第二章第3课MSK&GMSK&GFSK

第二章移动通信中的调制技术2.1.3恒包络调制•2、最小频移键控（MSK）调制•3、高斯型最小频移键控（GMSK）调制•4、高斯滤波的频移键控（GFSK）调制第二章移动通信中的调制技术一、最小频移键控（MSK）调制1.最小频移键控调制原理（1）问题的引入在实际应用中，有时要求发送信号具有包络恒定、高频分量较小的特点移相键控信号PSK(4PSK、8PSK)的缺点之一是，没能从根本上消除在码元转换处的载波相位突变，使系统产生强的旁瓣功率分量，造成对邻近波道的干扰；若将此信号通过带限系统，由于旁瓣的滤除而产生信号包络起伏变化，为了不失真传输，对信道的线性特性要求就过于苛刻。第二章移动通信中的调制技术两个独立信源产生的2FSK信号，一般来说在频率转换处相位不连续，同样使功率谱产生很强的旁瓣分量，若通过带限系统也会产生包络起伏变化。OQPSK虽然消除了QPSK信号中的180°相位突变，但也没能从根本上解决消除信号包络起伏变化的问题。为了克服以上缺点，需控制相位的连续性，这种形式的数字频率调制方式，称之为相位连续变化的(恒定包络)频移键控(CPFSK)。其一特例为最小(调制指数)频移键控（MSK）。每个码元持续时间Ts内，频率恰好引起π/2相移变化，而相位本身的变化是连续的。第二章移动通信中的调制技术•连续相位调制（ContinuousPhaseModulation，CPM），它泛指载波相位以连续形式变化的一大类频率调制技术。•最小频移键控（MinimumShiftKeying，MSK）是一种特殊的连续相位的频移键控（ContinuousPhaseFrequencyShiftKeying，CPFSK），其最大频移为比特率的1/4。第二章移动通信中的调制技术MSK信号的功率谱密度与QPSK信号、OQPSK信号相比较第二章移动通信中的调制技术（2）MSK信号MSK信号可表示为)2cos()(kskcMSKtTattSskTtsTk)1(《（2.5）式中：为载频；为频偏；为k个码元中的相位常数。而为第k个码元的相位常数。而为第k个码元的数据，分别表示二进制信息1和0，当ak＝+1时，信号频率cskTa2k11ka)2(21scTf2=当ak＝-1时，信号频率第二章移动通信中的调制技术1f)2(21scT=最小频差（最大频偏）：sTfff2112（2.6）即最小频差等于码元速率的一半设1/Ts＝fs，则调制指数2121sssTTffh第二章移动通信中的调制技术（3）第k个码元期间内相位变化)(tkkskTta2=skT《tsTk)1(（2.7）根据相位连续条件，要求在t＝kTs时刻满足)(1skkT)(skkT=（2.8）即：ksskksskTkTaTkTa2211（2.9）第二章移动通信中的调制技术可得：k2)(11kaakkk=（2.10）取φk＝0；则式（2.10）k2)(10aa22)(21aa23)(32aa2)(1kaakk=+++例如：33200111111543210kkak第二章移动通信中的调制技术这里的φk不是每个码元相位变化的终了值，而是线性变化的截距由式（2.5）知MSKS)]0(2cos[skcTat=（2.11）式中，ak＝±1；θ(0)＝0式（2.11）说明，每个信息比特间隔（Ts）内载波相位变化为±π/2；而θk(t)-θ(0)随t的变化规律，如图2.4所示。图中正斜率直线表示传“1”码时的相位轨迹，负斜率直线表示传“0”码时的相位轨迹，这种由相位轨迹构成的图形称为相位网格图(phasetrellis)。在每一码元时间内，相对于前一码元载波相位不是增加π/2，就是减少π/2，因此累计相位θk(t)在每码元结束时必定为π/2的整倍数，在Ts的奇数倍时刻相位为π/2的奇数倍，在Ts的偶数倍时刻相位为π/2的偶数倍。第二章移动通信中的调制技术图2.4MSK的相位网格图第二章移动通信中的调制技术（4）MSK调制器图2.5MSK调制器原理框图第二章移动通信中的调制技术MSK调制器的方框图第二章移动通信中的调制技术MSK调制器的工作过程为：①对输入二进制数据信号进行差分编码②经串/并转换，分成相互交错一个码元宽度的两路信号Ik和Qk③用加权函数cos(πt/2Ts)和sin(πt/2Ts)分别对两路数据信号Ik和Qk进行加权④加权后的两路信号再分别对正交载波cosωct和sinωct进行调制⑤将所得到的两路已调信号相加，通过带通滤波器，就得到MSK信号MSK解调，可用相干、非相干两种方式第二章移动通信中的调制技术MSK信号相干解调电路的方框图第二章移动通信中的调制技术(5)MSK信号特点①已调信号振幅是恒定的。