及其性能作一介绍.doc

一、引言二、GMSK的工作原理目前，在移动通信系统中，GMSK调制式越来越引起人们的关注，这是由于GM-K调制方式具有较好的功率谱特性，其误特性能也较优越，特别是其具有较小的带辐射能量的特点，很适合于工作在VHFUHF频段的移动通信SCPC(每载波单信)系统。本文就如何实现GMSK调制解调调制前高斯滤波的最小频移键控(GM-SK)的基本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(MSK)调制，如图1所示。由于成形后的高斯脉冲包络无陡峭边沿，亦无拐点，因此其频谱特性优于MSK信号的频谱特性。数据输入GMSK信号输出四、性能分析图4给出了FX489内部高斯滤波器的频率响应曲线。图5给出了在BT一0.5和BT一。.3时的传输眼图。由图5可以看出，当BT一0.5时，传输眼图张开度较大;当BT一。.3时，传输眼图的张开度较小。图6给出了BT0.5和BT一0.3时的GMSK信号的功率谱密度曲线。从图6可看出，当BT值小(BT0.3)时，GMSK信号的带外分量较少，高频分量衰减较快;当BT值大(BT一0.5)时，GMSK信号的带外分量增多，高频分量衰减较慢。图7给出了利用FX489实现GMSK调制解调时，在BT一0.3和BT一0.5时的误比特率和S/N之间的关系曲线。从图7中可看出，在相同误比特率的情况下，BT一0.3时所需的S/N比BT=。.5时所需的S/N要高ZdB左右。这可以从高斯滤波器输出的“拖尾”现象作出解释，BT值较小时，高斯滤波器输出滤形的拖尾现象较严重，相邻码元之间的相互影响较大，使得传输误比特率增高。所以，BT值的选择要综合考虑，既要兼顾传输时的误比特率，又要兼顾带外能量的辐射。经调制后的已调波相位路径在MSK基础上进一步得到平滑。GMSK调制器原理方框图如图1。图1GMSK调制器原理方框图为了使输出频谱密集,调制前LPF应当具有以下特性:(1)窄带和尖锐的截止;(2)脉冲响应过冲量小;(3)保持滤波器输出脉冲响应曲线下的面积对应于/2的相移。其中条件(1)是为了抑制高频分量;条件(2)是为了防止过大的瞬时频偏;条件(3)是为了使调制指数为1/2。高斯滤波器的频率传输函数为:H(f) = exp(-2f2) (1其中是与滤波器3分贝带宽Bb有关的一个系数。其3分贝带宽Bb定义为:令H2(Bb) = 1/2exp(-22B2b) = 1/2Bb= 1/2 1n20.5887 (2可见,改变时,则Bb也随之改变。滤波器的脉冲响应函数:h(t) =-H(f)ej2ftdf=-exp(-2f2+2(jt)f)df=exp -22t2(3分析GMSK的性能应该从功率谱密度、已调波占用带宽、邻道干扰以及误比特率等方面分析,这里我们不做过多分析,有关内容可参考有关的书籍这里只对误比特率进行简单的说明。GMSK是一种恒包络调制技术,具有最小频移特性。根据实验结果,可以用下式来近似GMSK系统的性能,即Pe()12erfc()式中,= 0.68,是滤波器的滚降因子,BbTb=0.25,是调制器的归一化3dB带宽,是每比特的信噪比。下面分析MSK的原理,其结构原理如图2。图2为MSK调制器的基本原理图,一般的MS调制器包括四部分电路:数据处理、定时与载波产14随着现代通信技术的发展,移动通信技术得到快速的发展,GMSK技术起到了关键性的作用。GM-SK是一种二进制数字调制技术,它是无线通信中最突出的调制类型。在世界范围内有很多通信标准都采用了GMSK技术,例如GSM,DECT等。GMSK信号由于具有恒包络和带外辐射小的特点获得了广泛得应用。本文主要介绍了GMSK的基本原理,以及利用计算机对调制部分的仿真分析,说明GMSK的性能。说明它适合于移动无线电通信的特性。对信号的仿真主要利用的Mathworks公司的MATLAB软件,该软件是一种优秀的数学应用软件,它可以进行很多种数学运算,可用于DSP(数字信号1GMSK基本原理GMSK基本原理是基带信号先经过调制前高斯滤波器成形,再进行MSK调制。最小频移键控(MSK)是一种二进制数字调频,它的调制系数为0.5。MSK具有以下优点:恒定的包络、相对稳定的窄带、具有相干检测能力。