0.3GMSK原理

2024年3月30日发(作者：企业收购)

再看0.3GMSK

GMSK，高斯最小频移键控，是GMS系统采用的信号调制方法，于70年代由日本人

发明。大致方法是先对信号进行高斯处理，即用信号频率的上下波动代表0和1，

然后使用最小频移键控器对高斯信号进行处理，使信号的波形最大程度上接近方

波。

GSM使用一种称作0.3GMSK(高斯最小频移键控)的数字调制方式。0.3表示高斯

滤波器带宽与比特率之比。

GMSK是一种特殊的数字FM调制方式。给RF载波频率加上或者减去67.708KHz

表示1和0。使用两个频率表示1和0的调制技术记作FSK（频移键控）。在GSM

中，数据速率选为270.833kbit/c，正好是RF频率偏移的4倍，这样作可以

把调制频谱降到最低并提高信道效率。比特率正好是频率偏移4倍的FSK调制称

作MSK（最小频移键控）。在GSM中，使用高斯预调制滤波器进一步减小调制频

谱。它可以降低频率转换速度，否则快速的频率转换将导致向相邻信道辐射能量。

0.3GMSK不是相位调制（也就是说不是像QPSK那样由绝对相位状态携带信息）。

它是由频率的偏移，或者说是相位的变化携带信息。GMSK可以通过I/Q图表示。

如果没有高斯滤波器，当传送一连串恒定的1时，MSK信号将保持在高于载波中

心频率67.708KHz的状态。如果将载波中心频率作为固定相位基准，67.708KHz

的信号将导致相位的稳步增加。相位将以每秒67,708次的速率进行360度旋转。

在一个比特周期内(1/270.833KHz)，相位将在I/Q图中移动四分之一圆周、即

90度的位置。数据1可以看作相位增加90度。两个1使相位增加180度，三个

1是270度，依此类推。数据0表示在相反方向上相同的相位变化。

实际的相位轨迹是被严格地控制的。GSM无线系统需要使用数字滤波器和I/Q或

数字FM调制器精确地生成正确的相位轨迹。GSM规范允许实际轨迹与理想轨迹

之间存在均方根（rms）值不超过5度、峰值不超过20度的偏差。

在我看来，0.3GMSK的理解有两个方面：

第一，为什么GSM要用恒包络的调制方式？本来相移键控不需要关心调制信号的

幅度变化，因为解调的时候只对信号的相位一维信号解调。（否则就成了QAM

解调了，同时对相位和幅度解调）。但是如果调制信号的幅度变化剧烈，在当时

的硬件发展水平，涉及到如何选择大功率线性度的丙类功率放大器等等因素，为

了避免功率引起的非线性失真，最直接的方法就是使用恒包络调制。、

第二，为什么要最小频移？因为考虑到信号占用带宽的问题。在最小频移的情况

下（dF=1/4F0）的情况下，信号的功率谱随着频率偏离中心频率的衰减最快。这

样就可以减少调制信号的占用带宽。

至于为什么是0.3,那是因为计算高斯滤波器的矩形脉冲响应g(t)的积分比较方

便，而且也简化了硬件电路的设计。

GMSK调制方式的特点和实现

一、引言

l979年由日本国际电报电话公司提出腉MSK调制方式．有较好的功率频谱特性，

较忧的误码性能，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。GMSK调制方式的理论研究已较成熟．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。

二、GMSK调制方式的工作原理及特点

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(MSK)调制(图1)。由于成形后的高斯

脉冲包络无陡峭边沿，亦无拐点，因此频谱特性优于MSK信号的频谱特性。

图1 GMSK调制

高斯滤波器的频率传输函数为

式中是与滤波器3dB带宽B有关的一个系数，其冲激响应为：

假设输入数据流为二进制非归零信号，传输速率为

其数学表示式为

。为码元宽度，

式中：

或- 。GMSK是角度调制信号，已调信号写作：

式中：

表示和

的卷

为调制灵敏度，由下式决定：

的最大频偏与传信速率的约束关系。

双极性码元通过高斯滤波器产生拖尾现象，所以相邻脉冲之间有重迭。由(6)式

和(7)式知，对应某一码元，GMSK信号的频偏不仅和该码元有关，而且和相邻码

元有关。也就是说在不同的码流图案下，相同码元(比如同为“+1”或“-1”)