②信号频率偏移严格符合±1/4Ts，相位调制指数h＝1/2③以载波相位为基准的信号相位，在一个码元期间内准确地按线性变化±π/2④在一个码元(Ts)期间内，信号应是四分之一载波周期的整数倍⑤码元转换时刻，信号的相位是连续的，即信号波形无突变第二章移动通信中的调制技术•综上所述：MSK是一种高效的调制方法，特别适合在移动通信系统中使用。它有很好的特性，如恒包络、频率利用率高、误码低、自同步性能等。第二章移动通信中的调制技术二、高斯最小移频键控（GMSK）调制•高斯滤波最小移频键控（GaussianMinimumShiftKeying，GMSK）就是由MSK演变来的一种简单的二进制调制方法。第二章移动通信中的调制技术MSK是二电平矩形基带信号进行调频得到的，MSK信号在任一码元间隔内，其相位变化(增加或减小)为π/2，而在码元转换时刻保持相位是连续的。但MSK信号相位变化是折线，在码元转换时刻产生尖角，从而使其频谱特性的旁瓣滚降不快，带外辐射还相对较大。参见图2.7及图2.8。图2.6GMSK调制器第二章移动通信中的调制技术•在GMSK中，将调制的不归零（NRZ）数据通过预调制高斯脉冲成型滤波器，使其频谱上的旁瓣水平进一步降低。•基带的高斯脉冲成型技术平滑了MSK信号的相位曲线，因此使得发射频谱上的旁瓣水平大大降低。第二章移动通信中的调制技术图2.7MSK类信号的相位转移轨迹图2.8MSK信号的功率谱密度-60-50-40-30-20-1001.02.03.04.0（f－fc）TbMSKOPSK功率谱密度/dB第二章移动通信中的调制技术采用直接FM构成的GMSK发射机的框图为了解决这一问题，可将数字基带信号先经过一个高斯滤波器整形(预滤波)，得到平滑后的某种新的波形；之后再进行调频，可得到良好的频谱特性，调制指数仍为0.5。第二章移动通信中的调制技术由于高斯滤波器G(f)的冲激响应g(t)仍是高斯函数，并且g(t)的导数在(-∞，+∞)都是连续的。将高斯波形进行调频，就可使功率谱高频分量滚降变快。因此，将输入端接有高斯低通滤波器的MSK调制器称为高斯滤波最小移频键控(GMSK)。图2.6为GMSK调制器的原理图。GMSK信号的产生可用简单的高斯低通滤波器及FM调制器来实现。GMSK信号的解调可采用正交相干解调，也可采用鉴相器或差分检测器。第二章移动通信中的调制技术GMSK接收机方框图第二章移动通信中的调制技术•正是由于GMSK有这些特性，所以早已被确定为欧洲新一代移动通信的标准调制方式，应用在GSM等系统中。第二章移动通信中的调制技术三、MSK类调制的性能比较1.已调信号的相位转移轨迹图2.7给出了MSK类信号的相位转移轨迹，它包括MSK、SFSK(正弦移频键控)、TFM和GMSK。由图可见，MSK信号在码元转换的时刻，虽然相位是连续的，但其相位转移轨迹呈锯齿状；TFM信号的相位最为平滑，因此而得名平滑调频；GMSK信号的相位转移轨迹也比较平滑，所以，它的频谱特性要比MSK好得多，也优于SFBK。第二章移动通信中的调制技术第二章移动通信中的调制技术2.已调信号的频谱对数字移动通信来说，调制方式的主要性能要求是节约频带和减少差错概率。因此，要求调制信号的能量集中在频谱主瓣内，旁瓣的功率要小，且滚降要快。图2.8示出了MSK、GMSK与QPSK和DQPSK的功率谱。图中Bb为高斯滤波器的3带宽，Tb为码元宽度，参变量BbTb称为高斯滤波器的3dB归一化带宽。由图可见，BbTb越小频谱越集中。BbTb＝+∞时的GMSK就是MSK，它的主瓣宽于QPSK/DQPSK，但带外高频滚降要快一些。至于GMSK，滚降第二章移动通信中的调制技术-60-50-40-30-20-1001.02.03.04.0（f－fc）TbMSKOPSK功率谱密度/dB第二章移动通信中的调制技术特性大为改善。若信道带宽为25kHz，数据速率为16kbit/s，当取BbTb＝0.25时，带外辐射功率可比总功率小60dB。在GSM系统中所使用的调制是BbTb＝0.25的GMSK技术，其调制速率是270.833kbit/s，使用的是Viterbi(维特比)算法进行的解调。3.误码率(1)MSK相干解调021NEerfcPbb（2.12）(2)GMSK第二章移动通信中的调制技术0min221NderfcPb（2.13）式中，dmin是传号信号与空号信号的最小距离。图2.9为MSK与GMSK的比特差错概率。图中fD是参变量，表示衰落速度。从图中可以看出，在瑞利衰落信道环境下，MSK的性能优于GMSK。若与QPSK类信号相比较（如图2.10所示），MSK与QPSK的比特差错率相同。在瑞利衰落环境下，π/4-QPSK的性能优于GMSK。第二章移动通信中的调制技术图2.9MSK信号的比特差错概率第二章移动通信中的调制技术图2.10QPSK类信号的比特差错概率