2022年现代通信系统中的调制与编码技术 .pdf

《2022年现代通信系统中的调制与编码技术 .pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2022年现代通信系统中的调制与编码技术 .pdf（43页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、现代通信系统中的调制与编码技术实验报告GSM 系统物理层仿真名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 43 页 - - - - - - - - - GSM 系统物理层仿真- 2 - 内容提要GSM 移动通信系统已经遍及全世界，即所谓“全球通”，目前我国的移动通信网就是以 GSM 系统为基础的移动网络系统。对成熟的GSM 通信系统的研究，以及亲手设计和仿真GSM 通信系统的物理层传输过程，将使我们对通信的专业知识有更深的理解， 提高程序设计和协商合作的能力，对我们硕士

2、阶段接下来的研究工作也有一定的启示作用。本学期开设的现代通信系统中的调制与编码技术课程，为我们提供了这样一次实验的机会。实验需要模拟GSM 通信系统物理层的信号产生、信源编码、信道编码、信号交织、信号调制、信道传输、信号解调、信号均衡、信号解交织、信道编解码、信源解码这样一个完整的传输过程。要求参考GSM 的标准建议，采用 GSM 通信系统真实采用的传输技术， 以编程的方式仿真信号的产生、传输、接收，最后以图或数据的形式输出。在明确了实验目标之后，我们对GSM 系统物理层传输使用的技术和GSM建议进行了学习， 然后进行了任务分块， 分小组完成各模块的功能， 最后进行程序联调和对仿真系统的性能分

3、析。本文详细描述了本大组的实验过程和结果。第一章简要介绍了GSM 系统的参数和物理层传输的过程，以及在此基础上的任务分块。第二章是各个小组对模块的详细分析和所采用的实现方案。第三章介绍了系统仿真的结果，并对结果进行了分析。第四章是对本次实验的总结。关键词：全球移动通信系统（ GSM）循环编码卷积编码交织编码高斯最小移频键控调制（ GMSK）衰落信道模型（ Jakes模型）自适应均衡Viterbi 译码名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 43 页 - - - -

4、 - - - - - GSM 系统物理层仿真- 3 - 目录第一章引言 . 61.1 GSM 系统简介 . 61.2 GSM 物理层传输过程简介 . 71.3 任务分块 . 81.4 文档的安排 . 8第二章GSM 物理层模块与实现方案 . 92.1 伪随机序列的产生. 92.2 循环编码及其译码. 10 2.2.1循环码原理 . 10 2.2.2 循环编码的实现. 11 2.3 卷积编码 . 12 2.3.1卷积编码原理. 12 2.3.2程序实现 . 12 2.4 交织编码及其译码. 13 2.5 TDMA组帧与解帧 . 15 2.5.1 组帧的原理 . 15 2.5.2 组帧的仿真 .

5、16 2.5.3 解帧的仿真 . 16 2.6 GMSK 调制 . 17 2.6.1 GMSK 调制原理 . 17 2.6.2 GMSK 调制的仿真 . 19 2.6.3 程序验证 . 21 2.7 瑞丽衰落信道模型. 22 2.7.1 多径瑞丽衰落原理. 22 2.7.2 程序实现与测试. 26 2.8 解调与均衡 . 28 2.8.1 各模块工作原理说明. 29 2.8.2 各模块实现说明. 33 2.8.3 测试模块说明. 33 2.9 Viterbi 译码 . 37 2.9.1 实验原理 . 37 2.9.2 程序实现与验证. 38 2.9.3 测试结果 . 39 第三章系统仿真结果与

6、分析. 40 第四章实验总结 . 42 参考文献 . 43 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 43 页 - - - - - - - - - GSM 系统物理层仿真- 4 - 插图目录图 1 GSM 物理层传输基本示意图 . 7图 2 m 序列的产生 . 9图 3 线性反馈移位寄存器. 10 图 4 卷积编码的工作原理. 12 图 5 卷积编码的程序实现. 13 图 6 GSM 系统的语音片的二次交织 . 14 图 7 交织后的语音片和原来的位置关系. 15

