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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
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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。
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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。
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:
2
3 3
2 2
( ) exp 1
ln 2 ln 2
dB dB
h t B B t
其中,
3
dB
B
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:
2
t
g t h t refc
T
其中矩形函数
t
rect
T
定义为:
GMSK 信号 数据
高斯滤波器 MSK 调制器
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