基于GMSK调制与解调设计及仿真

1.系统简介

高斯滤波最小频移键控（Gaussian Filtered Minimum Shift Keying - GMSK）调制技术是从MSK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。

本文主要在瑞利信道下，通过在Matlab中的Simulink建立仿真模型进行仿真研究。并通过观察GMSK系统调制、解调信号的的波形、频谱图、眼图和误码率曲线，从而验证GMSK系统较为良好的性能。

2.系统的设计原理

GMSK系统主要由信号产生模块、信号调制模块、信道、信号解调模块、误码率计算模块组成。本系统由信号产生模块产生一个二进制序列，再经过调制器进行调制，之后便将调制信号送入信道，经过解调器解调得到解调信号。为计算系统误码率，则在调制器后加一误码率计算模块，计算误码率。GMSK系统原理框图如下图所示：

信号产 生模块 调制模块 信道 解调模块 误码 率计 算模块 示波器 频谱仪 图2.1 GMSK调制与解调系统原理框图

在设计中，选用贝努力二进制序列产生器来产生器（Bernoulli Binary Generator）产生一个二进制序列，将序列送入GMSK基带调制器模块（GMSK Modulator Baseband）中得到已调信号，再将已调信号送入一个加性高斯白噪声信道，将信噪比设为一个变量，用于绘制信噪比——误码率曲线。解调阶段则将通过加性高斯白噪声信道的信号输入GMSK基带解调器模块（GMSK Demodulator Baseband）中，其后接一个误码率统计模块（Error Rate Calculation），且误码率统计模块另一输入端接至源信号处。而用示波器观察解调波形并与源信号波形进行比较。因为已调信号是一复合信号，所以要用complex to Magnitude-Angle 模块，再用示波器分别观察其幅度与相角。另外还用频谱仪观察了已调信号的频谱。

2.1GMSK调制原理介绍

调制原理中滤波器是高斯低通滤波器，它的输出直接对VCO进行调制，以保持已调包络恒定和相位连续。原理如下所示：

频率调制器 高斯低通 非归零自序 GMSK已调信号 （VCO） 滤波器

为了使输出频谱密集，前段滤波器必须具有以下待性[2]：

1.窄带和尖锐的截止特性，以抑制FM调制器输入信号中的高频分量； 2.脉冲响应过冲量小，以防止FM调制器瞬时频偏过大；

3.保持滤波器输出脉冲响应曲线下的面积对应丁pi／2的相移。以使调制指数为1／2。

前置滤波器以高斯型最能满足上述条件，这也是高斯滤波器最小移频键控(GMSK)的由来。

2.2GMSK解调原理介绍

GMSK本是MSK的一种，而MSK又是是FSK的一种，因此，GMSK检波也可以采用FSK检波器，即包络检波及同步检波。而GMSK还可以采用时延检波，但每种检波器的误码率不同。

GMSK非相干解调原理是采用FM鉴频器（斜率鉴频器或相位鉴频器）再加判别电路，实现GMSK数据的解调输出。原理如下：

GMSK信号 数据 判决器 带通滤波器 限幅器 鉴频器 3仿真模型建立及参数设置

如图3.1为GMSK调制解调系统的SimuLink仿真模型，整个系统主要包括五大模块：随机信号发生模块、GMSK调制模块、信道、GMSK解调模块、误码率统计模块。

图3.1 GMSK系统SimuLink仿真模型图

3.1信号发生模块

因为GMSK信号只需满足非归零数字信号即可，本设计中选用（Bernoulli Binary Generator）来产生一个二进制序列作为输入信号。

该模块的参数设计这只主要包括以下几个。其中probability of a zero 设置为

0.5表示产生的二进制序列中0出现的概率为0.5；Initial seed 为200表示随机数种子为200；sample time为1/10表示抽样时间即每个符号的持续时间为0.1s。当仿真时间固定时，可以通过改变sample time参数来改变码元个数。例如仿真时间为10s，若sample time为1/1000，则码元个数为10000。

3.2 调制与解调模块

MSK Modulator Baseband为GMSK基带调制模块，其input type参数设为Bit表示表示模块的输入信号时二进制信号（0或1）。BT product为0.3表示带宽和码元宽度的乘积。其中B是高斯低通滤波器的归一化3dB带宽，T是码元长度。当B·T=∞时，GMSK调制信号就变成MSK调制信号。BT=0.3是GSM采用的调制方式。Plush length则是脉冲长度即GMSK调制器中高斯低通滤波器的周期，设为4。Symbol prehistory表示GMSK调制器在仿真开始前的输入符号，设为1。Phase offset 设为0，表示GMSK基带调制信号的初始相位为0。Sample per symbol为1表示每一个输入符号对应的GMSK调制器产生的输出信号的抽样点数为1。

