目 錄 摘要 .I Abstract. II 第一章 引 言 . 1 1.1 課題研究背景與意義 . 1 1.2 課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 . 1 1.3 課題研究內(nèi)容與技術(shù)路線 . 2 1.4 本文結(jié)構(gòu) . 2 第二章 GSM 主要原理及組成 . 4 2.1 基本工作原理 . 4 2.2 GSM 系統(tǒng)的構(gòu)成 . 4 2.2.1 移動(dòng)臺（ MS） . 4 2.2.2 基站子系統(tǒng)（ BSS） . 4 2.2.3 網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)（ NSS） . 5 第三章 GSM 系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)與分析 . 7 3.1 GSM 系統(tǒng)仿真流程 . 7 3.2 信源模塊 . 7 3.3 調(diào)制模塊 . 7 3.3.1 GMSK 調(diào)制原理 . 7 3.3.2 GMSK 模塊設(shè)計(jì) . 9 3.3.3 MSK 調(diào)制解調(diào)仿真設(shè)計(jì)與分析 . 10 3.4 發(fā)射模塊 . 16 3.5 信道模塊 . 16 3.6 射頻接收模塊 . 16 3.7 混頻模塊 . 17 3.7.1 混頻器的變頻作用 . 17 3.7.2 混頻器工作原理 . 18 3.7.3 混頻器主要性能指標(biāo) . 19 3.7.4 混頻模塊設(shè)計(jì) . 20 3.8 解調(diào)模塊 . 20 3.9 仿真參數(shù)設(shè)置 . 21 3.10 性能測試與結(jié)果分析 . 22 第 四章 結(jié)束語 . 28 4.1 設(shè)計(jì)結(jié)果與不足 . 28 4.2 總結(jié)與展望 . 28 致謝 .錯(cuò)誤 !未定義書簽。 參考文 獻(xiàn) . 31 附錄：仿真模塊參數(shù)表 . 32 I GSM 系統(tǒng)仿真 摘要 ： GSM (Global System for Mobile Communication)俗稱“全球通”，它依照歐洲通信標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì) （ ETSI） 制定的 GSM 規(guī)范研制而成， 屬于 第二代移動(dòng)通信技術(shù)（ 2G） ， 其開發(fā)目的是讓全球各地可 以共同使用一個(gè)移動(dòng)電話網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)， 讓用戶使用一部手機(jī)就能行遍全球。該系統(tǒng) 目前已經(jīng)擴(kuò)展到全世界的各個(gè)角落，成為用戶數(shù)量最大的移動(dòng)通信系統(tǒng)，而中國是擁有 GSM 移動(dòng)用戶數(shù)量最多的國家。盡管 GSM 在數(shù)據(jù)通信方面與 CDMA 相比有一定劣勢，但作為最大的移動(dòng)通信系統(tǒng)，尤其在二代半或第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)還沒有大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用的情況下，對 GSM 做進(jìn)一步研究和挖掘 具有很大的意義。 本設(shè)計(jì)主要利用 SystemView 仿真一個(gè) GSM 系統(tǒng)，在研究 了 GSM 系統(tǒng)傳輸原理和各種 相關(guān) 技術(shù)理論的基礎(chǔ)上，利用 SystemView 對其進(jìn)行 了 仿真。根據(jù)系統(tǒng)功能和指標(biāo)要求， 分別設(shè)計(jì)了 信源 、調(diào)制、 信道、射頻接收、混頻、 解調(diào)等模塊， 并 著重 介紹 了 GMSK 調(diào)制和混頻模塊， 然后 計(jì)算和 設(shè)置 了 相對應(yīng)的參數(shù)， 獲得了 系統(tǒng)仿真的整個(gè)框圖，最后對仿真結(jié)果進(jìn)行 了 分析。通過波形、 功率譜、頻譜圖和相位 圖 等仿真結(jié)果，對傳輸過程中的誤碼率等系統(tǒng)性能進(jìn)行了 評估 ，并對設(shè)計(jì)的仿真系統(tǒng)作了進(jìn)一步 的改進(jìn)與完善 。 關(guān)鍵詞 ： GSM； 仿真模塊； GMSK；混頻 II Simulation of GSM system Abstract： GSM (Global System for Mobile Communication) was established in accordance with the GSM standard made by ETSI (European Telecommunications Standards Institute), it is a kind of second generation (2G) mobile communication technology. Its development goal is to establish a common mobile phone network standard for all user over the world, client can use his cellphone anywhere. So far, it has been extended to all corners of the world and become the largest mobile communication system, China possesses the largest number of GSM mobile users. Although it has a disadvantage in compare with CDMA in daily communication, as the biggest communication system the further research for GSM is very important, especially during the period of the second or third generation mobile communication systems have no practical application of the large-scale. This design uses SystemView carry out the simulation of GSM system, and it is based on transfer principles and technology of GSM. According to the system function and indicators, an design of GSM System simulation model include: signal sources, modulation, channel transmission, radio frequency receiver, mixer and demodulator, it gave emphasis on GMSK and frequency mixer modules. This paper should figure out and set up