GMSK调制与解调算法研究111

四川师范大学成都学院本科毕业设计GMSK调制与解调算法研究1绪论1.1选题的依据及意义在当代很多地方都使用了软件无线电技术，它打破了以前的那种无线电台功能少、扩容性也比较差的局面，它的基本思想就是通过在硬件上安装不同的可以升级，可以重新设置参数的应用软件来实现很多的通信功能和众多无线电功能的设计新思路[1]。这样制造商不仅可以节省许多的硬件资源，而且还可以明显的缩短新产品的研发周期，这样就能更适应市场的要求，进而获取更大的利益。软件无线电拥有开放式模块化体系，它的主要组成模块有：宽带A/D&D/A、可编程DSP模块、窄带A/D&D/A、用户终端模块等。在接收端可以通过射频(RF)处理和变换所接收到的信号，由宽带A/D将其进行数字化，再通过可编程的DSP模块处理为我们所需要的各种信号并将处理后的信号送到多功能用户终端。同理，我们也可以利用相同的模式将数据通过天线发射出去，并利用在线和离线软件实现通信环境的各种性能分析处理。软件无线电所拥有的可编程特点，即RF频段和带宽、传输速率、信道接入方式、业务类型、加密方式等都可以利用软件编程来实现[2]、[3]。它所具有的开放式模块化结构就为调制解调的实现提供了一个相当良好的软硬件平台，有好的一面当然也有坏的一面坏的一面就是对调制解调技术提出了更为严格的要求，其严格的要求主要体现在以下几个方面：★移动通信系统都存在着多普勒效应、多径衰落、噪声等不好的因素，这样就要求调制技术拥有抗噪声等性能，使其拥有优越的载干比，并让系统能够得到好的误码率性能；★移动通信系统中可用的频带资源少，这样就要求调制以后的信号即使占有较窄的频带宽度就能实现其功能；★移动通信系统为了增加系统容量，让使用的用户更多，它就采用频率复用技术。这样就存在邻道同频道两种干扰，所以这就要求我们所使用的调制技术必须具有很好的频谱特性以减小干扰，使其系统更加优越；★移动通信系统中的发送接收机所用的功率放大器一般都有非线性的特性，这样就使得无线信道也具有相同的特性了，所以我们所使用的调制技术也应该拥有包络恒定的特点，用来降低功率放大器所造成的不良方面；★因为差分解调并不像相干解调那样需要相干载波的恢复，这样系统就简单了，构造简单了成本自然就低，所以我们应该尽量选择差分解调方式；★容易实现，所需设备尺寸小[4]这样成本低。为了达到上面所讲的严格要求，人们就想出了一系列的数字调制解调 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。单从携带信息的载波参量来看，就分成了幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)、相移键控(PSK)、正交幅度调制(QAM)等；从调制电平数量来看，又可以分成二进制调制和多进制调制；从信号相位路径的连续性来看，又可以分成不连续相位调制和连续相位调制；而从包络的起伏状况来讲，又可以分成恒包络调制和非恒包络调制。在这众多的调制里面，非恒包络调制的实现相比较其它的调制实现起来是比较容易的，并且它具有很高的频谱利用率，有这样的优点就非常利于全数字了。但它也容易受到功率放大器的影响，一般所使用的非恒包络调制有幅移键控、频移键控、相移键控。相对于非恒包络调制，恒包络调制就具有更多的优点了，因为在恒包络调制中不管调制信号如何波动，载波的幅度都是固定不变的，也不容易受功率放大器所产生的非线性特性的影响，常用的恒包络调制就是MSK、GMSK。GMSK(高斯滤波最小移频键控)作为一种很好的数字调制技术，其实还是由OQPSK、MSK一步一步演变而来的[20]。GMSK(高斯滤波最小移频键控)就是将调制的不归零(NRZ)数据通过预调制高斯低通滤波器来降低频谱上的旁瓣。因为调制信号在跨越零点时不但相位连续，而且过滤也很平滑，所以GMSK调制的信号就拥有了频谱紧凑，误码特性好，带外辐射低等特点。图1.1-1是GMSK(高斯滤波最小移频键控)与其他几种数字调制方式的输出信号的功率谱比较,从图中我们可以清楚的看出,GMSK已调信号的功率谱密度性能比其他几种数字调制方式都要好，因为它的主瓣比较窄，而旁瓣衰减的又更快，所以这就验证了GMSK调制的频谱利用率高，抗干扰能力强的特点。图1.1-1GMSK调制与几种数字调制方式的功率谱比较GMSK(高斯滤波最小移频键控)调制方式能满足移动通信环境下对邻道干扰的严格的要求，它以其良好的性能而被全球数字蜂窝移动通信系统(GSM)所采用。数字调制解调技术是数字蜂窝移动通信系统空中接口的重要组成部分，GMSK是从MSK(最小移频键控)发展起来的一种技术。