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测试GMSK在 AGWN信道的误码性能.doc

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.42M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    实验 名称 实验 环境 实 验 目 的 设 计 要 求 设 计 方 案 华 北 电 力 大 学 科 技 学 院 实 验 报 告 实验一：测试 GMSK 在 AGWN 信道的误码性能 SystemVue 仿真平台 通过分析理解 MSK 正交调制的基本工作原理，MSK 到 GMSK 的转换过 程，通过仿真操作掌握 SystemView 系统误比特率分析的方法。 创建一个正交调制方式的 GMSK 调制系统，载频为 2.5Hz，以 PN 码作 为二进制信源，码速率 Rb＝10bit/s。信道为加性高斯白噪声信道，对该系统 的误比特率 BER 进行分析，本实验又加上了功率谱分析。 【系统组成】 1、最小频移键控称为 MSK，它可视为一种特殊的相位连续 2FSK 信号，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： f  f 1  f 0  1 2 bT 其中，Tb 为 MSK 调制器输入的二进制码序列的码元周期（间隔）。MSK 信 号可表为正交信号形式，即： )( t  )([ tIA cos 2sin)( tf  c ] S MSK )( tI )( tQ   [ tga n   [ tga n k k  2( k  )1 T b ]  2 kT b ] sin( 2 tQtf   c t  2 T b ) cos( t  2 T b ) 其中，{an}为二进制码序列，g(t)为门函数。 MSK 信号属于恒定包络调制信号，此处“恒定包络”的含义并非指产 生的信号幅度包络恒定，而是指移相键控信号通过限带信道或非线性系统 后，幅度包络几乎不产生 AM／PM 转换效应，这取决于移相键控信号在码 元转换时刻的相位变化是否剧烈、相位路径是否连续平缓，因为相位特性直 接影响信号的功率谱旁瓣是否快速收敛，信号能量是否集中等特性。事实上， 现代数字通信要求以最小的信号功率付出和频带资源最高效率地利用进行 数据传输，数字调制技术改进过程中的许多工作几乎就是围绕如何改进调制 信号的相位路径特性进行的。MSK 信号是一种正交连续相位移频键控 （CP-FSK）信号，在码元转换时刻无相位突变，且相位变化量仅为 90°。 MSK 调制系统组成如图 1 所示。 1
    华 北 电 力 大 学 科 技 学 院 实 验 报 告 QPSK/OQPSK 2/bR MSK × × I 通道 二进制码输入 数据源 码 bR 串 / 并 cos( sin( t 2 bT t 2 bT ) ) MSK 输出 tccos tcsin Σ 2/bR QPSK 延迟 Tb × × Q 通道 OQPSK MSK 图 1 MSK 调制系统组成 2、误比特率（BER：Bit Error Rate）是指二进制传输系统出现码传输错误的 概率，也就是二进制系统的误码率，它是衡量二进制数字调制系统性能的重 要指标，误比特率越低说明抗干扰性能越强。对于多进制数字调制系统，一 般用误符号率（Symble Error Rate）表示，误符号率和误比特率之间可以进 行换算，例如采用格雷编码的 MPSK 系统，其误比特率和误符号率之间的换 算关系近似为： P b MPSK  , P , s log MPSK M 2 其中，M 为进制数，且误比特率小于误符号率。 3、GMSK，高斯滤波最小频移键控在 MSK（最小频移键控）调制器之前插 入高斯低通预调制滤波器这样一种调制方式。GMSK 提高了数字移动通信的 频谱利用率和通信质量。 为了适应无线信道的特性，由该调制方式所产生的已调波应具有以下两个特 点：第一，包络恒定或包络起伏很小。第二，具有最小功率谱占用率。高斯 最小频移键控（GMSK）调制方式正好具有上述特性。 4、高斯低通滤波器必须满足如下性质： 1）带宽窄，且是锐截止的； 2）具有较低的过冲脉冲响应； 3）能保持输出脉冲的面积不变。 由图可见，GMSK 信号的功率谱随着 BT 值减小变紧凑。 5、串并变换：并行传送，数据是并排进行传送的，而通路只有一条。所以 当数据由信源发送时，首先把并行数据转换为串行数才能传输。解调时再由 串行改为并行。 2