parameters, draw up the chart the system and of analysis the simulation results. Making a simple analysis of the system performance through the simulation results of waveform, power spectrum, spectrogram plot and phase and so on, and do further improvements and perfection of the simulation system. Keywords： GSM； Simulation module； GMSK； Frequency mixer 1 第一章 引 言 1.1 課題研究背景與意義 GSM 是為了解決歐洲第一代蜂窩系統(tǒng)四分五裂的狀態(tài)而發(fā)展起來的基于 TDMA（時(shí)分多址）的數(shù)字 移動(dòng)通信系統(tǒng) ，也是 世界上第一個(gè)對數(shù)字調(diào)制、網(wǎng)絡(luò)層結(jié)構(gòu)和業(yè)務(wù)作了規(guī)定的蜂窩系統(tǒng) 。 在 GSM 之前，歐洲各國在整個(gè)歐洲大陸上采用了不同的蜂窩標(biāo)準(zhǔn)，對 用戶來講，就不能用一種制式的移動(dòng)臺在整個(gè)歐洲進(jìn)行通信。另外， 模擬網(wǎng)本身的弱點(diǎn)， 也使得它的容量 受到了限制。為此歐洲電信聯(lián)盟在 20 世紀(jì) 80 年 代初期 就開始研制一種覆蓋全歐洲的移動(dòng)通信系統(tǒng)， 也就是 現(xiàn)在被人們稱為 GSM 的系統(tǒng)。如今 GSM移動(dòng)通信系統(tǒng)已經(jīng)遍及全世界，即所謂“全球通”。目前我國的移動(dòng)通信網(wǎng)就是以 GSM系統(tǒng)為基礎(chǔ)的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) ， 并 已 成為 擁有 GSM 移動(dòng)用戶數(shù)量最多的國家。 隨著社會(huì)的發(fā)展對通信業(yè)務(wù)種類和數(shù)量的需求劇增，人們已不再滿足于第二代系統(tǒng)， 而是 正在努力的進(jìn)行系統(tǒng) 的 改進(jìn)，并朝著第三代移動(dòng)通信系統(tǒng) (3G)方向邁進(jìn)。盡管GSM 在數(shù)據(jù)通信方面與 CDMA 相比有一定劣勢，但作為最大的移動(dòng)通信系統(tǒng)，尤其在二代半或第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)還沒有大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用的 情況下， GSM 技術(shù)在很長一段時(shí)間內(nèi) 將 仍然占據(jù)我國通信系統(tǒng)的主導(dǎo)地位，所以 對 GSM 做進(jìn)一步研究和挖掘 依然具有重大 的意義。 1.2 課題國內(nèi)外 研究現(xiàn)狀 第二代移動(dòng)通信中， GSM 系統(tǒng)顯然極為重要?，F(xiàn)有的 GSM 網(wǎng)絡(luò)可以平滑過渡到無線接口技術(shù) （ WCDMA， Wideband Code Division Multiple Access） /全球移動(dòng)電信系統(tǒng)（ UMTS， Universal Mobile Telecommunication System） 網(wǎng)絡(luò)。在無線通信系統(tǒng)中，無線網(wǎng)絡(luò)部分的數(shù)據(jù)處理能力，始終是一個(gè)瓶頸，從 GSM 到無線分組服務(wù) （ GPRS， General Packet Radio Service） ， 再到 WCDMA，無線網(wǎng)絡(luò)部分的數(shù)據(jù)傳送能力隨著網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)是大 幅度增強(qiáng)的 ，從 GSM 的 9.6kb/s，演進(jìn)到后面的 HSDPA 的下行數(shù)據(jù)處理能力達(dá)到14Mb/s。無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳送能力的提高，也就有能力為終端用戶提供越來越豐富的業(yè)務(wù)?？梢韵胂?，從 GSM 系統(tǒng)僅僅提供語音業(yè)務(wù)到 HSDPA 系統(tǒng)可以 提供 高達(dá)十幾兆的數(shù)據(jù)下載速率將是一個(gè)多么驚人的變化，這也將會(huì)給人們的通信帶來極大的便利。現(xiàn)有GSM/GPRS 核心網(wǎng)則可以逐步演進(jìn)為 UMTS 核 心網(wǎng)絡(luò)，它可以同時(shí)連接 GSM BSS 和WCDMA RAN，也就是說 GSM BSS 和 WCDMA RAN 可以共享同一個(gè)核心網(wǎng)絡(luò)。從 GSM到 HSDPA 的演進(jìn)方式能確保現(xiàn)有 GSM 運(yùn)營商的利益，從技術(shù)上保證過渡的平穩(wěn)性。GSM 的分層結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)實(shí)體間的標(biāo)準(zhǔn)接口，使運(yùn)營者可以從不同的設(shè)備供應(yīng)商那兒選擇配件，也允許設(shè)備制造商們只制造某專用部分，而不需要制造整個(gè)系統(tǒng) ， 這一點(diǎn)很受設(shè)備制造商的支持。 GSM 設(shè)備制造商能夠不斷推出專用設(shè)備的第二代和第三代，使其 2 集成度更好、質(zhì)量更好、成本更低。 由此 ， GSM 繼續(xù)保持良好的發(fā)展勢頭 1 。 我國自從 1992 年在嘉興建立和開通第一個(gè) GSM 演示系統(tǒng)，并于 1993 年 9 月正式開放業(yè)務(wù)以來，全國各地的移動(dòng)通信系統(tǒng)中大多采用 GSM 系統(tǒng)， 這 使得 GSM 系統(tǒng)成為目前我國最成熟和市場占有量最大的一種數(shù)字蜂窩系統(tǒng)。截至 2010 年 1 月 ，中國手機(jī)用戶 由 2007 年年底 的 5.40 億增加到 7.38 億 。目前我國主要的兩大 GSM 系統(tǒng)為GSM900 及 GSM1800，由于采用了不同頻率，因此適用的手機(jī)也不盡相同。不過目前大多數(shù)手機(jī)基本是雙頻手機(jī)，可以自由在這兩個(gè)頻段間切換。歐洲國家普遍采用的 系統(tǒng)除 GSM900 和 GSM1800 外 ，還 加入了 GSM1900，手機(jī)為三頻手機(jī)。在我國隨著手機(jī)市場的進(jìn)一步發(fā)展，現(xiàn)也已出現(xiàn)了三頻手機(jī)，即可在 GSM900/GSM1800/GSM1900 三種頻段內(nèi)自由切換的手機(jī)，真正做到了一部手機(jī)可以暢游全世界。 發(fā)展時(shí)期 來看， GSM900發(fā)展的時(shí)間較早，使用的較多， 而 GSM1800 發(fā)展的時(shí)間較晚。