围内能反应出相应的硬件特性。这能加深对理论的理解和对进行进一步的硬件实现有指导作用；4、通信的硬件实验一般是系统性的，完成一个硬件实验的成本很高，而且对于一个初学者，能顺利完成一个硬件实验也是相当困难的。目前我国的大部分院校不能提供完整的硬件实现条件，对于个人学习者，这种硬件条件更是不可能的。因此，通过软件仿真学习是一种必然的选择。SystemView是美国Elanix公司推出的基于PC机Windows平台的动态仿真软件。它是一个完整的动态系统设计、分析和仿真的可视化开发环境。它可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合及多速率系统，可用于各种线性、非线性控制系统的设计和仿真。系统备有通信、逻辑、数字信号处理（DSP）、射频/模拟、码分多址个人通信系统（CDMA/PCS）、数字视频广播（DVB）系统、自适应滤波器、第三代无线移动通信系统等专业库可供选择，适合于各种专业设计人员和初学者。其实我也是第一次运用SystemView这个软件,对这个软件真的是很陌生,选这个题目也是对自己的一次挑战,在这次毕业设计选题时，丁洪伟副教授建议我使用SystemView进行某个理论的仿真实现，他介绍说这个软件很好用,而且也有很强的仿真能力，还很容易使用。在他的指导下我选择了用SystemView进行MSK/GMSK的调制解调的仿真实现。1.2调制技术概述正如上世纪八九十年代人们对个人电脑的追求一样，现在人们对移动通信的追求就是个人通信（PersonalCommunications）。它是用各种可能的网络技术实现任何人(Whoever)在任何时间(Whenever)、任何地点（Wherever）与任何人(Whomever)进行任何种类（Whatever）的信息交换。个人通信的主要特点是每一个用户有一个属于个人的惟一通信号码，取代了以设备为基础的传统的号码。但同时，个人通信也对通信系统提出新的要求：对频谱资源利用的要求、传输能力和处理能力要求。调制就是对消息源信息进行编码的过程，其目的就是使携带信息的信号与信道特性相匹配以及有效地利用频率资源。第一代蜂窝移动电话系统（如AMPS、TACS）等是模拟系统，其话音采用模拟调频方式，第二代的系统是数字系统（如GSM、DAMPS和CDMA/IS-95），其话音、信令均采用数字调制方式。未来的移动通信系统都采用数字调制方式。近十年来，数字移动通信新系统的开发研制取得了巨大进展，要求既传输数字化的信令，又传输数字化的信息。因此系统中必须采用数字调制技术。然而一般的数字调制技术，如幅度键控（ASK）、移相键控（PSK）和移频键控（FSK）因传输效率低而无法满足移动通信的要求，为此，需要专门研究一些抗干扰性能强、误码性能好、频谱利用率高的调制技术，尽可能地提高单位频带内传输数据的比特速率，以适用于移动通信的要求。为适用目前移动通信用的25kHz信道带宽，提出了各种窄带数字调制方式。目前已在数字蜂窝移动通信系统中得到广泛应用的有：正交相移键控（-QPSK）、正交调幅（QAM）和最小移频键控（MSK）、高斯最小移频键控（GMSK）等方式。在这里，我们限于介绍的只是科普性的知识，所以我们不打算把这些调制方式一一作介绍，有兴趣的朋友可以自己参考一些资料。但无论我们研究出什么调制方式其目的都是一样的，即为了满足移动通信的数字调制和解调器技术的要求。对移动通信的数字调制和解调器技术的要求：（1）在信道衰落条件下，误码率要尽可能低；（2）发射频谱窄，对相邻信道干扰小；（3）高效率的解调，以降低移动台功耗，进一步缩小体积和成本；（5）能提供较高的传输速率；（6）易于集成。数字调制技术分为线性调制方式和恒定包络调制方式，线性调制方式又可分为频谱高效和功率高效两种，在移动通信系统中，由于存在着严重的衰落现象，故所需要的"信噪比"比较高。总之，我们所采用的调制技术的最终目的就是使得调制以后的信号对干扰有较强的抵抗作用，同时对相邻的信道信号干扰较小，解调方便且易于集成。为此，需要专门研究一些抗干扰性强、误码性能好、频谱利用率高的数字调制技术，尽可能地提高单位频谱内传输数据的比特率，以适用于移动通信窄带数据传输的要求,如最小频移键控（MinimumShiftKeying,MSK）和高斯滤波最小频移键控（GaussianFilteredMinimumShiftKeying,GMSK）已在数字蜂房移动通信系统中得到广泛应用。2现代数字调制技术2.1基本调制技术的介绍在通信中，为了提高信号的传输速率和传输效率，要把经过编码的信号调制到适合各种信道传输的频段内。在接收端再通过解调把有用信号从所接收到的信号中解调出来。调制有模拟调制和数字调制两种。模拟调制是用来自信源的基带信号去调制某个高频载波上。载波是一个确知的周期性波形，它有三个参数，即振幅、频率和相位。因此，模拟调制就有相应的三种：调幅（AM）、调频（FM）和调相（PM）。数字调制也是通过调制的数字信号控制一个载波，相应的就有振幅键控（ASK）、频移键（FSK）和相移键控（PSK）。根据已调信号频谱结构的特点，调制可以分为两大类：线性调制和非线性调制。线性调制的已调信号的频谱结构和原基带信号的频谱结构基本相同，主要是所占用的频率位置搬移了。非线性调制的已调信号频谱结构和原基带信号的频谱结构完全不同，已不仅仅是简单的频谱搬移，在已调信号频谱中通常会出现许多新的频率分量。基本的数字调制ASK、FSK、PSK的调制和解调方法实现容易，在通信中已经采用了多年，而且还在继续使用。当所使用的调制信号是二进制信号时，就成了2ASK、2FSK和2PSK调制。图(2-1)是三种数字调制信号波形（初始相位都为0）：图2-1三种基本的数字调制波形上述三种数字调制技术是学习和研究数字调制技术的基础。如果所使用的信号是多进制信号，就可以用多进制调制，相应的三种数字调制就为MASK、MFSK和MPSK。在二进制中每个码元传输1b的信息，面在多进制体制中每个码元能携带更多的信息量，从而能够提高传输效率。但在相同的误码率条件下，多进制调制需要更大的信号功率。2.2几种特殊的数字调制技术前面我们讨论了数字调制的三种基本方式：数字幅度调制、数字频率调制和数字相位调制。这三种数字调制方式是数字调制的基础。然而，这三种数字调制方式都存在某些不足，如频谱利用率低、抗多径衰落能力差、功率谱衰减慢、带外辐射严重等。为了改善这些不足，近几十年来人们陆续提出一些新的数字调制技术，以适应各种新的通信系统的要求。这些调制技术的研究，主要是围绕着寻找频带利用率高，同时抗干扰能力强的调制方式而展开的。本节介绍几种具有代表性的现代数字调制技术。2.2.1正交振幅调制（QAM）在2ASK系统中，其频带利用率是（1/2）b/s/Hz。若利用正交载波技术传输ASK信号，可使频带利用率提高一倍。如果再把多进制与正交载波技术结合起来，还可进一步提高频带利用率。能够完成这种任务的技术称为正交振幅调制（QAM）。QAM是用两路独立的基带信号对两个相互正交的同频载波进行抑制载波双边带调幅，利用这种已调信号的频谱在同一带宽内的正交性，实现两路并行的数字信息的传输。