MSK调制实际上是调制指数为0.5的二进制调频，具有包络恒定、占用相对较窄的带宽等优点。但是MSK的带外辐射较高，影响了频谱效率。为了抑制带外辐射、压缩信号功率，可在MSK调制器前加入预调制低通滤波器。GMSK调制就是在MSK调制器之前插入高斯低通预调制滤波器的这样一种调制方式。1.2国内外研究现状及发展趋势随着现代通信技术的发展，移动通信技术得到快速发展，许多优秀的调制技术应运而生，1979年由日本国际电报电话公司提出的GMSK调制方式，GMSK调制作为恒包络调制的一种，就是在MSK调制的基础上发展起来的，其基本原理就是运用在MSK调制器前插入的高斯低通滤波器对输入数据进行处理[22]。然后恰当地选择高斯低通滤波器的带宽，使信号的带外辐射功率小到可以达到上面所讲的软件无线电对调制解调技术的严格要求。所以GMSK技术是无限通信中比较突出的一种二进制调制方法，它具有良好的功率谱特性和较好的抗干扰性能，特别适用于无线通信和卫星通信，特别是带外辐射小，很适用于工作在VHF和UHF频段的移动通信系统，越来越引起人们的关注并获得了广泛的应用，如GSM、GPRS系统、无线局域网、航空数据链等都采用了GMSK技术。1.3本文主要研究内容在介绍软件无线电的基础上，将重点阐述GMSK调制的原理和算法，同时在GMSK调制原理的基础上，对GMSK调制中BT参数对系统性能的影响进行仿真。再研究其最佳的解调算法并提出实现GMSK调制和解调的具体方案，并对所提出的方案进行建模仿真验证。具体安排可以分为以下几个部分：第一章：主要介绍选题的依据及意义和国内外研究现状及发展趋势；第二章：主要介绍两种数字调制方式的原理，以及它们的优缺点，在介绍MSK调制的基础上，重点介绍GMSK调制的原理及其算法，对GMSK调制信号的形式进行具体分析，同时通过仿真对比分析了MSK调制与GMSK调制的误码性能；第三章：主要提出实现GMSK调制与解调的具体方案并深入研究其算法，对解调中的一比特检测算法做了详细的研究，在此基础上对波形存储正交调制法和一比特差分解调算法进行了详细分析并对其进行建模仿真分析；第四章：主要是对全文进行设计 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。2两种数字调制方式在移动通信系统中，随着容量的不断盲目扩大，现在已经慢慢出现了许多新的问题，这些问题主要就是信道的带宽受到严格限制还有就是功率放大器的非线性对传输信号的影响。而是否能够解决上面的对这些问题，主要表现在我们能否充分地利用有限的频带宽度。而多进制调制一般就能够解决这一问题，恒包络技术可以适应功率放大器所产生的非线性特性，同时也能够保持较小的频谱占用率。现在经常使用的几种数字调制技术有交错正交四相相移键控(OQPSK)、最小移频键控(MSK)、高斯滤波最小移频键控(GMSK)等。下面我们就主要对最小移频键控(MSK)、高斯滤波最小移频键控(GMSK)调制方式进行讲解[5]。2.1最小移频键控(MSK)在当代的移动通信系统中，最小移频键控(MSK)是非常受欢迎的调制方式之一。因为当信道中存在由功率放大器所产生的非线性和带宽受限等问题的时候，幅度变化的数字信号在通过信道的时候可以使已滤除的带外频率分量还原，从而发生频谱扩展现象。所以在当代的移动通信系统中我们对己调信号有两点要求，第一就是需要包络恒定；第二就是需要具有最小功率谱占用率。从而，现代数字调制技术的发展方向就是朝着最小功率谱占有率的恒包络数字调制技术的方向发展的。在最近三十年来发展起来的新技术一般可以分成两类:其中一类就是连续相位频移键控(CPFSK)调制技术，它在码元转换时没有相位的突变，比如MSK、GMSK；而另一类就是相关相移键控技术(CORPSK)，利用一些响应技术，对传输数据先进行必要的相位编码，接着进行调频。MSK其实就是FSK的一种改进形式。图2.1-1指出了不同调制指数下的CPFSK调制所对应的频谱特性[6]。图2.1-1CFPSK中对应不同调制指数的频谱特性从上图2.1-1我们可以看出，当调制指数为0.5时，它的频谱利用率达到了最高值，因为主瓣高旁瓣低。MSK调制方式其实就可以看成是调制指数等于0.5的一种特殊的CPFSK信号。但它拥有很多的优点[5]:★98％的信号能量都集中在带宽是0.5倍的符号速率间，所以其辐射比较小；★信号一般都包络恒定，这样就使高效率的非线性滤波放大器能够应用了；接着我们研究一下MSK信号的算法。