7、图 8 GSM 的 TDMA 帧结构 . 16 图 9 等效低通 GMSK 调制信号的仿真结果. 21 图 10 Doppler 功率谱 . 23 图 11 Jakes信道模型 . 24 图 12 P-K 信道模型 . 25 图 13 信道对信号的响应. 26 图 14 信道程序仿真结果. 28 图 15 MLSE 均衡接收机 . 28 图 16 蝶形运算 . 32 图 17 测试模块框图. 34 图 18 已知信道误比特率性能曲线. 35 图 19 误比特率性能曲线：. 36 图 20 信道编码性能曲线. 39 图 21 仿真 30 个语音帧的误码率曲线. 40 图 22 信道编码对GSM

8、通信传输的影响 . 41 缩略语GSM GLOBAL SYSTEM OF MOBILE COMMUNICATION 全球移动通信系统TDMA Time Division Multiple Access 时分多址2G 2 Generation Cellular 第二代蜂窝移动通信系统GMSK Gaussian Filtered Minimum Shift Keying 高斯滤波最小移频键控MLSE Maximum Likelihood Sequence Estimation 最大似然序列估计名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - -

9、- - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 43 页 - - - - - - - - - GSM 系统物理层仿真- 5 - 任务分工本组共有 13名人员，实验的小组分工情况如下：姓名完成的工作XXX 初期研究与规划，程序联调，总报告合成。XXX 随机信源、高斯白噪声设计，相关文档制作。XXX 交织、解交织模块设计，相关文档制作。XXX 卷积编码、 Viterbi 译码，循环编解码实现，相关文档制作。XXX 瑞丽多径信道设计、相关文档制作。XXX GMSK 调制、解旋转， TDMA组帧与解帧，相关文档制作。XXX 自适应均衡器与解调，相关文档制作。名师资料总结 - - -精

10、品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 43 页 - - - - - - - - - GSM 系统物理层仿真- 6 - 第一章引言GSM 移动通信系统已经遍及全世界，即所谓“ 全球通 ” ，目前我国的移动通信网就是以 GSM 系统为基础的移动网络系统。 对成熟的 GSM 通信系统的研究，以及亲手设计和仿真GSM 通信系统的物理层传输过程，将使我们对通信的专业知识有更深的理解， 提高程序设计和协商合作的能力，对我们硕士阶段接下来的研究工作也有一定的启示作用。本学期开设的现代通信系统中的调制与

11、编码技术课程，为我们提供了这样一次实验的机会。实验需要模拟GSM 通信系统物理层的信号产生、信源编码、信道编码、信号交织、信号调制、信道传输、信号解调、信号均衡、信号解交织、信道编解码、信源解码这样一个完整的传输过程。要求参考GSM 的标准建议，采用 GSM 通信系统真实采用的传输技术， 以编程的方式仿真信号的产生、传输、接收，最后以图或数据的形式输出。下面我们首先对GSM 通信系统和它的物理层传输过程作简要介绍。1.1 GSM 系统简介第二代移动通信是以GSM、窄带（N-CDMA ）两大移动通信系统为代表的。GSM 移动通信系统是基于TDMA 的数字蜂窝移动通信系统， 它是世界上第一个对数字

12、调制、网络层结构和业务作了规定的蜂窝系统。GSM 是为了解决欧洲第一代蜂窝系统四分五裂的状态而发展起来的。在GSM 之前，欧洲各国在整个欧洲大陆上采用了不同的蜂窝标准，对用户来讲，就不能用一种制式的移动台在整个欧洲进行通信。 另外由于模拟网本身的弱点， 使得它的容量也受到了限制。为此欧洲电信联盟在1980 初期就开始研制一种覆盖全欧洲的移动通信系统，即现在被人们称为 GSM 的系统。如今 GSM 移动通信系统已经遍及全世界，即所谓“全球通”，目前我国的移动通信网就是以GSM 系统为基础的移动网络系统。GSM 系统采用的是频分多址接入(FDMA) 和时分多址接入（ TDMA ）混合技术，具有较高

