GSM通信系统性能分析与MATLAB仿真.doc
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课程设计报告书专用纸
淮海工学院
课程设计报告书
课程名称：
通信系统的计算机仿真设计
题目：
GSM通信系统性能分析与MATLAB仿真
系（院）：
电子工程学院
学期：
2013-2014-2
专业班级：
通信111
姓名：
兰森莹
学号：
2011120681
评语：
成绩：
签名：
日期：
GSM通信系统性能分析与MATLAB仿真
1绪论
1.1研究背景与研究意义
GSM是为了解决欧洲第一代蜂窝系统的四分五裂的状态而发展起来的基于TDMA（时分多址）的数字移动通信系统。
在GSM之前，欧洲各国在整个欧洲大路上采用了不同的蜂窝标准，用户不能用一种制式的移动台在整个欧洲进行通信，并且模拟网本身的弱点是的它的容量受到限制。
作为欧洲一个数字蜂窝移动通信标准的GSM系统于1991年正式在欧洲面世。
与第一代移动通信相比，GSM突出的特点是保密性好、抗干扰能力强、频谱效率高和容量大。
GSM系统由移动台（MS）、网络子系统（NSS）、基站子系统（BSS）、操作子系统（OSS）四个分系统组成，各分系统之间都有定义明确且详细的标准化接口方案，保证任何厂商提供的GSM系统设备可以互连。
同时，GSM系统与各种公用通信网也都详细定义了标准接口规范，使GSM系统可以与各种公用通信网实现互连互通。
GSM系统除了可以开放基本的话音业务外，还可以开放各种承载业务、补充业务以及与ISDN相关的各种业务。
系统采用FDMA/TDMA及跳频的复用方式，频率复用率高。
GSM系统具有较强的鉴权和加密功能，能确保用户和网络的安全需求。
目前我国的移动通信网时以GSM系统为基础的网络，并成为拥有GSM移动用户最多的国家。
GSM技术在很长一段时间内仍将占据我国通信系统的主导地位，为了更深层次了解此系统现进行GSM通信系统性能分析与Matlab仿真设计。
1.2课程设计的目的和任务
通信系统的计算机仿真设计课程设计是通信工程专业的学生在学完通信工程专业基础课，通信工程专业主干课及科学计算与仿真专业课后进行的综合性课程设计。
其目的在于使学生在课程设计过程中能够理论联系实际，在实践中充分利用所学理论知识分析和研究设计过程中出现的各种技术问题，巩固和扩大所学知识面，为以后走向工作岗位进行设计打下一定的基础。
（1）掌握GSM通信系统设计的过程、步骤、要求、工作内容及设计方法；掌握用仿真通信系统的方法。
（2）掌握网络设计方法。
（3）提高综合运用专业知识的能力，提高通信工程设计的能力。
1.3可行性分析
一般来说，数字调制与模拟调制的基本原理相同，但是数字信号有离散取值的特点。
因此数字调制技术有两种方法：
一是利用模拟调制的方法去实现数字调制；另一种是利用数字信号的离散取值特点通过开关键控载波，从而实现数字调制。
对GSM通信系统来说，它采用的是GMSK调制方式，它的具有包络恒定，功率谱密度集中带外功率谱密度下降快和邻道干扰较小的优点。
2GSM通信系统简介
2.1GSM通信系统基本模型
设计应用Matlab进行仿真，仿真采用蒙特卡罗模型。
通信系统主要包括信息源、发送设备、信道、接收设备和信宿（受信者）。
仿真基本框图如图2.1所示。
信道
信宿
GMSK调制
信源
信源编码
信源译码
信道译码
GMSK解调
信道编码
噪声源
图2.1仿真基本框图
信号源：
模拟的正旋波语音信号4KHz。
抽样器SAMPLE：
对模拟信号进行抽样，抽样频率8KHz。
量化器A-LAW：
A-LAW十三折线法。
PCM编码器：
将量化后的信号进行PCM编码，变成1个传输速率为64Kbit/s的数字信号。
信道编码：
选择汉明码、卷积码。
调制与解调：
选择GMSK调制、解调方式。
信道：
信号经过调制以后，通过信道，信道选择高斯信道。
设置不同的信道信噪比，对系统进行仿真，分析不同信噪比情况下的系统性能。
译码：
根据信道编码方式，选择对应的信道解码方式。
性能分析：
信号经过调制、信道、解调过程。
在接收端，将得到的数据与原始信号源数据比较，得到在特定信噪比下的误码率。
改变系统信噪比，从而得到系统的误码率曲线图，并给出各关键点信号图及星座图。
2.2GSM通信系统的性能指标
通信系统的主要性能指标包括有效性和可靠性。
