0.3GMSK原理

2024年3月30日發(作者：企業收購)

再看0.3GMSK

GMSK，高斯最小頻移鍵控，是GMS系統采用的信號調制方法，于70年代由日本人

發明。大致方法是先對信號進行高斯處理，即用信號頻率的上下波動代表0和1，

然后使用最小頻移鍵控器對高斯信號進行處理，使信號的波形最大程度上接近方

波。

GSM使用一種稱作0.3GMSK(高斯最小頻移鍵控)的數字調制方式。0.3表示高斯

濾波器帶寬與比特率之比。

GMSK是一種特殊的數字FM調制方式。給RF載波頻率加上或者減去67.708KHz

表示1和0。使用兩個頻率表示1和0的調制技術記作FSK（頻移鍵控）。在GSM

中，數據速率選為270.833kbit/c，正好是RF頻率偏移的4倍，這樣作可以

把調制頻譜降到最低并提高信道效率。比特率正好是頻率偏移4倍的FSK調制稱

作MSK（最小頻移鍵控）。在GSM中，使用高斯預調制濾波器進一步減小調制頻

譜。它可以降低頻率轉換速度，否則快速的頻率轉換將導致向相鄰信道輻射能量。

0.3GMSK不是相位調制（也就是說不是像QPSK那樣由絕對相位狀態攜帶信息）。

它是由頻率的偏移，或者說是相位的變化攜帶信息。GMSK可以通過I/Q圖表示。

如果沒有高斯濾波器，當傳送一連串恒定的1時，MSK信號將保持在高于載波中

心頻率67.708KHz的狀態。如果將載波中心頻率作為固定相位基準，67.708KHz

的信號將導致相位的穩步增加。相位將以每秒67,708次的速率進行360度旋轉。

在一個比特周期內(1/270.833KHz)，相位將在I/Q圖中移動四分之一圓周、即

90度的位置。數據1可以看作相位增加90度。兩個1使相位增加180度，三個

1是270度，依此類推。數據0表示在相反方向上相同的相位變化。

實際的相位軌跡是被嚴格地控制的。GSM無線系統需要使用數字濾波器和I/Q或

數字FM調制器精確地生成正確的相位軌跡。GSM規范允許實際軌跡與理想軌跡

之間存在均方根（rms）值不超過5度、峰值不超過20度的偏差。

在我看來，0.3GMSK的理解有兩個方面：

第一，為什么GSM要用恒包絡的調制方式？本來相移鍵控不需要關心調制信號的

幅度變化，因為解調的時候只對信號的相位一維信號解調。（否則就成了QAM

解調了，同時對相位和幅度解調）。但是如果調制信號的幅度變化劇烈，在當時

的硬件發展水平，涉及到如何選擇大功率線性度的丙類功率放大器等等因素，為

了避免功率引起的非線性失真，最直接的方法就是使用恒包絡調制。、

第二，為什么要最小頻移？因為考慮到信號占用帶寬的問題。在最小頻移的情況

下（dF=1/4F0）的情況下，信號的功率譜隨著頻率偏離中心頻率的衰減最快。這

樣就可以減少調制信號的占用帶寬。

至于為什么是0.3,那是因為計算高斯濾波器的矩形脈沖響應g(t)的積分比較方

便，而且也簡化了硬件電路的設計。

GMSK調制方式的特點和實現

一、引言

l979年由日本國際電報電話公司提出腉MSK調制方式．有較好的功率頻譜特性，

較憂的誤碼性能，特別是帶外輻射小，很適用于工作在VHF和UHF頻段的移動通

信系統，越來越引起人們的關注。GMSK調制方式的理論研究已較成熟．實際應

用卻還不多，主要是由于高斯濾波器的設計和制作在工程上還有一定的困難。

二、GMSK調制方式的工作原理及特點

調制前高斯濾波的最小頻移鍵控簡稱GMSK，基本的工作原理是將基帶信號先經

過高斯濾波器成形，再進行最小頻移鍵控(MSK)調制(圖1)。由于成形后的高斯

脈沖包絡無陡峭邊沿，亦無拐點，因此頻譜特性優于MSK信號的頻譜特性。

圖1 GMSK調制

高斯濾波器的頻率傳輸函數為

式中是與濾波器3dB帶寬B有關的一個系數，其沖激響應為：

假設輸入數據流為二進制非歸零信號，傳輸速率為

其數學表示式為

。為碼元寬度，

式中：

或- 。GMSK是角度調制信號，已調信號寫作：

式中：

表示和

的卷

為調制靈敏度，由下式決定：

的最大頻偏與傳信速率的約束關系。

雙極性碼元通過高斯濾波器產生拖尾現象，所以相鄰脈沖之間有重迭。由(6)式

和(7)式知，對應某一碼元，GMSK信號的頻偏不僅和該碼元有關，而且和相鄰碼

元有關。也就是說在不同的碼流圖案下，相同碼元(比如同為“+1”或“-1”)

