实验五GMSK调制及相干解调实验.docx
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实验五GMSK调制及相干解调实验
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
该滤波器对单个宽度为Tb的矩形脉冲的响应为
当BbTb取不同值时,g(t)的波形如图5-1所示
图5-1高斯滤波器的矩形脉冲响应
GMSK的信号表达式为
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
式中
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)Ts区间,这样可以证明
在码元变换时刻的取值
是有限的。
这样我们就可以事先制作
和
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
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(
),纵坐标为谱密度,参变量
为高斯低通滤波器的归一化3dB带宽
与码元长度
的乘积。
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
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
时,误比特率性能下降并不严重。
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
图5-6GMSK调制实验框图
图5-7GMSK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-OUT
IQ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
,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。
7、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:
(注:
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