QAM信号的同相和正交分量可以独立地分别以ASK方式传输数字信号。这种调制方式结合了幅度调制和相位调制,目前在各种行业的利用正在越来越多。2.2.2交错正交相移键控（OQPSK）前面讨论过QPSK信号，它的频带利用率较高，理论值达1b/s/Hz。但当码组0011或0110时，产生180°的载波相位跳变。这种相位跳变引起包络起伏，当通过非线性部件后，使已经滤除的带外分量又被恢复出来，导致频谱扩展，增加对相邻波道的干扰。为了消除180°的相位跳变，在QPSK基础上提出了交错正交相移键控（OQPSK）。OQPSK是在QPSK基础上发展起来的一种恒包络数字调制技术。这里，所谓恒包络技术是指已调波的包络保持为恒定，它与多进制调制是从不同的两个角度来考虑调制技术的。恒包络技术所产生的已调波经过发送带限后，当通过非线性部件时，只产生很小的频谱扩展。这种形式的已调波具有两个主要特点，其一是包络恒定或起伏很小；其二是已调波频谱具有高频快速滚降特性，或者说已调波旁瓣很小，甚至几乎没有旁瓣。采用这种技术已实现了多种调制方式，OQPSK以及本节以下各部分所讨论的数字调制技术都属于恒包络调制技术。一个已调波的频谱特性与其相位路径有着密切的关系（因为），因此，为了控制已调波的频率特性，必须控制它的相位特性。恒包络调制技术的发展正是始终围绕着进一步改善已调波的相位路径这一中心进行的。OQPSK也称为偏移四相相移键控（offset-QPSK），是QPSK的改进型。它与QPSK有同样的相位关系，也是把输入码流分成两路，然后进行正交调制。不同点在于它将同相和正交两支路的码流在时间上错开了半个码元周期。由于两支路码元半周期的偏移，每次只有一路可能发生极性翻转，不会发生两支路码元极性同时翻转的现象。因此，OQPSK信号相位只能跳变0°、±90°，不会出现180°的相位跳变。OQPSK信号可采用正交相干解调方式解调，它与QPSK信号的解调原理基本相同，其差别仅在于对Q支路信号抽样判决时间比I支路延迟了/2，这是因为在调制时Q支路信号在时间上偏移了/2，所以抽样判决时刻也应偏移/2，以保证对两支路交错抽样。OQPSK克服了QPSK的l80°的相位跳变，信号通过BPF后包络起伏小，性能得到了改善，因此受到了广泛重视。但是，当码元转换时，相位变化不连续，存在90°的相位跳变，因而高频滚降慢，频带仍然较宽。2.2.3最小频移键控（MSK）