的频偏是不同的。

相邻码元之间的相互影响程度和高斯滤波器的参数有关，也就是说和高斯滤波

器的3dB带宽B有关。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

的高额分量衰减越快。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。

三、用FX489实现GMSK信号的调制和解调

FX489是CML公司一种用于GMSK调制解调的芯片，内部包括一个高斯滤波器，

整形电路及其它附属电路。高斯滤波器的BT值为0.3或0.5两档可供选择。传

输速率为4bps～19.2kbps，能提供发送时钟和接收时钟。图2是FX489的功能

示意。

图2 FX489功能

利用FX489实现GMSK信号的调制解调见图3。码元传输速率是由FX489外

接晶体震荡器的内部分频系数（脚3和4的逻辑电平）决定（表1）。高斯滤波

器BT值的选择由FX489的脚15决定。当15脚为“1”时，BT值为0.5；为“0”

时，BT值为0.3。图3中的 、组成FX489内部放大器的负反馈电路； 、

组成的低通滤波器是增益调节电路，应满足：

、和组成信号电平调节和直流电平调节电路。

表1

引脚"3" 引外接晶体频率(MHz)

脚"4"

CLKDIVA

CLKDIVB

0 0

0 1 16000

1 0 8000

1 1 4000

四、性能分析及结论

图4给出FX489内部高斯滤波器的频率响应曲线。图5是GMSK的功率谱密

度曲线。图6为传输眼图。见图5，当BT值为

19200

9600

4800

16000

8000

4000

19200

9600

4800

4.096 4.9152 2.048 2.4576

数据速率(bps)

图3 用FX489实现GMSK信号的调制解调

图4 滤波器频率响应

图5 GMSK信号的功率谱密度

GMSK信号具有很好的频谱和功率特性，特别适用于功率受限和信道存在非线性、

衰落以及多普勒频移的移动突发通信系统。

为了适应无线信道的特性，由该调制方式所产生的已调波应具有以下两个特点：

第一，包络恒定或包络起伏很小。第二，具有最小功率谱占用率。高斯最小频移

键控（GMSK）调制方式正好具有上述特性。GMSK调制使在给定的带宽和射频信道

条件下数据吞吐量最大。GMSK是当前现代数字调制技术领域研究的一个热点。

采用高斯滤波器作调制前基带滤波器，将基带信号成型为高斯脉冲，再进行MSK

调制，这种调制方式称为GMSK。由于成形后的高斯脉冲包络无陡峭边沿，亦无拐

点，经调制后的已调波在MSK的基础上进一步得到平滑其相位路径。因此它的频

谱特性优于MSK，但误比特率性能不如MSK。

Mobitex网络的调制解调器：CMX909B芯片的典型应用是Mobitex网络的调制解调

器（MODEM）。它是半双工的BT＝0.3的GMSK调制解调器的数据泵，芯片集成了分

组数据处理的功能。GMSK调制在给定的带宽和射频信道条件下数据吞吐量最大。

集成的分组数据处理能力接收主控制器的一些有规律的处理任务，包括保持比特

同步、帧同步、块的编排、循环冗余检验（CRC）和前向纠错编码（FEC）错误处

理、数据交织、扰频输出等。解调器采用反馈平衡技术减小信道失真（畸变），

同时增强接收机在没有最大似然估计方法的计算前提下的接收性能。

GMSK调制/解调；芯片内集成分组检测功能；接收/发送速率可达38.4kbps；并

行uc(主处理器)接口；数据包帧结构短、无填充；低的驱动电压（3/5伏）操作；

与Mobitex兼容（包括R14N短帧）；操作灵活和节能模式。

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额分量衰减越快。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。