13、的频率利用率。对于 900MHz 的频率范围的 GSM 系统，FDMA 是说在 GSM 频段的上行链路 （即移动台到基站建立的通路， 包括所有上行信道）所采用的 890MHz915MHz的频带范围内，或者下行链路（即基站到移动台建立的通路， 包括所有下行信道）所采用的 935MHz960MHz 频率范围内分配了124 个载波频率，简称载频，各个载频之间的间隔为200KHz。上行链路与下行链路的载频是成对的，即是所谓名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 43 页

14、- - - - - - - - - GSM 系统物理层仿真- 7 - 的双工通信方式。双工收发的这一对载频的间隔为45MHz。TDMA 是说在 GSM 的每个载频上按时间分为8 个时间段，每一个时隙段称为一个时隙（ slot），我们称这样的时隙为信道，或为物理信道。一个载频上连续的 8 个时隙组成一个称之为“ TDMA Frame”的 TDMA 帧。也就说 GSM 的一个载频上可提供8 个物理信道。下面我们对本次实验涉及的GSM 物理层传输过程作简要介绍。1.2 GSM 物理层传输过程简介图 1 所示为 GSM 系统物理层传输的基本过程， 非常明显的包含了以下的通信处理过程：信源编码与译码、信

15、道编码与译码、调制与解调、信道均衡。各个模块的功能在第二章中会有详述。图 1 GSM 物理层传输基本示意图根据GSM的建议，列出 GSM的相关参数与技术方案如下：信源编码： PCM 语音信号、 RPE-LTP语音编码方案；信道编码： CRC + 1/2卷积码；交织方式： 2 次帧间交织；TDMA 帧：按照标准的 TDMA 帧结构组合；调制解调： GMSK 高斯最小移频键控调制，工作频率900MHz；名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 43 页 - - - -

16、- - - - - GSM 系统物理层仿真- 8 - 信道模型：多径瑞利衰落信道；均 衡 器：自适应均衡器，最小均方畸变准则；信道解码方式： Viterbi 解码；信源解码方式：根据信源编码方式。这样，我们的实验目标就是：根据GSM 系统参数和物理层传输构成图，模拟每一个模块的功能，实现数据的通信。1.3 任务分块根据图 1 通信系统的构成图和实验的要求，按照工作量平均和便于小组内部调试的原则，我们把本次实验分为下面4 个模块：信源编码、解码模块：完成PCM 信号和 语音编码信号间的转换；但是本次实验只要求采用伪随机序列模拟信源就可以了；信道编码、解码模块：完成卷积码编码、Viterbi 译码

17、的功能；信号交织、解交织、信道建模：交织和解交织实现比较简单，信道建模部分稍复杂，模拟瑞利衰落信道；信号调制、解调模块： GMSK 调制，等效基带信号传输；均衡器模块：自适应滤波器部分。每模块要完成的任务：透彻理解工作原理；编程、调试通过；采用测试序列检测无误，要求有输出方式；提交算法报告、工作原理报告。1.4 文档的安排本文下面的章节如下安排：第二章是各个小组对模块的详细分析和所采用的实现方案。第三章介绍了系统仿真的结果，并对结果进行了分析。第四章是对本次实验的总结。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理

18、 - - - - - - - 第 8 页，共 43 页 - - - - - - - - - GSM 系统物理层仿真- 9 - 第二章GSM 物理层模块与实现方案2.1 伪随机序列的产生GSM 系统是数字通信系统，信息的传输以数字信号形式进行。对语音信号时必须将它转换为数字信号，在接收端将它还原为模拟信号。GSM 系统采用 RPE-LTP语音编码方案，属于混合编码方案中多脉冲线性预测编码。线性预测技术的目的是采用一系列预测参数反映波形的产生过程而不是跟踪波形本身。在本次实验中，根据实验要求，这一部分用随机序列发生器（m序列）产生。信息比特由随机序列发生器 （m 序列）产生。m 序列是最长线性反馈