OQPSK虽然消除了QPSK信号中的l80°相位突变，但并没有从根本上解决包络起伏问题。一种能够产生恒定包络、连续信号的调制称为最小频移键控，常记为MSK。MSK是2FSK的一种特殊情况，它具有正交信号的最小频差，在相邻符号交界处相位保持连续。在一个码元时间内，这类连续相位FSK（CPFSK）可表示为2-1当为时间的连续函数时，已调波相位在所有时间上是连续的。若传0码时载频为，传1码时载频为，它们相对于未调载波的偏移为，上式又可写为2-2其中2-32-4比较式（2-1）和式（2-2）可以看出，在一个码元时间内，相角2-5式中，为初相角，取决于过去码元调制的结果，它的选择要防止相位的任何不连续性。对于FSK信号，当（为整数）时，就认为它是正交的。为了提高频带利用率，要小，当＝1时，达最小值，有2-6或者2-7称为调制指数。由式（2-7）得，频偏2-8

频差

2-9它等于码元速率l/之半，这是正交信号的最小频差。CPFSK的这种特殊选择称为最小频移键控（MSK）。由式（2-6）得2-10

将其代人式（2-7），得2-11

为了方便，假定=0，则式（2-11）变为

若还假定“＋”号对应于l码，“－”号对应于0码，将代人式（2-5），该式可写为2-12若将式（2-16）扩展到多个码元时间上可写为2-13式中，为二进制双极性码元，取值为±l。由式（2-13）看出，为截距，其值为的整数倍。这表明，MSK信号的相位是分段线性变化的，同时在码元转换时刻相位仍然连续，即2-14现在，将式（2-13）代人式（2-2）便可写出MSK波形的表达式2-15

利用三角等式展开上式，并注意到，有2-16MSK信号的表示式就可以展开为：2-17式中，。其中，。2-和为两路信号的包络。这样，一路MSK信号就可以通过两路信号（同相分量路和正交分量路）合成。因此，MSK的调制信号就可以由图（2-2）所示的框图原理产生：图2-2MSK调制原理图MSK信号的解调有多种方法。下面介绍MSK信号的相干解调原理。式(2-17)中的MSK信号的两个分量,若在接收时分别用提取的载波和相乘，再通过低通滤波，则有：(2-18)(2-19)图2-5所示的是MSK信号的相干解调原理框图：图2-3MSK相干解调原理图2.2.4正弦频移键控（SFSK）由MSK的讨论可知，在每一码元时间内，信号的相位是线性变化的。当调制码元极性发生变化时，相位变化/2。但在码元转换时刻相位仍然连续。不过，码元极性变化时，相位轨迹曲线出现一尖角,这导致MSK信号频谱旁瓣滚降速度下降，带外辐射增加。为了减小带外辐射，提高频带利用率，应使这些尖角变平滑，正弦频移键控（SFSK）就是针对此问题提出的一种调制方式。原理：为了平滑MSK波形的相位轨迹，可在MSK波形相位轨迹上叠加一正弦波，当输入码元极性变化时，该正弦波的相位也跟随发生变化。例如，当为0（-1）码时，正弦波相位为0；当为1（+1）码时，正弦波相位为，这样就可使相位轨迹尖角得到平滑。同时，还能保留MSK的优点，即在一个码元时间内相位最大变化±/2。这种信号与MSK相同，当输入码元为1时，相位增加/2；为0码时，相位减少/2。因此，在码元间隔的偶数倍上相对于载波的相位值为/2的偶数倍；反之，在码元间隔的奇数倍上，相位为/2的奇数倍。2.2.5平滑调频（TFM）SFSK平滑了MSK相位轨迹中的尖角，是通过在一个码元时间内线性相位轨迹叠加正弦波来实现的。但是，在SFSK波形中，每一码元的中点附近，其相位轨迹变化率却超过了MSK，这导致SFSK频谱的主瓣宽度也超过了MSK。为了保留SFSK的优点，克服其缺点，产生了SFSK的改进型――平滑调频（TFM）。2.2.6高斯最小频移键控（GMSK）为了减小已调波的主瓣宽度和邻道中的带外辐射，在TFM调制方式中，调制前对基带信号进行了“相关编码”处理。如果调制前对基带信号进行高斯滤波处理，也能达到上述目的。这就是另一种在移动通信中得到广泛应用的恒包络调制方法—调制千高斯滤波的最小频移键控,简称高斯最小频移键控，记为GMSK。GMSK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，之后进行MSK调制。由于滤波形成的高斯脉冲包络无陡峭的边沿，亦无拐点，所以经调制后的已调波相位路径在MSK的基础上进一步得到平滑，相位轨迹如图2-6所示。由图可以看出，它把MSK信号的相位路径的尖角平滑掉了，因此频谱特性优于MSK和SFSK。GMSK已确定为欧洲新一代移动通信的标准调制方式。图2-4GMSK信号相位轨迹