MSK可以有频率调制FM直接产生。然而它不能严格满足对于SCPC移动无线电的带外辐射的要求。在1979年日本国际电报电话公司电气通信实验室提出了调制前高斯滤波的MSK,也就是GMSK。在MSK加一高斯低通滤波器,由于成形后的高斯脉冲包络无陡峭边沿,也无拐点, 生、加权波形形成和I,Q信道的正交调制器。MSK输出信号的形式如下:YMSK(t) =u2k-1sin2Tbtcosct+u2kcos2Tbtsinc当(2k-1)Tb t 2kTbYMSK(t) =u2k+1sin2Tbtcosct+u2kcos2Tbtsinc当2kTb t 2(k+1)Tb在MSK的调制前加上高斯低通滤波器就便成了GMSK。下面的内容将根据上面的原理利用计算收稿日期:2009-03-052/Tcos2fct+(t,I)+0 (3式中:(t,I)表示载波的时变相位,定义为:(t,I) =4Tfdt-d()d=n+2hInq(t-nT) (4式中:h=2fdT;n=hn-1k=-Ik;q(t)是某个归一化波形g(t)的波形。对CPFSK推广,得到更一般的连续相位调制(CPM),其一般载波相位是:(t,I) =2nk=-Ikhkq(t-kT),nTt(n+1)T(5显而易见,通过选择不同的脉冲形状g(t),改变调制指数和符号数目M,可以产生无穷多种CPM信号4。画出由信息序列In值产生的一组相位轨迹(t,I)是很有用的。例如,CPFSK的相位树是分段性的,较平滑的相位轨迹和相位树可以通过使用不含跃变的脉冲获得,例如使用升余弦脉冲。为了便于比较,对二进制CPFSK的相位轨迹和基于长度为3T升余弦脉冲的二进制部分响应CPM的相位轨迹进行仿真5。图1是依据式(5)得出的图形。可以看出,基于长度为3T升余弦脉冲的二进制部分响应CPM的相位轨迹明显比二进制CPFSK的相位平滑。MSK在无线领域有广泛的应用6。0引言现代社会要求通信方式能使消息几乎在任意距离上实现迅速、有效、准确、可靠的传递。可根据信道中所传输的信号的特征,把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统1。模拟通信系统的应用比较早,也比较广泛,但数字通信系统以其显著的优越性得到了迅速的发展。随着通信技术和计算机技术的飞速发展,计算机数字通信技术显得越来越重要,甚至有替代模拟通信的优势。但是,目前常用的数字通信传输信道仍为模拟信道,为了能使数字信号可靠、有效地在模拟信道中传输,就必须将数字信号调制到模拟信道的载波上。在大多数数字通信系统中,可获得的信道带宽是有限的,因此,系统设计人员在选择用来发送信息的调制技术时,必须考虑由信道带宽限制造成的约束。由此,确定数字调制信号的频谱成份非常重要。由于信息序列是随机的2,因此数字调制信号是一个随机过程,应确定这样的随机过程的功率密度谱。由功率密度谱就能确定用来发送携带信息的信号所需要的带宽。故需要对调制信号的功率谱进行分析,近年来计算机仿真技术的发展为调制信号的功率谱分析提供了新的手段,并逐渐获得广泛的应用。下面就调制指数为1/2及不同脉冲形状二进制的连续相位调制信号功率密度谱进行了分析。1MSK调制为了避免使用具有较大频谱旁瓣的信号,携带信息的信号频率调制单一的载波,载波频率是连续变化的,所得的频率调制信号是相位连续的,因此称为CPF-SK3。为了表示CPFSK信号,以PAM开始,有:d(n) =Ing(t-nT) (1)式中:In表示幅度序列,它是由信息序列an的k比特二进制数字组映射到幅度电平1,3,(M-1)得到的;g(t)是一个幅度为1/2T,持续时间为Ts的矩形脉冲;信号d(t)用来对载波进行频率调制,从而等效低通波形v(t),可表示为:v(t) =2/Texpj4Tfdt-d()d+0(2)式中:fd是峰值频率偏移;0是载波的初始相位。对应于式(2)的载波调制信号可表示为:s(t) =Rev(t)e2fct=2/Tcos2fct+(t,I)+0 (3)式中:(t,I)表示载波的时变相位,定义为:(t,I) =4Tfdt-d()d=n+2hInq(t-nT) (4)式中:h=2fdT;n=hn-1k=-Ik;q(t)是某个归一化波形g(t)的波形。