19、移存器，它是由带线性反馈的移存器产生的周期最长的一种序列。由于 m 序列的均衡性、游程分布、自相关特性和功率谱与随机序列的基本性质很相似，所以可以认为 m序列属于伪随机序列。图 2m 序列的产生图 2 所示的反馈移存器说明了移位寄存器产生m 序列的原理，并且具有一般性。假设其特征多项式为41xx，初始状态为3210(,)(1,0,0,0)aa a a，则在移位一次时，由3a 和0a 模 2 相加产生新的输入4101a，新的状态变为4321(,)(1,1,0,0)aa aa。这样移位 15 此后又回到初始状态。 若初始状态为全 0，即(0,0,0,0)，则移位后得到的仍为全0状态。这就意味着在这

20、种反馈移存器中应避免出现全 0状态，不然移存器的状态将不会改变。因为4 级反馈移存器共有4216种可能的不同状态。除全 0状态外，只剩 15 种状态可用，即由任何4级反馈移存器产生的序列的周期最长为15。a3a2a1a0名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 43 页 - - - - - - - - - GSM 系统物理层仿真- 10 - 另一个问题是反馈电路如何连接才能使移存器产生的序列最长。所得结论是只要选择特征多项式( )f x为既约多项式，序列就具有最长周

21、期21n。图 3 线性反馈移位寄存器本次仿真中选择测量的m 序列周期是152132767，其特征多项式为151xx。序列产生框图如图3 所示。本程序设计为一个函数rndsequence （length） 。参数 length为函数返回值的数组长度。函数 rndsequence （length）在每次运行时，都会产生一个完整周期的不同起始值的伪随机序列作为模版。 根据主程序的要求序列长度length 产生相应的随机序列返回。如果 length 长于伪随机序列一个周期，返回一维数组；反之，返回多维数组。返回多维数组的维数是周期长度除length 的整数倍。2.2 循环编码及其译码对于话音信号的每2

22、0ms段 260bits ，信道编码器首先对话音信号中最重要的 Ia 类 50bits进行分组编码 (CRC校验) ，产生 3bits校验位，再与 132bits的Ib 类比特组成 185bits ，再加上 4 个尾比特“ 0”，组合为 189bits ，这 189bits再进入 12 速率卷积编码器，最后产生出378bits 。这 378bits再与话音信号中对无线信道最不敏感的类78bits组成最终的 456bits组。因此信道编码后信道传输速率为 22.8kbit s。2.2.1循环码原理CRC 校验采用多项式编码方法。 被处理的数据块可以看作是一个n 阶的二进制多项式， 由012211

23、axaxaxaxnnn。如一个 8 位二进制数 10110101可以表示为：10101101234567xxxxxxx。多项式乘除法运算过程与普通代数多项式的乘除法相同。 多项式的加减法运算以2 为模，加减时不进，错位，和逻辑异或运算一致。aaaaa名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 43 页 - - - - - - - - - GSM 系统物理层仿真- 11 - 采用 CRC 校验时，发送方和接收方用同一个生成多项式g（x）, 并且 g（x）的首位和最后一

24、位的系数必须为1。CRC 的处理方法是：发送方以g（x）去除 t（x） ，得到余数作为 CRC 校验码。校验时，以计算的校正结果是否为0 为据，判断数据帧是否出错。CRC校验码的编码方法是用待发送的二进制数据t （x）除以生成多项式g（x） ，将最后的余数作为CRC 校验码。其实现步骤如下：设待发送的数据块是m位的二进制多项式t （x） ， 生成多项式为 r 阶的 g （x） 。在数据块的末尾添加r 个 0，数据块的长度增加到m+r位，对应的二进制多项式为( )rx t x。用生成多项式g（x）去除( )rx t x，求得余数为阶数为r-1 的二进制多项式 y（x） 。此二进制多项式y（x）就