图2-5GMSK信号的产生GMSK信号的产生原理如图2-7所示。图中低通滤波器为高斯滤波器，输出直接对VCO调频以保持已调波包络的恒定和相位的连续。但该方法要保持VCO中心频率稳定存在一定困难。

实际中克服上述缺点的办法是采用锁相环路（PLL）调制器，如图2-8所示。它由/2相移BPSK调制器之后接一个PLL构成。其中/2BPSK的作用是保证每个码元的相位均变化±/2，而PLL对BPSK的相位突变进行平滑，使得在码元转换点相位连续，没有尖角。图2-6采用PLL的GMSK信号产生GMSK信号解调可采用与MSK信号相同的正交相干解调方式。实现这种正交相干解调的关键是恢复参考载波和时钟。除此之外，还可采用模拟相加方法解调，这里不再具体介绍。3GSM数字移动通信3.1GSM数字移动通信的发展3.1.1GSM系统历史背景GSM数字移动通信系统是由欧洲主要电信运营者和制造厂家组成的标准化委员会设计出来的，它是在蜂窝系统的基础上发展而成。GSM数字移动通信系统史源于欧洲。早在1982年，欧洲已有几大模拟蜂窝移动系统在运营，例如北欧多国的NMT（北欧移动电话）和英国的TACS（全接入通信系统），西欧其它各国也提供移动业务。当时这些系统是国内系统，不可能在国外使用。为了方便全欧洲统一使用移动电话，需要一种公共的系统，1982年北欧国家向CEPT（欧洲邮电行政大）提交了一份建议书，要求制定900MHz频段的公共欧洲电信业务规范。在这次大会上就成立了一个在欧洲电信标准学会（ETSI）技术委员会下的“移动特别小组＼GroupSpecialMobile）简称“GSM”，来制定有关的标准和建议书。1986年在巴黎，该小组对欧洲各国及各公司经大量研究和实验后所提出的8个建议系统进行了现场实验。1987年5月GSM成员国就数字系统采用窄带时分多址TDMA、规则脉冲激励线性预测RPE一LTP话音编码和高斯滤波最小移频键控GMSK调制方式达成一致意见。同年，欧洲17个国家的运营者和管理者签署了谅解备忘录（MoU），相互达成履行规范的协议。与此同时还成立了MoU组织，致力于GSM标准的发展。1990年完成了GSM900的规范，共产生大约130项的全面建议书，不同建议书经分组而成为一套12系列。1991年在欧洲开通了第一个系统，同时MoU组织为该系统设计和注册了市场商标，将GSM更名为“全球移动通信系统”（Globa1systemforMobilecommunications）。从此移动通信跨入了第二代数字移动通信系统。同年，移动特别小组还完成了制定1800MHz频段的公共欧洲电信业务的规范，名为DCSI800系统。该系统与GSM900具有同样的基本功能特性，因而该规范只占GSM建议的很小一部分，仅将GSM900和DCSI800之间的差别加以描述，绝大部分二者是通用的，二系统均可通称为GSM系统。1992年大多数欧洲GSM运营者开始商用业务。到1994年5月已有50个GSM网在世界上运营，10月总客户数已超过400万，国际漫游客户每月呼叫次数超过500万，客户平均增长超过50％。1993年欧洲第一个DCSI800系统投入运营。到1994年已有6个运营者采用了该系统。3.1.2GSM系统技术规范

GSM系统技术规范中只对功能和接口制定了详细规范，未对硬件做出规定。这样做目的是尽可能减少对设计者限制，又使各运营者有可能购买不同厂家的设备。GSM系统技术规范共分12章：系列01概述︰02业务方面03网路方面04MS-BS接口与协议05无线路径上的物理层06话音编码规范7MS的终端适配器08BS-MSC接口