    华 北 电 力 大 学 科 技 学 院 实 验 报 告 第 1 步：进入 SystemView 系统视窗，设置“时间窗”参数如下： ① 运行时间：Start Time: 0 秒；Stop Time: 2.5575 秒； ② 循环运算次数：No of Loops=5； ③ 采样频率：Sample Rate=1024Hz。 第 2 步：在 SystemView 系统窗下，创建以 GMSK 传输系统为 BER 分析对象 的仿真分析系统，调用图符块创建如图 1 所示的仿真分析系统， 利用不同参数的数字延迟器（Token2）、采样压缩器（Token3,4）和保持 器（Token5,6）构成“串／并转换器”。如果需要对数字方波信号进行延迟处 理，必须保证“数字延迟器-采样器-保持器”级联使用，否则波形严重失真； 数字延迟器的延迟量，按照它前边采样器适用的采样间隔的整数倍计算，故 要对 Token6 输出 GMSK 的 Q 分量延迟半个 2 进制码元周期时，不能再用数 字延迟器，而要使用模拟延迟器（Token7），其延迟量可自由确定，单位为 秒； 在创建的系统中，必须使与 GMSK 信号叠加的高斯噪声强度自动可变， 才能得到随 SNR 改变的 BER 分析曲线，可在高斯噪声源（Token51）与加 法器（Token10）之间插入一个增益随每次循环改变的“Gain ”图符块 （ Token52 ）， 首 先 将 其 增 益 参 数 设 置 为 Gain=-30dB ， 然 后 执 行 “ TOOLS>>Global parameter Links ” 命 令 ， 出 现 一 个 “ Global Token parameter Links”对话框，在其中的“Select System Token”栏内单击选中“5 Operator(Gain)”项（变成反白条），在“Define Algebraic Relationship F(Gi,Vi)” 栏内输入“Gain”图符块的循环增益变化式：-3*cl-15，该式表示每次循环高 斯噪声功率减小 3dB，5 次循环后“Gain”图符块的增益变成-30dB，最后， 单击 OK 按钮关闭此对话框返回系统窗。 实 验 步 骤 图 1 3
    华 北 电 力 大 学 科 技 学 院 实 验 报 告 编 号 0 图符块属性 类型 Attribute （Type） Source PN Seq 参数设置 （Parameters） 2 55 1,30,38 Operator Operator Operator 7,15,39 Operator Operator 3,4 Amp=1v, Offset=0v , Rate=10Hz, Level=2, Phase=0 deg Non-Interp LookRight,Rate=10Hz Fill Last Register, Passive,Delay=1 Samples Fill Last Register, Passive,Delay=100Samples Sampler SmplDelay SmplDelay SmplDelay Non-Interpolating Delay:0.1s Decimator Decimate By:2 Operator Hold Last Sample, Gain=1, Out Rate=400 Hz 5,34,37 40,44 22,23 32 47 52 12 56 Operator Operator Operator Operator Function Fuction Sampler Gain Liner Sys Gaussian FIR Gain Rectifier CmltyAvg 实 验 步 骤 31,35 Logic XOR 42,43 Logic Buffer 46 11 18,19 45 51 28,29 53 57 Logic Source Source Source Source Sink Sink Sink SPDT Switch Sinusoid Sinusoid Sinusoid Uniform Noise Analysis Final Value Cndtnl Stop 20,21 Comm Intg-Dmp 54 Comm BERRate Interpolating, Rate=10Hz(解调) Gain Units=Linear, Gain=1 Bandwidth:3Hz NO.of