AWGN Channel为加性高斯白噪声模块，高斯白噪声信道的Mode参数（操作模式）设置为Signal to noise(SNR),表示信道模块是根据信噪比SNR确定高斯白噪声的功率，这时需要确定两个参数：信噪比和周期。而将SNR参数设为一个变量xSNR是为了在m文件中编程，计算不同信噪比下的误码率，改变SNR即改变信道信噪比。

GMSK Demodulator Baseband是GMSK基带解调器。其前六项参数与GMSK调制器相同，并设置的值也相同。最后一项为回溯长度Traceback Length,设为变量16，在m文件通过改变其值，可以观察回溯长度对调制性能的影响。

3.3 误码率计算模块

Receive dely(接收端时延)设置为回溯长度加一，表示接收端输入的数据滞后发送端数据TracebackLength+1个输入数据；Computation delay(计算时延)设为0，表示错误率统计模块不忽略最初的任何输入数据。Computation mode(计算模式)设置为Entire frame(帧计算模块)，表示错误率统计模块对发送端和接收端的

所有数据进行统计。Output data(输出数据)设为workspace，表示竟统计数据输出到工作区。Variable name (变量名)则是设置m文件中要返回的参数的名称，设为ErrorVec。

3.4 波形观察模块

因为GMSK调制信号是一个复合信号，所以只用示波器（Scope）无法观察到调制波形，所以在调制信号和示波器间加一转换模块Complex to magnitude-angle将调制信号分别在幅度和相角两方面来观察。

将Complex to magnitude-angleoutput的output参数设为magnitude and angle,表示同时输出调制信号的幅度和相角。示波器scope1的number of axes 为2表明有纵坐标个数为2；time range表示时间轴的显示范围，设为auto,表示时间轴的显示范围为整个仿真时间段。Tick Tabels 设为bottom axis only时，只显示各个纵坐标以及最下面的横坐标的标签。

调制信号频谱观察模块：设置了坐标Y的范围为-30到5，X的范围为[0,FS]，Amplitude scaling表示幅度计算，选择一般模式即以V为单位进行计算。但Y坐标标记Y-axis title设为magnitude，dB转换为dB形式。

4仿真结果分析

图4.1 GMSK调制信号幅度和相角波形

由于调制信号时一个复合信号，不能直接由示波器观察，通过一complex to magnitude-angle模块将调制信号分为幅度和相角两个变量来观察。通过幅度的波形（上）和相角波形（下）验证了GMSK的幅度不变，由相角波形来看，相角连续，与理论符合。

图4.2 GMSK基带信号与解调信号

由图4.2中基带信号（上）与解调信号波形（下）比较可得，其由起始码元到最后一个码元，发现调制信号波形从第四个码元开始与基带信号完全符合，说明系统的调制性能较好，基本实现了解调的目的——将调制信号还原为基带信号。

图4.3 BT=0.3的GMSK调制信号频谱

由图4.3可知，除了顶端稍显尖锐和不够圆滑，实验所得频谱图的主瓣与理论频谱近似。

图4.4 BT=0.3

分析：由图中混乱的线条可知，BT=0.6时，眼图“眼睛”睁开较大，但存在过零点失真，存在码间串扰。

图4.5 信噪比为0：10的不同模块的误码率

图4.6中 * 标识的是瑞利信道的误码率曲线，近似水平线，可见调制特性非常不好,而其余两条曲线都是通过高斯白噪声信道的误码率，明显的比前者平滑且下降现象明显，说明采用高斯白噪声信道所得调制特性更好；而实线和菱形

标识的是分别是GMSK、MSK的误码率曲线,比较可见GMSK调制曲线更为平滑。所以三种方式里面GMSK的调制性能最好。

图4.7 不同BT值时的GMSK误码率曲线

在BT=0.2、0.3、0.7时，对系统误码率进行仿真。比较三条曲线，可以看到其差别并不大。结果表明:不同BT值的信号调制性能差别不大.随着信噪比的增大,BT=0.2与BT=0.3的系统性能基本一致。当BT=0.3时,既可以使频域带宽很窄,时域持续时间适当,又使时域信号容易实现。

5结论

GMSK系统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。由于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，它把MSK信号的相位路径的尖角平滑掉了，因此频谱特性优于MSK和FSK。GMSK已确定为欧洲新一代移动通信的标准调制方式。

本文主要研究了高斯滤波最小频移键控（GMSK）调制与解调系统的设计与实现，同时仿真结果验证了其正确性。文中先介绍GMSK调制与解调系统的原理，然后在Matlab的Simulink中逐个实现信号发生模块、调制与解调模块、误码率计算模块和波形观察模块的建立。然后通过Simulink建立系统模型进行仿真和实验调试。最后通过对GMSK系统调制、解调信号的波形、频谱图、眼图和误码率曲线的分析验证了GMSK系统良好的性能。