通信的有效性和可靠性是一对矛盾的统一体，同时做到完美是不现实的，具体表现为若要提高系统的可靠性，可能引起有效性的下降；若要提高系统的有效性，则有可能引起可靠性的下降。
因此通常需要根据实际要求有所侧重，互相兼顾达到矛盾的统一。
2.3GSM通信系统的性能分析方法
2.3.1眼图
眼图是在数字通信的工程实践中测试数字传输信道质量的一种应用广泛、简单易行的方法。
实际上它是一个扫描周期是数字码元宽度的一至二倍并且与之同步的示波器。
对于二进制码元，显然1和0的区别越大，接受判决时错判的可能性就越小。
由于传输过程中的频带限制，噪声的叠加使得1和0的差别变小。
在接收机的判决点，将1和0的差别用眼图上“眼睛”张开的大小表示，十分形象、直观和实用。
从“眼图”上可以观察出码间串扰和噪声的影响，从而估计系统优劣程度。
另外也可以用此图形对接收滤波器的特性加以调整，以减小码间串扰和改善系统的传输性能。
2.3.2星座图
离散时间星座图（Discrete-TimeScatterPlotScope）可以在信号空间展示信号所处的位置，为系统的传输特性分析提供了直观的、具体的显示结果。
离散时间星座图模块接收复信号，并且根据输入信号绘制发散图。
2.3.3频谱
频谱就是频率的分布曲线，复杂振荡分解为振幅不同和频率不同的谐振荡，这些谐振荡的幅值按频率排列的图形叫做频谱。
它将对信号的研究从时域引到频域，从而带来更直观的认识。
对信号进行频谱分析可以获得信号中的各个频率成分和频率分布范围，求出各个频率成分的幅值分布和能量分布，从而得到主要幅度和能量分布的频率值。
3GSM通信系统主要模块
3.1信源编/译码
信源编码是为了提高通信系统的有效性，其作用可概括为两个。
作用之一是设法减少码元数目和降低码元速率，即通常所说的数据压缩；作用之二是将信源的模拟信号转化成数字信号，以实现模拟信号的数字化传输。
其主要过程包括抽样、量化、编码。
在编码器中由8kHz冲激脉冲对4kHz模拟正弦信号抽样，得到在抽样时刻上的信号抽样值。
这个抽样值仍是模拟量。
接着再进行量化，信源模拟的正弦波语音信号，频率为4kHz；解调后的信宿也应为正弦信号。
本系统抽样频率8kHz。
采用A-LAW十三折线量化器，编为8位码，这样即可变为一个传输速率为64Kbit/s的数字信号，信源译码则为编码逆过程。
PCM的实现主要包括三个步骤完成：
抽样、量化、编码。
分别完成时间上离散、幅度上离散、及量化信号的二进制表示用叠二进制码来表示输入信号的抽样量化值，其中用第1位表示量化值的极性正负，后面的7位分为段落码和段内码两部分，用于表示抽样量化值的绝对大小。
第2至第4位表示段落码，表示8种斜率的段落；其它4位表示段内码，可以表示每一段落的16种量化电平。
段内码代表的16个量化电平时均匀划分的。
所以，这7位码总共能表示成128个量化级。
信源编码如图3.1所示，信源译码如图3.2所示。
图3.1信源编码
图3.2信源译码
SinWave参数设置如表3-1所示。
表3-1SinWave参数设置
名称
参数值
Amplitude
1
Frequency
4000
Units
Hertz
Gain参数设置如表3-2所示。
表3-2Gain参数设置
名称
参数值
Gain
127（编码）1/127（解码）
PulseGenerator参数设置如表3-3所示。
表3-3PulseGenerator参数设置
名称
参数值
Pulsetype
Timebased
time
Usesimulationtime
Amplitude
1
Period
1/8000
PulseWidth
10
Phasedelay
0
Saturation参数设置如表3-4所示。
表3-4Saturation参数设置
名称
参数值
Upperlimit
1
Lowerlimit
-1
SampleTime
0.00001
A-LawCompressor参数设置如表3-5所示。
表3-5A-LawCompressor参数设置
名称
参数值
Avalue
87.6
Peak-signalmagnitude
1
Quantizer参数设置如表3-6所示。
表3-6Quantizer参数设置
名称
参数值
Quantizationinterval
1
SampleTime
0.00001
Relay参数设置如表3-7所示。
表3-7Relay参数设置
名称
参数值
Outputwhenon
1
