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完整的GMSK技术原理与MATLAB仿真报告.pdf

发布时间：2022-06-08 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.72M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    GMSK 技术原理与 MATLAB 仿真 西安电子科技大学通信工程学院 摘要： GMSK 由于具有优良的频谱效率和功率效率，因而作为一种主要的现 代调制技术被广泛地应用于多种现行的无线标准之中。本文主要介绍数字调 制技术 GMSK 的调制解调原理和 MATLAB 仿真。首先介绍了 GMSK 的发展和主 要应用，然后分析了 GMSK 的基本原理，并分别介绍了 GMSK 的调制和解 调方法。最后利用 MATLAB 进行了 GMSK 系统仿真和性能分析。 关键词： GMSK 基本原理 应用 MATLAB 仿真 一、引言 高斯滤波最小频移键控（Gaussian Filtered Minimum Shift Keying - GMSK）由于具有优良的频谱效率和功率效率等特性，因而作为一种主要的 调制技术被 广泛地 应用于多种 现行 的无 线 标准 之中(GSM, DECT, CDPD )。GMSK 调制技术是从 MSK （Minimum Shift Keying）调制的基础上发 展起来的一 种数字调制方式，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。由于数字信号在调制前进行了 Gauss 预调制滤波，调制信号 在交越零点不但相位连续，而且平滑过滤，因此 GSMK 调制的信号频谱紧 凑、误码特性好，在数字移动通信中得到了广泛使用，如现在广泛使用的 G SM（Global System for Mobile communication）移动通信体制就是使用 G MSK 调制方式。本文首先介绍了 GMSK 的应用背景和研究现状，然后分析 了 GMSK 的调制以及解调原理，最后利用 MATLAB 进行了系统仿真和性 能分析。 二、GMSK 的发展和应用 l979 年由日本国际电报电话公司提出的 GMSK 调制方式．有较好的功率频 谱特性，较低的误码性能，特别是带外辐射小，很适用于工作在 VHF 和 UHF 频 段的移动通信系统，越来越引起人们的关注[1]。GMSK 调制方式的理论研究已 1
    较成熟．实际应用却还不多，主要是由于高斯滤波器的设计和制作在工程上还有 一定的困难。 高斯最小频移键控(GMSK)由于带外辐射低因而具有很好的频谱利用率，其 恒包络的特性使得其能够使用功率效率高的 C 类放大器。这些优良的特性使其 作为一种高效的数字调制方案被广泛的运用于多种通信系统和标准之中。 其中包括:[1,2,3]  依据欧洲通信标准化委员会(ETSI )制定的 GSM 技术规范研制而成的全 球通(GSM)数字蜂窝移动系统;  由欧洲邮政与电信协会(CEPT)制定的作为欧洲通信标准 ETS1300 一 175 的无绳通信标准(DECT);  英国和香港，基于无绳电话(CordlessPhones)和电信点(Telepoint )系统的 通信标准，CT-2 和 CT-3 系统;  基于爱立信公司提出的 Mobitex 协议的，Mobitex 系统(欧洲)和 RAM 移 动数据系统(美国);  建立在北美高级移动电话系统(AMPS)上实现无线数据业务的蜂窝数字  分组数据(CDPD)系统; 第三代个人通信系统(PCs)中，美国的基于 GSM 标准的 PCS1900;以及 欧洲的由 ETIS 开发和制定的个人通信网(PCN )标准 DCSI 800;  作为欧洲无线局域网(WLAN)标准的 HiperLAN /1 以及如今讨论的很多 的作为无线个人网络(WPAN)标准的蓝牙(Bluetooth )系统;  专用系统中有根据国际民肮组织(ICAO)制定的卫星通信、导航、搜索/ 空中交通管理} CNS /ATM )系统等;  通用分组无线服务(GPRS)以及改进数据率 GSM 服务(EDGE)作为由第二 代通信标准向 第三代通信标准过渡方案也是以 GMSK 作为其调制方案;  1999 年，国际电联 ITU 着手建立的第三代无线通信标准 IMT2000 体系。 根据不同的应用和技术将其分成 5 大类:（1）IMT —DS：基于 ETSI 的 W - CDMA 技术，采用直序列扩频技术的 CDMA 方案;（2）IMT—MC： 基于北美的 CDMA One，采用多载波 CDMA 技术；（3）IMT –TC：基于 ETSI 的 TD - CDMA 技术，采用时分双工(TDD )和 TDMA / CDMA 的多 址方式；（4）IMT—SC ：基于 UWC—136 /EDGE 网络;（5）IMT—FT： 基于采用 FDM.4 的 DECT 技术。其中后三类无线接口的调制方式都采用 GMSK 技术或者与之兼容。 GMSK 有着广泛的应用。因此，从上世纪 80 年代提出该技术以来，广 大科研人员进行了大量的针对其调制解调方案的研究。 2