对CPFSK推广,得到更一般的连续相位调制(CPM),其一般载波相位是:(t,I) =2nk=-Ikhkq(t-kT),nTt(n+1)T(5)显而易见,通过选择不同的脉冲形状g(t),改变调制指数和符号数目M,可以产生无穷多种CPM信号4。画出由信息序列In值产生的一组相位轨迹(t,I)是很有用的。例如,CPFSK的相位树是分段性的,较平滑的相位轨迹和相位树可以通过使用不含跃变的脉冲获得,例如使用升余弦脉冲。为了便于比较,对二进制CPFSK的相位轨迹和基于长度为3T升余弦脉冲的二进制部分响应CPM的相位轨迹进行仿真5。图1是依据式(5)得出的图形。可以看出,基于长度为3T升余弦脉冲的二进制部分响应CPM的相位轨迹明显比二进制CPFSK的相位平滑。MSK在无线领域有广泛的应用6。GMSK预调制滤波器的脉冲响应公式为:hG(t) =exp-22t2传输函数:HG(t) =exp(-2f2)参数与B和HG(f)的3 dB基带带宽有关,=ln 22B=0.588 7B高斯滤波器矩形脉冲响应如图4所示,GMSK号的功率谱密度如图5所示。1 引 言GSM (Group Special Mobil,欧洲移动通信特别小组)是目前世界上应用最为广泛的一种数字移动通信系统,他是在模拟移动通信系统的基础上发展起来的,因此,除了具有一般无线移动通信所共有的问题外,由于数字信号的引入,他在无线传输上的关键技术有:模拟话音信号在数字信道中的传输问题、时间色散引起的符号间干扰问题、以及采用什么样的数字调制技术问题。GSM系统采用的数字调制技术是GMSK (GaussianMinimum Shift Keying,高斯滤波最小频移键控),下面对GMSK调制技术进行介绍。2 GMSK调制原理GMSK调制技术是在MSK基础上经过改进得到的。MSK (Minimum Frequency Shift Keying,最小频移键控)是二进制连续相位FSK (Frequency Shift Keying,频移键控)的一种改进形式。在FSK方式中,每一码元的频率不变或者跳变一个固定值,在两个相邻的频率跳变码元信号之间,其相位通常是不连续的。MSK就是FSK信号的相位始终保持连续变化的调制方式。MSK信号可以表示为如下形式:SMSK(t) =Ikcost2Tscosct+Qksint2Tssinct (1) (k- 1)TstkTs其中: Ik= cosk; Qk=-akcosk根据式(1),可构成一种MSK调制器,其方框图如图1所示。MSK信号的归一化功率谱如图2所示。从图2中可看出,MSK调制方式具有恒定的振幅,信号功率谱在主瓣以外衰减较快。与QPSK相比较,MSK信号的功率谱更加紧凑,占用的带宽窄,抗干扰性强,是适合在窄带信道传输的一种调制方式。但是,在移动通信系统中,对信号带外辐射功率的限制十分严格,比如衰减要求在7080 dB以上。MSK信号不能满足这样苛刻的要求,而高斯最小频移键控(GMSK)往往可以满足要求。GMSK调制的基本原理是让基带信号先经过高斯滤波器滤波,使基带信号形成高斯脉冲,之后进行MSK调制。GMSK调制原理方框图如图3所示。图3 GMSK调制原理方框图在数字调制方式中,如果调制方式的相位产生阶跃,那么他引起的相位对时间的变化(即角偏率)增大,使信号的频谱变宽且带外频谱衰减变慢。因此,要使信号有窄的频谱且带外频谱衰减快以抑制带外辐射,应使带外信号不突变,尽量使相位与时间的关系曲线平滑。由于GMSK使用了高斯滤波器,滤波形成的高斯脉冲包络无陡峭的边沿,亦无拐点,所以经调制后的已调波相位路径在MSK的基础上进一步得到平滑,相位如图4所示。由图4可以看出,他把MSK信号的相位路径的尖角平滑掉了,因此频谱特性优于MSK。图5中,横坐标为归一化频率(f-fc)Ts,纵坐标为谱密度,参变量BbTs为高斯低通滤波器的归一化3 dB带宽Bb与码元长度Ts的乘积。从图中可以看出,随着BbTs的减小,功率谱衰减明显加快。在GSM系统中,要求在(f-fc)=1.5时功率谱密度低于60 dB,从图上可以看出,BbTs=0.3时GMSK的功率谱即可满足GSM的要求。需要指出的是, GMSK信号的频谱特性的改善是通过降低误码率性能换来的。