畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）移動(dòng)通信中的數(shù)字調(diào)制技術(shù)的研究與仿真實(shí)現(xiàn)

1、移動(dòng)通信中的數(shù)字調(diào)制技術(shù)的研究與仿真實(shí)現(xiàn) 計(jì)算機(jī)學(xué)院通信工程專業(yè)2004級(jí)5班 指導(dǎo)教師：摘 要: 在數(shù)字通信系統(tǒng)中，全數(shù)字接收機(jī)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。利用數(shù)字化方法設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)中的調(diào)制解調(diào)技術(shù)是實(shí)際應(yīng)用中的一項(xiàng)重要技術(shù)。最小高斯頻移鍵控(gmsk)是一種典型的連續(xù)相位調(diào)制方式，具有包絡(luò)恒定、頻譜緊湊、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可有效降低鄰道干擾，提高非線性功率放大器的效率，已在移動(dòng)通信（如gsm系統(tǒng)）、航天測控等場合得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的gmsk調(diào)制解調(diào)器不能很好滿足全數(shù)字化接收機(jī)可編程、多模式等需要。論文重點(diǎn)研究利用全數(shù)字化技術(shù)設(shè)計(jì)gmsk 調(diào)制解調(diào)器，以便更廣泛地使用gmsk 調(diào)制解調(diào)技

2、術(shù)。關(guān)鍵詞： 移動(dòng)通信 高斯最小頻移鍵控 仿真。mobile communications in the digital modulation technology research and simulationkuangzhihuacomputer college communications engineeringgrade 2004 instructor:tianminabstract: in digital communication systems, all-digital receivers become more popular. it hasbecome an importan

3、t technology that realizes the modulator and demodulator ofcommunication system in digitalization method. minimum gaussian frequency shiftkeying (gmsk) is a typical continuous phase modulation method, which has thecharacteristics of constant envelope, compact spectrum, and anti-jamming performance.g

4、msk can effectively reduce inter-channel interference, improve the efficiency of non-linear power amplifier, and has been widely used in mobile communications system(such as gsm system) and others systems. the modulator and demodulator designed intraditional method can not meet the need of programma

5、ble, multi-mode for all digital receivers.the thesis focuses on the study on digitialization of gmsk modem. keywords: mobile communication gaussian minimum shift keying simulation1 緒論 移動(dòng)通信一般是指通信雙方至少有一方在移動(dòng)的情況下進(jìn)行信息傳輸和交換。我們常見的移動(dòng)通信系統(tǒng)有蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)，尋呼系統(tǒng)，移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)，移動(dòng)集群通信系統(tǒng)和無繩電話系統(tǒng)等。現(xiàn)代無線通信起源于19世紀(jì)赫茲的電磁波輻射實(shí)驗(yàn)，使人們認(rèn)識(shí)到

6、電磁波和電磁波能量是可以控制發(fā)射的。1928年，一名purdue大學(xué)的學(xué)生發(fā)明了工作于2 mhz的超外差無線電接收機(jī)，開始應(yīng)用于底特律警察局。20世紀(jì)30年代全世界的移動(dòng)通信系統(tǒng)都還采用幅度調(diào)制，30年代晚期，出現(xiàn)了第一個(gè)調(diào)頻移動(dòng)通信系統(tǒng)。二次大戰(zhàn)極大地促進(jìn)了移動(dòng)通信的發(fā)展，1949年，美國聯(lián)邦通信委員會(huì)（fcc，federalcommunications commission）正式確認(rèn)移動(dòng)通信是一種新的電信業(yè)務(wù)。在調(diào)頻移動(dòng)通信發(fā)展的初期，fm系統(tǒng)占有120 khz的射頻帶寬，用于發(fā)射具有3 khz的語音信號(hào)。為了提高頻譜效率，1950年fcc把射頻帶寬降為60 khz，1956年，fcc又在

7、uhf波段上將信道帶寬降為50khz。20世紀(jì)60年代，由于fm技術(shù)的發(fā)展，信道帶寬降為30 khz，同時(shí)，可以在一個(gè)通信區(qū)域使用2個(gè)相鄰信道。到了中期，模擬fm系統(tǒng)的頻譜效率已提高到了第二次世界大戰(zhàn)末期的4倍。 在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，目前使用的數(shù)字信號(hào)調(diào)制技術(shù)主要是對(duì)ask,fsk和psk基本數(shù)字調(diào)制技術(shù)的改進(jìn)或綜合，常使用兩種數(shù)字調(diào)制方式：線性調(diào)制技術(shù)和恒包絡(luò)調(diào)制技術(shù)。線性調(diào)制主要包括了：psk，qpsk，dqpsk和多電平psk等。這里所謂的線性是指這類調(diào)制技術(shù)要求通信設(shè)備從頻率變換到放大和發(fā)射過程中保持充分的線性。這種方式可以獲得較高的頻譜利用率。恒包絡(luò)調(diào)制主要包括msk，gmsk，gfs

8、k和tfm等。這類調(diào)制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是已調(diào)信號(hào)具有相對(duì)窄的功率譜和對(duì)放大設(shè)備沒有線性要求，但頻譜利用率通常低于線性調(diào)制技術(shù)。本文介紹了移動(dòng)通信系統(tǒng)的相關(guān)概念、移動(dòng)通信系統(tǒng)中的幾種典型調(diào)制技術(shù)，并利用matlab仿真工具對(duì)幾種主要的調(diào)制技術(shù)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，最后對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。全文共分五章：第一章為緒論。介紹了通信仿真研究的實(shí)際意義和作用，通信仿真的研究現(xiàn)狀課題研究背景并對(duì)本文的內(nèi)容進(jìn)行了安排和規(guī)劃。第二章是移動(dòng)通信系統(tǒng)的介紹。介紹了移動(dòng)通信發(fā)展的歷史以及幾種常用的方式。第三章是數(shù)字通信系統(tǒng)的各種調(diào)制和解調(diào)方法的介紹。數(shù)字通信有多種調(diào)制方法，在幅度調(diào)制中，主要介紹了ask的原理、公式、調(diào)制解調(diào)方法

