实验五--GMSK调制及相干解调实验

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实验五 GMSK调制及相干解调实验

一、实验目的

1、了解GMSK调制原理及特性 2、了解GMSK解调原理及特性

3、了解载波在相干及非相干时的解调特性 4、掌握MSK调制与GMSK调制的差别

二、实验容

1、观察I、Q两路基带信号的特征及与输入NRZ码的关系。 2、观察IQ调制解调过程中各信号变化。 3、观察MSK调制及GMSK调制信号的区别。 4、观察解调载波相干时和非相干时各信号的区别。

三、基本原理

1、GMSK调制原理

GMSK调制方式，是在MSK调制器之前加入一个基带信号预处理滤波器，即高斯低通滤波器，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。

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：

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。高斯低通滤波器的冲击响应为htexp22t2 该滤波器对单个宽度为Tb的矩形脉冲的响应为 2BbTbgtQt2ln22BbTbQt2ln2 2Bb ln2Qt12texp22d

当BbTb取不同值时，g(t)的波形如图5-1所示

g(t)1.0BbTb＝0.70.40.30.60.80.40.20.250.2t-2Tb-Tb0Tb2Tb

图5-1 高斯滤波器的矩形脉冲响应

GMSK的信号表达式为

Stcosct2TsTsagnT d ns2tGMSK的相位路径如图5-2所示。

图5-2 GMSK的相位轨迹

从图5-1和5-2可以看出，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信号在一码元周期的相位增量，不像MSK那样固定为±π/2，而是随着输入序列的不同而不同。

由式（5-4）可得

Stcoscttcostcosctsintsinct

式中

tTsagnTns d2Ts2 kTst kTstk1Tst尽管g(t)的理论是在－∞＜t＜＋∞围取值，但实际中需要对g(t)进行截短，仅取(2N+1)Ts

区间，这样可以证明t在码元变换时刻的取值kTs是有限的。这样我们就可以事先制作cost和sint两表，根据输入数据读出相应的值，再进行正交调制就可以得到GMSK信号，如图5-3所示

输入数据…地址产生cost表D/ALPF×cosctsinct…象限计数器y(t)…sint表D/ALPF×正交调制器图5-3波

形存储正交调制法产生GMSK信号

图5-4描述出了GMSK信号的功率谱密度。图中，横坐标的归一化频率（ffcTs），纵坐标为谱密度，参变量BsTs为高斯低通滤波器的归一化3dB带宽Bs与码元长度Ts的乘积。BsTs的曲线是MSK信号的功率谱密度，由图可见，GMSK信号的频谱随着BsTs值的减

小变得紧凑起来。需要说明的是，GMSK信号频谱特性的改善是通过降低误比特率性能换来的。前置滤波器的带宽越窄，输出功率谱就越紧凑，误比特率性能变得越差。不过，当BsTs0.25时，误比特率性能下降并不严重。

0-20BsTs(MSK)频谱密度（dB）-40-60-80-100-12000.51.01.52.02.5归一化频率(ffc)Ts0.160.200.250.30.5

图5-4 GMSK的功率谱密度

2、GMSK解调原理

GMSK信号的解调可以采用相干解调，也可采用非相干解调，相干解调的原理与MSK相干解调相同，可参阅MSK相干解调原理。非相干解调在下个实验中介绍。

四、实验原理

1、实验框图及电路说明 NRZ OUTNRZ-II-OUTI-INI差分编码串/并转换NRZ INPN31波形选择地址生成器D/A转换器（DAC0832）EEPROM（AT2864）EEPROM（AT2864）D/A转换器（DAC0832）输出乘法器（MC1496）COSNRZ-Q21.4M载波反相二分频二分频SIN输出数字信源BS延迟波形选择地址生成器加法器（运放）GMSK信号乘法器（MC1496）Q-INQ基带成型 Q-OUTIQ调制图5-6

GMSK调制实验框图

输入GMSK信号I-OUTI-INI乘法器（MC1496）COS低通滤波整形抽样判决BS二分频输入载波位同步恢复延迟SINNRZ反相二分频并/串变换差分译码乘法器（MC1496）低通滤波Q-OUTQ-IN整形抽样判决QIQ解调码元再生 5-7 图GMSK解调实验框图

