通信原理GMSK实验报告9934.pdf
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1、邮电大学 通信原理实验 实验报告 实验名称:高斯最小移频键控(GMSK)调制器实验 学院:信息与通信工程学院 班级:2010211123 XX:X 伟强 学号:10210958 教师:韩老师 1/26 目录 一、实验目的.2 二、实验内容.2 三、实验原理.2 1、GMSK 调制器工作原理及相位路径的计算.2 2、数字信号处理方法实现 GMSK 调制器.4 四、实验步骤.5 五、系统设计.6 1、总体设计.6 2、软件部分.6 3、硬件部分.16 六、拓展部分.20 七、故障与解决方法.22 1、软件部分.22 2、硬件部分.24 八、心得体会.25 2/26 一、实验目的 1、通过利用数字基
2、带处理方法来实现高斯最小移频键控(GMSK)调制器算法的基带硬件实验,对通信系统硬件实现有新的认识及新的思路。2、掌握 MAX+plusII 及可编程器件的应用。3、学会 C 语言或 Matlab 软件进行 GMSK 相位路径及仿真眼图的编程。4、正确使用测试仪表。5、理论联系实际,培养科学实验态度,提高实际动手能力。二、实验内容 1、了解 GMSK 调制器工作原理,推导 GMSK 信号相位路径的计算公式,掌握 GMSK 调制器数字化实现的原理。2、掌握 GMSK 调制器数字化、实现地址逻辑的工作原理,用可编程逻辑器件实现地址逻辑的设计,并仿真各点波形,分析检验其时序逻辑关系。3、了解 GMS
3、K 相位路径的编程流程图,并用计算机编出相位路径(t)的余弦及正弦表。4、为了检验所编码表的正确性,可进一步利用计算机软件检验从上述码表得出的 GMSK基带波形的眼图与理论计算是否一致,若两者一致,说明所编码表正确,可将它写入EPROM 中,并将 EPROM 片子插在 GMSK 调制器硬件实验板上。5、在通信实验板上,正确使用测试仪表观看 GMSK 基带信号眼图。(1)用示波器观看 GMSK 基带信号眼图;(2)用逻辑分析仪观看地址逻辑电路各点波形及其时序关系;(3)用频谱仪观看 GMSK 调制器基带波形的功率谱。6、按上述要求写出实验报告。三、实验原理 1、GMSK 调制器工作原理及相位路径
4、的计算 MSK 调制可以看成调制指数 h=0.5 的 2FSK 调制器,为了满足移动通信对发送信号功率谱的带外辐射要求,在 MSK 调制前加入高斯滤波器,因而 GMSK 具有恒包络,连续相位的特点,其旁瓣衰减比 MSK 更快,频谱利用率更高。产生 GSMK 信号的原理图如下。GMSK 信号为()=+()=()()相位路径为()=2()=3/26 其中,g(t)为 BT=0.3 高斯滤波器矩形脉冲响应,调制指数 h=0.5,bn为双极性不归零码序列的第 n 个码元,bn为+1 或-1。高斯低通滤波器的传输函数为)exp()(22fafH 式中,a是与高斯滤波器的 3dB 带宽bB有关的一个常数。
5、由 3dB 带宽定义有 21)(2bBH 即 1222)2exp(bBa 所以 5887.02ln21baB 由此可见,改变bBa,将随之改变。滤波器的冲激响应为 2exp)(taath 由式看出,)(th不是时限的,但它随2t按指数规律迅速下降,所以可近似认为它的宽度是有限的。由于它的非时限性,相邻脉冲会产生重叠。如果输入为双极性不归零矩形脉冲序列)(ts:nnbnanTtbats1),()(式中,其他,0201)(bbTtTtb 其中,bT为码元间隔。高斯预调制滤波器的输出为 nbnnTtgathtstx)()()()(式中,高斯滤波器矩形脉冲响应为()=()()=122(2)2(+2)其
6、中()=12(22)当取不同值时,高斯滤波器的矩形脉冲响应g(t)如下图所示。4/26 经计算,BTb=0.3 的高斯滤波器的()的积分面积为 1/2,且满足以下条件()122.52.5 ()0|2.5 所以,对于BT=0.3的高斯滤波器,取g(t)的截短长度为5T来计算GMSK信号的相位(t),就可达到足够精度。由于 g(t)在 5T 时间区间呢的积分面积为 1/2,所以 BT=0.3 的 GMSK 相位路径计算大为化简。在 (+1)期间,BT=0.3 的 GMSK 的相位为()(2)+2=22)+2 L=3=(取模 4)具体计算如下。在 (+1)时()=()+()()=(2)+2(2)+2