9、和框圖以及ask信號(hào)功率和誤碼率；在頻率調(diào)制中，分別介紹了bfsk、msk、gmsk三種方法的原理、調(diào)制解調(diào)方法和框圖以及相對(duì)應(yīng)的信號(hào)功率和誤碼率，其中后兩種是從fsk基礎(chǔ)上發(fā)展起來的改進(jìn)方法；在相位調(diào)制中，主要介紹了bpsk、qpsk、oqpsk三種調(diào)制方法的原理、調(diào)制解調(diào)方法的框圖以及對(duì)應(yīng)的誤碼率等內(nèi)容。第四章為通信仿真概念和通信仿真相關(guān)軟件的介紹。從通信仿真的一般概念入手，接著介紹仿真方法的三個(gè)步驟即仿真建模、仿真運(yùn)行和仿真分析。隨后對(duì)通信仿真軟件matlab進(jìn)行了介紹，包括matlab的仿真功能、作用及一般的使用方法，以及相比較其他仿真軟件mtalab的特點(diǎn)和優(yōu)勢。此外，還介紹了mat

10、lab軟件中的simulink和通信工具包的使用。最后對(duì)用matlab或者simulink建立仿真模型的幾種方法做了說明。第五章是數(shù)字通信系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)。第六章為總結(jié)部分及對(duì)未來工作的展望。 2 移動(dòng)通信21移動(dòng)通信的發(fā)展概況移動(dòng)通信系統(tǒng)到目前大致經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)：1971年2月，fcc接收bell公司建立蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)hcmts的建議，在850 mhz頻段提供了 40 mhz頻譜資源。hcmts在1978年安裝，1983年開始商業(yè)服務(wù)。hcmts的建立在多個(gè)方面發(fā)展了蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)，并在20世紀(jì)80年代演變成了美國模擬系統(tǒng)的國家標(biāo)準(zhǔn)此同時(shí)，基于不同標(biāo)準(zhǔn)的其他模擬蜂窩

11、移動(dòng)通信系統(tǒng)也得到了很大的發(fā)展，具有代表性的是英國的tacs、日本的namts、北歐的nmt。第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的主要技術(shù)是模擬調(diào)頻、頻分多址，以模擬方式工作，使用頻段為800900 mhz。第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)：90年代起，隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，加上模擬系統(tǒng)在擴(kuò)充信道容量時(shí)所遇到的系統(tǒng)精確控制、昂貴的系統(tǒng)投資以及抗干擾等問題，一些世界性的標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)選擇了將數(shù)字系統(tǒng)作為第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)的基準(zhǔn)。數(shù)字技術(shù)的引進(jìn)最大的優(yōu)點(diǎn)是他的抗干擾能力和潛在的大容量，dsp的發(fā)展使一些新的無線應(yīng)用開始出現(xiàn)，如電子郵件、移動(dòng)商務(wù)、金融管理等。國際上進(jìn)入商用的數(shù)字蜂窩系統(tǒng)主要有歐洲的gsm、美國的damps(is-54

12、，現(xiàn)在的is-136)和cdma(is-95)、日本的pdc(個(gè)人數(shù)字蜂窩系統(tǒng))。第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)：由于第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)仍存在業(yè)務(wù)單一、無法實(shí)現(xiàn)全球互聯(lián)，90年代中后期，人們開始了第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究，欲使其實(shí)現(xiàn)：全球統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)、具有多媒體傳輸能力、增加分組交換業(yè)務(wù)、增加非對(duì)稱傳輸模式、加強(qiáng)數(shù)據(jù)處理能力、更好的傳輸質(zhì)量、提高終端電池使用壽命、更高的頻譜效率、更大的信道容量。1998年，itu綜合各國際標(biāo)準(zhǔn)化組織提出的建議開始制定和完善第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)imt2000。第三代以后的移動(dòng)通信系統(tǒng)：第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)最初的目標(biāo)之一是形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)全球漫游，遺憾的是，最終3g還是

13、形成了多種制式并存的局面，并且，隨著人們生活、工作空間的日益擴(kuò)大，不能充分滿足人們各方面的需要，于是，在3g尚未大規(guī)模商用之時(shí)，4g已經(jīng)出現(xiàn)了。4g采用全數(shù)字技術(shù)，支持分組交換，將wlan，bluetooth等局域網(wǎng)技術(shù)融入廣域網(wǎng)中，將提供更高的傳輸速率和更大的容量，同時(shí)，因?yàn)椴捎酶叨确稚⒌膇p網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得終端具有智能和可擴(kuò)展性。itu在2000年10月成立了imt-2000and beyond工作組。22移動(dòng)通信的特點(diǎn)由于移動(dòng)通信的特殊要求，它和其他種類的通信形式相比，具有以下幾個(gè)明顯的主要特點(diǎn)：（1）移動(dòng)通信必須利用無線電波進(jìn)行信息傳輸。（2）移動(dòng)通信是在復(fù)雜的干擾環(huán)境中運(yùn)行。（3）隨著

14、移動(dòng)業(yè)務(wù)量的需求與日俱增，移動(dòng)通信可以利用的頻譜資源 非常有限。（4）移動(dòng)通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多種多樣，網(wǎng)絡(luò)管理和控制必須有效。（5）移動(dòng)通信設(shè)備（主要是移動(dòng)臺(tái)）必須適用于在移動(dòng)環(huán)境中使用。23 移動(dòng)通信系統(tǒng)的分類移動(dòng)通信有以下多種分類方法，按使用對(duì)象可以分為民用設(shè)備和軍用設(shè)備；按使用環(huán)境可以分為陸地通信，海上通信和空中通信；按多址方式可分為頻分多址（fdma），時(shí)分多址（tdma）和碼分多址（cdma）等；按覆蓋范圍可以分為寬域網(wǎng)和局域網(wǎng)；按業(yè)務(wù)類型可分為電話網(wǎng)，數(shù)據(jù)網(wǎng)和綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)；按工作方式可分為同頻單工，異頻單工，異頻雙工和半雙工；按服務(wù)范圍可分為專用網(wǎng)和公用網(wǎng)；按信號(hào)形式可分為模擬網(wǎng)和數(shù)