09网路互通10业务互通11设备和型号认可规范12操作和维护这些系列规范都是由ETSI组建的不同工作组和专家组编写而成的。1988年春天完成第一阶段标准的第一个版本，以支撑当时的投标活动。后来修改过几次，1990年以后除了传真方面的规范外，其它很少作改动，1992年底基本冻结。第二阶段标准到1993年底也基本完成了主要部分，并与1994年底冻结，为了提高系统的性能，从1994年6月又开始考虑第2＋阶段的有关标准的定义，后并入第二阶段标准，并宣布还会有第三阶段的标准。实际上由于第三代移动通信系统的提出，已中止第三阶段标准。为了保证GSM网路内现有的和将来的业务开展，在制定标准时必须考虑兼容性的要求。3.2GSM通信系统3.2.1系统的组成OSS：操作支持子系统 BSS：基站子系统 NSS：网路子系统NMC：网路管理中心 DPPS：数据后处理系统 SEMC：安全性管理中心PCS：用户识别卡个人化中心 OMC：操作维护中心 MSC：移动业务交换中心VLR：来访用户位置寄存器 HLR：归属用户位置寄存器AUC：鉴权中心EIR：移动设备识别寄存器 BSC：基站控制器 BTS：基站收发信台PDN：公用数据网 PSTN：公用电话网 ISDN：综合业务数字网 MS：移动台图图3-1GSM通信系统的组成

蜂窝移动通信系统主要是由交换网路子系统（NSS）、无线基站子系统

(BSS)和移动台（MS）三大部分组成，其中NSS与BSS之间的接口为“A”接口，BSS与MS之间的接口为“Um”接口。在模拟移动通信系统中，TACS规范只对Um接口进行了规定，而未对A接口做任何的限制。因此，各设备生产厂家对A接口都采用各自的接口协议，对Um接口遵循TACS规范。也就是说，NSS系统和BSS系统只能采用一个厂家的设备，而MS可用不同厂家的设备。由于GSM规范是由北欧一些运营公司“炒”出的规范，运营公司当然喜欢花最少的投资，用最好的设备来建最优良的通信网，因此GSM规范对系统的各个接口都有明确的规定。也就是说，各接口都是开放式接口。在GSM网上还配有短信息业务中心（SC），即可开放点对点的短信息业务，类似数字寻呼业务，实现全国联网，又可开放广播式公共信息业务。另外配有语音信箱，可开放语音留言业务，当移动被叫客户暂不能接通时，可接到语音信箱留言，提高网路接通率，给运营部门增加收入。3.2.2交换网路子系统

交换网路子系统（NSS）主要完成交换功能和客户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能。NSS由一系列功能实体所构成，各功能实体介绍如下：MSC：是GSM系统的核心，是对位于它所覆盖区域中的移动台进行控制和完成话路交换的功能实体，也是移动通信系统与其它公用通信网之间的接口。它可完成网路接口、公共信道信令系统和计费等功能，还可完成BSS、MSC之间的切换和辅助性的无线资源管理、移动性管理等。另外，为了建立至移动台的呼叫路由，每个MS、还应能完成入口MSC（GMSC）的功能，即查询位置信息的功能。VLR：是一个数据库，是存储MSC为了处理所管辖区域中MS（统称拜访客户）的来话、去话呼叫所需检索的信息，例如客户的号码，所处位置区域的识别，向客户提供的服务等参数。HLR：也是一个数据库，是存储管理部门用于移动客户管理的数据。每个移动客户都应在其归属位置寄存器（HLR）注册登记，它主要存储两类信息：一是有关客户的参数；二是有关客户目前所处位置的信息，以便建立至移动台的呼叫路由，例如MSC、VLR地址等。AUC：用于产生为确定移动客户的身份和对呼叫保密所需鉴权、加密的三参数（随机号码RAND，符合响应SRES，密钥Kc）的功能实体。EIR：也是一个数据库，存储有关移动台设备参数。主要完成对移动设备的识别、监视、闭锁等功能，以防止非法移动台的使用。3.2.3无线基站子系统BSS系统是在一定的无线覆盖区中由MSC控制，与MS进行通信的系统设备，它主要负责完成无线发送接收和无线资源管理等功能。功能实体可分为基站控制器（BSC）和基站收发信台（BTS）。BSC：具有对一个或多个BTS进行控制的功能，它主要负责无线网路资源的管理、小区配置数据管理、功率控制、定位和切换等，是个很强的业务控制点。BTS：无线接口设备，它完全由BSC控制，主要负责无线传输，完成无线与有线的转换、无线分集、无线信道加密、跳频等功能。3.2.4移动台移动台就是移动客户设备部分，它由两部分组成，移动终端(MS)和客户识别卡（SIM）。移动终端就是“机”，它可完成话音编码、信道编码、信息加密、信息的调制和解调、信息发射和接收。SIM卡就是“身份卡”，它类似于我们现在所用的IC卡，因此也称作智能卡，存有认证客户身份所需的所有信息，并能执行一些与安全保密有关的重要信息，以防止非法客户进入网路。SIM卡还存储与网路和客户有关的管理数据，只有插入SIM后移动终端才能接入进网，但SIM卡本身不是代金卡。3.2.5操作维护子系统GSM系统还有个操作维护子系统（OMC），它主要是对整个GSM网路进行管理和监控。通过它实现对GSM网内各种部件功能的监视、状态报告、故障诊断等功能。OMC与MSC之间的接口目前还未开放，因为CCITT对电信网路管理的Q3接口标准化工作尚未完成3.3GSM关键技术工作频段的分配