Outputwhenoff
0
SampleTime
0.00001
3.2信道编/译码
数字信号在传输的过程中，由于受到干扰的影响，码元波形将变坏。
接收端收到后可能发生错误判决。
为了解决此问题引入信道编码，它是在数字信号进行射频调制之前进行的。
信道编码的目的在于使信号在接收端能够检查甚至纠正传输期间由各种干扰引起的差错从而提高系统的可靠性。
本系统采用了汉明码，卷积码。
3.2.1汉明码编/译码
汉明码是能够纠正1位错码并且编码效率较高的一种线性分组码，码长为N，该信息位的长度为K，其中，N=2^M-1（M>=3），K=N-M。
在偶数监督码中，由于使用了一位监督位a0，它和信息位an-1…a1一起构成一个代数式，在接收端解码时，实际上就是在计算校正子S，若S=0，就认为无错码；若S=1，就认为有错码。
现将上式称为监督关系式，S称为校正子。
由于校正子S只有两种取值，故它只能代表有错和无错这两种信息，而不能指出错码的位置。
若监督位增加一位，即变成两位，则能增加一个类似的监督关系式。
由于两个校正子的可能值有4中组合：
00，01，10，11，故能表示4种不同的信息。
若用其中1种组合表示无错，则其余3种组合就有可能用来指示一个错码的3种不同位置。
同理，r个监督关系式能指示1位错码的（2r–1）种可能位置。
本设计采用（7,4）汉明码，信息位长度为4，经过汉明编码器后，加入3个校验位，码字长度变为7。
由于GMSK为二进制数字调制技术，经过调制解调后，进入译码器，汉明码解码器用于对（7,4）汉明码进行解码，得到原始的信息序列，汉明码解码器的参数应与汉明码编码器的参数保持一致，则进行解码后，信号恢复为帧长为7位，再进入误码表测其误码率，将其误码率显示在模拟显示器中，同时为了便于数据的采集，将其接上选择开关后将数据输出到工作空间。
汉明码编/译码如图3.3所示。
图3.3汉明码编/译码
HammingEncoder参数设置如表3-8所示。
表3-8HammingEncoder参数设置
名称
参数值
CordwordlengthN
7
MessagelengthK
gfprimfd（3,'min'）
HammingEncoder参数设置如表3-9所示。
表3-9HammingDecoder参数设置
参数名称
参数值
CodewordlengthN
MessagelengthK
7
gfprimfd（3,'min'）
3.2.2卷积码编/译码
卷积码是一种性能优越的信道编码。
（n,k,N）表示把k个信息比特编成n个比特，N为编码约束长度,说明编码过程中互相约束的码段个数。
卷积码编码后的n个码元不仅与当前组的k个信息比特有关,而且与前N-1个输入组的信息比特有关。
编码过程中相互关联的码元有N×个。
R=k/n是卷积码的码率,码率和约束长度是衡量卷积码的两个重要参数。
实际应用中采用截短Viterbi算法，即不需要接收到所有序列才进行判决，当译码器接收并处理完了固定的T（T<T称为截短深度，T选的足够大时，则对译码器输出的译码错误概率影响很小。
卷积码编/译码模块如图3.4所示。
图3.4卷积码编/译码
ConvolutionalEncoder参数设置如表3-10所示。
表3-10ConvolutionalEncoder参数设置
名称
参数值
Trellisstructure
Poly2trellis（7[171133）
Operationmode
Continues
ViterbiEncoder参数设置如表3-11所示。
表3-11ViterbiDecoder参数设置
名称
参数值
Trellisstructure
Poly2trellis（7[171133）
Operationmode
Continues
Decisiontype
Unquantized
Tacebackdepth
32
3.3GMSK调制与解调
GMSK调制是在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。
它提高了数字移动通信的频谱利用率和通信质量。
GMSK是当前现代数字调制技术领域研究的一个热点。
采用高斯滤波器作调制前基带滤波器，将基带信号成型为高斯脉冲，再进行MSK调制。
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（预调制滤波器）进行预调制滤波，以减小两个不同频率的载波切换时的跳变能量，使得在相同的数据传输速率时频道间距可以变得更紧密。