25、是 t （x）经过生成多项式g（x）编码的CRC 校验码。 用( )rx t x以模 2 的方式减去 y （x） ， 得到二进制多项式( )rx tx。( )rx tx就是包含了 CRC 校验码的待发送字符串。从 CRC 的编码规则可以看出， CRC 编码实际上是将代发送的m位二进制多项式 t （x）转换成了可以被g（x）除尽的 m+r位二进制多项式( )rx tx，所以解码时可以用接受到的数据去除g（x） ，如果余数位零，则表示传输过程没有错误；如果余数不为零， 则在传输过程中肯定存在错误。 许多 CRC 的硬件解码电路就是按这种方式进行检错的。同时( )rx tx可以看做是由 t （x）和

26、 CRC 校验码的组合，所以解码时将接收到的二进制数据去掉尾部的r 位数据，得到的就是原始数据。2.2.2 循环编码的实现/reg是一个 4 bits的寄存器把 reg 中的值置 0. 把原始的数据后添加r 个 0. While ( 数据未处理完 ) Begin If (reg首位是 1) reg = reg XOR 011. reg 中的值左移一位， 读入一个新的数据并置于register的 0 bit的位置。End reg 的后 3 位就是我们所要求的余数。这种算法简单，容易实现，对任意长度生成多项式的G （x）都适用。在发送的数据不长的情况下可以使用。名师资料总结 - - -精品资料欢迎

27、下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 43 页 - - - - - - - - - GSM 系统物理层仿真- 12 - 2.3 卷积编码2.3.1 卷积编码原理卷积码是由连续输入的信息序列得到连续输出的已编码序列。卷积码通常用 2 个参数来描述：码率(Code rate)k/n和约束长度（Constraint length ） K;k/n是在一个编码周期内进入卷积编码器的位数k 与卷积编码器输出的码元数n的比值；K则表示了编码器的长度， 即：多少个 k 比特 bit位的段可供输入组合逻辑，以产生

28、输出码元（ symbol） 。通常把卷积码记作 (n,k,K)。卷积码编码器的一般形式如下图所示，它包括：一个由K 段组成的输入移位寄存器， 对应有基于生成多项式的m个线形方程， 每段有 k 级，共有 K*k 位寄存器；一组由 n 个模 2 加法器组成的组合逻辑电路； 一个由 n 级组成的输出移位寄存器。输入数据每次以k 个 bit( 移入移位寄存器，同时有n 个 bit( 数据作已编码序列输出。移位寄存器中的内容称为当前的编码状态，共有12K个编码状态，组合逻辑可由八进制或二进制生成多项式来表示。: 图 4 卷积编码的工作原理在信息 bit编码完毕后， 需要再输入 m=K-1个 0，以清空移

29、位寄存器， 使寄存器的内容处于已知的状态，以便对数据进行解码。这m 个 0 的编码及所产生的 2m 个码元，称之为 flushing位，与编码后的信息bit 一起发送。2.3.2 程序实现卷积编码 GSM 标准：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 43 页 - - - - - - - - - GSM 系统物理层仿真- 13 - （2，1，5）编码速率： 1/2 ，约束长度： 5 生成多项式：4343()1()1g DDDg DDDD和数据产生方法如下图：图

30、5 卷积编码的程序实现卷积编码大概步骤 ：1.状态初始化，初始状态为全0；2.进入循环；1)根据状态确定输出数据；2)更新状态；3)未结束，继续。3.输出数据存放。2.4 交织编码及其译码移动通信信道的干扰、衰落等往往产生较长的突发误码，采用交织技术的目的是使误码离散化， 使突发差错信道变为离散差错信道，接受段纠正随机离散差错，能够改善整个数据序列传输质量。信道编码虽然可以检测或者使纠正突发错误，但是对于长的连续错误就无能为力。交织就是让连续的bit 分散开来，使得连续的错误不会使语音片的错误不会是发生在连续的位置上。GSM 移动通信中使用的是二次交织。第一次对语音片（456bit，20ms）

31、作一次片内交织。第二次是对不同的语音片作片间交织。交织过程如下：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 43 页 - - - - - - - - - GSM 系统物理层仿真- 14 - 把每个语音片（ 456bit）分成 8 个子块，如下：第 0 子块：由原来的 0，64，128 448，56 392号 bit 组成(共 57bit)；第 1 子块：由原来的 1，65，129 449，57 393号 bit 组成； 第 7 子块：由原来的 7，71，135 45