前置滤波器的带宽越窄,输出功率谱就越紧凑,误码率性能就变得越差。下面对GMSK调制技术进行仿真实验和分析。GMSK调制与解调器的BT乘积,分别为BT=0.2和BT=0.4,并绘制出在不同信噪比参数下的图形如图8所示。从图8中可以看出,BT=0.2的性能比BT=0.4的差;BT= 0.4的曲线比较接近MSK曲线;MSK曲线的性能较优。从原理上讲,GMSK是MSK的改进,GMSK频谱在主瓣以外比MSK衰减得更快,且邻路干扰小。但是,GM-SK信号的频谱特性的改善是通过降低误码率性能换来的。前置滤波器的带宽越窄,即BT值越小,输出功率谱就越紧凑,误码率性能就变得越差。当BT趋于无穷时,GMSK就蜕变为MSK。虽然,图8只比较了BT= 0.2和BT= 0.4的曲线,但从趋势上来看,BT的值越大,其曲线将越接近MSK曲线。I摘要在数字通信系统中，全数字接收机已经得到了广泛的应用。利用数字化方法设计通信系统中的调制解调技术是实际应用中的一项重要技术。最小高斯频移键控(GMSK)是一种典型的连续相位调制方式，具有包络恒定、频谱紧凑、抗干扰能力强等特点，可有效降低邻道干扰，提高非线性功率放大器的效率，已在移动通信（如GSM系统）、航天测控等场合得到广泛应用。传统方法设计的GMSK调制解调器不能很好满足全数字化接收机可编程、多模式等需要。论文重点研究利用全数字化技术设计GMSK调制解调器，以便更广泛地使用GMSK调制解调技术。主要研究工作有：1.针对传统GMSK调制技术实现中存在的设计复杂、有相位累计误差等不足，基于相关文献思想，设计实现了一种改进的波形存储正交法GMSK调制信号生产方案。该方法不存在传统方法相位累加过程中的累计误差，而且无需滤波器，降低了数字化实现中的器件资源。仿真及FPGA实现结果表明，该方法计算量小、占用资源少，更容易实现高旁瓣抑制度的GMSK信号。2.研究了GMSK信号的数字化解调技术，针对突发通信系统的需要，对1比特差分解调和2bit差分解调技术进行研究，设计实现了1bit差分解调。计算机仿真和FPGA仿真测试表明，设计方案能正确实现GMSK的解调，误码性能较好。3.讨论了GMSK参数对系统性能影响。通过仿真对比，研究在收发端BT值的选取准则，对不同调制与解调技术的误码性能进行仿真研究和分析。4.完成设计方案的FPGA设计，进行FPGA仿真和在线下载验证，结果表明，设计方案可以正确实现GMSK的调制解调。论文的研究通过理论分析、方案对比、计算机仿真和关键技术FPGA验证的方式进行。研究表明，设计方案可行，经进一步细化和改造后可用于实际通信系统。关键词：高斯最小频移键控；调制；差分解调IV目录摘要.IABSTRACT.II1引言.11.1软件无线电技术对调制解调的要求.11.2恒包络调制系统的研究.31.3本文主要研究内容与工作.32几种数字调制方式.52.1 QPSK调制.52.2 OQPSK调制.62.3最小移频键控(MSK).72.4 GMSK调制.122.4.1 GMSK简介.122.4.2 GMSK调制原理.132.5 GMSK调制与MSK调制的性能比较.172.5.1仿真建模.172.5.2仿真实验.182.6本章小结.193 GMSK调制与解调方案与研究.213.1 GMSK传统调制方法.213.1.1直接产生GMSK信号.213.1.2 PLL型调制器.213.1.3正交调制实现GMSK.213.2改进的波形存储正交法实现GMSK调制.263.3 GMSK的解调.313.3.1 GMSK的相干解调.313.3.2 GMSK的非相干解调.323.4 GMSK调制方案的Matlab实现.413.5一比特差分解调的Matlab实现.453.5.1一比特差分检测子模块.453.5.2积分和抽样子模块.463.5.3一比特差分解调仿真波形.463.6相干解调和非相干解调的比较.493.7本章小结.494 GMSK调制与解调的FPGA实现.504.1解调过程中位同步的研究.504.2 FPGA实现GMSK调制解调的模块设计.514.3系统硬件实现.564.4本章小结.575总结以及进一步的工作.585.1总结.58V5.2进一步的工作.58致谢.59参考文献.60附录.63作者攻读工程硕士学位期间发表论文.6311引言1.1软件无线电技术对调制解调的要求软件无线电已成为现代通信技术研究的新课题，它突破了传统的无线电台以功能单一、可扩展性差的硬件为核心的设计局限性，其基本思想是在一个通用的开放性的硬件平台上，通过安装不同的可升级、可重新配置的应用软件来实现不同的通信功能以及各种无线电功能的设计新思路1。