GSMK调制的信号频谱紧凑、误码特性好。
GMSK调制与解调如图3.5所示。
图3.5GMSK调制与解调
GMSK调制器参数设置如表3-12所示。
表3-12GMSK调制器参数设置
名称
参数值
BTproduct
0.3
Pulselength
4
Symbolprehistory
1
Phaseoffset
Pi/4
Samplepersymbol
8
GMSK解调器参数设置如表3-13所示。
表3-13GMSK解调器参数设置
名称
参数值
BTproduct
0.3
Pulselength
4
Symbolprehistory
1
Phaseoffset
Pi/4
Samplepersymbol
8
4性能分析
4.1信源编译码仿真
首先用SineWave产生4kHz的模拟正弦波语音信号，然后与PulseGenerator产生的8kHz的脉冲信号通过Product进行抽样。
再通过Saturation进行【-1,1】范围的限幅，滤除噪音。
其中一路通过Abs取绝对值，再经过A-LawCompressor将取样值压缩到0-1之间，再通过Gain增益放大127倍，将取样值放大到0-127之间，再经过Quantizer进行四舍五入量化，将量化值通过IntegertoBitConverter变成7位二进制码，即为PCM编码的低7位。
另一路通过Relay器件提取出该抽样值的极性，其输出值设置为“0”和“1”，如果极性为正，则判为“1”；极性为负，则判为“0”。
最后与极性码组成8位码输出。
PCM译码是编码的逆过程。
输入8位PCM码，将第一位极性码由Relay进行判断，如果是“0”，则该值是负数；如果是“1”，则该值是正数。
剩余7位码通过BittoIntegerConverter将二进制转化成十进制数，通过Gain减小为原来的1/127，再经过A-LawExpander后与极性通过Product相乘，即为PCM译码后的值。
PCM编码的仿真图如4.1所示。
图4.1PCM编码波形
4.2调制解调仿真
仿真时采用的BT=0.3，即滤波器的3dB带宽B等于码元速率的0.3倍。
在GSM制的蜂窝网中就是采用的BT=0.3的得GMSK调制方式这是为了获得更大的用户容量。
GMSK调制方式具有码间串扰，BT的值越小，码间串扰越大。
GMSK调制后进入加性高斯白噪声信道。
AWGNChannel参数设置如表4.1所示。
表4-1AWGNChannel参数设置表
参数名称
参数值
Initialseed
67
SNR
10
Inputsignalpower
1
调制后的仿真频谱图如4.2所示。
图4.2调制后频谱图
4.3整体仿真
无信道编码整体仿真图如图4.3所示。
图4.3无信道编码整体仿真图
汉明编码整体仿真图如图4.4所示。
图4.4汉明码编码整体仿真图
卷积码信道编码整体仿真图如图4.5所示。
图4.5卷积码编码整体仿真图
对上面的三个图在SNR为10的时候仿真的到眼图，星座图和频谱图以及各个经调制解调后的波形图。
无信道编码进信道前眼图如图4.6所示，无信道编码进信道后眼图如图4.7所示。
汉明编码进信道前的眼图如4.8所示，汉明编码信道进信道后眼图如4.9所示。
卷积编码进信道前的眼图如4.10所示，卷积编码进信道后的眼图如4.11所示。
图4.6无信道编码进信道前眼图图4.7无信道编码进信道后眼图
图4.8汉明编码进信道前眼图图4.9汉明编码进信道后眼图
图4.10卷积编码进信道前眼图图4.11卷积编码进信道后眼图
从上面的仿真眼图中，横向比较可以发现，在经过信道之后传输的信号“眼皮”变厚，说明其引入了一定强度的噪声信号，而纵向比较可知，信号经过编码后的眼图比无编码的眼图要好，而汉明编码的眼图又比卷积编码的好。
实际的通信系统中，数字信号经过非理想的传输必定要产生畸变，信号通过信道后，会引入噪声和干扰，也就是说，总在不同程度上存在码间干扰。
这是属于正常的失真。
无信道编码进信道前星座图如图4.12所示，无信道编码进信道后星座图如图4.13所示。
汉明编码进信道前的星座图如4.14所示，汉明编码信道进信道后星座图如4.15所示。
卷积编码进信道前的星座图如4.16所示，卷积编码进信道后的星座图如4.17所示。
图4.12无信道编码进信道前星座图图4.13无信道编码进信道后星座图