32、5，63 399号 bit 组成。再将这 8个子块依次向左循环移位0，8，16 56 次，就形成了供不同的语音块之间交织的新子块。 不同的语音片间交织的深度为2 片。经过交织后， 第n 片（456bit）数据的偶数号比特依次是经过重排后的第n片中的前四个新子块组成的，奇号 bit 是依次由重排后的的第n1 个语音片的后四个新子块组成的；交织后的第 n1 片的信号的偶数号bit 依次是重排后的第 n1 片中的前四个新子块组成的，奇数号bit 依次是重排后的第n 片语音的后四个新子块组成的 整个过程图示如下：图 6 GSM 系统的语音片的二次交织（图中的虚线表示奇数号bit，实线表示偶数号bit）

33、最后就得到了 GSM0305 的全速率 TCH 的交织公式：i（B, j）=C(n, k ); 其中： C（n, k）表示第 n个语音片的第 kbit（k0 455） ，i（B， j）表示交织后的第 B 个块（ 144bit，两个子块）中的第j 比特，BB04n+(k mod 8 ),B0 表示含第 0 个语音块的第 1 个突发， j249k mod 57+ (k mod 4) div 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 43 页 - - - - - - -

34、 - - GSM 系统物理层仿真- 15 - 4. 按照这个公式，作一个地址映射表，查表就可以得到交织后的各个bit 在原来的语音片中的位置。交织后的语音片和原来的位置关系如下图：图 7 交织后的语音片和原来的位置关系从而我们可以得到一个地址映射表的构造方法：用一个两维数组来记地址映射关系。数组的第一维记的是语音片在交织后的时隙中的位置，第二维记得是它是由此时隙所在的语音片（记1）交织而来的还是上一个语音片（记1）交织而来的。用此映射表来对每一个收到的语音片进行对照。语音片和映射表对应位置的第一维记的表示此bit 原来在时隙中的位置，第二维记的是它的时隙是属于上一个语音片（ 1）还是本语音片（

35、 1） 。这样就可以解出所有的语音bit 的原位置。2.5 TDMA 组帧与解帧2.5.1 组帧的原理GSM 的 TDMA 帧结构如图 8 所示：一个 TDMA 帧由 8 个时隙组成，每个时隙含156.25个比特，长度为0.557毫秒。TDMA 帧又可以组成含26个 TDMA 帧的 26 复帧或含 51 个 TDMA 的 51复帧。51 个 26 复帧或 26 个 51 复帧组成一个超帧，含1326个 TDMA 帧。为了加密需要， 2048个超帧组合在一起编号，形成一个超高帧。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师

36、精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 43 页 - - - - - - - - - GSM 系统物理层仿真- 16 - 012345673TB58比特信息位26比特训练序列58比特信息位3TB8.25GP1个TDMA 帧=8个时隙（ 4.615毫秒）1个时隙=156.25比特周期（ 0.557毫秒）图 8：GSM 的 TDMA 帧结构2.5.2 组帧的仿真我们设计组帧函数为function frame_code = tdma_frame(code) 来形成TDMA 的帧结构。 其中，code为输入数组，长度为 456bit，frame_code为组帧后的数组 ,长度为 592

37、bit。对于交织后的信号，每语音帧456bit，而 TDMA每帧可传递 116bit 信息,所以使用 4 个 TDMA 帧来传递一个语音帧，多余的补零。对于其中的一个TDMA 帧，如图 8 所示，我们先插入3 比特的帧头，再插入 58 比特信息位数据，再插入26 比特的训练序列，再插入剩余的58 比特信息位数据，最后再插入 3 比特的帧尾，其余位补零。连续组帧，可将一个语音帧插入到 4 个 TDMA 帧中去。2.5.3 解帧的仿真我们设计解帧函数为function code = tdma_deframe(frame_code) ，其中，code为输出数据信息数组，长度为456bit， fram