    三、GMSK 的原理分析 3.1 GMSK 的基本原理 调制前高斯滤波的最小频移键控简称 GMSK，基本的工作原理是将基带 信号先经过高斯滤波器成形，再进行最小频移键控(GMSK)调制如图 1。 数据 高斯滤波器 MSK 调制器 GMSK 信号 图 1 GMSK 信号调制基本原理图 由于这种滤波器能将基带信号变换成高斯脉冲信号，其包络无陡峭边沿和拐 点，从而达到改善MSK信号频谱特性的目的。基带的高斯低通滤波平滑了MSK 信号的相位曲线，因此稳定了信号的频率变化，这使得发射频谱上的旁瓣水平大 大降低。 实现GMSK信号的调制，关键是设计一个性能良好的高斯低通滤波器，它必 须具有如下特性[2，3]： ①有良好的窄带和尖锐的截止特性，以滤除基带信号中多余的高频成分。 ②脉冲响应过冲量应尽量小，防止已调波瞬时频偏过大。 ③输出脉冲响应曲线的面积对应的相位为π/2，使调制系数为1/2。 以上要求是为了抑制高频分量、防止过量的瞬时频率偏移以及满足相干检测 所需要的。 高斯低通滤波器的脉冲响应  h t 可以表示为： h t ( )  2  ln 2 B 3 dB exp    2 ln 2   B t dB 3  2      1 其中， 3dBB 为高斯滤波器的 3dB 带宽。 高斯低通滤波器的矩形脉冲响应 ( )g t 为：   g t    h t  refc t T        2 其中矩形函数 rect t T       定义为： 3
    rect t T            1 T 0 当 t  1/ 2T 其他   3 计算后，脉冲响应 ( )g t 可以表示为： g t ( )    h t  t T    T 1/2  rect    t  dB t T 1/2  2 ln 2   2  ln 2 B 3 1 2 [ erf       exp(  B 2 2 2 2   ln 2 d )  B  3  t dB  T 1/ 2  erf            2 ln 2 B  3  t dB  T 1/ 2    ]      4 其中，   erf x 为误差函数：   erf x  2  x  0 2 t e dt    5 BT=0.1 BT=0.25 BT=0.5 BT=1.0 高斯矩形脉冲响应 ( )g t 随 3dBB 的变化曲线如图 2 所示： 高斯滤波器的矩形脉冲响应 1 0.8 0.6 0.4 0.2 ) t ( g 0 -4 -3 -2 -1 0 t/T 1 2 3 4 图 2 高斯矩形脉冲响应 ( )g t 随 3dBB 的变化曲线 已调信号的相位写作： 4
      t    T 2 t      a g n      nT  T 2       d   6 其中  1 ia   是被调制的非零码（NRZ）。调制指数 H=0.5。这保证在一 个码元时间内的相位的最大改变量为 2 。因此，GMSK 信号的最终表达式 为：   S t  cos    c  t   T 2 t      a g n      nT  T 2        d      7 双极性码元通过高斯滤波器产生拖尾现象，所以相邻脉冲之间有重叠。 对应某一码元，GMSK 信号的频偏不仅和该码元有关，而且和相邻码元有关。 也就是说在不同的码流图案下，相同码元(比如同为“+1”或“-1”)的频偏是不同 的。 相邻码元之间的相互影响程度和高斯滤波器的参数有关，也就是说和高 斯滤波器的 3DB 带宽 B 有关。通常将高斯滤波器的 3DB 带宽 B 和输入码元 宽度 T 的乘积 BT 值作为设计高斯滤波器的一个主要参数。BT 值越小，相邻 码元之间的相互影响越大。理论分析和计算机模拟结果表明。BT 值越小，G MSK 信号功率频谱密度的高额分量衰减越快。主瓣越小，信号所占用的频带 越窄，带外能量的辐射越小，邻道干扰也越小。 高斯滤波器的输出脉冲经MSK调制得到GMSK信号，其相位路径由脉冲的形 状决定。由于高斯滤波后的脉冲无陡峭沿，也无拐点，因此，相位路径得到进一 步平滑，图3同时给出了GMSK信号和MSK信号的相位轨迹图[3]： 图3 GMSK的相位路径 5
