基于Matlab/Simulink的GSIVI系統(tǒng)物理層仿真

向長波 李惠 王玉霞 劉芬 宋華軍

【摘要】在通信系統(tǒng)中，物理層作為最底層，提供能夠傳送原始比特?cái)?shù)據(jù)的物理信道。通過對(duì)GSM通信系統(tǒng)物理層的分析，運(yùn)用Matlab/Simulink設(shè)計(jì)模型，對(duì)信道編碼、交織、調(diào)制等過程進(jìn)行基本仿真，最終獲取信號(hào)的I/Q數(shù)據(jù)、繪制出信號(hào)的功率譜。其中GSM采用分模塊編寫M文件實(shí)現(xiàn)，通過對(duì)誤比特率和誤塊率的分析，驗(yàn)證了仿真的可靠性。

【關(guān)鍵詞】GSM 物理層仿真 Matlab Simulink

近年來，無線通信技術(shù)飛速發(fā)展，信道環(huán)境變得越來越復(fù)雜，無線信號(hào)的種類也越來越豐富，這為全球通信行業(yè)和軍事領(lǐng)域的發(fā)展帶來更多機(jī)遇的同時(shí)，也勢(shì)必會(huì)引發(fā)一系列的問題，如頻率資源的有效利用、合理分配等。如何在信噪比較低、信道條件惡劣的環(huán)境下，有效地監(jiān)測和分析這些信號(hào)，具有十分重要的意義，也是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。而對(duì)通信系統(tǒng)物理層進(jìn)行建模仿真，獲取信號(hào)的I/Q數(shù)據(jù)、繪制出信號(hào)的功率譜是信號(hào)分析的基礎(chǔ)。

在通信系統(tǒng)中，物理層作為最底層，提供能夠傳送原始比特?cái)?shù)據(jù)物理信道。物理層結(jié)構(gòu)不僅對(duì)無線鏈路的性能有著直接的影響，而且也關(guān)系著移動(dòng)終端設(shè)備的復(fù)雜程度。

本文以第二代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)GSM為例，介紹了一種運(yùn)用Matlab/Simulink進(jìn)行系統(tǒng)物理層仿真的方法，并進(jìn)行分析，以期對(duì)后期的信號(hào)分析及推廣應(yīng)用提供有效幫助。

一、GSM系統(tǒng)物理層仿真

GSM（Glohal System For Mobile Communications，全球移動(dòng)通信系統(tǒng)）是第二代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)，在空中無線接口上綜合采用TDMA和FDMA兩種多址方式。GSM相鄰兩個(gè)頻道之間的間隔是200kHz，按此間隔將GSM工作頻段分為124個(gè)載頻。每個(gè)載頻又被分為8個(gè)信道，可以容納8個(gè)時(shí)分移動(dòng)用戶，即8個(gè)時(shí)隙。時(shí)隙是GSM無線接口上資源的最小單位。

1.1 仿真模型

由于接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)基本上是發(fā)射機(jī)的逆過程，本文只介紹仿真實(shí)現(xiàn)的發(fā)射機(jī)整體結(jié)構(gòu)，如圖2所示，由五個(gè)不同的功能塊組成：

（1）隨機(jī)比特發(fā)生器

實(shí)際應(yīng)用中，需要對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行語音編碼，來產(chǎn)生二進(jìn)制信號(hào)。而在信號(hào)建模仿真過程中，直接隨機(jī)產(chǎn)生二進(jìn)制信號(hào)代替經(jīng)過語音編碼之后的信號(hào)，作為GSM的傳輸信號(hào)。

（2）信道編碼

信道編碼的目的是降低誤碼率，改善信號(hào)的傳輸質(zhì)量，消除由于擾因素產(chǎn)生的對(duì)信號(hào)的不良影響。GSM系統(tǒng)主要采用分組碼和卷積碼，傳輸信號(hào)經(jīng)過編碼后，變?yōu)?56bit。

（3）交織

交織技術(shù)將消息序列中連續(xù)的比特分散開，也就是把一條消息中連續(xù)的比特以非連續(xù)的方式發(fā)送出去，使得長串的突發(fā)差錯(cuò)離散為隨機(jī)差錯(cuò)。在GSM系統(tǒng)中，采用交織深度為8的交織碼，來進(jìn)行二次交織。

（4）形成burst

將交織產(chǎn)生的數(shù)據(jù)封裝成完整的burst（突發(fā)脈沖）結(jié)構(gòu).進(jìn)而形成GSM各種無線幀結(jié)構(gòu)。

（5）調(diào)制

GSM系統(tǒng)采用的調(diào)制方式為GMSK。復(fù)用器將數(shù)據(jù)返回給GMSK調(diào)制器，GMSK調(diào)制器模塊首先對(duì)傳人序列執(zhí)行差分編碼，以形成一個(gè)NRZ（不歸零）序列。修改后的序列再經(jīng)過實(shí)際的GMSK調(diào)制后，得到的信號(hào)被表示為使用相應(yīng)的I和Q信號(hào)表達(dá)的復(fù)基帶信號(hào)。

1.2 仿真結(jié)果及分析

對(duì)上述調(diào)制器輸出的信號(hào)進(jìn)行功率譜計(jì)算，繪制出GSM信號(hào)的功率譜，如圖3所示。

同時(shí)，程序打印出的誤比特率BER信息如下：

4 Bursts processed in 16.3 Seconds.

Used 4.1 seconds per burst.

Type Ia BER：0.00.

Type Ib BER：0.00.

Type II BER：0.00.

Type II BER-CHEAT：0.00.

三、結(jié)論

本文以第二代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)GSM為例，介紹了一種運(yùn)用Matlab/Simulink進(jìn)行系統(tǒng)物理層仿真的方法，并通過分析，驗(yàn)證了仿真的可靠性，能夠?yàn)楹罄m(xù)信號(hào)分析和識(shí)別提供基礎(chǔ)。