课程设计(论文)基于matlab对信号的调制与解调的仿真.doc
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1、电子信息工程系课程设计课程名称: 基于matlab通信系统课程设计 题目名称: 基于matlab对信号的调制与解调的仿真 学生姓名: 学 号: 2630840215 系(分院): 电子信息工程 专 业: 通信技术 指导教师: 2009年 5月制课程设计任务书1 课程名称 2 课程性质 3 适用年级 级4 适用专业 专业5 设计项目 6 指导老师 (职称 )7 设计目的8 设计要求9 课程设计的进度安排10 参考书目任务书下达时间 2009年4月15日课程设计主要阶段进度表(仅供参考,内容手写)序号主要阶段、内容时间(天)备注1复习信号与系统及通信原理102学习MATLAB的基本操作203学习s
2、imulink构建系统仿真154学习用MATLAB语言编写简单程序105确定实验报告题目,收集相关资料106用matlab做你仿真,得到仿真结果。157写实验报告10指导教师: 胡曼青 时间:2009.5课程设计教学检查记录表课程设计名称 设计周数 检查日期 课程设计指导教师 进行方式:集中分散.地点 检 查 项 目检 查 结 果好一般不理想差课程设计选题适当程度学生数与指导教师数配比(15名学生/教师 好; =20名/教师 一般; =30名学生/教师不理想;40名学生/教师 差)指导教师到位情况学生课程设计完成进度及质量对学生课程设计日常管理(出勤考核)措施及执行情况综合意见: 检查人 目录
3、摘要.6第一章 引言.7第二章 GMSK调制的基本原理.92.1 gmsk信号产生gmsk调制原理.92.2 gmsk在双模中的实现愿望.92.3 gmsk算法描述.12第三章 matlab仿真实现流程.13第四章 matlab仿真结果及验证.14第五章 系统硬件设计.155.1 高斯滤波器模块设计.165.2 调制指数为0.5的fm发射机设计.165.3 单击片控制器设计.17第六章 系统软件设计.186.1 单击片软件设计.186.2 调制器系统实现.18第七章 系统软件仿真及测试.217.1 软件仿真.217.2 系统测试与分析.21第八章 gmsk调制的fpga实现.228.1 传统实
4、现方法.228.2 全数字实现方法.23第九章性能分析.25第十章 结语.26第十一章 参考文献.27致谢.28摘 要 GMSK(高斯最小移频键控)信号优良的频谱特性在跳频通信中有广阔的应用前景。本文分析了GMSK调制器的设计理论,给出了一种全数字实现结构并在FPGA上加以实现。仿真结果表明,这种数字实现结构产生的GMSK基带信号具有良好的功率谱及眼图,同时能够有效避免两条支路信号幅度及正交载波相位失衡。【关键词】GMSK;DDS;FM调制器;FPGA 【Abstract】 GMSK is a spectrum-efficient modulation signal used widely i
5、n the FH communication system. In this paper, the design theory of GMSK modulator is analyzed and an improved digital implementation structure is obtained. Then this structure is implemented on FPGA. Simulation result show that GMSK signal generated by the digital implementation structure has nice P
6、SD and eye pattern. Also, the effect of quadrature phase error and amplitude imbalance is avoided.【Keywords】GMSK;Digital Modulation;Digital Implementation;FPGA。关键词:GMSK;DDS;FM调制器;FPGA第一章 引 言本文介绍了双模系统中的一种关键的调制技术GMSK调制。从GMSK调制原理和实现原理两方面介绍了调制方法;对GMSK调制的算法进行描述,并利用该算法进行了MATLAB仿真。本文提出了在调制中选择窗函数是一种新型的选择改进方