    通过比较和分析我们可以下定性的结论：基带的脉冲形成技术平滑了 M SK 信号的相位曲线，因此稳定了信号的频谱变化，这将使得发射频谱上的旁 瓣高度大大降低。GMSK 是通过引入可控的码间干扰（即部分响应波形）来达 到平滑相位路径的目的，它消除了 MSK 相位路径在码元转换时刻的相位转折点。 从图中还可以看出，GMSK 信号在一个码元周期内的相位增量，不像 MSK 那样 固定为±π/2，而是随着输入序列的不同而不同。 3.2 GMSK信号的调制和解调 3.2.1 GMSK调制器的实现方案及其比较  直接数字调频方案 该方案利用脉冲形成后的基带信号直接对压控振荡器VOC进行调频。该方 案十分简单，并且在多种模拟和数字系统中采用。例如蜂窝数字分组数据系统 (CDPD)和全球通(GSM)[4]。可是该方案不易于集成。而且为了保持中心频率在动 态范围内，就必须要求VOC有着较高的线性度和灵敏度。类似的方案还有环路 型调制器（见图4）。 2 BPSK保证每个码元得相位变化为 2 ，利用锁相环对相 位进行平滑。可是如何设计PLL的传输函数，从而满足功率谱特性的需要是一件 很困难的事情。 图 4 锁相环型 GMSK 调制器  正交平衡式调制器 我们可以将GMSK信号写作： S t ( )   f  cos(2   t cos ( )cos(2  t ( ))  c f t c )  sin ( )sin(2  t  f t c )   8 其中，   t    T 2 t      a g n      nT  T 2       d  因此，同MSK信号类似，GMSK信号也可以采用正交平衡式调制器[4]。其 原理框图如图5 6
    图 5 正交平衡型 GMSK 调制器 该方案有着实现简单，容易实现数字化，以达到最终的大规模集成。但是其 缺点是，同相和正交两路输出信号必须进行平衡，否则会出现附加调幅，导致频 带的扩展。如果采用利用RAM储存波形的方案。调制时直接查表取值则不用担 心平衡问题。可是，当载波频率很高时（例如GSM中的载波频率为900MHz）， D/A 转换器，以及DSP处理器的速度则成为制约该方案的主要因素。这时候，就 需要通过调整同相、正交电路来达到平衡的目的。 3.2.2 GMSK 的解调原理  GMSK信号的相干解调 相干解调技术在基于 GMSK 调制体制的系统中应用十分广泛。例如，GSM 系统中在其基站部分和移动端部分都使用相干解调技术。如果使用相干解调技 术，接收机需要知道参考相位，或者进行精确的载波恢复。这也要求接收机拥有 本振、锁相环路、以及载波恢复电路等部分，这些都使得接收机的复杂程度和成 本增加[5,6]。 图 6 相干解调器原理框图 3.2.1 小节介绍了 GMSK 信号可以类似的采用 MSK 正交平衡调制方案。因 此我们可以并行的实现对它的解调。而且，还可以通过分别对同相部分和正交部 分进行相干解调来达到性能的优化。 调制器和解调器的两个相互正交的通道必须进行时钟同步、幅值平衡、以 及相位正交，否则系统的性能就会降低。可是随着数据传输速率的提高，其实现 的难度也增加了。MSK 的串行实现方案避免了并行方案中平衡以及时域同步的 问题。但是，它对带通滤波器以及匹配滤波器的精度要求很高。 7
    我们可以将 GMSK 视为 QPSK 的一种特殊的形式。也就是将码元序列的奇、 偶位码元分别调制在同相载波和正交载波上。分别对于这两个正交的载波部分来 说，其信息的传输速率为 1/2T(bps)。而总的传输速率为 1/T(bps)。接收端奇偶码 元的判决时间为 2T。[10]指出在高斯加性白噪声的情况下和基于正交 GFSK 使用 匹配滤波器相干解调方案比较，基于 GMSK 的并行相干解调方案可以有大约 3dB （Eb/No）增益。 系统为补偿由于多径传播产生的时延扩展以及预调制滤波器和检测前滤波 器引入的码间干扰，往往在相干解调方案中采用线性均衡技术。可是，由于对接 收信号相位的跟踪不良而造成的误码仍然无法消除。因此，在衰落环境下的相干 解调技术的性能并不十分理想。  GMSK信号的非相干解调 对于 GMSK 信号可以采用多种非相干技术进行解调。非相干解调技术不需 要知道参考相位，因此也就不需要锁相环路、本地晶振以及载波恢复电路了。相 对与相干解调技术，非相干解调技术的成本更低，更易于实现。非相干解调技术 的种类很多。主要分为限幅鉴频器和差分解调两个大类，以及基于这两大类技术 的多种衍生方案。本节分别给出了两种方案的原理图[3,7]。并对目前关于该方向 的研究状况和主要成果进行综述。  限幅鉴频器解调 限幅鉴频器，顾名思义由两个部分组成：限幅器，用来恢复受到噪声和干扰 影响的接收信号的恒包络的特性；鉴频器，用来将相位调制转化为幅度调制，以 供随后的包络检测。鉴频器之后通常跟随一个低通滤波器，例如一个积分滤波器。 信号通过低通滤波器之后进入判决器判决，如图 7： 图 7 限幅鉴频器的原理框图  非相干差分解调 非相干差分解调，利用接收信号以及其时延信号进行解调。原理图如 8 所示： 其中 C 代表一个复常数（当延时为 T 时，C=-j）。 图 8 差分相位解调原理框图 8
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