7、=2()=(2)+2=2 2、数字信号处理方法实现 GMSK 调制器 在算得()后,即可算出cos()及()值。在工程上,首先将cos()及()离散化,制成表,固化在 ROM 中。由随机数据形成 ROM 表的地址,根据地址取出 ROM中相应的基带信号离散值,然后利用 D/A 将其数模变换成模拟基带信号cos()和(),再由正交调制器将基带频谱搬移至载频上。本实验的电路原理如图所示。5/26 在上图中,虚框内表示地址逻辑,功能是取出所需要的采样量化点。ROM 表中存放的是 1024个点的余弦值和正弦值。DAC 是模数转换,即将 1024 个数据进行量化,可以通过计算机绘图 plot 函数实现。由
8、于存在着采样造成的副主瓣,影响了功率谱特性,因此必须在 D/A 后加低通滤波器来抑制高频分量,减少副主瓣对功率谱的影响。选用在上图中,虚框内表示地址逻辑,功能是取出所需要的采样量化点。ROM 表中存放的是 1024 个点的余弦值和正弦值。DAC 是模数转换,即将 1024 个数据进行量化,又计算机绘图程序实现。LPF 是低通滤波器,可抑制高频分量,减少副主瓣对功率谱的影响。选用 3dB 带宽为 330kHz 的 6 阶贝塞尔低通滤波器,数模变换后的基带信号经低通滤波器后的功率谱满足 GSM05.05 建议的要求。四、实验步骤 1、仔细推导()、()的计算公式。2、编写 GMSK 高斯滤波器的矩
9、形脉冲响应()子程序,并绘制()的函数。3、编写计算()的程序。4、编写计算cos()及()的程序,并设计余弦及正弦 ROM 表。5、将余弦和正弦码表中的每个样值的 10bit 码字,按照地址逻辑进行存放,并用 matlab 程序实现。6、得到 ROM 存储的基本波形表,利用信号源产生的伪随机序列 a 经预编码后得到 ,经过地址逻辑运算由 ROM 中顺序取出cos()及()的离散值,然后利用计算机绘图程序(功能相当于数模变换 DAC),得到基带波形的输出,观察仿真眼图。7、把得到的正余弦表进行数字量化,写入 BIN 文件,下载到硬件系统中,通过示波器观察实际硬件实现的 GMSK 信号眼图。6/
10、26 五、系统设计 1、总体设计 2、软件部分 系统软件流程图如下图所示。7/26 开始设计g(t)相位路径(t)8bit抽样得到cos(t)和sin(t)写入正余弦表由地址逻辑取出离散值仿真眼图的绘制量化写入BIN文件下载至系统,示波器观察眼图波形 (1)()函数的产生 思路:了解到 Matlab 内置有 erfc 函数,可以通过erfc(x)的表达式,得到Q(t)的表达似式,从而根据设定的时间等参数得到()的表达式,然后在2.5T,2.5T内用 linspace 取 1000个点作图可以得到()的图像。具体编程实现如下(gt_m.m):代码:function gt=gt_m(t)%计算g(
11、t)clc;clear;T=1/270833;B=0.3/T;a=1/B*sqrt(log(2)/2);t=linspace(-2.5*T,2.5*T,1000);gt=1/(2*T)*1/2*(erfc(pi/a*(t-T/2)-erfc(pi/a*(t+T/2);plot(t,gt);title(BT=0.3时,高斯滤波器矩形脉冲响应g(t);xlabel(t(限定在5TX围内);ylabel(g(t);8/26 end 可以得到图像如下图所示:(2)相位路径()与()及()的码表的产生 思路:首先由于每一个相位路径是由 5 个码元所组成的,先要编写四个象限的表,将所有情况全部罗列出来。然
12、后根据相位路径产生的公式,借助 matlab 中的积分 quad 函数,计算相位路径(),最后得到cos()及(),分别用一个 1*1024 的矩阵来表示。具体编程实现如下(p.m)。流程图如下所示:9/26 开始输入抽样点数(抽8个比特),量化电平数Q=10,BT=0.3,状态组合数b32,L4GMSK预调制滤波器的矩型脉冲响应g(t)子程序生成b32码表状态数n=0,1,.31象限计数器L=0,1,2,3(0)t=T/8 i=0,1,2,3,4,5,6,7i=i+1(t)计算cos(t)和sin(t)结束 代码:clc;clear;T=1/270833;10/26 B=0.3/T;a=sq
13、rt(log(2)/2)/B;t=linspace(-2.5*T,2.5*T,1024);g=(t)(0.5*erfc(pi*(t-T/2)/a)-0.5*erfc(pi*(t+T/2)/a)/(2*T);%g(t)b=zeros(32,5);for n=0:31%将n转化为二进制 m=n;for j=4:-1:1 if floor(m/2j)=1 b(n+1,5-j)=1,m=m-2j,end;end;b(n+1,5)=m;for i=1:5 if b(n+1,i)=0 b(n+1,i)=-1;end;end;end;pa=;for n=0:31 for L=0:3 fai=0;for j=