15、字網(wǎng)。24常用的移動(dòng)通信系統(tǒng)隨著移動(dòng)通信應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，移動(dòng)通信系統(tǒng)的類型也越來越多。常用的移動(dòng)通信系統(tǒng)有： 蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)， 無繩電話系統(tǒng)，集群移動(dòng)通信系統(tǒng)，移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)，分組無線網(wǎng)， gprs，cdma等。3 數(shù)字調(diào)制技術(shù)數(shù)字調(diào)制就是將數(shù)字符號(hào)變成適合于信道傳輸?shù)牟ㄐ巍Ｋ幂d波一般是余弦信號(hào)，調(diào)制信號(hào)為數(shù)字基帶信號(hào)。利用基帶信號(hào)去控制載波的某個(gè)參數(shù)，就完成了調(diào)制。調(diào)制的方法主要是通過改變余弦波的幅度、相位或頻率來傳送信息。其基本原理是把數(shù)據(jù)信號(hào)寄生在載波的上述三個(gè)參數(shù)中的一個(gè)上，即用數(shù)據(jù)信號(hào)來進(jìn)行幅度調(diào)制、頻率調(diào)制或相位調(diào)制。數(shù)字信號(hào)只有幾個(gè)離散值，因此調(diào)制后的載波參數(shù)也只有有限個(gè)值

16、，類似于用數(shù)字信息控制開關(guān)，從幾個(gè)具有不同參量的獨(dú)立振蕩源中選擇參量，為此把數(shù)字信號(hào)的調(diào)制方式稱為“鍵控”。數(shù)字調(diào)制分為調(diào)幅、調(diào)相和調(diào)頻三類，分別對(duì)應(yīng)“幅移鍵控”（ask）、“相移鍵控”（psk）和“頻移鍵控”（fsk）三種數(shù)字調(diào)制方式。在“幅移鍵控”方式中，當(dāng)“1”出現(xiàn)時(shí)接通振幅為a的載波，“0”出現(xiàn)時(shí)關(guān)斷載波，這相當(dāng)于將原基帶信號(hào)（脈沖列）頻譜搬到了載波的兩側(cè)。如果用改變載波頻率的方法來傳送二進(jìn)制符號(hào)，就是“頻移鍵控”的方法，當(dāng)“1”出現(xiàn)時(shí)是低頻，“0”出現(xiàn)時(shí)是高頻。這時(shí)其頻譜可以看成碼列對(duì)低頻載波的開關(guān)鍵控加上碼列的反碼對(duì)高頻載波的開關(guān)鍵控。如果用“0”和“1”來改變載波的相位，則稱為“

17、相移鍵控”。這時(shí)在比特周期的邊緣出現(xiàn)相位的跳變，但在間隔中部保留了相位信息。接收端解調(diào)通常在其中心點(diǎn)附近進(jìn)行。一般來說，psk系統(tǒng)的性能要比開關(guān)鍵控fsk系統(tǒng)好，但必須使用同步檢波。調(diào)制的基本原理是用數(shù)字信號(hào)對(duì)載波的不同參量進(jìn)行調(diào)制，其基本公式如下：載波 s（t） = acos（t+） （2-1）s（t）的參量包括：幅度a、頻率、初相位，調(diào)制就是要使a、或隨數(shù)字基帶信號(hào)的變化而變化。其中ask調(diào)制方式是用載波的兩個(gè)不同振幅表示0和1；fsk調(diào)制方式是用載波的兩個(gè)不同頻率表示0和1；而psk調(diào)制方式是用載波的起始相位的變化表示0 和1。根據(jù)傳輸信號(hào)是二進(jìn)制信號(hào)還是多進(jìn)制信號(hào)和對(duì)載波的哪個(gè)參數(shù)進(jìn)行

18、調(diào)制，可以把數(shù)字頻帶傳輸分為：二進(jìn)制、多進(jìn)制數(shù)字振幅鍵控（ask）二進(jìn)制、多進(jìn)制數(shù)字頻移鍵控（fsk）二進(jìn)制、多進(jìn)制數(shù)字相移鍵控（psk）二進(jìn)制、多進(jìn)制差分相移鍵控（dpsk）除上面所述的二相位、二頻率和二幅度系統(tǒng)外，還可以采用各種多相位、多振幅和多頻率的方案。在dvb系統(tǒng)中衛(wèi)星傳輸采用qpsk，有線傳輸采用qam方式，地面?zhèn)鬏敳捎胏ofdm（編碼正交頻分復(fù)用）方式。但ask、psk和fsk這三種數(shù)字調(diào)制方式仍是最主要的。3.1 ask幅移鍵控（amplitude shift keying） “幅移鍵控”又稱為“振幅鍵控”，記為ask。也有稱為“開關(guān)鍵控”（通斷鍵控）的，所以又記作ook信號(hào)。

19、ask是一種相對(duì)簡單的調(diào)制方式。幅移鍵控（ask）相當(dāng)于模擬信號(hào)中的調(diào)幅，只不過與載頻信號(hào)相乘的是二進(jìn)制數(shù)碼而已。幅移就是把頻率、相位作為常量，而把振幅作為變量，信息比特是通過載波的幅度來傳遞的。二進(jìn)制振幅鍵控（2ask）， 由于調(diào)制信號(hào)只有0或1兩個(gè)電平，相乘的結(jié)果相當(dāng)于將載頻或者關(guān)斷，或者接通，它的實(shí)際意義是當(dāng)調(diào)制的數(shù)字信號(hào)為“1”時(shí)，傳輸載波；當(dāng)調(diào)制的數(shù)字信號(hào)為“0”時(shí)，不傳輸載波。原理如下圖所示，其中s（t）為基帶矩形脈沖。一般載波信號(hào)用余弦信號(hào)，而調(diào)制信號(hào)是把數(shù)字序列轉(zhuǎn)換成單極性的基帶矩形脈沖序列，而這個(gè)通斷鍵控的作用就是把這個(gè)輸出與載波相乘，就可以把頻譜搬移到載波頻率附近，實(shí)現(xiàn)2a