的頻偏是不同的。

相鄰碼元之間的相互影響程度和高斯濾波器的參數有關，也就是說和高斯濾波

器的3dB帶寬B有關。通常將高斯濾波器的3dB帶寬B和輸入碼元寬度T的乘積

BT值作為設計高斯濾波器的一個主要參數。BT值越小，相鄰碼元之間的相互影

響越大。理論分析和計算機模擬結果表明 。BT值越小，GMSK信號功率頻譜密度

的高額分量衰減越快。主瓣越小，信號所占用的頻帶越窄，帶外能量的輻射越小，

鄰道干擾也越小。

三、用FX489實現GMSK信號的調制和解調

FX489是CML公司一種用于GMSK調制解調的芯片，內部包括一個高斯濾波器，

整形電路及其它附屬電路。高斯濾波器的BT值為0.3或0.5兩檔可供選擇。傳

輸速率為4bps～19.2kbps，能提供發送時鐘和接收時鐘。圖2是FX489的功能

示意。

圖2 FX489功能

利用FX489實現GMSK信號的調制解調見圖3。碼元傳輸速率是由FX489外

接晶體震蕩器的內部分頻系數（腳3和4的邏輯電平）決定（表1）。高斯濾波

器BT值的選擇由FX489的腳15決定。當15腳為“1”時，BT值為0.5；為“0”

時，BT值為0.3。圖3中的 、組成FX489內部放大器的負反饋電路； 、

組成的低通濾波器是增益調節電路，應滿足：

、和組成信號電平調節和直流電平調節電路。

表1

引腳"3" 引外接晶體頻率(MHz)

腳"4"

CLKDIVA

CLKDIVB

0 0

0 1 16000

1 0 8000

1 1 4000

四、性能分析及結論

圖4給出FX489內部高斯濾波器的頻率響應曲線。圖5是GMSK的功率譜密

度曲線。圖6為傳輸眼圖。見圖5，當BT值為

19200

9600

4800

16000

8000

4000

19200

9600

4800

4.096 4.9152 2.048 2.4576

數據速率(bps)

圖3 用FX489實現GMSK信號的調制解調

圖4 濾波器頻率響應

圖5 GMSK信號的功率譜密度

GMSK信號具有很好的頻譜和功率特性，特別適用于功率受限和信道存在非線性、

衰落以及多普勒頻移的移動突發通信系統。

為了適應無線信道的特性，由該調制方式所產生的已調波應具有以下兩個特點：

第一，包絡恒定或包絡起伏很小。第二，具有最小功率譜占用率。高斯最小頻移

鍵控（GMSK）調制方式正好具有上述特性。GMSK調制使在給定的帶寬和射頻信道

條件下數據吞吐量最大。GMSK是當前現代數字調制技術領域研究的一個熱點。

采用高斯濾波器作調制前基帶濾波器，將基帶信號成型為高斯脈沖，再進行MSK

調制，這種調制方式稱為GMSK。由于成形后的高斯脈沖包絡無陡峭邊沿，亦無拐

點，經調制后的已調波在MSK的基礎上進一步得到平滑其相位路徑。因此它的頻

譜特性優于MSK，但誤比特率性能不如MSK。

Mobitex網絡的調制解調器：CMX909B芯片的典型應用是Mobitex網絡的調制解調

器（MODEM）。它是半雙工的BT＝0.3的GMSK調制解調器的數據泵，芯片集成了分

組數據處理的功能。GMSK調制在給定的帶寬和射頻信道條件下數據吞吐量最大。

集成的分組數據處理能力接收主控制器的一些有規律的處理任務，包括保持比特

同步、幀同步、塊的編排、循環冗余檢驗（CRC）和前向糾錯編碼（FEC）錯誤處

理、數據交織、擾頻輸出等。解調器采用反饋平衡技術減小信道失真（畸變），

同時增強接收機在沒有最大似然估計方法的計算前提下的接收性能。

GMSK調制/解調；芯片內集成分組檢測功能；接收/發送速率可達38.4kbps；并

行uc(主處理器)接口；數據包幀結構短、無填充；低的驅動電壓（3/5伏）操作；

與Mobitex兼容（包括R14N短幀）；操作靈活和節能模式。

通常將高斯濾波器的3dB帶寬B和輸入碼元寬度T的乘積BT值作為設計高斯濾波

器的一個主要參數。BT值越小，相鄰碼元之間的相互影響越大。理論分析和計算

機模擬結果表明 。BT值越小，GMSK信號功率頻譜密度的高額分量衰減越快。主

瓣越小，信號所占用的頻帶越窄，帶外能量的輻射越小，鄰道干擾也越小。