GMSK调制原理

yifengxing

要了解GMSK调制方法，先要了解下面的一些东西：
名称：高斯最小频移键控调制.
其中，高斯是指高斯滤波器.最小频移是指两个正弦信号正交的最小间隔.(这个在后面的文章中我再向大家介绍）
    另外，在理解GMSK之前，大家要理解码元速率和信息速率的概念，一般的书籍中，码元速率用Rb表示,信息速率用Rs来表示.并且码元速率与信息速率直接有这样的关系：Rs=Rb*logM.码元和信息的关系大家在网上或者一些书中很容易查到.因为图形不太好画，我也没有更多的时间来做这种图形,用文字简单的描述一下.大家都知道，二进制可以用两个电平来表示，而四进制可以用四个电平来表示，有电子方面基础的人都可以理解.那么信号中每发送一个电平的脉冲或者都可以叫做一个码元.这些不同的电平的组合，形成了数字信号.那么对于4进制的信号来说，每个电平代表了2bit的信息.八进制的信号代表了3bit的信息.也就是说基带要发送3bit的信息才可以表示一个八进制的信号.如果大家还不明白，就只好看看书或者查一下资料了.
GMSK是使用的是调频的调制方式.G是指高斯滤波器.不熟悉硬件的人在涉及到电路时会时常看到在基带电路与调制电路之间有低通滤波器存在,又不知道他们到底是做什么用的,这种滤波器经常使我们感到困惑.而在一些理论书中得到的解释便是一大堆计算,搞得人晕头转向的.
    就我的理解是这样的.大家一定都知道傅立叶变换吧,傅立叶变换实际上就是把一个时域上的信号分解成频域上的频谱的过程.也就是说,一个以时间为自变量的函数,是可以变成以频率来表示的函数的.更形象点说,一般情况下(当然也不是没条件的),信号都可以看成是若干个乃至无穷个正弦信号叠加而成的.这些正弦波的的频率是有规律的,频率最低的正弦波就是你的信号的频率,称为基波,其他的正弦泊的频率是二倍,三倍......于你的基波的频率.这些正弦波以不同的幅度进行叠加就形成了你的信号.
    数字通讯中,基带信号都采用了数字信号,即脉冲方波.有经验的在频谱分析仪上做过实验的人会看到,信号的棱角越明显,信号进行傅立叶变换后,高频的分量越多,而这些高频分量是我们不需要的,也就是说,数字信号中的基波中承载了我们需要的信息,而不是高次谐波.这些高次谐波对于我们是没有用的.而且这些高次谐波在被调制后会是已调信号的带宽增加,或者产生不必要的带外干扰.由此,我们必须在信号被调制之前把高次谐波滤掉,也就自然要使用低通滤波器了.经过滤波的基带信号,在示波器上我们可以观察到,他们的相对幅度以及频率基本上没有变,变的是他们变的平滑了,脉冲信号的上升,下降沿的棱角没有了,这就是低通滤波器造成的效果.
    同样,GMSK中基带信号在调制之前也是要使用低通滤波器进行滤波的.但它使用的不是普通的滤波器,而是高斯滤波器.GSM的GMSK调制中高斯滤波器带宽与比特率之比为0.3,这样的高通滤波器会使滤波的效果兼顾很多指标.说起来比较麻烦,对于我们只想了解大概原理的人不必细究.
    大家都知道,通讯中的星座图是用来描述一个信号的幅度,相位在坐标中变化规律的图形.也就是说,星座图主要是描述信号的幅度和相位的.我们大家都知道GMSK是调频键控的调制方式.那就是说已调信号的频率是随着调制信号的变换而变化的,是调频而不是调相,为什么还有星座图呢?
    有个概念需要大家能够理解,我们尽可能不同数学来计算,否则又是一塌糊涂,不知所云了.那就是需要大家尽可能去想象一个载波的频率在不断发生变换时,其实载波的相位也是在前后变化的.再想象一下,一个正弦波的频率加快了,那么波形就会变密了,相位也就提前了;如果频率变慢了,波形就变松了,相位就向后推迟了.也就是说,调频的调制方式中在信号造成载频信号频率变化的同时,也造成了载频相位在随着提前和向后推迟.
    有一个常识大家要知道才好. GMSK的调频的结果造成了已调信号的频偏,也就是离载波信号中心频率的偏差是+/-67.708KHz,而GMSK的码元速率是270.833KBIT/sec,正好是四倍的关系.这是GSM中的比较特色的数字,应该把他记住.
   加上上面的频率变换与相位变化关系的概念,270KBIT的码元速率与频偏的关系,导致每调制一个1信号,也就是载频会加快,导致相位提前了90度,如果是调制一个0,导致频率放慢,相位滞后90度.也许大家会感到疑惑,其实大可不必,这是经过理论推导证明的东西.这样一来,调频的过程其实也一样造成了调相的效果.因为相位是90度变化,那么星座图自然就形成了同圆上是个相隔90度的星座图.
  我以前总是在疑惑GMSK中BB信号为什么要分成了I/Q两路,I/Q两路的BB信号有什么不同?
  :-)经过一通分析,书中是这样介绍的.基带信号被数字化以后,变成了一串二进制的数字信号,我们打个比方,加入这串二进制数字是为A--"1,1,0,0,1,0,1,0,0,1,0,1"
  这串数字通过一个叫做串并转换的电路,变成了I--"1,0,1,1,0,0"和Q--"1,0,0,0,1,1",大家仔细分析下,I信号其实就是A信号中的奇数位的数字,而Q信号就是A信号中的偶数位的数字.
  这样A信号便被拆成了I,Q两路信号.然后,I信号与cos(x)载波信号相乘,Q路信号与sin(x)相乘,之后,这两路信号再相加.因为cos(x),sin(x)相差90度,为正交信号.因此经过相乘,再相加以后,两路信号是不会相混的.再解调的时候,I,Q两路信号还会被重新还原回来,再次合并为A信号.
  这是经过计算而做到的,大家不必担心这样做会造成错误.


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