20、sk。載波開關(guān)s（t） 圖2.1 2ask原理圖3.2 fsk頻移鍵控（frequency shift keying）所謂fsk就是用數(shù)字信號(hào)去調(diào)制載波頻率，是數(shù)字信號(hào)傳輸中用的最早的一種調(diào)制方式。此方式實(shí)現(xiàn)起來比較容易，抗噪聲和抗衰減性能好，穩(wěn)定可靠，是中低速數(shù)據(jù)傳輸最佳選擇。頻移就是把振幅、相位作為常量，而把頻率作為變量，通過頻率的變化來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的識(shí)別，原理如下圖所示。在fsk中傳送的信號(hào)只有0和1兩個(gè)，而在m-fsk中則通過m個(gè)頻率代表m個(gè)符號(hào)。載波f1載波f2開關(guān)s(t)=0圖2.2 2fsk原理圖3.3 psk相移鍵控（phase shift keying）在psk調(diào)制時(shí)，載波的相位

21、隨調(diào)制信號(hào)狀態(tài)不同而改變。如果兩個(gè)頻率相同的載波同時(shí)開始振蕩，這兩個(gè)頻率同時(shí)達(dá)到正最大值，同時(shí)達(dá)到零值，同時(shí)達(dá)到負(fù)最大值，此時(shí)它們就處于“同相”狀態(tài)；如果一個(gè)達(dá)到正最大值時(shí)，另一個(gè)達(dá)到負(fù)最大值，則稱為“反相”。一般把信號(hào)振蕩一次（一周）作為360度。如果一個(gè)波比另一個(gè)波相差半個(gè)周期，我們說兩個(gè)波的相位差180度，也就是反相。當(dāng)傳輸數(shù)字信號(hào)時(shí)，“1”碼控制發(fā)0度相位，“0”碼控制發(fā)180度相位。psk相移鍵控調(diào)制技術(shù)在數(shù)據(jù)傳輸中，尤其是在中速和中高速的數(shù)傳機(jī)（2400bit/s4800bit/s）中得到了廣泛的應(yīng)用。相移鍵控有很好的抗干擾性,在有衰落的信道中也能獲得很好的效果。我們主要討論二相和

22、四相調(diào)相，在實(shí)際應(yīng)用中還有八相及十六相調(diào)相。psk也可分為二進(jìn)制psk（2psk或bit/sk）和多進(jìn)制psk（mpsk）。在這種調(diào)制技術(shù)中，載波相位只有0和兩種取值，分別對(duì)應(yīng)于調(diào)制信號(hào)的“0”和“1”。傳“1“信號(hào)時(shí)，發(fā)起始相位為的載波；當(dāng)傳“0”信號(hào)時(shí)，發(fā)起始相位為0的載波。2psk的調(diào)制原理如圖3-28所示。由“0”和“1”表示的二進(jìn)制調(diào)制信號(hào)通過電平轉(zhuǎn)換后，變成由“1”和“1”表示的雙極性nrz（不歸零）信號(hào)，然后與載波相乘，即可形成2psk信號(hào)。載波移相開關(guān)0s（t）=0 圖2.3 2psk原理圖在mpsk中，最常用的是四相相移鍵控，即qpsk（quadrature phase sh

23、ift keying），在衛(wèi)星信道中傳送數(shù)字電視信號(hào)時(shí)采用的就是qpsk調(diào)制方式。qpsk調(diào)制器如圖2.4所示，對(duì)比可以看出，它可以看成是由兩個(gè)2psk調(diào)制器構(gòu)成的。輸入的串行二進(jìn)制信息序列經(jīng)串并變換后分成兩路速率減半的序列，由電平轉(zhuǎn)換器分別產(chǎn)生雙極性二電平信號(hào)i（t）和q（t），然后對(duì)載波acos2fct和asin2fct進(jìn)行調(diào)制，相加后即可得到qpsk信號(hào)。psk信號(hào)也可以用矢量圖表示，矢量圖中通常以零度載波相位作為參考相位。四相相移調(diào)制是利用載波的四種不同相位差來表征輸入的數(shù)字信息，是四進(jìn)制移相鍵控。qpsk是在m=4時(shí)的調(diào)相技術(shù)，它規(guī)定了四種載波相位，分別為45，135，225，275

24、。調(diào)制器輸入的數(shù)據(jù)是二進(jìn)制數(shù)字序列，為了能和四進(jìn)制的載波相位配合起來，則需要把二進(jìn)制數(shù)據(jù)變換為四進(jìn)制數(shù)據(jù)，這就是說需要把二進(jìn)制數(shù)字序列中每兩比特分成一組，共有四種組合，即00，01，10，11，其中每一組稱為雙比特碼元。每一個(gè)雙比特碼元是由兩位二進(jìn)制信息比特組成的，它們分別代表四進(jìn)制四個(gè)符號(hào)中的一個(gè)符號(hào)。qpsk中每次調(diào)制可傳輸2個(gè)信息比特，這些信息比特是通過載波的四種相位來傳遞的。解調(diào)器根據(jù)星座圖及接收到的載波信號(hào)的相位來判斷發(fā)送端發(fā)送的信息比特。電平轉(zhuǎn)換器電平轉(zhuǎn)換器串/并變換二進(jìn)制信息載波發(fā)生器90度移相器已調(diào)信號(hào) 圖2.4 qpsk調(diào)制器原理圖3.4 qam正交振幅調(diào)制（quadratu