7、法图形比较逐点逼近法,其仿真结果验证了该调制算法符合理论要求,能有效实现双模中的GSM调制部分。重要的是它能很好的与TD-SCDMA系统进行兼容。移动通信的发展经历了第一代模拟系统,第二代数字系统,正在向第三代多媒体系统发展。面临3G系统商用在即,如何做到向下兼容GSM系统是我们目前面临的一大问题。初期的双模系统可以做到这一点,而TD-SCDMA系统与GSM系统兼容的双模系统则具有更大的发展潜力。在双模系统中,网络端是关键,物理层对高层的支持也是至关重要。作为物理层的核心基带信号处理是关键,而GMSK调制技术在整个双模系统中也起到至关重要的作用。好的GMSK调制算法将是确保信号正确处理的关键。
8、 由于GMSK调制方式具有很好的功率频谱特性,较优的误码性能,能够满足移动通信环境下对邻道干扰的严格要求,因此成为GSM、ETS HiperLANl以及GPRS等系统的标准调制方式。 目前GMSK调制技术主要有两种实现方法,一种是利用GMSK ASIC专用芯片来完成,典型的产品如FX589或CMX909配合MC2833或FX019来实现GMSK调制。这种实现方法的特点是实现简单、基带信号速率可控,但调制载波频率固定,没有可扩展性。另外一种方法是利用软件无线电思想采用正交调制的方法在FPGA和DSP平台上实现。其中又包括两种实现手段,一种是采用直接分解将单个脉冲的高斯滤波器响应积分分成暂态部分和
9、稳态部分,通过累加相位信息来实现;另一种采用频率轨迹合成,通过采样把高斯滤波器矩形脉冲响应基本轨迹存入ROM作为查找表,然后通过FM调制实现。这种利用软件无线电思想实现GMSK调制的方法具有调制参数可变的优点,但由于软件设计中涉及到高斯低通滤波、相位积分和三角函数运算,所以调制器参数更改困难、实现复杂。综上所述,本文提出一种基于CMX589A和FPGA的GMSK调制器设计方案。与传统实现方法比较具有实现简单、调制参数方便可控和软件剪裁容易等特点,适合于CDPD、无中心站等多种通信系统,具有重要现实意义。跳频通信作为一种重要的抗干扰通信手段,在军事领域广泛应用。如何利用跳频技术传输高速数据已成为
10、军事通信研究的热点问题。由于高速数据需占用更宽的带宽,所以在调制制式上需要一种具有高频谱效率的调制方案。而GMSK具有恒包络、相位连续的特点,其已调信号功率谱主瓣窄且带外衰减快,对邻道的干扰小,频谱效率较高1。因此GMSK调制在实现跳频通信中的高速数据传输上应用广泛2。工程上GMSK调制器的实现方式很多34,包括直接VCO调制法、PLL锁相调制法和波形存储正交调制法。波形存储正交调制法由于易于硬件实现,实际应用较多,但是这种模拟正交调制法因存在支路信号幅度及正交载波相位的不平衡性,影响了已调信号的性能,而采用全数字的实现方式则可有效地避免这些问题。本文介绍了GMSK调制的基本原理,分析了传统G
11、MSK调制实现方式的优劣,同时结合项目应用,对波形存储正交调制法的实现结构进行了数字化改进,并在FPGA上加以实现。理论分析、计算机仿真和工程实现都证明了这种数字实现结构产生的GMSK基带信号在高速数据传输中具有优良的性能。第二章 GMSK调制的基本原理2.1 GMSK信号产一、GMSK调制原理GSM系统采用高斯最小频移键控(GMSK)调制技术,调制信号具有恒定包络的特性,因而GSM终端的RF前端电路的线性要求较低。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,GMSK是一种特殊的数字FM调制方式。给RF载波频率加上或者减去67.708kHz表示1和0
12、。使用两个频率表示1和0的调制技术记作FSK(频移键控)。在GSM中,数据速率选为270.833 kbit/s,正好是RF频率偏移的4倍,这样作可以把调制频谱降到最低并提高信道效率。比特率正好是频率偏移4倍的FSK调制称作MSK(最小频移键控)。在GSM中,使用高斯预调制滤波器进一步减小调制频谱。可以降低频率转换速度,否则快速的频率转换将导致向相邻信道辐射能量。0.3GMSK不是相位调制(也就是说不是像QPSK那样由绝对相位状态携带信息)。它是由频率的偏移,或者说是相位的变化携带信息。GMSK可以通过I/Q图表示。如果没有高斯滤波器,当传送一连串恒定的1时,MSK信号将保持在高于载波中心频率6