物理特性方面，前者頻譜較低，波長較長，穿透力較差，但傳送的距離較遠(yuǎn)， 同時(shí)， 手機(jī)發(fā)射功率較強(qiáng)，耗電量較大，因此待機(jī)時(shí)間較短；而后者的頻譜較高，波長較短，穿透力佳，但傳送的距離短，其手機(jī)的 發(fā)射功率較小，待機(jī)時(shí)間則相應(yīng)地較長 2 。 1.3 課題研究內(nèi)容與技術(shù)路線 本設(shè)計(jì)主要利用 SystemView 仿真一個(gè) GSM 系統(tǒng)。 SystemView 仿真軟件是一種非常快捷、方便和實(shí)用的 EDA 仿真軟件，運(yùn)用它仿真系統(tǒng)不僅能有效地模擬各個(gè)模塊的工作過程，還可以通過運(yùn)行波形方便地分析其功能和總體特性，非常適用于研究各種通信系統(tǒng)。采用動(dòng)態(tài)仿真軟件 SystemView 從動(dòng)態(tài) 地 對研究對象 進(jìn)行仿真分析。使用 SystemView 進(jìn)行 GSM 系統(tǒng)仿真 的 主要流程及方法如下： (1) 建 立通信系統(tǒng)的基本數(shù)學(xué)模型：根據(jù)通信系統(tǒng)的基本工作原理，確定總的系統(tǒng)功能，將各部分功能模塊化，然后找出各部分之間的關(guān)系，畫出系統(tǒng)框圖。 (2) 建立仿真電路圖：在信號源圖符庫、算子圖符庫、函數(shù)圖符庫、信號 接 收 器圖符庫中選取滿足需要的功能模塊、將其雙擊或拖動(dòng)到設(shè)計(jì)窗口，按設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖組建系統(tǒng)，即從各種功能庫中選取可視化圖符，組建 GSM 模擬通信 系統(tǒng)。 (3) 設(shè)置仿真系統(tǒng)參數(shù)：參數(shù)設(shè)置包括運(yùn)行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置和功能模塊運(yùn)行參數(shù)，如正弦信號的頻率、幅度 和 初相 等 。 (4) 運(yùn)行仿真電路：根據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)，不斷調(diào)整各模塊 參數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行仿真，可在系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)處設(shè)置觀察窗口實(shí)時(shí)顯示，觀察分析結(jié)果。 1.4 本文結(jié)構(gòu) 本文共分四章，各章節(jié)主要內(nèi)容如下： 第一章為引言，主要介紹了課題研究背景與意義、國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀、研究內(nèi)容與技 3 術(shù)路線以及本文的結(jié)構(gòu)安排。 第二章為 GSM 主要原理及組成 介紹 ，第一節(jié)介紹了 GSM 的基本工作原理，第二節(jié)則著重介紹了 GSM 系統(tǒng)的構(gòu)成，為后面 GSM 系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。 第三章是全文的主體部分，給出了 GSM 系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真流程，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)各模塊設(shè)計(jì)方案 ， 通過 SystemView 軟件對信源、 調(diào)制、發(fā)射 、信道、接收 和 解調(diào)等模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，并計(jì)算和 設(shè)置相對應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行仿真，最后 對仿真結(jié)果 進(jìn)行分析。通過波形、功率譜、 頻譜圖和相位 圖 等仿真結(jié)果，對傳輸過程中的信號失真 等系統(tǒng)性能進(jìn)行了分析，并對設(shè)計(jì)的仿真系統(tǒng)作了進(jìn)一步的改進(jìn)與完善。 第四章為結(jié)束語，總結(jié) 了本次設(shè)計(jì) ，并對 不足之處及其造成原因 進(jìn)行了分析 ， 另外對 課題研究對象的前景做了進(jìn)一步的展望 。 4 第二章 GSM 主要原理及組成 2.1 基本工作原理 GSM 是采用 FDMA（頻分）與 TDMA（時(shí)分）制式相結(jié)合的一種通信技術(shù)，其網(wǎng)絡(luò)中所有用戶分時(shí)使用不同的頻率進(jìn)行通信。在 GSM900 頻段， 25MHZ 的頻率范圍劃分為 124 個(gè)不同的信道，每個(gè)信道帶寬為 200K，每個(gè)信道含 8 個(gè)時(shí)隙，即 GSM900M頻段在同一區(qū)域內(nèi)，可同時(shí)供近 1000 個(gè)用戶使用 4 。 2.2 GSM 系統(tǒng)的構(gòu)成 一個(gè) GSM 系統(tǒng)可由 移動(dòng)臺（ MS），基站子系統(tǒng)（ BSS）和網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)（ NSS） 三個(gè)子系統(tǒng)組成 ，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖 2-1 所示 5 。 圖 2-1 GSM 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成 2.2.1 移動(dòng)臺（ MS） 移動(dòng)臺是用戶直接使用 以 完成移動(dòng)通信的設(shè)備。 對于數(shù)字移動(dòng)通信來講，已經(jīng)從一定程度上具備了個(gè)人化的特點(diǎn) 即具有用戶私人信息的 SIM 卡和通信的物理實(shí)現(xiàn)設(shè)備的分離。 SIM 卡上包含所有與用戶有關(guān)的無線接口一側(cè)的信息，也含有鑒權(quán)和加密實(shí)現(xiàn)的信息；而物理設(shè)備可以是手持機(jī)，車載機(jī)或是由移動(dòng)終端直接與終端設(shè)備相連而構(gòu)成。 2.2.2 基 站子系統(tǒng)（ BSS） BBS 由以下幾部分組成： (1) 基站控制器（ BSC）： BSC 是基站子系統(tǒng)（ BSS）的控制部分，主要有如下功能： 接口管理：支持與移動(dòng)交換中心（ MSC）間 的 A 接口 、 與基站收發(fā)信機(jī)（ BTS）MSB T SB S CM S CA b i sM S CELRV L RH L RV L RM S CAFECBGUmV L R 5 間的 Abis 接口及與操作維護(hù)中心（ OMC）間的 X.25 接口。 BTS BSC 之間的地面信道管理： BSC 對 BTS 間的無線信令鏈路 和 操作維護(hù)鏈路進(jìn)行監(jiān)測、對無線業(yè)務(wù)信道進(jìn)行分配管理。 無線參數(shù)及無線資源管理：無線參數(shù)包括 BTS 載頻頻率、空中接口是否應(yīng)用了非連續(xù)接收 和 發(fā)射、移動(dòng)臺接入網(wǎng)最小電平設(shè)置 以及 邏輯信道與物理信道的映射關(guān)系。