MSK的相位表达式可以表示为：(2.1-1)因为：t<0q(t)=0tT(2.1-2)t>T所以：(2.1-3)调制信号表达式可以表示为：(2.1-4)这样我们不难看出在一个码元时间段内，MSK信号可以写成一个余弦信号的形式，它的频率有两种可能而我们只用其中的一种，这两个频率表达式如下所示:(2.1-5)(2.1-6)频率间隔。在调频信号中如果码元间隔为T，那么调制该码元信号的两个正交信号的最小信号的最小频率间隔为。这就是调制指数为0.5时的二进制cpfsk为什么被称为最小移频键控(MSK)的原因。MSK的调制框图如下图所示:图2.1-2MSK调制框图因为MSK信号在比特转换的时候不存在相位的剧烈变化，为了满足带宽要求而MSK信号的包络又不会出现过零现象，我们可以在接收机上运用限幅技术消除包络上的细小变化，而不让其出现带外功率上升的现象。MSK接受信号表达式可以表示为：(2.1-7)(2.1-8)t<0q(t)=0tT(2.1-9)t>T等效基带表达式：(2.1-10)和是完全独立的高斯噪声，其双边带功率谱是MSK如果满足下面两个条件它同样也是一种特殊的2FSK信号：★相位连续变化；★两个载频正交且频率间隔最小。其表达式可以表示为：(2.1-11)在表达式中，是输入的码元，取值可以是±1；是载波频率；是码元宽度；是为了保证在=时刻相位连续的相位常数。(2.1-12)为了让调制信号在=时刻相位连续，应该使(2.1-13)把2.1-12)式带入到(2.1-13)式中通过整理可以得到如下表达式：(2.1-14)如果，那么或（模：），上面的表达式很清楚的说明了前后比特区间的相位关系，就是本比特区间内的相位常数不仅与本比特区间的输入有关系，还与前一比特区间内的输入及相位常数有关系。对于给定的输入信号序列={+1,-1,-1,+1,+1,+1}，相应的附加相位函数的波形如下图2.1-3所示：图2.1-3相位函数θk(t)的波形图我们接着推导MSK的正交表达式：(2.1-15)因为：所以：(2.1-16)上面的表达式说明MSK信号就是两个相互正交的信号合成，其同相分量表达式为：(2.1-17)正交分量为：(2.1-18)为支路，为支路。其中支路的数据为，支路的数据为，我们不难看出它们都是和输入数据有关。它的单边功率谱表达式可以表示为：(2.1-19)从上面内容我们看到最小移频键控(MSK)的许多性质都让移动通信系统得到了改善，如最小移频键控(MSK)具有独特的主瓣。这使得最小移频键控(MSK)特别适合作为移动通信系统的调制方案。但它自身也有很多不足之处，因为它的功率谱密度的旁瓣较大，在移动通信中要求己调信号在邻道的辐射功率与所需功率比应该小于-60dB，而最小移频键控(MSK)信号还不能满足这个要求[5]。为了使系统的输出功率谱变得更加紧凑，下面的章节将介绍高斯滤波最小移频键控(GMSK)调制。2.2高斯滤波最小移频键控(GMSK)2.2.1GMSK概述为了进一步改善最小移频键控(MSK)的频谱特性，最有效的方法就是可以对基带信号进行平滑处理，以此来实现改善频谱特性的目的。高斯滤波最小移频键控(GaussianMinimumShiftKeying简称GMSK)就是利用高斯低通滤波器对基带信号进行这种预处理的[7]一种调制技术。GMSK作为一种很好的数字调制技术，也是在MSK调制的基础上才慢慢发展起来的一种优越的数字调制方式，GMSK所具有的良好性能一般都比MSK优越，例如频带更窄，频谱更平滑(如图2.2.1-1)，其信号也容易产生，抗外界干扰的能力更加的强。其特点是在数据流送交频率调制器前先通过一个Gauss滤波器(预调制低通滤波器)进行预调制滤波处理，从而减小两个不同频率的载波切换时候的跳变能量，使得在相同的数据传输速率时频道间距可以变得更为紧密，因此GMSK信号比MSK信号具有更窄的带宽。并且调制信号在交越零点时相位连续、过滤平滑、信号频谱紧凑、误码特性好，所以高斯滤波最小移频键控(GMSK)在数字移动通信系统中得到了广泛地应用。从1979年日本提出GMSK技术到现在，已经有很多的研究人员有针对性的研究其调制解调算法方案。高斯滤波最小移频键控(GMSK)因为拥有很好的频谱效率，其恒包络的特性又使得它能够使用效率很高的C类功率放大器，正是因为它拥有这么多优良的特性所以很多通信系统[8]都运用了这种调制解调技术。我们主要是对GMSK调制与解调算法进行研究并研究调制技术在软件无线电中的应用，主要目的在于通过本文的研究，深入地了解GMSK调制解调技术，完成GMSK的调制解调方案设计论证，并运用仿真软件对各个方案进行计算机仿真验证。