13、7.708kHz的状态。如果将载波中心频率作为固定相位基准,67.708kHz的信号将导致相位的稳步增加,相位将以每秒67,708次的速率进行360度旋转。在一个比特周期内(1/270.833 kHz),相位将在I/Q图中移动四分之一圆周,即90度的位置。数据1可以看作相位增加90度,两个1使相位增加180度,三个1是270度,依此类推。数据0表示在相反方向上相同的相位变化。2.2 GMSK在双模中的实现原理GMSK调制包括以下两个部分:差分编码、调制。由于复接输出的数据序列是由0,1序列组成的二进制数据序列。GMSK调制之前,需要先进行差分编码,然后将归零信号(RTZ)转化为不归零序列(NR
14、Z),即:其中d0,1,a-1,1分别代表差分编码的输入和输出序列,d-1=1,GMSK调制是由MSK(最小频移键控)衍生出的一种调制方式,它们均为CPFSK(连续相位移频键控)调制方式。GMSK调制就是将MSK信号的相位更好地平滑,使其频率谱宽度进一步缩小,从而减小导致BER上升的符号间干扰(ISI)。GMSK信号可以采用不同的方式产生,图1示出GMSK基带调制实现框图。图1GMSK基带调制实现其中,B表示3dB带宽,GSM系统中高斯函数的归一化带宽BTb取值为0.3。理想高斯函数在时间上具有无限长,即t-,。为了信号处理方便,将信号截短为L长,过采样OSR和时间长度L就决定了钟型高斯脉冲冲
15、击函数的采样数。一般说来,L的取值大于3。为了使频率冲击函数具有因果性,将其移位LTb/2。截短频率冲击函数表示为:原理如图1。图1 GMSK信号产生原理高斯滤波器的传输函数和冲激响应分别为(2-1)(2-2)式中,参数与的3 dB基带带宽有关,即。为了方便GMSK的解调,需要对输入数据进行差分预编码。设输入数据为,将差分编码之后的双极性不归零数据通过高斯低通滤波器,则高斯滤波器的输出为(2-3)式中为码元周期,为高斯滤波器的矩形脉冲响应。把加于VCO(压控振荡器),经调频后的GMSK信号为(2-4)式中,相位路径(2-5)可见,GMSK实现时可采用正交相位调制。由于的取值范围为,它是物理不可
16、实现的,因此在工程中均需要对进行截短或近似。可以证明,则对进行截短处理,截短长度为,即(2-6)经计算,对于,当时,有。因而,在具体计算时,取的截短长度为,具有足够的精度。 2.3GMSK算法描述1.对待调制数据的本数据与输入的上一数据作异或作为本数据的输出数据。2.对上步中输出的数据进行差分得到只有1,-1的差分数cos据a(n)。3.根据冲击函数选择合适的窗函数对该冲击函数h(t)进行加窗处理,得到相应的滤波成型函数g(t)。加窗时窗函数的选择要根据实际情况,利用图形比较逼近法来选择适合于双模系统的窗函数。4.利用2步中得到的差分数据a(n)与3步中得到的成型滤波函数g(t)进行相乘并乘上
17、相位,得到。5.利用4步中得到的数据求出sin,cos,即I,Q数据。第三章 MATLAB仿真实现流程如图2为GMSK调制实现流程,流程中可以看出,随机数据经过复用之后产生的训练序列进行差分编码,GMSK调制,最终再产生相位函数;这样基带信号经过了发送端的处理最终产生I,Q载波信号。图2GMSK调制实现流程其中功能函数diff_enc.m完成复接输出的比特序列的差分编码,将0,1序列转化成-1,1序列;功能函数gmsk_mod.m生成频率冲击函数g(t),g(t)可以通过一个高斯函数和矩形脉冲进行卷积得到;功能函数ph_g.m通过对g(t)的加权累加,从而得到相位函数q,最终形成相应的同相分量
18、I和正交分量Q程序gmsk_mod.m和ph_g.m的执行过程示于图3图3流程中各功能模块执行结果图3a)中的矩形函数V(t)与图3b)中的高斯函数进行卷积形成图3c)中所示的g函数;通过ph_g.m生成图3d)中的q函数第四章 MATLAB仿真结果及验证图4示出MATLAB时域仿真输出结果图。图的产生是在输入随机数据时输出了I,Q数据,基带输出的I、Q两路数据波形如图4。图4I、Q输出数据波形从图中可以看到输出的图形在形状上有些相似,由此可以更进一步验证到:满足I2+Q2=1。很显然,这一结论正好符合预期目标:I2+Q2=sin2+cos2=1。因而,可以验证,在双模系统中的这一GMSK调制
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