無線資源包括：小區(qū)內(nèi)信道配置、專用信道與業(yè)務(wù)信道的分配管理 和 切換資源管理等。 測量 和統(tǒng)計(jì)：對無線鏈路的測量 包括 處理移動(dòng)臺和 BTS 送上的測量報(bào)告，決定是否需調(diào)整 BTS 和移動(dòng)臺功率，決定是否切換；話務(wù)量統(tǒng)計(jì)：對業(yè)務(wù)信道的阻塞率，呼叫成功率，越區(qū)切換頻度等 做 出 統(tǒng)計(jì)，為系統(tǒng)擴(kuò)容和小區(qū)分裂等提供憑據(jù)。 切換：根據(jù)小區(qū)功率電平，話音質(zhì)量及干擾情況，選擇切換的目的對象，對于小區(qū)內(nèi)切換，同一 BSC 控制的小區(qū)間切換， BSC 完全控制，而不同 BSC 控制的小區(qū)間切換則由 MSC 完成。 支持呼叫控制：通過交換電路實(shí)現(xiàn)話路連接，還可提供主、被叫排隊(duì)機(jī)制。 操作與維護(hù)：收集 BSC 及 BTS 告警，并傳至 DMC，同時(shí)更新自身內(nèi)部資源表，配合 OMC 實(shí)現(xiàn)對 BSS 的軟件升級。 (2) 基站發(fā)信臺（ BTS）：受控于基站控制器（ BSC），屬于基站子系統(tǒng)（ BSS）的無線部分，服務(wù)于小區(qū)的無線收發(fā)信設(shè)備，實(shí)現(xiàn) BTS 與移動(dòng)臺（ MS）空中接口的功能。BTS 主要分為基帶單元、載頻單元和控制單元三部分?；鶐卧饕糜谠捯艉蛿?shù)據(jù)速率適配以及信道編碼等；載頻單元主要用于調(diào)制 /解調(diào)與發(fā)射機(jī) /接收機(jī)間的耦合；控制單元?jiǎng)t用于 BTS 的操作與維護(hù)。 2.2.3 網(wǎng)絡(luò) 子系統(tǒng)（ NSS） NSS 包括以下五個(gè)主要部分： (1) 移動(dòng)業(yè)務(wù)交換中心（ MSC）： MSC 是整個(gè)網(wǎng)路的核心，完成或參與網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)（ NSS）的全部功能，協(xié)調(diào)與控制整個(gè) GSM 網(wǎng)絡(luò)中 BSS.OSS 的各個(gè)功能實(shí)體。首先，MSC提供與 BSC的接口， A接口提供 GSM900/1800的 TDMA方式， Abis接口提供 CDMA的接入，提供內(nèi)部各功能實(shí)體的接口，實(shí)現(xiàn)各種相應(yīng)的管理功能，提供與公用交換電話網(wǎng)（ PSTN）、綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（ ISDN）、公用數(shù)據(jù)網(wǎng)（ PDN） 和 公用陸地移動(dòng)通信網(wǎng)（ PLMN）的接口；其次，支持一系列業(yè)務(wù) 電信業(yè)務(wù)，承載業(yè)務(wù)和補(bǔ)充業(yè)務(wù)；最后，支持位置登記、越區(qū)切換和自動(dòng)漫游等其它網(wǎng)路功能。 (2) 訪問用戶位置寄存器（ VLR）：訪問用戶位置寄存器（ VLR）是服務(wù)于其控制區(qū)域內(nèi)移動(dòng)用戶的，存儲著進(jìn)入其控制區(qū)域內(nèi)已登記的移動(dòng)用戶相關(guān)信息，為已登記的移動(dòng)用戶提供建立呼叫接續(xù)的必要條件。當(dāng)某用戶進(jìn)入 VLR 控制區(qū)后，此 VLR 將由該移動(dòng)用戶的歸屬用戶位置寄存器（ HLR）獲取并存儲必要數(shù)據(jù)。而一旦此用戶離開后，將 6 取消 VLR 中此用戶的數(shù)據(jù)。 VLR 通常在每個(gè) MSC 中實(shí)現(xiàn)。 (3) 歸屬用戶位置寄存器（ HLR）：相對于 VLR， 歸屬用戶位置寄存器（ HLR）是一個(gè)靜態(tài)數(shù)據(jù)庫 。 當(dāng)然，也存儲部分漫游移動(dòng)用戶所在 MSC 區(qū)域的有關(guān)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，包括用戶識別號碼，訪問能力、用戶類別和補(bǔ)充業(yè)務(wù)等數(shù)據(jù)，由它控制整個(gè)移動(dòng)交換區(qū)域乃至整個(gè) PLMN。 (4) 鑒權(quán)中心（ AUC）：鑒權(quán)中心（ AUC）存儲著鑒權(quán)信息和加密密鑰，防止無權(quán)用戶接入系統(tǒng)和防止無線接口中數(shù)據(jù)被竊。 (5) 移動(dòng)設(shè)備識別寄存器（ EIR）：移動(dòng)設(shè)備識別寄存器（ EIR）存儲著移動(dòng)設(shè)備的國際移動(dòng)設(shè)備識別碼（ IMEI），通過核查三種表格（白名單、灰名單、黑名單）使用 的網(wǎng)絡(luò) 實(shí)現(xiàn) 防止無權(quán)用戶接入、監(jiān) 視故障設(shè)備的運(yùn)行和保障網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行安全的功能。 7 第三章 GSM 系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)與分析 3.1 GSM 系統(tǒng)仿真流程 GSM 系統(tǒng)仿真流程有如圖 3-1 所示 幾個(gè)過程。 圖 3-1 GSM 系統(tǒng)仿真流程圖 3.2 信源模塊 GSM 系統(tǒng)提供給 GSM 用戶最重要的電信業(yè)務(wù)是電話（即語音業(yè)務(wù)），人的語音通過話筒轉(zhuǎn)換成電信號，然后通過一個(gè)濾波器使其只保留語音頻帶（ 300-3.4kHz）的信號，再以 125Hz進(jìn)行采樣，并用 13bit 字進(jìn)行量化，一個(gè) 13bit 具有 8192 個(gè)量化電平， 再 進(jìn)行編碼。目前，在 GSM 系統(tǒng)中采用的編碼方案是 13 Kbit/s 的 RPE-LTP（規(guī)則脈沖激勵(lì)長期預(yù)測），其目的是在不增加誤碼的情況下，以較小的速率優(yōu)化頻譜占用，同時(shí)到達(dá)與固定電話盡量相接近的語音質(zhì)量，流程如圖 3-2 所示 。 圖 3-2 信源處理過程 在 GSM 中，數(shù)據(jù)速率選為 270.833kbit/s，正好是 RF 頻率偏移的 4 倍，這樣 做 可以把調(diào)制頻譜降到最低并提高信道效率。 設(shè)計(jì)中 采 用一個(gè) 頻率為 270.833kHz 的偽隨機(jī)序列（ PN 碼） 作為 二進(jìn)制數(shù)據(jù)信號源 ， 將其進(jìn)行抽樣系數(shù)為 256Hz的抽樣，來模擬 GSM系統(tǒng)中的信源部分，如圖 3-3 所示 。 圖 3-3 信源模塊 3.3 調(diào)制模塊 在 GSM 系統(tǒng)中采用的是 GMSK（高斯最小頻移鍵控）調(diào)制。 3.3.1 GMSK 調(diào)制原理 GMSK 調(diào)制技術(shù)是在 MSK 基礎(chǔ)上經(jīng)過改進(jìn)得 到 的。 MSK(Minimum Frequency Shift Keying，最小頻移鍵控 )是二進(jìn)制連續(xù)相位 FSK(Frequency Shift Keying，頻移鍵控 )的一信源 G M S K 調(diào)制 信道傳播 射頻接收 混頻 解調(diào)輸出聲電輸出將模擬信號變?yōu)?13 比特線性碼R P E - LTP編碼器 8 種改進(jìn)形式。