图2.2.1-1GMSK调制信号的频谱2.2.2GMSK调制基本原理前面我们已经讲了高斯滤波最小移频键控(GMSK)信号就是在MSK调制信号的基础上发展起来的，MSK信号可以看成是调制指数等于0.5的连续相位CPFSK信号。即使MSK它拥有包络恒定、相位连续、相对较窄的带宽和能相干解调这些优点，但它始终不能满足一些移动通信系统对带外辐射小这点要求。如果在MSK调制前增加一个预调制低通滤波器的话，它就可以使带外辐射降低。而它就具有下面的几个特性[9]：★有良好的窄带和尖锐的截止特性，以滤除基带信号中的高频成分；★脉冲响应过冲量应尽可能小，防止已调波瞬时频偏过大；★输出脉冲响应曲线的面积应对应的相位为，使调制指数为。GMSK就应用了能够达到以上要求的预调制低通滤波器作为脉冲信号形成滤波器[10]。它的基本原理就是让数据先通过预调制低通滤波器，再让数据经过MSK调制，并经过时间带宽常数BT决定滤波器的带宽应该为多大，在一般的情况下选择BT＝0.3是非常适合于工作在移动通信系统中的。预制低通滤波器的引入就让信号的频谱变得更加的紧凑了，但它同时也引入了我们所不需要的干扰这一缺点，就是说，预调制低通滤波器的引入能够让波形在时域上大于码元时间T，所以一般情况下我们也可以把GMSK信号归入到部分响应信号[11]，高斯低通滤波器的脉冲响应可以表示为:(2.2.2-1)，B是高斯低通滤波器的3dB带宽。GMSK调制信号表达式可以表示为：(2.2.2-2)(2.2.2-3)(2.2.2-4)式中是发送信号序列，是码元能量，是符号周期，是高斯滤波冲激响应的长度，是预高斯成形函数，是高斯滤波器的3dB带宽，是载波频率，是载波相位。当=0.3，=0.5，=4时的GMSK调制的基带信号表达式可以表示为：(2.2.2-5)(2.2.2-6)(2.2.2-7)式中是常数，的所拥有的能量就占据了GMSK信号能量的99.84％，如果更大，那么项所占的能量将更大，所以我们一般都可以忽略的后半部分，这样GMSK基带信号就可表示为：(2.2.2-8)(2.2.2-9)式中EMBEDEquation.DSMT4为的频域响应。在GSM05.04 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中所定义的GMSK调制方式，如下图2.2.2-1所示：图2.2.2-1GMSK信号产生原理从图中我们可以看出高斯低通滤波器的输出脉冲再经过MSK调制就可以得到GMSK信号了，它所对应的相位路径是都是由脉冲形状所决定。由于经过高斯低通滤波后的脉冲没有陡峭沿也没有拐点，所以相位的路径就变的更加的平滑了，如图2.2.2-2所示。要想实现GMSK调制最主要就是要把高斯低通滤波器设计好，所以在实际应用中我们一般都会在调制之前对输入的数据先进行差分预编码处理。如果输入数据为(2.2.2-10)而代表模2加，(2.2.2-11)将差分编码之后的不归零数据通过高斯低通滤波器和MSK调制器，就可以得到GMSK调制信号了，高斯预调制低通滤波器的传递函数可以表示为：(2.2.2-12)图2.2.2-2GMSK、MSK的相位路径为滤波器的3dB带宽，而是系统中可变参数，一般情况下如果把的值取小一点就会使调制后信号的带宽变窄，但这样也能够引起更多的码间干扰，当趋近时就成为了MSK调制。高斯预调制低通滤波器的冲击响应函数表达式可以表示为：(2.2.2-13)式中：。而高斯预调制低通滤波器的矩形脉冲响应表达式可以表示为:(2.2.2-14)1，函数=其中代表卷积0，其它将表达式(2.2.2-13)带入到表达式(2.2.2-14)中可以得到下列表达式：(2.2.2-15)在GSM通信系统中所规定的信道传输速率是:(2.2.2-16)时的波形如下图2.2.2-3所示，其中横坐标每一个小格就代表1个码元的宽度，的积分表达式为：图2.2.2-3g(t)的波形图根据表达式(2.2.2-16)就可以推导出GMSK信号的表达式：(2.2.2-17)式中是载波角频率；是比特宽带；是输入的不归零数据。