（1）工作频段

见图3-2。我国陆地公用蜂窝数字移动通信网GSM通信系统采用900MHz频段：

905～915（移动台发、基站收）

950～960（基站发、移动台收）随着业务的发展，可视需要向下扩展，或向1.8GHz频段的DCSI800过渡，即1800MHz频段：

1710～1785（移动台发、基站收）

1805～1880（基站发、移动台收）

图3-2我国陆地蜂窝移动体系系统频段分配图（2）频道间隔

相邻两频道间隔为200kHz，每个频道采用时分多址接入（TDMA）方式，分为8个时隙，即8个信道（全速率）。每信道占用带宽200kHz／8=25kHz，同模拟网TACS制式每个信道占用的频率带宽。从这点看二者具有同样的频谱利用率。

将来GSM采用半速率话音编码后，每个频道可容纳16个半速率信道。

（3）频道配置

采用等间隔频道配置方法，频道序号为76～124，共49个频点。频道序号和频点标称中心频率的关系为：

fl(n)=890.200MHz＋（n-1）′0.200MHz移动台发，基站收

fh(n)=fl(n)＋45MHz基站发，移动台收

n=76～124频道

（4）双工收发间隔：45kHz。与模拟TACS系统相同。

发射标识：业务信道发射标识为271KF7W；控制信道发射标识为271KF7W。主载波调制方式：调频

调制主载波的信号性质：包含量化或数字信息的双信道或多信道

被发送信息的类型：电报传真数据、遥测、遥控、电话视频的组合

（5）干扰保护比

载波干扰保护比（C／I）就是指接收到的希望信号电平与非希望信号电平的比值，此比值与MS的瞬时位置有关。这是由于地形不规则性及本地散射体的形状、类型及数量不同，以及其它一些因素如天线类型、方向性及高度，站址的标高及位置，当地的干扰源数目等所造成的。

GSM规范中规定：

同频道干扰保护比：C/I39dB

邻频道干扰保护比：C/I3-9dB

载波偏离400kHz时的干扰保护比：C/I3-41dB

（6）频率复用方式

频率复用是指在不同的地理区域上用相同的载波频率进行覆盖。这些区域必须隔开足够的距离，以致所产生的同频道及邻频道干扰的影响可忽略不计。

频率复用方式就是指将可用频道分成若干组，若所有可用的频道N（如49）分成F组（如9组），则每组的频道数为N／F（49/9?5.4即有些组的频道数为5个，有些为6个）。

因总的频道数N是固定的，所以分组数F越少则每组的频道数就越多。但是，频率分组数的减少也使同频道复用距离减小，导致系统中平均C／I值降低。因此，在工程实际使用中是把同频干扰保护比C／I值加3dB的冗余来保护，采用12分组方式，即4个基站，12组频率(见图3-3所示)。

图3-3频率复用方式对于有向天线而言，天线可采用120°或60°的定向天线，形成三叶草小区，即把基站分成3个扇形小区。如采用4／12复用方式，每个小区最大可用到5个频道，一般的也可用到4个频道。如采用3／9复用方式，则每个小区可用到6个或5个频道。

对于无方向性天线，即全向天线建议采用7组频率复用方式，其7组频率可从12组中任选，但相邻频率组尽量不在相邻小区使用(见图3-4)。业务量较大的小区可借用剩余的频率组，如使用第9组的小区可借用第2组频率等。

图3-47小区分组以上所谈每小区可用频道数都是在可用频段为10MHz情况下，目前10MHz中4MHz为邮电部使用，另6MHz为“中国联通公司”使用。从频道序号来看，76～95为邮电部使用，95～124为“中国联通公司”使用。这样，邮电部建的GSM数字移动通信网如采用4／12频率复用方式时，每小区可用频道数最大仅有2个(16个信道)，有些只能用到1个(8个信道)。为此，邮电部下属大部分邮电管理局将4MHz带宽向下端扩展2MHz，即占用模拟B网2MHz，使GSM数字移动通信网从可用频道76～95(20个)扩展到66～95(30个)，4／12方式每个小区一般可用3个频道(24信道)，最小也能用到2个频道(16个信道)。(7)保护带宽：400kHz

当一个地区数字移动通信系统与模拟移动通信系统共存时，两系统之间(频道中心频率之间)应有约400kHz的保护带宽，通常是由模拟B网预留。邮电部的数字移动通信系统与“中国联通公司”的数字移动通信系统之间也应有400kHz的保护带宽，即它们之间少用一个频道，或由邮电部一方预留，或由“中国联通公司”一方预留。3.4GSM网络结构