这样不仅可以节省大量的硬件投资，而且还可以大大缩短新产品的开发研制周期，适时的适应市场的变化，从中获取巨大的经济效益。软件无线电具有开放式模块化结构，它主要由宽带A/D&D/A、可编程DSP模块、窄带A/D&D/A、用户终端等组成。在接收时，来自天线的信号经过射频(RF)处理和变换，由宽带A/D数字化，然后通过可编程DSP模块实现各种所需的信号处理，并将处理后的数据送至多功能用户终端；同样，也可通过类似的流程将数据通过天线发射出去。另外，利用在线和离线软件，软件无线电还可以实现通信环境的分析、管理以及业务和性能的升级。软件无线电的一个主要特点是完全可编程性，即RF频段和带宽、信道接入方式、传输速率、接口类型、业务种类、加密方法等均可由软件编程来改变2-3。软件无线电的开放式模块化结构为调制解调的实现提供了一个良好的软硬件平台，但同时也对调制解调提出了更高的要求，其对于数字调制技术的主要要求如下：无线通信的频带资源极其紧张，调制后信号必须占有窄的频带，提供较高的频谱效率；移动通信系统为了增加系统容量，还采用频率复用技术。这样，不但有邻道干扰，还有同频道干扰，这就要求调制技术必须有好的频谱特性，降低带外辐射，减少干扰；无线信道往往存在着多径衰落、多普勒频移、延迟扩散等不利条件，从而要求调制技术具有抗多径衰落等性能，保证好的载噪比和载千比，以获得好的误码率性能；无线通信发信机采用的功率放大器常常具有非线性，无线信道也可能具有非线性，调制技术应该保持恒包络，或者包络起伏很小，以减小高效功放和信道非线性的不利影响;差分解调无需提取相干本地载波；在深衰落、多普勒频移等信道条件下具有更好的综合性能；所以调制方式应该便于采用差分解调；易于实现，成本低廉，能减小设备尺寸4。为了满足上述的各种要求，人们研究出了很多数字调制方案。从携带信息的载波参量角度，可以分为幅移键控(ASK)、相移键控(PSK)、频移键控(FSK),正交幅度调制(QAM)等等；从调制电平数目出发，可以分为二进制调制与多进制调制；从信号相位路径的连续性出发，可以分为连续相位调制与不连续相位调制；从各个符号间隔波形之间的相关性，可以分为无记忆与有记忆调制；从包络的起伏状况来看，可分为恒包络和非恒包络调制。非恒包络调制实现相对较简单，频谱效率高，便于全数字实现，但容易受到信道非线性的影响，常用的非恒包络调制有PSK、FSK、ASK等；恒包络调制不管调制信号如何变化，载波的幅度是恒定的，功率利用率高，对信道非线性不敏感，常用的恒包络调制有MSK、GMSK、TFM、CPFSK等。其中，GMSK作为一种高效的数字调制技术，是由OQPSK，MSK演变来的一种简单的二进制调制方法23。在GMSK中，将调制的不归零(NRZ)数据通过预调制高斯脉冲成形滤波器，使其频谱上的旁瓣水平进一步降低。调制信号在交越零点不但相位连续，而且平滑过滤，因此，GMSK调制的信号频谱紧凑，误码特性好，带外辐射低因而具有很好的频谱利用率。图1.1GMSK与几种数字调制方式的已调信号的功率谱比较,可以看出,GMSK已调信号的功率谱密度性能十分优越，它的主瓣很窄，旁瓣衰减快，这表明GMSK调制的频谱利用率高，且抗干扰能力强。31.2恒包络调制系统的研究软件无线电技术对调制解调有严格的要求，而传统的QPSK有很大的不足，即在其码元交替处的载波相位往往是突变的。当相邻的两个码元同时转换时，如当码组00?11或01?10时，会产生1800的载波跃变。这会使调相波的包络上出现零点，其信号功率谱将产生很强的旁瓣分量。这种信号经过一个频带受限的信道，则由于旁瓣分量的滤除会产生包络上的起伏。当它再经过硬限幅或非线性功率放大器时，这种包络起伏虽可减弱，但却使非线性放大后的信号频谱旁瓣重新再生，导致频谱扩散，其旁瓣将会干扰临近信道的信号，这是非常有害的。