图4.14无信道编码进信道前星座图图4.15无信道编码进信道后星座图
图4.16无信道编码进信道前星座图图4.17无信道编码进信道后星座图
对以上三组星座图横向比较，可知进信道前的眼图是一个圆各个追踪点在圆上，进信道后圆变得不规则了并且好多点不在圆上发生了偏移，而纵向比较可知信号经过传输信道后有了编码噪声的影响有所下降，卷积和无信道编码的结果差不多，而汉明编码的最好，具有较强的纠错能力。
GMSK星座图特点在该图表现出来，这进一步验证了该系统正确性。
无信道编码时原始信号与接收信号对比如图4.18所示。
汉明编码时的原始信号与接收信号对比如图4.19所示。
卷积编码时的原始信号与接收信号对比如图4.20所示。
图4.18无信道编码时原始信号与接收信号对比
图4.19汉明编码时原始信号与接收信号对比
图4.20卷积编码时原始信号与接收信号对比
从上面三组示波器上方第一路信号为信源译码后恢复的信号，下方第二路为原始输入信号，比较可知恢复信号有一定程度的失真且幅度有所下降并伴随着延时。
从图中可以看出恢复出来的信号的幅度要比原始信号小，这说明了在整个仿真过程中信号能量有一定的损耗和时延，这属于正常现象。
就其整个波形来看我们可以看出其恢复信号和原始信号的形状基本相同，也就是说成功的恢复出了原始信号。
无信道编码时信号经调制后的频谱图4.21所示。
汉明编码时的信号经调制后的频谱如图4.22所示。
卷积编码时的信号经调制后的频谱如图4.23所示。
图4.21无信道编码时信号经调制后的频谱
图4.22汉明编码信号经调制后的频谱
图4.23卷积编码时信号经调制后的频谱
由图可以得出在进信道前其频谱图和经GMSK调制后的理论频谱图基本一致，而进信道后的频谱图出现很多毛刺状的东西，这也就说明了经信道后出现了一定的干扰。
从图可以看出其主瓣和幅瓣的差值明显大于60dB，这符合GSM中对已调信号的要求。
而进信道后的频谱其主瓣和幅瓣的差值明显减小，这也是由于噪声的影响引起的。
4.4信噪比与误码率分析
有无信道编码误码率对比表如表4-2所示。
由表可知，纵向较时随信噪比的增加，无信道编码，汉明编码，卷积编码的误码率都在下降。
横向比较时，小信噪比（小于0dB）时卷积码的性能好，而大信噪比（大于0dB）时汉明码抗噪声性能比卷积码优异。
表4-3有无信道编码的误码率对比表
信噪比/dB
无信道编码误码率
汉明码编码误码率
卷积码编码误码率
-25
0.4889
0.5025
0.3375
-20
0.4814
0.4505
0.2974
-15
0.4295
0.3642
0.2298
-10
0.3119
0.1987
0.1481
-5
0.2005
0.0418
0.0890
0
0.1188
0.0253
0.0853
5
0.1188
0.0253
0.0853
10
0.1188
0.0253
0.0853
15
0.1188
0.0253
0.0853
绘出有无信道编码及不同信道编码方式下误码率对比图如图4.24所示。
图4.24有无信道编码及不同信道编码方式下误码率对比图
从上图及表中数据分析可知：
随着信噪比SNR的增大，无论是用的不同信道编码系统还是无信道编码系统，他们的误码率都在不断的减小，并在减小到某一个值之后就一直不变。
当信噪比大于-20dB时无信道编码的通信系统要比有信道编码的通信系统误码率要大，并且在一段时间内这个差距是越来越大的；但是在10dB左右这个差距是不会增大的且无信道编码的最终误码率是最大的。
在有信道编码的系统中，汉明码的最终误码率最小。
加入噪声及干扰信噪比与误码率表如表4-3所示。
纵向比较由表可以看出随着信噪比的增加无噪声，加高斯噪声，加瑞利噪声，加莱斯噪声，加三种噪声的误码率都在减小。
横向比较可以得出在相同信噪比下误码率的大小由小到大的顺序为无噪声，加高斯噪声，加瑞利噪声，加莱斯噪声，加三种噪声。
表4-3加各种噪声的误码率对比表
信噪比/dB
无噪声
加高斯噪声
加瑞利噪声
加莱斯噪声
加三种噪声
-20
0.3292
0.3366
0.3869
0.3900
0.3900
-15
0.3042
0.3234
0.3604
0.3718
0.3769
-10
0.1967
0.2043
0.2424
0.264
0.2982
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