我国GSM数字移动通信网是采用独立网号方式来组网的。它与PSTN、ISDN、PSPDN以及现有模拟PLMN之间的关系。“中国电信”GSM网路接入号为“139”，“中国联通”GSM网路接入号为“130”。3.4.1全国GSM移动通信网的网路结构全国GSM移动电话网按大区设立一级汇接中心、省内设立二级汇接中心、移动业务本地网设立端局构成三级网路结构。它与PSTN网(公用电话网)的连接关系参见图3-5。从图中可见，三级网路结构组成了一个完全独立的数字移动通信网路。而模拟移动通信网路结构是与PSTN网混合方式来组建的，它在省内建立二级汇接中心，在移动业务本地网内建端局，无一级汇接中心，省际间的通信是借助于PSTN网的长途电话网来实现，当然为实现省际间的自动漫游，模拟移动电话网必须建立自己的全国信令网。另外，模拟移动通信网是采用PSTN网的端局号方式接入，以“9”字头为标志，因此可以说模拟移动通信网是PSTN网的一部分，而GSM数字移动通信网与PSTN网相重叠。当然，公用电话网还有它的国际出口局，而GSM数字移动通信网却无国际出口局，国际间的通信仍然还需借助于公用电话网的国际局。图3-5GSM网路与PSTN网路连接示意图“中国联通”的GSM移动通信网与邮电部门的GSM移动通信网和PSTN网(称公用通信主网，简称主网)之间的网路。在“中国联通”GSM移动交换局所在地，联通网和主网之间各设一个网间接口局，双方接口局按一对一的方式成对互连。联通GSM客户与主网GSM、PSTN客户间的各种业务互通(含本地、自动长途、移动及国际业务等)所需的话路接续和信号，均经过网间接口局连通。3.4.2省内GSM移动通信网的网路结构省内GSM移动通信网由省内的各移动业务本地网构成，省内设若干个移动业务汇接中心(即二级汇接中心)，汇接中心之间为网球网结构，汇接中心与移动端局之间成星状网。根据业务量的大小，二级汇接中心可以是单独设置的汇接中心(即不带客户，全有至基站接口，只作汇接)，也可兼作移动端局(与基站相连，可带客户)。省内GSM移动通信网中一般设置二三个移动汇接局较为适宜，最多不超过四个，每个移动端局至少应与省内两个二级汇接中心相连，见图3-5所示。任意两个移动交换局之间若有较大业务量时，可建立话音专线。图3-6省内GSM移动通信网络结构示意图3.4.3移动业务本地网的网路结构全国可划分为若干个移动业务本地网，划分的原则是长途区号为2位或3位的地区为一个移动业务本地网。每个移动业务本地网中应设立一个HLR(必要时可增设HLR，HLR可以是有物理实体的，也可是虚拟的，即几个移动业务本地网公用同一个物理实体HLR，HLR内部划分成若干个区域，每个移动业务本地网用一个区域，由一个业务终端来管理，见图3-6)和一个或若干个移动业务交换中心(MSC)，还可以几个移动业务本地网共用一个MSC，见图3-7图3-7虚拟HLR的实现框图图3-8GSM移动业务本地网结构示意图在移动业务本地网中，每个MSC与局所在地的长途局相连，并与局所在地的市话汇接局相连。在长途多局制地区，MSC应与该地区的高级长途局相连。在没有市话汇接局或话务量足够大的情况下，MSC亦可与本地市话端局相连。当一个MSC覆盖几个长途编号区时，该MSC亦可和这几个长途编号区的市话汇接局和长途局相连。每个MSC均为数字移动通信网的入口局，入口局具有为移动终端的呼叫询问呼叫路由的功能和为呼叫选路至它们终端的目的地被叫移动台的功能。4MSK/GMSK调制解调仿真实现4.1SystemView简介SystemView是一个用于现代工程与科学系统设计及仿真的动态分析平台，是由美国ELANX公司推出的，它是基于Windows环境的系统仿真分析工具。它功能强大，使用方便。在仿真中，用户可以用图符（Token）去描述自己的系统，不需要编写复杂的程序，不用写代码即可完成各种系统的设计与仿真。利用SystemView可以构造复杂的模拟、数字、数模混合系统和各种多速率系统，它可用于各种线性或非线性控制系统的设计和仿真。用户在进行仿真设计时，只需从SystemView配置的图符库中调出有关图符，进行各个图符的参数设置和相互间的连线，即可进行进行仿真操作，给出分析结果。SystemView提供功能强大的分析计算器，可以根据用户需要对结果进行各种分析计算。SystemView的图符资源分为两个库：基本库（MainLibrary）和专业库(OptionalLibrary)。其中，基本库中包括加法器（Adder）、乘法器(Multiplier)、多种信号源(Source)、接收器(Sink)、函数库（Function）、算子库（Operator）、子系统（MetaSys）和子系统I/O(MetaI/O)。