从另一个角度来看，相位跃变所引起的相位对时间的变化(即角频率)很大，这样就会使信号功率谱扩展，旁瓣增大。为了使信号功率谱尽可能集中于主瓣之内，主瓣之外的功率衰减速度快，则信号的相位就不能突变，相位与时间的关系曲线应是平滑的。目前已经提出了许多新的调制方式，其核心就是控制已调波相位变化路径特性，使码元转换时刻已调波相位连续匀滑而变化不大，不产生大的突变4。称这种已调信号为恒包络调制或连续相位调制信号，常用的连续相位调制信号有/4差分相位移相键控、最小移频键控(MSK)、GMSK调制等。GMSK调制作为恒包络调制的一种，是在MSK调制的基础上发展而来的，其基本原理就是在MSK调制器中，用高斯低通滤波器对输入数据进行处理38。如果恰当地选择高斯低通滤波器的带宽，则能使信号的带外辐射功率小到可以满足以上提出的软件无线电对调制解调技术的严格要求。所以GMSK是一种有效的窄带数字调制技术5，由于具有很高的功率效率和频谱效率，获得了广泛的应用，如GSM,GPRS系统、无线局域网、航空数据链等。1.3本文主要研究内容与工作本文在介绍恒包络调制系统的原理的基础上，将重点阐述GMSK调制的原理。同时在GMSK调制原理的基础上，对GMSK调制中各个参数对系统性能的影响进行仿真；提出实现GMSK调制和解调的具体方案，并对所提出的方案进行可行性验证。在对比分析各个方案后，将选择适合的方案在DSP Builder中进行建模仿真，最后将实现的方案以VHDL语言的形式在FPGA中实现。具体安排如下：第一章绪论：主要介绍软件无线电技术对调制解调的要求，以及再此基础上对恒包络调制技术的简单研究；第二章要介绍软件无线电中的几种数字调制方式的原理，以及它们的优缺点，在介绍MSK调制的基础上，重点介绍GMSK调制的原理，对GMSK调制信号的形式进行具体分析，同时对比分析了MSK调制与GMSK调制的误码性能；4第三章提出实现GMSK调制与解调的具体方案，对解调中的一比特检测算法和二比特差分检测算法的解调性能进行对比；在此基础上，对波形存储正交调制法和一比特差分解调进行了详细分析；同时在DSP Builder中进行建模分析，得出具体的实现模型。第四章在第三章的基础上，介绍GMSK调制解调的FPGA实现。第五章最后一部分对本次工作进行总结，同时探讨后续工作。2几种数字调制方式在软件无线电中，随着大容量和远距离数字通信技术的发展，出现了一些新的问题，主要是信道的带宽限制和非线性对传输信号的影响6。对这些问题的研究，主要是围绕充分节省频谱和高效率的利用频带展开的。多进制调制，是提高频谱利用率的有效方法，恒包络技术能适应信道的非线性，并且保持较小的频谱占用率。比较常用数字调制的技术有四相相移键控(QPSK)、偏移四相相移键控(OQPSK)、最小移频键控(MSK)、高斯滤波最小移频键控(GMSK)、正交幅度调制(QAM)、正交频分复用调制(OFDM)等等。下面主要对常见的几种调制方式进行分析7。2.1 QPSK调制QPSK正交调制方框图如图2.1所示，输入的串行二进制信息序列经过串-并变换，分成两路速率减半的序列，电平发生器分别产生双极性二电平信号I(t)和Q(t)，然后对tccos和tcsin进行调制，相加后即得到QPSK信号8。在接收端，QPSK可使用相干解调，正交和同相路分别设置两个相关器(或匹配滤波器)，得到I(t)和Q(t)，经电平判决和并-串转换即可恢复原始信号。如图2.2所示：讨论QPSK时，一般假设每个符号的包络是矩形，即信号的包络是恒定的，此时信号的频谱是无限宽的。然而，信道总是限带宽的，在发送QPSK信号时常常通过带通滤波器。限带后的QPSK信号不能保持恒包络，相邻符号间发生1800相移时，经带限后，会出现包络为零的现象，这在非线性信道中是不允许的。所以，需要恒包络调制方法。2.2 OQPSK调制OQPSK是QPSK的一种改进。它是一种恒包络调制,避免了带外干扰,有较高的频谱利用率8。OQPSK把QPSK信号的I、Q两路信号错开一个输入码元宽度bT。因此，两路信号的相位不会同时发生变化，信号合成的相位突变最多是o90，其包络不会为0。从而避免了带外干扰。调制方法如图2.3：7OQPSK避免了带外干扰，如果能避免间断的相位跳变，可能有更好的性能。