38、e_code为组帧后的数组，长度为 592bit。对于交织后的信号，每语音帧456bit，而 TDMA 每帧可传递 116bit 信息，所以使用 4 个 TDMA 帧来传递一个语音帧，多余的补零。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 16 页，共 43 页 - - - - - - - - - GSM 系统物理层仿真- 17 - 对于其中的一个TDMA 帧，我们将其中第4 位到 61 位的数据取出，再将第 88 位到 145 位的数据取出，连续在 4 个 TDMA 帧中取出这

39、样的数据就可以组成一个语音帧。2.6 GMSK 调制2.6.1 GMSK 调制原理1差分编码在进行 GMSK 调制之前要先对数据源序列进行差分编码。差分编码可以按式（ 1.1.1）进行：-1kkkdII（2.1）式中：kI信息序列；kd差分编码后的信息序列；1, 1kI；01I。2高斯滤波高斯滤波器的冲激响应( )Gh t 为：2221( )exp22GthtTT（2.2）式中：ln(2)2 BT（2.3）0.3BT（2.4）名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 17 页，

40、共 43 页 - - - - - - - - - GSM 系统物理层仿真- 18 - 其中：B滤波器 3dB 带宽；T为输入数据比特的时间间隔，且63.691.625Ts。矩形波rect( /)t T定义为1,rect( /)20,Ttt TT当其它（2.5）矩形波通过高斯滤波器后的响应( )r t为( )rect( /)( )122Gr tt ThtTTttTTT（2.6）式中：21( )2tutedu（2.7）3调制已调信号的相位( ) t为( )( )()t kTkkkktdhr u dudtkT（2.8）式中：kd调制前经过差分编码的信息序列；名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载

41、- - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 18 页，共 43 页 - - - - - - - - - GSM 系统物理层仿真- 19 - h调制指数（在GMSK 调制中，0.5h） 。因此， GMSK 调制产生的带通信号为：002( )cos2( )bEX tf ttT（2.9）式中：bE每个调制比特的能量；0f 中心频率；0随机相位，在单个突发内为恒值。2.6.2 GMSK 调制的仿真在进行 GMSK 调制的仿真时，我们采取了等效基带的分析方式，忽略载波的影响。1GMSK 调制等效基带信号的线性近似连续相位调制信号（

42、 CPM）的等效基带信号s t为：,00expcNK nKnKs tj hACtnT（2.10）其中：1,01nLK nin lK lilAdd；11,120;1LlK lK llK；12LcN；对于 GMSK 信号， L=4。相应的等效基带信号s t 为：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 19 页，共 43 页 - - - - - - - - - GSM 系统物理层仿真- 20 - 70,0,0170,0001expexpexpexpnK nKnKniK nKninK

43、linnls tjhACtnTjhACtnTjhdCtnTjhACtnTstst（2.11）也就是说s t 是由线性部分linst 和非线性部分nlst 组成的，又因为0Ct 占有 99%的信号能量，所以我们可以将GMSK 调制后的等效基带信号S t线性近似为：00linnns tstz CtnT（2.12）式中：0e x p,1 , 1 ,nKninnizjhddjzjjid信息序列；h调制指数（1/2h） ；0Ct 时限脉冲；T码元宽度；n对当前码元产生干扰的码元数。由于 GMSK 调制信号的频谱很窄，所以相应时间域的宽度很大，将不可避免地引入码间干扰。 我们假设有 3 个码元会对当前码元

44、造成干扰， 采取波形存贮正交法，先以码元宽度为采样时间间隔对式（1.2.1）中高斯滤波器的冲激响应采样 4 个样本，将采样的 4 个样本存贮到一个数组中，则由式（2.1.3）可知：对于GMSK 调制后的序列，当前码元应由本码元的幅度与前面3 个码元在当前时刻的残留值进行叠加， 相当于引入了码间干扰， 而且不同码元对当前码元的实部和虚部造成的影响不同。2仿真结果当输入信息序列I=1, -1, 1, 1, 1, -1, -1, -1, -1, 1, -1 , -1, -1, 1, 1时，等效低通GMSK 调制信号的仿真结果如图9 所示，其中，上半部分是调制信号的实部，名师资料总结 - - -精品资