FIR Taps:400 Input Sample Rate Fs:400Hz Gain Units=dB Power, Gain= -30 Zero Point=0 Gain=1 Gate Delay:0s Threshold:1 VTrue Output:1 False Output:0 Rise Time:0 Fall Time:0 Gate Delay:0s Threshold:0.2VTrue Output:1 False Output:0 Rise Time:0 Fall Time:0 Gate Delay:0 Ctrl thresh:0 Amp=1v,Freq=2.5Hz, Phase=0 deg Amp=1v,Freq=10Hz,Phase=0 deg Amp=1v,Freq=5Hz,Phase=0 deg Constant Parameter:Density in 1 ohm Density:1 -- -- Select Action:Goto Next Loop Threshold:200V Sink Memory:Retain all samoles Setlct Output:Continuous Offset Options:seconds Intg Time:0.1s Offset:0 No.Trials=1 bits, Threshoid=0.5v, Offset=0 bits 表 1 第 3 步：创建完仿真系统后，单击运行按钮，随着每次循环，终值显示框内 出现每次的运算结果，其中最后一列带括弧的数据为误比特率。5 次循环结 4
    华 北 电 力 大 学 科 技 学 院 实 验 报 告 束后进入分析窗，此时 Token12 给出的误比特率是随仿真时间改变的规律， 欲观察 BER 随解调信号 SNR 改变的曲线，需单击“信宿计算器”按钮，在 出现的对话框中，选中 Style 按钮，单击 BER Plot 按钮，在其右侧的“SNR Start[dB]:”栏内输入-10、“Increment[dB]:”栏内输入 20，再选中右上角窗口 内“w0:Bit Error Rate (t12)”项，最后单击对话框的 OK 按钮即可显示随 SNR 改变的 BER 曲线。每次循环时，输入的 GMSK 信号功率保持不变，而叠加 的高斯噪声功率逐次衰减，即 SNR 不断增加。叠加高斯噪声后信号输出波 形的变化由 Token29 的显示窗口给出，如图 2 所示。 Syst emView 0 200e-3 400e-3 600e-3 800e-3 1 1.2 1.4 已调波输出（连续? e d u t i l p m A 3 2 1 0 -1 -2 -3 0 200e-3 400e-3 600e-3 800e-3 1 1.2 1.4 Time in Seconds 叠加的高斯噪声每次随着循环减少 3dB 图 2 BER vs SNR SystemView BER vs SNR for w2 0 20 40 60 100e-6 R BE 80e-6 60e-6 40e-6 SNR in dB 0 20 40 60 SNR in dB 图 3 第 4 步：观察信号功率谱：在分析窗下单击信宿计算器图标按钮，出现 “SystemView 信宿计算器”对话框，单击分类设置开关按钮 Spectrum ，接 下来选择计算功率谱的条件，选中“Power Spectrum[dBm in1 ohms]”项，在 “Select One Window:”栏目内选择信号观测点；最后单击按钮 OK 返回分 析窗，等待功率谱显示活动窗口的出现。 5
    华 北 电 力 大 学 科 技 学 院 实 验 报 告 实验所有输出图像如图 5： Syst em View 原码 ( t 2 图 4 1 1 1 1 2 2 Tim e in Seconds 已调波输出（连续? 2 2 3 3 3 3 4 4 4 4 Tim e in Seconds 200e- 3 1. 2 Sink 50 2. 2 3. 2 4. 2 实 验 结 果 及 分 析 Amplitude Amplitude 0 1 0 - 1 0 0 2 0 - 2 0 200 100 Amplitude 0 200e- 3 1. 2 2. 2 3. 2 4. 2 Tim e in Seconds 图 5 700e- 3 500e- 3 Amplitude 300e- 3 Power dBm 0 40 0 0 BER 700e- 3 500e- 3 300e- 3 0 0 Sink 53 1. 