在 FSK 方式中，每一碼元的頻率不變或者跳變一個(gè)固定值，而在兩個(gè)相鄰的頻率跳變碼元信號之間，其相位通常是不連續(xù)的。 MSK 就是 FSK 信號的相位始終保持連續(xù)變化的特殊形式，即保證兩個(gè)頻 率鍵控信號正交的前提下，使用最小的頻偏，此時(shí)必須滿足： bTfff 2101 (3-3-1) 其中bT為 MSK調(diào)制器輸入的二進(jìn)制碼序列的碼元周期（間隔）。 MSK信號可表為正交信號形式，即： t2s in)(2c o s)()( ccM SK ftQtftIAtS (3-3-2) )2co s ()12()( Bbn n TtTntr ec tatI (3-3-3) )2s i n (2)( Bbn n TtnTtrectbtQ (3-3-4) 由 (3-3-2)、 (3-3-3)、 (3-3-4)式可知， MSK 信號也可以看成是一種特殊類型的 OQPSK，只是在 MSK 中， OQPSK 的兩路基帶信號的矩形脈沖被正弦形脈沖所取代。其中，na、nb為 信息經(jīng)過串并變換后的兩個(gè)序列，取值為雙極性 （ 1 ） ， rect 為矩形函數(shù) 7 。 MSK 調(diào)制 信號 具有包絡(luò)恒定，帶寬較窄，抗干擾性強(qiáng)的特點(diǎn)，是適合在窄帶信道傳輸?shù)囊环N調(diào)制方式。 GMSK 就是在 MSK 基礎(chǔ)上改進(jìn)的一種簡單的二進(jìn)制調(diào)制方法，GMSK 調(diào)制的基本原理是讓基帶信號先經(jīng)過高斯濾波器濾波，使基帶信號形成高斯脈沖之后再進(jìn)行 MSK 調(diào)制， GMSK 調(diào)制原理如圖 3-4 所示。 圖 3-4 GMSK 調(diào)制原理 借助現(xiàn)有的 MSK 調(diào)制器，很容易得到一 種并行的 GMSK 調(diào)制器的結(jié)構(gòu)： 將 碼元寬度為 T 的雙極性非歸零碼序列經(jīng)串并變換后，變?yōu)榇a元寬度為 T2 的兩路并行碼序列，且時(shí)間上相互錯(cuò)開一個(gè)碼元寬度，將兩路信號分別通過一個(gè)高斯濾波器，然后再進(jìn)行MSK 調(diào)制，就得到了 GMSK 信號。 由前面分析可知， 高斯濾波器是形成 GMSK 信號的關(guān)鍵，直接影響了已調(diào)波的特性。為了保證輸出已調(diào)波包絡(luò)恒定，相位連續(xù)且頻譜密集，高斯濾波器應(yīng)該具有 以下特性 ： 窄帶和尖銳的截止特性， 以 抑制信號的高頻分量； 沖激響應(yīng)的過沖量小，是為了防止濾波后出現(xiàn)過 大的瞬時(shí)頻偏； 高斯濾波器 M S K 調(diào)制器數(shù)據(jù) 9 保持濾波器的輸出沖激響應(yīng)下的曲線面積對應(yīng)于 2 的相移，是為了保證調(diào)制指數(shù)為 21 。 在 GMSK 中，將調(diào)制的不歸零數(shù)據(jù)通過預(yù)調(diào)制高斯脈沖成型濾波器，使其頻譜上的旁瓣水平進(jìn)一步降低。預(yù)調(diào)制高斯濾波器將全響應(yīng)信號轉(zhuǎn)換為部分響應(yīng)信號，由于 脈沖成型并不會(huì)引起平均相位曲線的偏離， GMSK 信號可以作為 MSK 信號進(jìn)行相干檢測，或者作為一個(gè)簡單的 FSK 信號進(jìn)行非相干檢測，預(yù)調(diào)制高斯濾波沖擊響應(yīng)和傳遞函數(shù)如下形式： 沖擊 響應(yīng)： )ex p ()( 22 tthG (3-3-5) 傳遞函數(shù) ： 2)()( fG efH (3-3-6) 其中 ， 與的 )(fHG的 3dB帶寬 B有關(guān)，且 有 BB /5887.022ln 。 高斯濾波器的沖激響應(yīng)沒有負(fù)值且不是時(shí)限的，但是由于其隨時(shí)間的平方按指數(shù)規(guī)律下降，因此可近似認(rèn)為其脈沖寬度是有限的。輸入的基帶二進(jìn)制序列經(jīng)過這樣的高斯濾波器濾波后，脈沖包絡(luò)無陡峭的邊緣，也沒有尖銳的拐點(diǎn)，使得已調(diào)波的相位路徑在MSK 的線性路徑的基礎(chǔ)上得到了進(jìn)一步的平滑，去掉了 MSK 信號相位路徑中的尖角，因此 GMSK 的頻譜性能要優(yōu)于 MSK。 3.3.2 GMSK 模塊設(shè)計(jì) 本次基于 Systemview 的 GSM 系統(tǒng) 仿真 建模中， 為保證 仿真的 可靠性，我們用軟件函數(shù)庫中 的頻率調(diào)制模塊mF來替代 MSK 調(diào)制部分，這樣 不僅 簡化 了 系統(tǒng) 設(shè)計(jì) ， 而且更加確保了對 GSM 系統(tǒng)整體仿真的 實(shí)現(xiàn) 。結(jié)合上面的分析，得 GMSK 調(diào)制模塊如圖 3-5所示。 圖 3-5 GMSK 調(diào)制模塊 GSM 使用一種稱作 0.3 GMSK 的數(shù)字調(diào)制方式， 0.3 表示高斯 濾波器 帶寬與比特率之比， 頻率為 270.833kHz 的數(shù)據(jù)信號源通過一 個(gè) BT=0.3 的高斯低通濾波器，占據(jù)了很大范圍的信號帶寬，同時(shí)引入了干擾。由于 BT=0.3，因此高斯濾波器的帶寬設(shè)置為81.2499e+3Hz： 270.833e+3 0.3=81.2499e+3。 GSM 工程應(yīng)用中基站下行頻率 935MHz-960MHz， 其中頻為 947.5MHz，故將調(diào)頻模塊的調(diào)制頻率設(shè)為 947.5MHz。 10 3.3.3 MSK 調(diào)制解調(diào)仿真設(shè)計(jì)與分析 前面 的 GMSK 調(diào)制模塊設(shè)計(jì)中 應(yīng)用 了一個(gè)簡單的mF調(diào) 頻模塊替代了具體的 MSK調(diào)制 部分 ，為了更好的理解 MSK 調(diào)制的實(shí)現(xiàn) ， 本節(jié)將詳細(xì)介紹 MSK 調(diào)制解調(diào)方式，并設(shè)計(jì) 其具體 仿真實(shí)現(xiàn)。 MSK 具體調(diào)制過程如下：先將輸入的基帶信號進(jìn)行差分編碼，經(jīng)串 /并轉(zhuǎn)換將其分成 I、 Q 兩路，并互相交錯(cuò)一個(gè)碼元寬度，再用加權(quán)函數(shù) )2cos(bTt和 )2sin(bTt分別對 I、 Q 兩路數(shù)據(jù)加權(quán)，然后將兩路數(shù)據(jù)分別用正交載波調(diào)制，最后將 I、 Q 兩路調(diào)制信號相加即得到 MSK 調(diào)制信號 ，調(diào)制過程如圖 3-6 所示 9 。 圖 3-6 MSK 調(diào)制原理圖 1、對基帶信號進(jìn)行差分編碼 根據(jù)差分編碼的定義即用過去的樣本預(yù)測當(dāng)前樣本 ，然后對差值進(jìn)行編碼可知此模塊可以實(shí)現(xiàn)對基帶信號的差分編碼功能 ， 基帶信號的差分編碼 實(shí)現(xiàn) 如圖 3-7 所示 。 圖 3-7 差分編碼模塊 2、對編碼后的信號進(jìn)行串 /并轉(zhuǎn)換 MSK 信號是一種相位連續(xù)、包絡(luò)恒定并且占用帶寬最小的二進(jìn)制正交 2FSK 信號 ，信號 )(tSMSK可以分解為同相分量 I 和正交分量 Q 兩部分。 