14、-2:2 fai=fai+pi*b(n+1,j+3)*quad(g,-2.5*T,-j*T-T/2);end fai=fai+L*pi/2;for i=0:7 delta=0;for j=-2:2 delta=delta+pi*b(n+1,j+3)*quad(g,-j*T-T/2,i*T/8-j*T-T/2);end pb=fai+delta;pa=pa,pb;end end end%plot(t,pa)s=sin(pa);%正弦表 c=cos(pa);%余弦表 save(sin.mat,s);save(cos.mat,c);(3)眼图的绘制 思路:得到ROM存储的基本波形表后,利用信号源产生
15、的伪随机序列a经预编码后得到,经过地址逻辑运算由ROM中顺序取出cos()及()的离散值,然后利用计11/26 算机绘图程序(功能相当于数模变换DAC),得到基带波形的输出,观察仿真眼图。流程图如下:开始设置取样点数(每比特8个抽样点),每样值量化电平数Q=10产生232-1 m序列伪随机序列起始地址为0000000000先取四位随机码作为初始值TIMES=1000M=0取下一位信息码形成7位地址逻辑(含2位象限数及5位信息随机码)I=0,1,2,3,4,5,6,7取ROM中的值转换为实际值将此值转化为屏幕上一点清屏结束 说明:A、开辟空间存入ROM表以及伪随机序列。B、根据所用的 ROM 表
16、确定采样频率=8(=270.833),即一个码元时间内12/26 有 8 个抽样值,每样值的量化电平是 10,并设初始相位是 0,即起始地址是 0000000000。C、确定读取信号的数目为 10*TIMES,即每十个码元时间的波形显示于同一屏幕。共显示TIMES 次。D、由 bk-2,bk-1,bk,bk+1,bk+25 个码元及象限 L 形成地址逻辑获得 ROM 表中的 7 位地址;E、再取三位地址码,顺序取出 i=0,1,2,3,4,5,6,7 个抽样量化值,由 10 位地址逻辑找到 ROM中基带波形的位置,将其转换成实际值,存入一个数据文件用于眼图仿真,共有 10*TIMES*n个值(
17、n=8);F、根据产生眼图的原理,将每次扫描结果叠加而成,删除程序中清屏幕命令,即可看到眼图;代码:close all;%仿真眼图 p;%将ROM表导入 m=223-1;%伪随机序列个数 TIMS=500;%显示次数 k=5;t=1:80;bcos=zeros(1,80);bsin=zeros(1,80);seq=round(rand(1,m);%产生伪随机序列 an=0,seq(1:4);%初始4位随机码 figure(1);for i=1:TIMS for j=0:9 an=an(2:5),seq(k);%取下一位信息码 n=an(1)*16+an(2)*8+an(3)*4+an(4)*2
18、+an(5);if(k=5)L=0;else seq(k-5)=2*seq(k-5)-1;L=L+seq(k-5);end;k=k+1;L=mod(L,4);num=n*32+L*8;for n=0:7 bcos(j*8+n+1)=c(num+n+1)+1;%取ROM中的余弦值 bsin(j*8+n+1)=s(num+n+1)+1;%取ROM中的正弦值 end;end;plot(t,bcos);hold on;title(cos眼图);13/26 end;眼图仿真波形图:(4)量化并生出 BIN 文件 思路:为了将眼图在示波器上显示,首先将正余弦表进行 10bit 单极性量化,量化 X 围14
19、/26 为 0-1023。由于选用的芯片 ROM 为 8K。根据硬件逻辑地址,量化后的正余弦高两位、低八位分别放在不同的芯片里,所以需要三个 BIN 文件。两个 BIN 文件写入 cos 和 sin 的低八位,一个 BIN 文件写入 cos 和 sin 的高两位,sin 在前,cos 在后。另外,由于硬件电路图是用了A12A3 的信号,所以 A2、A1、A0 是没有用的,在写入 BIN 文件前需要在每两个量化结果之间插入 7 个 0 作为低位,即对每一个 BIN 文件进行扩容,否则会出现眼图无法正常显示的现象。代码:cosbin=zeros(10,1024);sinbin=zeros(10,1
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- 通信 原理 GMSK 实验 报告 9934
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