专业库有通信(Communication)、逻辑(Logic)、数字信号处理(DSP)、射频/模拟库(RF/Analog)。SystemView能自动执行系统连接检查，给出连接信息或尚悬空的待连接端信息通知用户连接出错并通过显示指出出错图符，如果用户不想连接该图符可以直接运行仿真，不连接的图符不影响其它连接的图符的正常运行。在运行结束后，通过分析窗口中的接收计算器，可以对仿真结果进行多种处理，如计算频谱、图形叠加、微积分计算等等。此外，在仿真过程中，还可以通过设计窗口中的系统动态探针查看某一节点上的动态过程。为实现其它高级的更复杂的扩展应用，SystemView还具有与外部文件的接口，可直接获得并处理输入/输入数据。提供了与编程语言VC++和Matlab的接口，可以方便地调用其函数。SystemView还具备硬件设计的接口：Xilinx公司的软件CoreGenerator配套，可以将SystemView系统中的部分器件生成下载FPGA芯片所需的数据文件；另外，SytemView还有与DSP芯片设计的接口，可以将其DSP库中的部分器件生成DSP芯片编程的C语言源代码。SystemView包括两个主要的工作环境：设计窗口和分析窗口。其中设计窗口用于完成系统的设计，为用户提供了图形化的便捷编辑环境，是SystemView最主要的工作环境之一；图4-1SystemView设计窗口分析窗口是观察系统仿真结果数据的基本载体，利用它可以观察系统的仿真结果及对该设计窗口和分析窗口间可相互切换。在设计窗口中单击按钮切换到分析窗口，同理在分析窗口中单击按钮切换到设计窗口。下图就是GMSK/MSK的分析窗口，由于窗口图缩的太小了看不清楚，因此我把它分成左右两部分。a.左半部分b.右半部分图4-2SystemView分析窗口在进行SystemView仿真时，很重要的一步就是对系统时间的设置。系统时间设置的好坏，直接影响对仿真结果的观察和分析。系统时间设置里，最主要的有五个参数设置，一是开始时间（StartTime），设置系统运行的起始时间，单位秒；二是停止时间（StopTime），设置系统运行停止时间；系统运行时间=停止时间-开始时间；三是采样速率(SampleRate),设置系统显示的采样速率；四是采样点数（No.ofSamples）,显示系统总的采样点数，其中，五是循环次数（No.ofSystemLoops），设置系统运行时所要循环运行的次数。其它一些参数，如果不是有特殊的要求，一般不会用到。在设计窗口中单击按钮进入系统时间设置对话框，如图4-3所示：图4-3SystemView时间设置窗口4.2MSK/GMSK调制解调仿真图4-4是MSK和GMSK信号的SystemView调制解调仿真图。其中图符10为串并变换子系统，图符44为高斯滤滤器，图符45是MSK调制解调构成的子系统，它与图符44构成GMSK调制解调系统。图4-4MSK/GMSK调制解调SystemVie仿真图下面我们将在SystemView中运行该图,可以得到以下MSK和GMSK在调制解调过程中的一些图形的对比。a同相分量对比b正交分量对比图4-5MSK/GMSK调制信号对比图图4-5为MSK和GMSK调制信号的同相分量和正交分量的对比图。由此图可以看出，由于GMSK在调制前滤除了高频分量，其调制信号的同相分量和正交分量与MSK的有了明显的改善，幅度的跳跃小了，更平滑了。图4-6MSK/GMSK调制信号波形图4-6为MSK和GMSK调制信号的波形图，由此图可知道GMSK减小已调波的主瓣宽度和邻道中的带外辐射，这样可以节省带宽，提高传输效率，满足现代社会对通信技术的要求。图4-7MSK/GMSK解调信号图4-7为为MSK和GMSK解调信号的波形图，通过对比可以知道，GMSK解调出的信号与源信号最吻合，效果比较好，这也是适应了现代通信技术的需求。图4-8MSK/GMSK解调信号功率谱图4-8为MSK和GMSK解调信号的功率谱图，由图可以看出来，GMSK解调出的信号的功率谱比较平滑，减小已调波的主瓣宽度和邻道中的带外辐射，解调出的信号效果更好。4.3GMSK的眼图图4-9是GMSK眼图的systemview仿真图：图4-9GMSK仿真图矩形脉冲信号频谱很宽,信号能量分布在整个频谱范围内,当通过高斯滤波器后,滤除了一些高频分量,因此信号的能量将有所减少。图(4-10)是当矩形脉冲通过不同的高斯滤波器后的信号波形图和相应的功率谱。从图上可以看出,当随着BT值的减小,带宽将变窄,带外频率对邻信道的影响将减小。