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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、实验内容

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222exphtt

2

ln2b

B

该滤波器对单个宽度为T

b

的矩形脉冲的响应为



22

22

ln2ln2

bbbb

BTBT

gtQtQt















2

1

exp2

2t

Qtd





当B

b

T

b

取不同值时，g(t)的波形如图5-1所示

bb

BT＝

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.2

0.25

0.3

0.4

0.7

0T

b

2T

b

-T

b

-2T

b

t

g(t)

图5-1高斯滤波器的矩形脉冲响应

GMSK的信号表达式为

cos

22

t

s

cns

s

T

SttagnTd

T



































GMSK的相位路径如图5-2所示。

图5-2GMSK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信号在一码元周期内的相位增量，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





cos

coscossinsin

c

cc

Sttt

tttt













式中





22

1

t

s

ns

s

sss

T

tagnTd

T

kTtkTtkT





























尽管g(t)的理论是在－∞＜t＜＋∞范围取值，但实际中需要对g(t)进行截短，仅取

(2N+1)T

s

区间，这样可以证明t在码元变换时刻的取值

s

kT是有限的。这样我们就可

以事先制作cost和sint两张表，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

地

址

产

生

象限计数器

cost



表

sint



表

D/A

D/A

LPF

LPF

×

×



„

„

„

cos

c

t

sin

c

t

y(t)

输入数据

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（

cs

ffT），

纵坐标为谱密度，参变量

ss

BT为高斯低通滤波器的归一化3dB带宽

s

B与码元长度

s

T的乘积。

ss

BT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

ss

BT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

0.25

ss

BT时，误比特率性能下降并不严重。

0

-20

-40

-60

-80

-100

-120

()

ss

BTMSK

0.5

0.3

00.51.01.52.02.5

频

谱

密

度

（

d

B

）

()

cs

ffT

归一化频率

0.16

0.20

0.25

图5-4GMSK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

PN31

NRZIN

串/并

转换

波形选择

地址生成器

乘法器

（MC1496）

加法器

（运放）

波形选择

地址生成器

乘法器

（MC1496）

21.4M

载波

反相二分频

D/A转换器

（DAC0832）

EEPROM

（AT2864）

D/A转换器

（DAC0832）

EEPROM

（AT2864）

二分频

BS

NRZ-I

NRZ-Q

Q-OUT

I-OUT

I-IN

Q-IN

输出

I

Q

SIN

COS

输出

GMSK信号

延迟

数字

信源

差分

编码

NRZOUT

图5-6

GMSK调制实验框图

乘法器

（MC1496）

乘法器

（MC1496）

反相二分频

二分频

输入

输入

SIN

COS

低通

滤波

低通

滤波

GMSK信号整形

整形

抽样

判决

位同步

恢复

并/串

变换

抽样

判决

Q-INQ-OUT

I-OUTI-IN

BS

NRZ

载波

I

Q

延迟

差分

译码

图5-7

IQ调制基带成型

IQ解调

码元再生

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：

源端口目的端口连线说明

基带模块：PN31基带模块：NRZIN提供PN31伪随机序列

基带模块：I-OUT

IQ模块：I-IN

将基带成型后的I路信号进行调

制

基带模块：Q-OUTIQ模块：Q-IN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“NRZIN”和“NRZOUT”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“NRZOUT”

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：

源端口目的端口

IQ模块（IQ调制单元）：输出（J2）IQ模块（IQ解调单元）：输入（J3）

IQ模块(载波单元)：输出（J5）IQ模块(载波单元)：输入（J4）

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。

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：

源端口目的端口连线说明

IQ模块：I-OUT再生模块：I-IN将解调后的I路信号进行抽样判决

IQ模块：Q-OUT再生模块：Q-IN将解调后的Q路信号进行抽样判决

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“NRZIN”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信号在一码元周期内的相位增量，不像MSK那样固定为

2





，而

是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.“NRZIN”和“NRZOUT”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“NRZOUT”测试点的信号进行对比：

“NRZ-Q”测试点与“NRZOUT”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“NRZIN”端：

5.“NRZIN”和“NRZOUT”信号：

“NRZ-I”测试点与“NRZOUT”测试点的信号进行对比：

“NRZ-Q”测试点与“NRZOUT”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“NRZIN”端：