基于Matlab/Simulink的GSIVI系统物理层仿真

向长波 李惠 王玉霞 刘芬 宋华军

【摘要】在通信系统中，物理层作为最底层，提供能够传送原始比特数据的物理信道。通过对GSM通信系统物理层的分析，运用Matlab/Simulink设计模型，对信道编码、交织、调制等过程进行基本仿真，最终获取信号的I/Q数据、绘制出信号的功率谱。其中GSM采用分模块编写M文件实现，通过对误比特率和误块率的分析，验证了仿真的可靠性。

【关键词】GSM 物理层仿真 Matlab Simulink

近年来，无线通信技术飞速发展，信道环境变得越来越复杂，无线信号的种类也越来越丰富，这为全球通信行业和军事领域的发展带来更多机遇的同时，也势必会引发一系列的问题，如频率资源的有效利用、合理分配等。如何在信噪比较低、信道条件恶劣的环境下，有效地监测和分析这些信号，具有十分重要的意义，也是当前的研究热点。而对通信系统物理层进行建模仿真，获取信号的I/Q数据、绘制出信号的功率谱是信号分析的基础。

在通信系统中，物理层作为最底层，提供能够传送原始比特数据物理信道。物理层结构不仅对无线链路的性能有着直接的影响，而且也关系着移动终端设备的复杂程度。

本文以第二代蜂窝移动通信系统GSM为例，介绍了一种运用Matlab/Simulink进行系统物理层仿真的方法，并进行分析，以期对后期的信号分析及推广应用提供有效帮助。

一、GSM系统物理层仿真

GSM（Glohal System For Mobile Communications，全球移动通信系统）是第二代蜂窝移动通信系统，在空中无线接口上综合采用TDMA和FDMA两种多址方式。GSM相邻两个频道之间的间隔是200kHz，按此间隔将GSM工作频段分为124个载频。每个载频又被分为8个信道，可以容纳8个时分移动用户，即8个时隙。时隙是GSM无线接口上资源的最小单位。

1.1 仿真模型

由于接收机的实现基本上是发射机的逆过程，本文只介绍仿真实现的发射机整体结构，如图2所示，由五个不同的功能块组成：

（1）随机比特发生器

实际应用中，需要对声音信号进行语音编码，来产生二进制信号。而在信号建模仿真过程中，直接随机产生二进制信号代替经过语音编码之后的信号，作为GSM的传输信号。

（2）信道编码

信道编码的目的是降低误码率，改善信号的传输质量，消除由于扰因素产生的对信号的不良影响。GSM系统主要采用分组码和卷积码，传输信号经过编码后，变为456bit。

（3）交织

交织技术将消息序列中连续的比特分散开，也就是把一条消息中连续的比特以非连续的方式发送出去，使得长串的突发差错离散为随机差错。在GSM系统中，采用交织深度为8的交织码，来进行二次交织。

（4）形成burst

将交织产生的数据封装成完整的burst（突发脉冲）结构.进而形成GSM各种无线帧结构。

（5）调制

GSM系统采用的调制方式为GMSK。复用器将数据返回给GMSK调制器，GMSK调制器模块首先对传人序列执行差分编码，以形成一个NRZ（不归零）序列。修改后的序列再经过实际的GMSK调制后，得到的信号被表示为使用相应的I和Q信号表达的复基带信号。

1.2 仿真结果及分析

对上述调制器输出的信号进行功率谱计算，绘制出GSM信号的功率谱，如图3所示。

同时，程序打印出的误比特率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、结论

本文以第二代蜂窝移动通信系统GSM为例，介绍了一种运用Matlab/Simulink进行系统物理层仿真的方法，并通过分析，验证了仿真的可靠性，能够为后续信号分析和识别提供基础。