25、re amplitude modulation）qam（quadrature amplitude modulation）就是用兩個(gè)調(diào)制信號(hào)對(duì)頻率相同、相位正交的兩個(gè)載波進(jìn)行調(diào)幅，然后將已調(diào)信號(hào)加在一起進(jìn)行傳輸或發(fā)射。在ntsc制和pal制中形成色度信號(hào)時(shí)，用的就是正交調(diào)幅方式將兩個(gè)色差信號(hào)調(diào)制到色度副載波上。 qam也可用于數(shù)字調(diào)制。數(shù)字qam有4qam、8qam、16qam、32qam等調(diào)制方式。其中，16qam和32qam廣泛用于數(shù)字有線電視系統(tǒng)。下面以16qam為例介紹其原理。 如圖作為調(diào)制信號(hào)的輸入二進(jìn)制數(shù)據(jù)流經(jīng)過串并變換后變成四路并行數(shù)據(jù)流。這四路數(shù)據(jù)兩兩結(jié)合，分別進(jìn)入兩個(gè)電平轉(zhuǎn)換器

26、，轉(zhuǎn)換成兩路4電平數(shù)據(jù)。例如，00轉(zhuǎn)換成3，01轉(zhuǎn)換成1，10轉(zhuǎn)換成1，11轉(zhuǎn)換成3。這兩路4電平數(shù)據(jù)g1（t）和g2（t）分別對(duì)載波cos2fct和sin2fct進(jìn)行調(diào)制，然后相加，即可得到16qam信號(hào)。串并變換4電平轉(zhuǎn)換器4電平轉(zhuǎn)換器acos2fctasin2fct輸入數(shù)據(jù)g2(t)（t）g1(t)（t）16qam 圖2.5 16qam 調(diào)制器框圖qam調(diào)制效率高，要求傳送途徑的信噪比高，適合有線電視電纜傳輸。在美國，正交調(diào)幅通常用在地面微波鏈路，不用于國內(nèi)衛(wèi)星，歐洲的電纜數(shù)字電視采用qam調(diào)制，而加拿大的衛(wèi)星采用正交調(diào)幅。qam是幅度、相位聯(lián)合調(diào)制的技術(shù)，它同時(shí)利用了載波的幅度和相位來

27、傳遞信息比特，因此在最小距離相同的條件下，qam星座圖中可以容納更多的星座點(diǎn)，即可實(shí)現(xiàn)更高的頻帶利用率，目前qam星座點(diǎn)最高已可達(dá)256qam。 psk只利用了載波的相位，它所有的星座點(diǎn)只能分布在半徑相同的圓周上。當(dāng)星座點(diǎn)較多時(shí)，星座點(diǎn)之間的最小距離就會(huì)很密，非常容易受到噪聲干擾的影響。調(diào)制技術(shù)的可靠性可由相鄰星座點(diǎn)之間的最小距離來衡量，最小距離越大，抵抗噪聲等干擾的能力越強(qiáng)，當(dāng)然前提是信號(hào)的平均功率相同。當(dāng)噪聲等干擾的幅度小于最小距離的1/2時(shí)，解調(diào)器不會(huì)錯(cuò)判，即不會(huì)傳輸誤碼；當(dāng)噪聲等干擾的幅度大于最小距離的1/2時(shí)，將傳輸誤碼。因此psk一般只用在8psk以下，常用的是bit/sk和qps

28、k。當(dāng)星座點(diǎn)進(jìn)一步增加時(shí)，即需要更高的頻帶利用率時(shí)，就要采用qam調(diào)制。在psk中i信號(hào)和q信號(hào)互相不獨(dú)立，為了得到恒定的包絡(luò)信號(hào)，它們的數(shù)值是受到限制的，這是psk信號(hào)的基本特性。如果去掉這一限制，就得到正交幅度調(diào)制qam。作為一個(gè)特例，當(dāng)每個(gè)正交信號(hào)只有兩個(gè)數(shù)值時(shí)，qam與4-psk完全相同。當(dāng)m4時(shí)qam的信號(hào)星座呈正方形分布，而不再像psk那樣沿著一個(gè)固定的圓周分布。oqpskoqpsk是在常規(guī)qpsk的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。在qpsk調(diào)制中，當(dāng)輸入的二進(jìn)制信號(hào)由00變成11或者由01變成10時(shí)，qpsk調(diào)制信號(hào)的相位翻轉(zhuǎn)，這種翻轉(zhuǎn)在很大程度上削弱了qpsk調(diào)制的抗噪聲性能，甚至出現(xiàn)反相點(diǎn)

29、的突變，可能導(dǎo)致出現(xiàn)零包絡(luò)，這對(duì)于由識(shí)別相位進(jìn)行解碼是非常不利的。另外，qpsk信號(hào)功率譜也會(huì)擴(kuò)展，而造成信號(hào)限帶失真，或鄰道干擾，或符號(hào)間干擾，改進(jìn)方法是利用偏移正交調(diào)相oqpsk信號(hào)。作為qpsk調(diào)制的一種改進(jìn)方式，oqpsk產(chǎn)生的調(diào)制信號(hào)避免了180度的相位直接跳轉(zhuǎn)，最多只能翻轉(zhuǎn)/2。oqpsk與qpsk調(diào)制的區(qū)別主要在于：oqpsk調(diào)制時(shí)經(jīng)過串并變換分成的兩路數(shù)據(jù)，要相互錯(cuò)開或偏移一個(gè)信息間隔t（符號(hào)間隔的一半），再進(jìn)行正交調(diào)制，以合成輸出信號(hào)。這樣的結(jié)果時(shí)輸出已調(diào)信號(hào)的相位變化僅限于/2，而不存在的突變，從而減小了包絡(luò)的起伏。并且oqpsk信號(hào)的功率譜與qpsk信號(hào)相同。 coswt