于是，就有了连续相位调制(CPM)，最小频移键控(MSK)就是这类调制。2.3最小移频键控(MSK)在移动通信中，MSK是很受欢迎的一种调制方式。当信道中存在非线性的问题和带宽限制时，幅度变化的数字信号通过信道会使已滤除的带外频率分量恢复，发生频谱扩展现象，同时还要满足频率资源限制的要求。因此，对己调信号有两点要求，一是要求包络恒定；二是具有最小功率谱占用率。因此，现代数字调制技术的发展方向是最小功率谱占有率的恒包络数字调制技术。现代数字调制技术的关键在于相位变化的连续性，从而减少频率占用。近年来新发展起来的技术主要分两大类:一是连续相位调制技术(CPFSK)，在码元转换期间无相位突变，如MSK,GMSK等；二是相关相移键控技术(COR-PSK)，利用部分响应技术，对传输数据先进行相位编码，再进行调相(或调频)。MSK是频移键控FSK的一种改进形式。在FSK方式中，每一码元的频率不变或者跳变一个固定值，而两个相邻的频率跳变码元信号，其相位通常是不连续的。图25显示了不同调制指数下的CPFSK调制的频谱特性9。从图2.5可以看出，调制指数h=0.5时，频谱占用较窄，频谱利用率高。所谓MSK方式，可以看成是调制指数为0.5的一种CPFSK信号。MSK是CPSK调制的一种特殊形式，它具有以下一些优点7:1)99.5%的信号能量集中在带宽为1.5倍的符号速率之间，因此带外辐射很小；2)信号的包络恒定，高效的非线性滤波放大器可以使用；3)MSK也可以是线性调制，结构简单的最大似然接收机可以在这种情况下使用。由于MSK信号在比特转换时不存在相位的急剧变化，为了满足带宽要求而频带受限时，MSK信号的包络不会有过零的现象。即使频带受限，包络仍可以或多或少地保持其恒定性。可以在接收机使用硬限幅消除包络上的微小变化，而不引起带外功率的上升。MSK接受信号模型其中等效基带表达式为：z(t)=s(t)+n(t)这里和是完全独立的高斯噪声，其双边带功率谱为MSK也是一种特殊的2FSK信号，它满足以下两个条件：1)两个载频正交且频率间隔最小；2)相位连续变化。其表达式为:：为了保证调制信号在t=kbT时刻相位连续，需使将式(2.12)代入式(2.13)并整理得到若x0，则x0或(模2)，k=0、1、2。10上式明确地反映了前后比特区间的相位依赖关系，即本比特区间内的相位常数不仅与本比特区间的输入有关，还与前一比特区间内的输入及相位常数有关。对于给定的输入信号序列ku，相应的附加相位函数()kt的波形如图2.7所示。下面推导MSK的正交表达式。因为所以上式表明MSK信号由两个相互正交的信号组成，其同相分量为：其正交分量为：我们称为I支路， 显然它们都是由输入数据所确定的。MSK的单边功率谱表达为：由此，我们看到MSK的许多性质都令人满意，例如MSK具有较宽的主瓣，其第一个零点出现在处。当时，MSK的功率谱以的速率衰减，这使得它很适合作为无线通信的调制方案。但它也有自身的缺点，其功率谱密度的旁瓣较大，在移动通信中，要求己调信号在邻道的辐射功率与所需功率之比应低于-60dB，MSK信号还不能满足这一要求7。为了使得其输出功率谱更加紧凑，下面的章节将引入预调制低通滤波器的概念。2.4 GMSK调制2.4.1 GMSK简介为了进一步改善MSK的频谱特性，有效的办法是对基带信号进行平滑处理，使调制后的信号相位在码元转换时刻不仅连续而且变化平滑,从而达到改善频谱特性的目的。高斯滤波最小频移键控(Gaussian Filtered Minimum Shift Keying,简称GMSK)就是利用高斯低通滤波器对基带信号进行这种预处理的10。GMSK作为一种高效的调制技术，是从OQPSK，MSK调制的基础上发展起来的一种数字调制方式，GMSK的很多方面都优于OQPSK和MSK，比如频带更窄，频谱更平滑(如图2.8)，实现起来更简单，抗干扰能力更强。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，因此GMSK信号比MSK信号具有更窄的带宽。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。