6 2. 6 3. 6 1. 6 2. 6 3. 6 Tim e in Seconds Power Spect r um of Sink 50 ( dBm 1 ohm ) 50 100 150 200 50 100 150 200 Fr equency in Hz ( dF = 195. 3e- 3 Hz) BER vs SNR f or w3 20 40 60 20 40 60 SNR in dB 分析： 1、在 GMSK 调制器中，首先将 OQPSK 的 I、Q 基带信号滤波形成为高 斯形脉冲，然后进行调制。由于形成后的高斯脉冲包络无陡峭的前后沿， 也无拐点，因此相位特性进一步改善，其谱特性优于 MSK。GMSK 调制 方式主要应用于移动通信中，并已确定为欧洲新一代移动通信的标准调 制方式。 2、误码率越低说明抗干扰性能越强。理论上误码率随着信噪比减小而减 小，本实验由于未知原因未观察出。 6
    华 北 电 力 大 学 科 技 学 院 实 验 报 告 实验二：蓝牙系统仿真 SystemVue 仿真平台 充分理解简单直接序列扩频技术的基本概念，掌握直接序列扩频原理的结构 模型，能对直接序列扩频技术的优缺点有一个感性认识。 根据蓝牙系统的规范进行系统设计，可适当做一些简化，建立基于跳频 扩频技术的家庭无线网络，并改变相关参数设置，对系统的抗干扰噪声性能 进行仿真分析。 1、调制方式：GFSK 将高斯滤波器的 3dB 带宽 B 和输入码元宽度 T 的乘积 BT 值作为设计高 斯滤波器的一个主要参数。BT 值越小，相邻码元之间的相互影响越大。理 论分析和计算机模拟结果表明。BT 值越小，GFSK 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、调频通信系统工作原理： 收发双方传输信号的载波频率按照预定规律进行离散变化的通信方式， 跳频是在发送信号的同时，周期地改变其载波频率。在跳频系统中，跳频频 率的选择是用伪随机码来实现的，且跳频通信的几十个甚至上千个频率南所 传信息与伪随机码的组合进行控制，由于系统的工作频率在不停地跳变，在 每个频点上停留的时间仅为毫秒或微秒级，因此在一个相对的时间段内，就 可以看作在一个宽的频段内分布了传输信号，也就是宽带传输，而在每一 个 跳频点上的通信实际上还是窄带通信。 实验 名称 实验 环境 实验 目的 设 计 要 求 设 计 方 案 3、使用“Real Time”块而不是“Analysis”块来观察时域波形，不必进入分 析视窗，随着运算的进行，可直接观察时域波形。 7
    华 北 电 力 大 学 科 技 学 院 实 验 报 告 第 1 步：进入 SystemView 系统视窗，设置“时间窗”参数如下： ① 运行时间：Start Time: 0 秒；Stop Time: 81.915e-6 秒； ② 循环运算次数：No of Loops=1； ③ 采样频率：Sample Rate=200MHz。 第 2 步：在 SystemView 系统窗下，调用图符块创建如图 1 所示的仿真分析系 统。 产生数据信号：数据信号源使用一个频率为 1M/bHz 的随机序列(图符 6)通过一个带宽为 500e+3 的高斯滤波器（图符 7）来代替。扩频用的 79 调 频发生器（图符 2），理论上可获得较高扩频增益。 产生 FH 频率命令：图符 1、2、3、4、8。图符 2 是一个频率范围在 0-79Hz 的均衡随机数发生器，以 1600h/s 的跳频频率采样。 GFSK:FH 跳频命令信号加到数据信号中，共同驱动 FM 调制器（图符 0）。 TDD 控制：通过取消调制器实现，一个方波信号（图符 11）与调制信 号相乘。 FH 调制解调器：FH 跳频用来驱动 FM（图符 15），FM 的输出和接收到 的 FH 信号混频，在 200MHz 的频率上有不同的频率，总频率由带通滤波器 （图符 19）消除。 IF 处理：一个三级的巴特沃斯带通滤波器（图符 19），用于中频滤波。 PLL 调制解调器：锁相环（图符 12）直接解调 10.7MHz 的信号，相位检测器消 除了锁上总频率后，锁相环上有一个整数的 LPF，终止频率设为 5MHz 足以通过所需信 号。调制增益设为 2e+6,使得锁相环有足够时间响应解调信号。 实 验 步 骤 图 1 8
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