30、雙極性nrz串并/2移相輸入 oqpsk信號(hào)延時(shí)t圖2.6 oqpsk信號(hào)調(diào)制框圖3.5 最小頻移鍵控（msk） oqpsk雖然消除了qpsk信號(hào)中的l80相位突變，但并沒有從根本上解決包絡(luò)起伏問題。一種能夠產(chǎn)生恒定msk是2fsk的一種特殊情況，它具有正交信號(hào)的最小頻差，在相鄰符號(hào)交界處相位保持連續(xù)。在一個(gè)碼元時(shí)間 內(nèi)，這類連續(xù)相位fsk（cpfsk）可表示為： （2-2）當(dāng)為時(shí)間的連續(xù)函數(shù)時(shí)，已調(diào)波相位在所有時(shí)間上是連續(xù)的。若傳0碼時(shí)載頻為 ，傳1碼時(shí)載頻為 ，它們相對(duì)于未調(diào)載波 的偏移為 ，上式又可寫為： （2-3）其中，由上兩式，可以看出，在一個(gè)碼元時(shí)間內(nèi)，相角，式中， 為初相角，取決

31、于過去碼元調(diào)制的結(jié)果，它的選擇要防止相位的任何不連續(xù)性。對(duì)于fsk信號(hào)，當(dāng) （ 為整數(shù)）時(shí)，就認(rèn)為它是正交的。為了提高頻帶利用率，要小，當(dāng) 1時(shí)， 達(dá)最小值，有或者稱為調(diào)制指數(shù)。 由此可得，頻偏 ，頻差 它等于碼元速率l/ 之半，這是正交信號(hào)的最小頻差。cpfsk的這種特殊選擇稱為最小頻移鍵控（msk）。 （2-4）假定=0，則： （2-5）若還假定“”號(hào)對(duì)應(yīng)于l碼，“”號(hào)對(duì)應(yīng)于0碼，將代人式（2-4），得 （2-6） （2-7）利用三角等式展開上式，并注意到，有 （2-8）式中；。由式（5-140）看出，msk信號(hào)可采取正交調(diào)制的方法產(chǎn)生，如圖2-7所示。當(dāng)兩支路碼元互相偏離時(shí)，恰好使和錯(cuò)開

32、1/4周期，這保證了msk信號(hào)相位的連續(xù)性。與產(chǎn)生過程相對(duì)應(yīng)，msk信號(hào)可采取正交相干解調(diào)的方法恢復(fù)原信息碼串并變換輸入/2/2/2延遲tbcost/2tb 圖2.7 msk的調(diào)制框圖3.6 高斯最小頻移鍵控（gmsk）高斯濾波最小頻移鍵控，是gsm系統(tǒng)采用的調(diào)制方式。數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)是數(shù)字峰窩移動(dòng)通信系統(tǒng)空中接口的重要組成部分。gmsk是從msk(最小移頻鍵控)發(fā)展起來的一種技術(shù)。msk調(diào)制實(shí)際上是調(diào)制指數(shù)為0.5的二進(jìn)制調(diào)頻，具有包絡(luò)恒定、占用相對(duì)較窄的帶寬和能進(jìn)行相干解調(diào)的優(yōu)點(diǎn)。但是msk的帶外輻射較高，影響了頻譜效率。為了抑制帶外輻射、壓縮信號(hào)功率，可在msk調(diào)制器前加入預(yù)調(diào)制濾波器。

33、gmsk調(diào)制是在msk（最小頻移鍵控）調(diào)制器之前插入高斯低通預(yù)調(diào)制濾波器這樣一種調(diào)制方式。gmsk提高了數(shù)字移動(dòng)通信的頻譜利用率和通信質(zhì)量。 預(yù)調(diào)制濾波器msk調(diào)制器 圖2.8 gmsk信號(hào)產(chǎn)生原理為了有效地抑制msk信號(hào)的帶外功率輻射，預(yù)調(diào)制濾波器應(yīng)具有以下特性： (1) 帶寬窄并且具有陡峭的截止特性； (2) 脈沖響應(yīng)的過沖較小； (3) 濾波器輸出脈沖響應(yīng)曲線下的面積對(duì)應(yīng)于/2的相移。 其中條件(1)是為了抑制高頻分量；條件(2)是為了防止過大的瞬時(shí)頻偏；條件(3)是為了使調(diào)制指數(shù)為0.5。 gmsk基本原理 gmsk的基本原理是讓基帶信號(hào)先經(jīng)過高斯濾波器濾波，使基帶信號(hào)形成高斯脈沖，之

34、后進(jìn)行msk調(diào)制。gmsk已確定為歐洲新一代移動(dòng)通信的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制方式。高斯濾波器的頻率傳輸函數(shù)為： （2-9） 式中是與濾波器3db帶寬b有關(guān)的一個(gè)系數(shù)，其沖激響應(yīng)為： （2-10）假設(shè)輸入數(shù)據(jù)流為二進(jìn)制非歸零信號(hào)，傳輸速率為 。為碼元寬度，其數(shù)學(xué)表示式為： （2-11）式中：或-1,其概率分別為 。gmsk是角度調(diào)制信號(hào)，已調(diào)信號(hào)寫作： （2-12）由于濾波形成的高斯脈沖包絡(luò)無陡峭的邊沿，亦無拐點(diǎn)，所以經(jīng)調(diào)制后的已調(diào)波相位路徑在msk的基礎(chǔ)上進(jìn)一步得到平滑，相位軌跡如圖2.9所示。由圖可以看出，它把msk信號(hào)的相位路徑的尖角平滑掉了，因此頻譜特性優(yōu)于msk。圖 2.9 gmsk的相位軌跡實(shí)際中