GMSK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。自上世纪80年代提出GMSK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。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11。本文主要研究GMSK调制技术在软件无线电中的应用，主要目的在于通过本文的研究，深入地了解GMSK调制技术，完成GMSK的调制解调方案设计论证，进行计算机仿真研究和硬件调试。2.4.2 GMSK调制原理GMSK(Gaussian filtered MSK)信号是在MSK调制信号的基础上发展起来的，MSK信号可以看成是调制指数为0.5的连续相位FSK信号。尽管MSK它具有包络恒定、相位连续、相对较窄的带宽和能相干解调的优点，但它不能满足某些通信系统对带外辐射的严格要求。为了压缩MSK信号的功率谱，在MSK调制前增加一级预调制滤波器，从而有效的抑制了信号的带外辐射。预调制滤波器应具有的特性12：带宽窄而带外截止尖锐，以抑制不需要的高频分量；脉冲响应的过冲量较小，防止调制器产生不必要的瞬时频偏；输出脉冲响应曲线的面积应对应于1/2的相移量，使调制指数为1/2。因此，GMSK采用满足以上条件的高斯滤波器作为脉冲形成的滤波器13。数据通过高斯滤波器，然后进行MSK调制，滤波器的带宽由时间带宽常数BT决定。在没有载波漂移以及邻道的带外辐射功率相对与总功率小于60dB的情况下，选择BT0.28比较适合于常规的(IEEE定义频段为3001000MHz)移动无线通信系统。预制滤波器的引入使得信号的频谱更为紧凑，但是它同时在时域上展宽了信号脉冲，引入了码间干扰(ISI)，具体的说，预调制滤波器使得脉冲展宽，使得波形在时域上大于码元时间T。因此，有时候将GMSK信号归入部分响应信号14。高斯低通滤波器的脉冲响应h(t)可以表示为:其中，B是滤波器的3dB带宽。其中为发送信号序列，为码元能量，为符号周期，L为高斯滤波冲激响应长度，h(t为预高斯成形函数，B为高斯滤波器的3dB带宽，0?为载波频率，为载波相位。对于=0.3bBT，L=4，h=0.5的GMSK调制其基带信号可以表示为：其中kNA,为系数。()0ct的能量占GMSK信号能量的99.83%，对于更大的bBT，()0ct项所占的比重将更大，故可以忽略S(t)b的后半部分，GMSK基带信号近似表示为：协议GSM05.04V8.0.0中定义了GMSK调制方式，如图2.9所示。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，如图2.10所示。实现GMSK调制的关键是滤波器的设计。MSK数字调制优于GMSK数字调制，但是GMSK数字调制的频谱在主瓣以外衰减得更快，且邻路干扰小，因此在要求信号带外辐射功率限制严格的移动通信中，选择GMSK更佳15。再比较应用GMSK时，将参数BT改变后，对误码率的影响，以及与MSK比较的情祝。编制程序中改变GMSK调制与解调器的BT乘积，分别为BT=0.3和BT=0.5，并绘制出在不同信噪比参数下的图形如图2.15所示。从图2.15可以看出，BT=0.3的性能比BT=0.5的性能差；B T=0.5的曲线比较接近MSK曲线；而MSK曲线的性能较优。从原理上讲，GMSK是MSK的改进，GMSK频谱在主瓣以外比MSK衰减得更快，且邻路干扰小16。但是，GMSK信号的频谱特性的改善是通过降低误码率性能换来的。前置滤波器的带宽越窄，即BT值越小，输出功率谱就越紧凑，误码率性能就变得越差。当BT趋于无穷时，GMSK就蜕变为MSK。虽然，图2.15只是比较了BT=0.3和BT=0.5的曲线，但从趋势上来看，BT的值越大，其曲线将越接近MSK曲线。3 GMSK调制与解调方案与研究、3.1 GMSK传统调制方法3.1.1直接产生GMSK信号GMSK最直接简便的实现是用高斯滤波后的基带脉冲流调制压控振荡器(VCO),如图3.1所示。然而这样实现缺点也很明显。在维持频率调制器线性度与灵敏度的同时，它很难把中心频率的偏移限制在允许的范围内17。改进的方法是