經(jīng)差分編碼的基帶信號通過串并轉(zhuǎn)換后得到 I、 Q 兩路信號， 編碼信號的 碼元交替變成 I、 Q 兩 支 路碼元， 同相信號I 傳送偶數(shù)位信號，正交信號 Q 傳送奇數(shù)位信號， 串 /并轉(zhuǎn)換輸出 支 路碼元長度為輸入碼元長度的兩倍，即 每比特信號 的 持續(xù)時(shí)間為bT2， Q 路信號相當(dāng)于 I 路信號延遲bT時(shí)間 。 串 /并轉(zhuǎn)換過程：對編碼后的信號先進(jìn)行采樣，然后分成 I、 Q 兩路，其中 I 路延遲基帶信號 差分編碼 串 / 并延遲2/bR2/bRbRbTt2c o sbTt2s i ntcc o stcs i nI 通道Q 通道 11 一個(gè)碼元而 Q 路無延時(shí)，對其進(jìn)行抽樣壓縮，并添加一保持器保證得到方波信號。串 /并 轉(zhuǎn)換電路如圖 3-8 所示 。 圖 3-8 串 /并轉(zhuǎn)換模塊 3、 MSK 的調(diào)制 根據(jù)圖 3-6 MSK 的調(diào)制原理框圖， 建立起 其仿真 圖如圖 3-9 所示 。 圖 3-9 MSK 調(diào)制模塊 4、 MSK 的解調(diào)原理 MSK 信號的解調(diào)我們使用相干波最佳接收機(jī)來解調(diào)，其解調(diào)原理如圖 3-10 所示。 圖 3-10 MSK 解調(diào)原理圖 積分清洗 判決積分清洗 判決并串轉(zhuǎn)換差分編碼90相干載波M S K 輸入數(shù)據(jù)輸出 12 根據(jù)圖 3-10 MSK 的解調(diào)原理框圖，我們畫出其仿真電路圖，如圖 3-11 所示，其中圖符 (87)是一個(gè)帶通濾波器，圖符 (20)、 (21)是一個(gè)積分清洗器 (相當(dāng)于一個(gè)低通濾波器 )，圖符 (42)、 (43)是一個(gè)緩沖器，圖符 (46)是一個(gè)單刀雙擲開關(guān)，圖符 (22)、 (23)、 (38)是采樣器。 圖 3-11 MSK 解調(diào)模塊 5、仿真參數(shù)設(shè)置 在完成系統(tǒng)的創(chuàng)建后，我們還要對整個(gè)系統(tǒng)的仿真參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)置，此 MSK 系統(tǒng)各個(gè)模塊的參數(shù)設(shè)置如下： (1) 首先對系統(tǒng)定時(shí)窗口進(jìn)行設(shè)置，其設(shè)置如下： 運(yùn)行時(shí)間： Start Time： 0 秒； Stop Time： 2.5575 秒； 采樣點(diǎn)數(shù)： No .of Samples： 1024； 采樣頻率： Sample Rate： 400Hz； (2) 其他各個(gè)模塊的參數(shù) 參考附表 2。 6、性能測試與結(jié)果分析 (1) MSK 信號波形分析 通過輸入輸出信號來比 較系統(tǒng)的整體性能，在信道傳播無噪聲干擾時(shí)， 圖 3-12 和3-13 所示波形分別為輸入基帶信號和解調(diào)輸出波形 ， 觀察波形不難看出， 解調(diào)信號較基帶信號延遲了大約 0.4s。這可以由圖中 時(shí)間刻度估量 ，也可以經(jīng)分析窗口的計(jì)算器計(jì)算得出，具體操作步驟如下 ： 單擊分析窗口下的計(jì)算器 按鈕。 選 中 Cros Conv 選項(xiàng)下的 Cross Correlate 項(xiàng)，在右邊 2 個(gè)窗口分別選中基帶信號和解調(diào)輸出信號，按 OK 按鈕，生產(chǎn)一個(gè)新 的數(shù)據(jù)窗口。 單擊 右鍵選中統(tǒng)計(jì)選項(xiàng) Statistics，出現(xiàn)統(tǒng)計(jì)窗口 。 單擊 Sample No，可看到最大相關(guān)值為 160，因此可以確定系統(tǒng)群延時(shí)為 160 個(gè)采樣點(diǎn)，由于系統(tǒng)采樣頻率為 400HZ，經(jīng)計(jì)算可知?jiǎng)偤脼?0.4s。 13 圖 3-12 基帶信號波形 圖 3-13 解調(diào)輸出信號 (2) MSK 支路信號分析 圖 3-14 I 路信號 圖 3-15 Q 路信號 圖 3-14和圖 3-15所示為 MSK調(diào)制的 I、 Q兩路加權(quán)信號。由上圖可以看出， I支路信號和 Q支路信號并不是每隔bT秒就改變符號，而是每隔bT2秒才有可能改變符號。其中， I 14 路信號只有在奇數(shù)位時(shí)才可能改變， Q路信號只有在偶數(shù)位時(shí)才可能改變， I、 Q兩路信號不能同時(shí)改變。 (3) MSK信號的相位轉(zhuǎn)移圖 由 SystemView 的計(jì)算窗口可得到 MSK 信號的相位轉(zhuǎn)移圖，其操作 步驟如下： 在計(jì)算器窗口 下選中 Style 項(xiàng)的 Scatter Plot 項(xiàng)。 在右面的 兩個(gè)窗口分別選中 I 路和 Q 路加權(quán)信號，按 OK 按鈕，即可得到 MSK的相位轉(zhuǎn)移圖，如圖 3-16 所示。 圖 3-16 MSK 相位轉(zhuǎn)移圖 前面提到， MSK 信號 可以看成是一種特殊類型的 OQPSK，雖然 OQPSK 信號消除了 QPSK 信號中 180 的相位突變， 相位特性得到改善， 但并沒有從根本上解決包絡(luò)起伏的問題。從圖 3-16 可以看出， MSK 的相位轉(zhuǎn)移圖是一個(gè)圓周，它不會(huì)出現(xiàn) OQPSK 相位路徑中的拐點(diǎn)，可見 其 相位特性得到進(jìn)一步改善。 (4) MSK 信號的眼圖 圖 3-17 和 圖 3-18 分別為無噪聲 時(shí)的 調(diào)制輸出信號和疊加噪聲后的調(diào)制輸出信號，從圖中可以觀察到疊加噪聲后的調(diào)制 輸出信號和與無噪聲調(diào)制輸出信號有不同，可見其受到噪聲的干擾，波形存在一定的失真，因此會(huì)對整個(gè) MSK 調(diào)制解調(diào) 系統(tǒng)性能產(chǎn)生影響。 圖 3-17 無噪聲調(diào)制輸出信號 15 圖 3-18 加噪聲調(diào)制輸出信號 為了更直觀的看到噪聲對系統(tǒng)性能的影響，這里可 采用 眼圖來進(jìn)行觀察。 首先 將系統(tǒng)采樣率改為 100Hz， 這樣能 觀察到比較明顯的 MSK 信號的眼圖，采樣點(diǎn)數(shù)和開始時(shí)間不變，觀察眼圖具體步驟如下： 在計(jì)算器 窗口下選中 Style 項(xiàng)的 Slice 選 項(xiàng)。 設(shè)置參數(shù) Start=0sec， Length=20e-3，這樣我們可以觀察到一個(gè)完整的眼圖。 選 中 MSK 調(diào)制輸出信號，按 OK 按鈕，即可生產(chǎn)一個(gè)眼圖觀察窗口，如圖 3-19和 3-20 所示 ， 通過眼圖 可清楚的看出噪聲對信號的干擾 。 圖 3-19 無噪聲調(diào)制輸出眼圖 圖 3-20 加噪聲調(diào)制輸出眼圖 16 綜上， 通過 SystemView 軟件實(shí)現(xiàn)了 MSK 調(diào)制和解調(diào)的仿真。從仿真效果上看，MSK 利用其正交信號的最小頻差，在相鄰符號交界處相位保持連續(xù)行，從根本上解決了包絡(luò)起伏問題，達(dá)到了預(yù)期的效果。