5_1348470489.unknown_1349244943.unknown_1349350304.unknown_1350582487.unknown_1355924032.bin_1361814590.unknown_1363375236.unknown_1363634898.unknown_1363373788.unknown_1356766289.unknown_1357153883.unknown_1356766330.unknown_1356766144.unknown_1355407012.unknown_1355407051.unknown_1355922024.bin_1355319393.unknown_1355319394.unknown_1354795758.unknown_1349351006.unknown_1349352456.unknown_1349353156.unknown_1349353656.unknown_1349353670.unknown_1349353682.unknown_1349353312.unknown_1349352475.unknown_1349352184.unknown_1349352237.unknown_1349351063.unknown_1349350417.unknown_1349350443.unknown_1349350367.unknown_1349245727.unknown_1349246069.unknown_1349246118.unknown_1349246134.unknown_1349246090.unknown_1349245995.unknown_1349246010.unknown_1349245975.unknown_1349245594.unknown_1349245642.unknown_1349245686.unknown_1349245625.unknown_1349245000.unknown_1349245033.unknown_1349244982.unknown_1348562460.unknown_1349032347.unknown_1349032438.unknown_1349032467.unknown_1349244923.unknown_1349032451.unknown_1349032400.unknown_1349032420.unknown_1349032366.unknown_1348562858.unknown_1349032297.unknown_1349032316.unknown_1349032243.unknown_1348562657.unknown_1348562722.unknown_1348562508.unknown_1348562541.unknown_1348471720.unknown_1348562356.unknown_1348562412.unknown_1348562445.unknown_1348562385.unknown_1348473078.unknown_1348473173.unknown_1348472759.unknown_1348471223.unknown_1348471336.unknown_1348471371.unknown_1348471321.unknown_1348471083.unknown_1348471203.unknown_1348471146.unknown_1348471168.unknown_1348470514.unknown_1348345445.unknown_1348346777.unknown_1348346909.unknown_1348470437.unknown_1348470461.unknown_1348347083.unknown_1348346820.unknown_1348346850.unknown_1348346794.unknown_1348345599.unknown_1348345993.unknown_1348346758.unknown_1348345750.unknown_1348345512.unknown_1348345566.unknown_1348345484.unknown_1348334087.unknown_1348344388.unknown_1348345302.unknown_1348345371.unknown_1348344515.unknown_1348344164.unknown_1348344357.unknown_1348334402.unknown_1348330777.unknown_1348331660.unknown_1348333331.unknown_1348323122.unknown_1348323200.unknown_1348324271.unknown_1348323126.unknown_1348323006.unknown