五、实验步骤

1、正确安装基带成形模块、IQ调制解调模块、码元再生模块和PSK载波恢复模块。 2、 GMSK调制实验。

a、用台阶插座线完成如下连接：

源端口基带模块：PN31 基带模块：I-OUT 基带模块：Q-OUT 目的端口基带模块：NRZ IN IQ模块：I-IN IQ模块：Q-IN 连线说明提供PN31伪随机序列将基带成型后的I路信号进行调制将基带成型后的Q路信号进行调制 b、按基带成形模块上“选择”键，选择GMSK模式（GMSK指示灯亮）。 c、用示波器对比观察“NRZ IN”和“NRZ OUT”信号，写出差分编码规则

d、用示波器观察基带模块上“NRZ-I”及“NRZ-Q”测试点，并分别与“NRZ OUT”测试点的信号进行对比，观察串并转换情况。

e、用示波器观测基带模块上“I-OUT”和“Q-OUT”点信号，并分别与“NRZ-I”、“NRZ-Q”对比，说明GMSK信号成形规则。

f、用频谱分析仪观测调制后GMSK信号频谱（可用数字示波器上FFT功能替代观测），观测点为IQ模块调制单元的“输出”端（TP4） 3、 GMSK相干解调实验。

a、关闭实验箱总电源，保持步骤2中的连线不变，用同轴视频线完成如下连接：

源端口 IQ模块(载波单元)：输出（J5） c、对比解调前后I路信号

示波器探头分别接IQ模块的“I-OUT”端及“I-IN”端，注意观察两者是否一致。 d、对比观测解调前后Q路信号

示波器探头分别接IQ模块的“Q-OUT”端及“Q-IN”端，注意观察两者是否一致。 4、 GMSK再生信号观察

a、关闭实验箱总电源，保持步骤2、3中的连线不变，用台阶插座线完成如下连接：

源端口 IQ模块：I-OUT 目的端口再生模块：I-IN 连线说明将解调后的I路信号进行抽样判决将解调后的Q路信号进行抽样判决目的端口 IQ模块(载波单元)：输入（J4） IQ模块（IQ调制单元）：输出（J2） IQ模块（IQ解调单元）：输入（J3） b、示波器探头分别接IQ解调单元上的“I-OUT”及“Q-OUT”端，观察解调后的波形。

IQ模块：Q-OUT 再生模块：Q-IN b、按再生模块上“选择”键，选择GMSK模式（GMSK指示灯亮）。 c、对比观测原始NRZ信号与再生后的NRZ信号

示波器探头分别接再生模块上“NRZ”端和基带模块上“NRZ IN”端，观察两路码元是否一致。若一致表示解调正确，若不一致可回到步骤2重新实验。 5、观测载波非相干时信号波形

断开IQ模块上载波“输出”端与该模块上载波“输入”视频线，将IQ模块上载波“输入”端与PSK载波恢复模块上“VCO-OUT”端连接起来，此时载波非相干。

六、思考题

1、 MSK及GMSK基带信号有什么区别？这些区别产生了什么结果？

答：GMSK调制是在MSK（最小频移键控）调制器之前插入高斯低通预调制滤波器这样一种调制方式。GMSK达到了平滑相位路径的作用，它消除了MSK相位路径在码元转换时刻的相位转折。而且GMSK信号在一码元周期的相位增量，不像MSK那样固定为，而是2随着输入序列的不同而不同。 2、比较MSK信号及GMSK频谱的区别。

答：由于成形后的高斯脉冲包络无陡峭边沿，亦无拐点，因此GMSK频谱特性优于MSK信号的频谱特性。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，GMSK信号功率频谱密度的高频分量衰减越快。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。

七、参考实验连线及测试曲线 2.“NRZ IN”和“NRZ OUT”信号：

差分编码规则：在信号位开始时不改变信号极性，表示逻辑\"1\" 在信号位开始时改变信号极性，表示逻辑\"0\"。

“NRZ-I”测试点与“NRZ OUT”测试点的信号进行对比：

“NRZ-Q”测试点与“NRZ OUT”测试点的信号进行对比：

基带模块上“I-OUT”点信号与“NRZ-I”对比：

基带模块上“I-OUT”点信号与“NRZ-Q”对比：

基带模块上“Q-OUT”点信号与“NRZ-I”对比：

基带模块上“Q-OUT”点信号与“NRZ-Q”对比：

调制后GMSK信号频谱：

IQ解调单元上的“I-OUT”及“Q-OUT”端：

IQ模块的“I-OUT”端及“I-IN”端：

IQ模块的“Q-OUT”端及“Q-IN”端：

再生模块上“NRZ”端和基带模块上“NRZ IN”端：

5. “NRZ IN”和“NRZ OUT”信号：