從 MSK 的解調(diào)結(jié)果來看，撇開時(shí)間上的延遲 ，解調(diào)信號與基帶信號的波形基本一致 ，即接收端誤碼數(shù)很少，由此可知此 MSK 系統(tǒng)是正確的，達(dá)到了此系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。 3.4 發(fā)射模塊 在調(diào)制部分，壓控振蕩器（ VCO）代表 CURATAMQEOO1-902 的調(diào)制器，這一部分的增益為 25MHz/V，因此，高斯濾波器的輸出獲得 G=67.71e+3/25e+6=2.71e-3 即-25.7dB 的增益。 VCO 理論上輸出能量為 -3dBm， 發(fā)射器的理想輸出能量為 5W（ 37dBm） ， 這個(gè)功率代表基站功率。選擇的功率放大器是 MiniCircuits(BroOKlyn,NY) TIA-1000-4，其增益為19dB。為得到 +37dB的輸出能量 ， 采用增益為 28dB的每級放大器和設(shè)置其增益為 41.5dB的衰減器。發(fā)射器的最后一個(gè)組成部分是低通濾波器，用來消除功率放大器的失真，發(fā)射模塊如圖 3-21 所示 。 圖 3-21 GSM 發(fā)射模塊 3.5 信道模塊 信道由兩部分組成，第一部分用于減少 5W 傳輸能量的放大器；另一部分是與信號一同進(jìn)入接收機(jī)的熱噪聲，它可能增加各種各樣的衰落現(xiàn)象，也可能以不同的載波頻率增加更多的傳輸進(jìn)入仿真系統(tǒng)，從而影響臨近的信道干擾，信道模塊如圖 3-22 所示 。 圖 3-22 信道模塊 3.6 射頻接收模塊 圖 3-23 射頻接收模塊 17 射頻接收模塊如圖 3-23 所示 ，接收機(jī)的第一部分是 RF，其頻率覆蓋范圍是從935MHz到 960MHz，接收機(jī)在天線之后的第一個(gè)元件是 Murata DFY2R902CR947BGH收發(fā)器，這部分有效地起到特定濾波器的作用，與其連接的下一個(gè)元件是 HP MGA87563低噪聲放大器（ LNA）。 指定所有截取到四階 1dB 的壓縮點(diǎn)、噪聲信號和線性增益，列舉的參數(shù)是放大器輸出， RF 濾波器是一個(gè) 319 抽頭的 FIR 帶通濾波器，使用衰減器仿真濾波器的損耗 和噪聲。對濾波器而言，所有的頻率都是采用相對頻率，即與采樣速率的比值，如此帶通濾波器的通帶頻率取 931.84e+6-962.97e+6， 則在濾波器窗口中設(shè)置的相對頻率應(yīng)設(shè)置為通帶頻率與系統(tǒng)采用速率（ 4.096e+9）的比值，即 0.2275-0.2351。 3.7 混頻模塊 接收機(jī)接收到的是調(diào)制后的高頻信號，而原信號相對高頻載波比值很小，如果直接從高頻提取信號需要相當(dāng)窄的帶通濾波器，鄰頻信號干擾無法抑制，所以先利用混頻器將接收機(jī)接收的高頻信號變到統(tǒng)一的中頻然后再實(shí)行解調(diào)，這樣調(diào)制信號的相對帶寬變寬，更好的解決 了鄰頻干擾，另外，相對帶寬變寬和統(tǒng)一的中頻也有 利于濾波器制作。所以，混頻器的使用在無線通信中有著十分重要的意義 13 。 3.7.1 混頻器的變頻作用 混頻器的作用是將載頻為cf（高頻）的已調(diào)波信號不失真地變換為載頻為 If （固定中頻）的已調(diào)波信號，并保持原調(diào)制規(guī)律不變（即信號的相對頻譜分布不變）。因此，混頻器也是頻譜的線性搬移電路，它是將信號頻譜自載頻為cf的頻率上線性搬移（或變換）到中頻 If 上。 混頻器是一個(gè)三端口的網(wǎng)絡(luò)，它有兩個(gè)輸入信號 如圖 3-24 所示 ，即輸入信號cu和本地振蕩信號 Lu ，工作頻率分別為cf和 Lf ；輸出信號為 Iu ，稱為中頻信號，其頻率是cf和 Lf 的差頻或和頻，稱為中頻 If ，cLI fff （也可采用諧波的和頻或差頻）。由此可見，混頻器在頻域上起著加 /減法器的作用。 圖 3-24 混頻器結(jié)構(gòu)圖 由于混頻器的輸入信號cu、本振 Lu 都是高頻信號，而輸出的中頻信號 Iu 是已調(diào)波，除了中心頻率與輸入信號cu不同外，其頻譜結(jié)構(gòu)與cu完全相同。表現(xiàn)在波形上，中頻輸混頻器)( cc fu)( LL fu)( II fu 18 出信號Iu與輸出信號cu的包絡(luò)形狀相同，只是填充頻率不同（內(nèi)部波形疏密程度不同）。 If與cf、Lf的關(guān)系有幾種情況：當(dāng)混頻器的輸出信號取和額時(shí)，cLI fff ；取差頻時(shí)有cLI fff 或LcI fff 。當(dāng)cI ff 時(shí)，稱為向下變頻，輸出低中頻；當(dāng)cI ff 時(shí)，稱為向上變頻，輸出為高中頻。雖然高中頻比輸入的高頻信號的頻率還要高，但習(xí)慣上仍將其稱為中頻 14 。 3.7.2 混頻器工作原理 如前所述，混頻器是頻譜的線性搬移過程，完成頻譜線性搬移功能的關(guān)鍵是要獲得兩個(gè)輸入 信號的乘積 ，能找到這個(gè)乘積項(xiàng)就可完成所需的頻譜線性搬移功能。設(shè)輸入到混頻器中的輸入已調(diào)波信號cu和本振電壓 Lu 分別為 ： ttUu cc c co sco s ， tUu LLL cos (3-7-1) 這兩個(gè)信號的乘積為（設(shè)相乘系數(shù) k=1） ： tttUUu LcLcI c o sc o sc o s )c o s () c o s (c o s21 tttUU cLcLLc (3-7-2) 如果帶通濾波器中心頻率取為cLI ，帶寬為 2 ，那么乘積信號 Iu 經(jīng)帶通濾波器濾除高頻分量 )(cL 項(xiàng)后，可得中頻電壓為 ： IIILcI tUttUUu c o sc o sc o sc o s21 (3-7-3) 比較cu與 Iu 的表達(dá)式可以看出，兩信號的包絡(luò)成線性關(guān)系，但載波頻率發(fā)生了變化。由此可得實(shí)現(xiàn)混頻功能的原理方框圖如圖 3-25 所示。當(dāng)然，也可利用非線性器件的頻率變換作用來實(shí)現(xiàn)混頻，其功能如圖 3-26 所示 。 圖 3-25 線性器件混頻原理 圖 3-26 非線性器件混頻原理 乘法器 帶通濾波器cuLuIu非線性器件 帶通濾波器cuLuIu 19 3.7.3 混頻器主要性能指標(biāo) 衡量混頻器性能優(yōu)劣的主要指標(biāo)有變頻增益、噪聲系數(shù)、選擇性、失真與干擾以及工作穩(wěn)定性等 ， 分別介紹如下。 1、 變頻（混頻）增益uA變頻增益是指混頻 器輸出中頻電壓幅值IU與輸入信號電壓幅值cU的比值，即 ：cIu UUA (3-7-4) 如果功率增益以分貝表示，則 ： )(lg10 dBPPG cIp (3-7-5) 式中， IP 、cP分別為輸出中頻信號功率 和輸入高頻信號功率。uA、pG都可以用來衡量混頻器將輸入高頻信號轉(zhuǎn)化為輸出中頻信號的能量。對超外差接收系統(tǒng)，要求uA、pG的值要大，以提高其接收靈敏度。 2、 噪聲系數(shù) 混頻器處于接收機(jī)的前端，它的噪聲電平高低對整機(jī)有較大影響。降低混頻器的噪聲十分重要。混頻器的噪聲系數(shù)定義為高頻輸入端信噪比與中頻輸出端信噪比之比。用分貝數(shù)表示為 ： onIincF PP PPN lg10(3-7-6) 混頻電路的噪聲主要來自混頻器件產(chǎn)生的噪聲及本振信號引入的噪聲。除了正確地選取混頻電路的非線性器件及工作點(diǎn)外，還應(yīng)注意選取混頻電路的形式 ， 如平衡式可以抵消本振引入的噪聲。 