35、克服上述缺點(diǎn)的辦法是采用鎖相環(huán)路（pll）調(diào)制器，如圖。它由/2相移bpsk調(diào)制器之后接一個(gè)pll構(gòu)成。其中/2bpsk的作用是保證每個(gè)碼元的相位均變化/2，而pll對(duì)bpsk的相位突變進(jìn)行平滑，使得在碼元轉(zhuǎn)換點(diǎn)相位連續(xù)，沒有尖角。低通濾波器環(huán)路濾波器vcogmsk信號(hào)解調(diào)可采用與msk信號(hào)相同的正交相干解調(diào)方式。實(shí)現(xiàn)這種正交相干解調(diào)的關(guān)鍵是恢復(fù)參考載波和時(shí)鐘。4仿真工具matlab介紹matlab是一種功能強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算和工程仿真軟件，它的交互式集成界面能夠幫助用戶快速的完成數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、數(shù)字信號(hào)處理、仿真建模、系統(tǒng)控制和優(yōu)化等功能。廣泛用于當(dāng)今的航空航天、汽車制造、電子通信、醫(yī)學(xué)研究

36、、財(cái)經(jīng)研究和高等教育等領(lǐng)域。matlab語言采用與數(shù)學(xué)表達(dá)相同的形式，不需要傳統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)語言，因而不像其他高級(jí)語言那樣難于掌握。一般來說，用戶可以在極短的時(shí)間內(nèi)掌握matlab的基礎(chǔ)知識(shí)，并且能夠初步的應(yīng)用matlab解決簡單的問題。由于matlab的這些特性，它已經(jīng)成為科研工具和工程仿真中的高效助手。4.1 matlab的簡介matlab的首創(chuàng)者是cleve moler 博士，在20世紀(jì)70年代中期。他與合作伙伴開發(fā)出了當(dāng)時(shí)在矩陣計(jì)算方面具有相當(dāng)水平的兩個(gè)軟件包linpack（線性代數(shù)軟件包）和eispack（解特征值問題的軟件包），這是用fortran語言編寫完成的。在70年代末到80年

37、代初，cleve moler 博士利用這兩個(gè)軟件包，開發(fā)出了最早的matlab（matrix laboratory），即“矩陣實(shí)驗(yàn)室”。1984年，math works 公司正式宣告成立，同年將matlab推向市場。1922年，math works 公司推出了具有劃時(shí)代意義的matlab4.0版本，并在1993年推出了matlab4.0的微機(jī)版，由于它可以在microsoft的windows操作系統(tǒng)下運(yùn)行，從而迅速拓寬了matlab的應(yīng)用范圍。從matlab5.0和simulink2.0版本開始。實(shí)現(xiàn)了真正的32位運(yùn)算，數(shù)值計(jì)算更加快速，圖形的處理更為有效，用戶界面更加直觀友好。1997年推出

38、了matlab5.1版本，現(xiàn)在，最新的matlab6.0版本也在市場上流行開來。隨著版本的升高，matlab的功能不斷加強(qiáng)，例如matlab6.0版本不同于此前版本的最突出之處是：向用戶提供前所未有的、成系列的交互式工作界面。而如今我們正使用的是matlab6.5版本，還有matlab7.0版本等。matlab具有以下特點(diǎn)：(1) 起點(diǎn)高(2) 人機(jī)界面適合科技人員(3) 強(qiáng)大而簡易的作圖功能(4) 智能化程度高(5) 功能豐富，可擴(kuò)張性強(qiáng)4.2 simulink簡介 simulink是mathworks公司開發(fā)的一個(gè)有重要影響力的軟件產(chǎn)品，它的前身是simulab，產(chǎn)生于20世紀(jì)90年代初，

39、以工具庫的形式掛接在matlab5.3上，后改名為simulink。simulink不能獨(dú)立運(yùn)行，只能在相應(yīng)的matlab環(huán)境中運(yùn)行。simulink是一個(gè)用來對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包，它支持連續(xù)、離散或者兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)，也支持具有多種采樣速率的多速率系統(tǒng)。它為用戶提供了用方框圖進(jìn)行建模的圖形化的用戶界面（gui），可以用鼠標(biāo)點(diǎn)擊和拖拉模塊的圖標(biāo)建模，采用這種結(jié)構(gòu)化模型就像用筆和紙來畫一樣容易。在simulink環(huán)境中，用戶擺脫可深?yuàn)W數(shù)學(xué)推演的壓力和繁瑣編程的困擾，可以在仿真進(jìn)程中改變感興趣的參數(shù)，實(shí)時(shí)觀察系統(tǒng)行為的變化。與傳統(tǒng)的仿真軟件包用微分方程和差分方程建模相比

40、，它更具有直觀、方便、靈活的優(yōu)點(diǎn)。此外，matlab自身所帶的所有應(yīng)用工具箱，同樣適用于simulink環(huán)境中，這就大大擴(kuò)展了simulink的適用范圍，也使simulink進(jìn)入到許多專業(yè)領(lǐng)域，成為科學(xué)計(jì)算和動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真的有力工具。由于matlab 和simulink是集成在一起的，因此用戶可以在這兩種環(huán)境中對(duì)自己的模型進(jìn)行仿真、分析和修改。simulink是matlab提供的動(dòng)態(tài)仿真工具，它采用模塊組合的方法來創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模型，其最耀眼的特點(diǎn)就是它的開放性允許用戶制定自己的模塊和模塊庫。simulink提供了一種函數(shù)規(guī)則s函數(shù)，它可以是一個(gè)m文件、c語言程序或者其他的高級(jí)語言程序，s

41、imulink模塊通過一定的語法規(guī)則來調(diào)用用戶自己編寫的s函數(shù)，實(shí)現(xiàn)其特定的功能。s函數(shù)的引入使得simulink更加充實(shí)，處理能力更加強(qiáng)大。gsmk技術(shù)是gsm通信系統(tǒng)中使用的調(diào)制技術(shù)，具有較好的功率頻譜特性，較憂的誤碼性能，特別通信系統(tǒng)中使用的調(diào)制技術(shù)，具有較好的功率頻譜特性，較憂的誤碼性是帶外輻射小的特點(diǎn)，很適用于工作在vhf和uhf頻段的移動(dòng)通信系統(tǒng)。本文將在第五章中利用是帶外輻射小的特點(diǎn)，很適用于工作在vhf和uhf頻段的移動(dòng)通信系統(tǒng)。本文將在matlab 中的simulink 模塊庫對(duì)gmsk技術(shù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，并和其它幾種調(diào)制技術(shù)進(jìn)行比較。,5 gmsk仿真的實(shí)現(xiàn)5.1 仿真建模在