45、料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 20 页，共 43 页 - - - - - - - - - GSM 系统物理层仿真- 21 - 下半部分是调制信号的虚部：图 9：等效低通 GMSK 调制信号的仿真结果2.6.3 程序验证由于发送信息序列1,2,3,kdk的取值为1 1 ， ，而且 等效低通GMSK 调制信号相当于在当前码元的实部和虚部引入了3 个由先前码元造成的码间干扰，因此，取值应当在1 0 1， 左右。第一个码元为1d ，没有受到码间干扰的影响；第二个码元为2jd，它的实部受到了前一个码元的干

46、扰，虚部没有受到码间干扰；第三个码元为3d ，它的实部受到了第一个码元的干扰，虚部受到了第二个码元的干扰；第四个码元为4jd，它的实部受到了第一个和第三个码元的干扰，虚部受到了第二个码元的干扰；依次类推，可以验证程序的正确性。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 21 页，共 43 页 - - - - - - - - - GSM 系统物理层仿真- 22 - 2.7 瑞丽衰落信道模型由于在 GSM 信道中存在建筑物的阻挡和反射，接收机的移动等因素， 所以它可看成是一个有着多径

47、时延、Doppler 频移和 Rayleigh 衰落特性的信道。在本次仿真中我们选用的是Jakes信道模型的改进模型。2.7.1 多径瑞丽衰落原理1通道衰落的原因在无线传输环境中，信号会受到两种衰落效应，一种为长时衰落(long-term fading)，另一种为短时衰落 (short-term fading)。长时衰落是因为发射端与接受端的距离因素所造成的衰落效应。 距离因素包括： 距离长短与有无阻碍物所造成的遮蔽效应。短时衰落由于多径衰落和Doppler 效应所造成的结果。因为传送端和接受端之间的环境或移动时产生。 信号的振幅和相位会在短时间内快速改变而导致信号失真。2多径衰落信号从传送端

48、经信道到接受端，之间会受到很多干扰，如被地面阻挡物反射吸收等，使得由不同路径至接受端的信号到达时间不同，并且振幅大小及相位也不一致， 这样一来会造成互相干扰， 也就是所谓的多径干扰。 当接收信号是从任意不同方向而来， 并且没有明确的直接路径的话， 数目一多就可以用中央极限定理来推论，收到的信号可以用一组期望值为0 的复数高斯过程来模拟其性质。信号大小成Rayleigh 分布，而相位则是均匀分布，我们称这种信道为Rayleigh衰落信道。我们在这次仿真中考虑的就是这种信道。信道的冲击响应可以用下式来表示：1,( )nNjtnnnhttte（2.13）其中( )nt为第 n 个路径的振幅大小， N

49、 表示路径的个数，( )nt表示第 n 个路径的传输延迟时间，( )2( )ncntft为第 n个路径的相角，cf为载波频率。( )nt在本次仿真中是Rayleigh 分布。在模拟的过程中我们假设多径个数N 和时延( )nt不随时间的变化而变化，主要考虑( )nt对系统的影响。本模型是频率选择性信道。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 22 页，共 43 页 - - - - - - - - - GSM 系统物理层仿真- 23 - 3Doppler 效应由于是在移动中接收信

50、号，电波频率会因入射方向和传播方向不一致而发生变化，称之为Doppler 频移，可以用下式来表示：(/)cosdfV，V为接受端的移动速度，为电磁波的波长，为电磁波入射角度。由上式可以看出Doppler 最大频移为(/)mfV。在多径传输信道中，电磁波由不同路径到达接收端，因此会有不同的入射角度，也因此会有不同的频率偏移量。Doppler 的频谱如图 10，表达式为：211(/)( )0mmmCmfffffSff图 10Doppler 功率谱4模拟信道方法信道必须符合Rayleigh 分布和 Doppler 频移效应。在本次仿真中采用的是Jakes信道模型，利用这个模型可以得非常近似Rayle