3、 1dB 壓縮電平 在混頻器中，輸出和輸入信號幅度應(yīng)成線性關(guān)系。當(dāng)輸入信號功率較低時(shí)，混頻增益為定值，輸出中頻功率隨輸入信號功率線性地增大；當(dāng)輸入信號增大到一定幅度后，由于非線性作用，中頻輸出信號的幅度與輸入不再成線性關(guān)系，輸出中頻功率增幅將隨輸入信 號的增加而趨于緩慢，直到比線性增長低于 1dB 時(shí)所對應(yīng)的輸出中頻功率電平稱為 1dB 壓縮電平，用dBIP1表示。dBIP1所對應(yīng)的輸入信號功率是混頻器動(dòng)態(tài)范圍上限電平。而動(dòng)態(tài)范圍的下限電平是由噪聲系數(shù)確定的最小輸入信號功率。 4、失真和干擾 在接收機(jī)中，加在混頻器輸入端的除有用信號外，還往往同時(shí)存在著多個(gè)干擾信號。由于非線性，混頻器件輸出電流中將包含眾多組合頻率分量，其中，除了有用信號產(chǎn)生的中頻分量外，還可能有某些組合頻率分量的頻率十分接近 中頻，使輸出中頻濾波器無法將他們?yōu)V除。這些寄生分量疊加在有用中頻信號上，將引起失真。通常將這種失真統(tǒng)稱為混頻失真，它將嚴(yán)重地影響通信質(zhì)量。 20 5、隔離度 理論上，混頻器各端口之間是隔離的，任一端口上的功率不會(huì)串通到其他端口。實(shí)際上，由于各種原因，總有極少量功率在各端口之間串通，隔離度就是用來評價(jià)這種串通功率大小一個(gè)性能指標(biāo)， 其 定義為本端口功率與其串通到另一端口功率之比，用分貝數(shù)表示。 3.7.4 混頻 模塊設(shè)計(jì) 3-27 混頻模塊 如圖 3-27 所示 ，一個(gè) CommQuest CQT2030 或者芯片作為第一個(gè)中頻 混頻器，本地振蕩器可收到的頻率范圍從 864-889MHz,即 2MHz 帶寬的波段。此設(shè)備的具體頻率是876.5MHz，要求得到 71MHz 的第一中頻頻率，可以指定本地振蕩器的失真值、截取點(diǎn)和其他參數(shù)。 第一個(gè)中頻濾波器是 854252-1SAN 濾波器，為簡單起見，選擇一個(gè)三級巴特沃斯濾波器。在 SAW 濾波器之后，最高頻率是 71MHz（對應(yīng)于 947.5MHz） ， 這使得濾波器輸出分成 10 份，得到較低的采樣率。這種情況下使用 104 ，減少了的仿真時(shí)間。濾波器的輸出（取 10 后）進(jìn)入一個(gè) 自動(dòng)增益控制（ AGC）的參數(shù)放大器或混頻器。 第二個(gè)本地振蕩器的中頻頻率設(shè)置為 58MHz，產(chǎn)生一個(gè) 13MHz的第二個(gè)中頻頻率，第二個(gè)中頻頻率信號通過一個(gè)四極 Bessel瓷性濾波器和一個(gè) 52dB 的自動(dòng)增益控制放大器。這一部分的輸出相當(dāng)于 CQT2030 的輸出。 3.8 解調(diào)模塊 圖 3-28 解調(diào)接收模塊 解調(diào)接收模塊如圖 3-28 所示， 在前面的調(diào)制部分已經(jīng)詳細(xì)分析了 GMSK 的調(diào)制解 21 調(diào)原理，并建立了仿真模型，得到了正確的仿真結(jié)果。這里我們利用一個(gè)由電阻 、 電容 、和 電感實(shí)現(xiàn)的 LC 正交振蕩電路來實(shí)現(xiàn)對接收到的 中頻信號的解調(diào)。另外，為恢復(fù)原始數(shù)據(jù)，解調(diào)信號必須經(jīng)過放大和過濾，所以需要通過增益和低通濾波器才能得到最終的輸出信號 。 LC 正交振蕩器即 LC-Qaud 的QR值，滿足公式 ： QQfLRQ)1(2 2 (3-8-1) 其中 f 為截止頻率。為了達(dá)到解調(diào)的目的，設(shè)置好 LC 正交振蕩器的參數(shù)，使其直接工作在 13MHz的中頻信號 ，參數(shù)設(shè)置如圖 3-29 所示。 圖 3-29 LC 正交振蕩器參數(shù) 3.9 仿真參數(shù)設(shè)置 GSM 模塊全圖如圖 3-30 所示。 1、系統(tǒng)定時(shí)窗口參數(shù)設(shè)置 SystemView 是一時(shí)基仿真器，工作于主系統(tǒng)采樣速率。在任何一臺計(jì)算機(jī)仿真中，必須在離散時(shí)間域進(jìn)行計(jì)算，因此必須遵守采樣定理。系統(tǒng)采樣率設(shè)置為 sf4.096GHz，這個(gè)值略大于 RF 頻率（ 947.5MHz）的 4 倍。對于采樣點(diǎn)數(shù)，起始時(shí)間、終止時(shí)間，基本約束關(guān)系是： 1)( 采樣率起始時(shí)間終止時(shí)間采樣點(diǎn)數(shù) 依此關(guān)系式，系統(tǒng)定時(shí)窗口設(shè)置如下： 運(yùn)行時(shí)間： Start Time： 0 秒； Stop Time： 63.999755859375e-6 秒； 采樣點(diǎn)數(shù)： No .of Samples： 262144； 采樣頻率： Sample Rate ： 4.096e+9； 22 其他各模塊詳細(xì)參數(shù) 參考附 表 1。 3-30 GSM 系統(tǒng)模塊 3.10 性能測試與結(jié)果分析 GSM 仿真模塊設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行系統(tǒng)仿真，下面將主要通過對各部分輸出信號的波形、功率譜和頻譜的觀察分析來測試仿真系統(tǒng)的性能。 1、 波形分析 波形分析主要是通過對輸入信號和輸出信號的波形進(jìn)行觀察分析來測試系統(tǒng)整體性能，輸入、輸 出波形分別如圖 3-31、 3-32 所示，另外，為了更直觀的比較輸入 信號和輸出信號，通過分析窗口得到輸入、輸出信號的波形疊加圖以及其采樣疊加圖，分別如圖 3-33、 3-34 所示。 圖 3-31 輸入信號波形 23 圖 3-32 輸出信號波形 圖 3-33 輸入信號與輸出信號疊加 圖 3-34 輸入采樣與輸出采樣疊加 從疊加結(jié)果來看，時(shí)域波形除了有一定的延時(shí)外，存在一定的波形失真， 波形失真屬于 GSM 系統(tǒng)信號傳播不可避免的現(xiàn)象，畢竟傳播中存在著各種衰落和噪聲干擾，不可 能 與原始波形保持 完全一 致 ，但 可以看出 這里波形 存在 較大 失真 。 2、 功率譜、頻譜分析 功率譜反應(yīng)的是信號在各個(gè)頻帶的功率情況，所以功率譜不僅能直觀的反映 GSM系統(tǒng)各部分功率情況，而且也能夠反映出其在各個(gè)階段的頻率特性。 通過分析窗口的計(jì)算器 很容易 得到 各信號的功率譜和頻譜，為了方便比較，同樣可以對它們進(jìn)行疊加再作觀察、分析。 24 (1) 輸入信號和輸出信號 圖 3-35 輸入信號功率譜 圖 3-36 輸出信號 功率譜 圖 3-37 輸入與輸出信號功率譜疊加 輸入信號、 輸出信號以及它們功率譜的疊加圖分別如圖 3-35、 3-36 和 3-37 所示 。通過圖 3-37 可以看出輸入信號與輸出信號的功率譜保持基本一致，也說明 GSM 仿真系統(tǒng)在傳輸過程中保持了較好的頻率特性。 (2) 調(diào)制后信號和信道衰落后信號 調(diào)制后信號和信道衰減后信號功率譜及其疊加圖分別如圖 3-38、 3-39 和 3-40 所示。 25 圖 3-38 調(diào)制后信號功率譜 圖 3-39 信道衰減后功率譜 圖 3-40 調(diào)制后信號與信道衰減后信號功率譜疊加 從圖 3-40 可以看出，調(diào)制后信號 和信道衰