42、評(píng)價(jià)通信系統(tǒng)的質(zhì)量時(shí), 往往要涉及通信系統(tǒng)傳輸?shù)挠行院涂煽啃浴?duì)于數(shù)字通信系統(tǒng), 有效性和可靠性實(shí)際上是傳輸速率和差錯(cuò)率。根據(jù)傳輸速率的不同, 差錯(cuò)率也有兩種表述方法, 即誤碼率和誤信率(誤比特率)。為了測試gmsk調(diào)制系統(tǒng)的誤碼率, 根據(jù)gmsk 系統(tǒng)特征, 搭建matlab 仿真系統(tǒng)(gmskl.mdl) 如圖。該仿真系統(tǒng)由信源、gmsk調(diào)制、gmsk解調(diào)、隨機(jī)信道以及測試系統(tǒng)組成。信源產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)二進(jìn)制數(shù)字信號(hào),通過調(diào)制系統(tǒng)得到調(diào)制信號(hào),調(diào)制系統(tǒng)將基帶信號(hào)調(diào)制,得到功率譜搬移的調(diào)制信號(hào);隨機(jī)信道是一模擬的白高斯信道(其噪聲功率譜密度在帶寬中是常數(shù),概率分布符合高斯分布) ;最后通過gm

43、sk 解調(diào)到達(dá)測試系統(tǒng)。解調(diào)與調(diào)制是相反的過程,得到與發(fā)送端對(duì)應(yīng)的基帶信號(hào)。測試系統(tǒng)是子系統(tǒng),它實(shí)現(xiàn)的是gmsk 調(diào)制系統(tǒng)的誤碼率的計(jì)算,在系統(tǒng)同步的條件下,把信源信號(hào)和接收信號(hào)同時(shí)送入測試系統(tǒng),比較源信號(hào)和接收信號(hào),就可以得到整個(gè)gmsk調(diào)制系統(tǒng)的誤碼率。 圖 5.1 gmsk仿真模塊的建立5.2仿真實(shí)驗(yàn) 編寫程序，并將程序的文件名命為gmsklmain.m，以便構(gòu)成ms文件，用來實(shí)現(xiàn)仿真，見圖5.2。圖5.2 構(gòu)建gmsk的s函數(shù)gsmk模塊具體的參數(shù)設(shè)置如下圖5.3中所示。圖5.3 gsmk模塊具體的參數(shù)設(shè)置運(yùn)行程序得到仿真波形。 圖5.4 當(dāng)bt=0.5時(shí)得到的仿真波形圖5.5 當(dāng)bt

44、=0.25時(shí)得到的仿真波形 5.3 分析結(jié)果不嚴(yán)格地講，數(shù)字鍵控信號(hào)的相位變化越光滑，傳輸同等符號(hào)速率的信號(hào)占用帶寬越小。psk等信號(hào)由于存在相位突變，所以帶寬占用較大;msk信號(hào)雖然相位變化連續(xù)，但其相位的一階導(dǎo)數(shù)變化不連續(xù)，所以帶寬占用較psk信號(hào)小，比gmsk大;gmsk信號(hào)的相位無窮階可導(dǎo)，所以信號(hào)占用帶寬最小。此外，這幾種信號(hào)在帶外的功率衰減速率是不同的，按衰減速率從大到小排列，依次是gmsk、msk、psk。也就是說gmsk信號(hào)的功率更多地集中在一個(gè)較小的帶寬內(nèi)，從而使得該信號(hào)對(duì)其他相鄰頻點(diǎn)的信號(hào)干擾最小。除去相位變化的光滑度，影響調(diào)相信號(hào)帶寬的還有調(diào)制指數(shù)、碼間干擾的大小等因素。

45、正是由于有了上述特點(diǎn)，在一些需要頻分復(fù)用的場合，gmsk成了一種較為合適也較為常見的選擇。gmsk是由msk演變來的一種簡單的二進(jìn)制調(diào)制方法。在gmsk中，將調(diào)制的不歸零(nrz)數(shù)據(jù)通過預(yù)調(diào)制高斯脈沖成形濾波器，使其頻譜上的旁瓣水平進(jìn)一步降低?；鶐У母咚姑}沖成形技術(shù)平滑了msk信號(hào)的相位曲線，因此穩(wěn)定了信號(hào)的頻率變化。這使得發(fā)射頻譜上的旁瓣水平大大降低。預(yù)調(diào)制高斯濾波器將全響應(yīng)信號(hào)(即每一基帶符號(hào)占據(jù)一個(gè)比特周期t)轉(zhuǎn)換為部分響應(yīng)信號(hào)，每一發(fā)射符號(hào)占據(jù)幾個(gè)比特周期。然后由于脈沖成形并不會(huì)引起平均相位曲線的偏離，gmsk信號(hào)可以作為msk信號(hào)的相干檢測，或者作為一個(gè)簡單的fsk信號(hào)進(jìn)行非相干檢測。gmsk由于具有極好的功率效率(因?yàn)楹惆j(luò)）和極好的頻譜效率。gmsk信號(hào)的頻譜特性的改善是通過降低誤碼率性能換來的前置濾波器的帶寬越窄,即bt值越小,輸出功率譜就越緊湊,誤碼率性能就變得越差。 在參數(shù)選擇時(shí),當(dāng)bt=0.25 時(shí), gmsk調(diào)制信號(hào)具有較理想的性能。由于gmsk不僅保留了msk的優(yōu)點(diǎn),而且頻譜在主瓣以外衰減得更快,且鄰路干擾小,因此在要求信號(hào)帶外輻射功率限制嚴(yán)格的gsm移動(dòng)通信系統(tǒng)中是合理和必需的。對(duì)二進(jìn)制調(diào)制系