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MSK调制解调系统的设计
作者
Fred Kostedt, Engineer for MX-COM.
James C. Kemerling, Engineer for MX-COM.
引言
随着计算机的普及，数据传输在当今社会的需求也在不断的增加，进而出现了传输数据的无线链路。二进制数据组成的“一零”和“零一”的现象，产生了丰富的谐波频谱内容，这并不适合射频传输。因此，数字调制领域已得到了蓬勃的发展。从最近的标准可以看到，如蜂窝数字分组数据（CDPD）和Mobitex*指定高斯滤波最小频移键控（GMSK）的调制方法就是数字调制领域的先进技术。
GMSK是一种简单而有效的数字调制无线数据传输办法。为了使我们更好的理解GMSK数字调制技术，我们会分析MSK和GMSK的基本理论知识，以及如何运用GMSK数字调制方法来实现CDPD和Mobitex系统。
GMSK调制解调器降低了系统的复杂性，从而降低系统的成本。但是，也有一些重要的实施细则需要加以考虑。本文将涵盖其中的一些细节，把重点放在“典型”调频收音机拓扑接口的单芯片中的基带调制解调器的中频/射频部分。
背景
如果我们看一下傅里叶级数展开的一个数据信号，我们可以看到谐波延伸到无穷远。当这些谐波被总结，他们给它的数据信号急剧转变。因此，一个过滤了的NRZ数据流用来调制射频载波将产生相当大的RF频谱的带宽。当然，这种行为有严格的FCC法规频谱制度来约束，这种使用情况通常被认为是不切实际的。但是，如果我们在开始就移除高次谐波的傅立叶级数（即让数据信号通过一个低通滤器），其过程中的数据将逐步急剧减少。这表明，这种过滤是一种在无线数据传输过程中减少被占领的频谱的很有效的方法。除了紧凑的频谱，无线
数据调制方案必须要在有噪音的情况下能获得良好的误码率（BER）性能。其性能也应该是线性的独立的功率放大设备从而允许使用C类功率放大器。
为了满足上述标准，学术领域提出的“数据传输”就是是满载的调制策略。大部分是关于数据位或特殊阶段的相位，频率或振幅的术语。下面将一些较显著的技术列于表1。
调制技术 缩写
频移键控 FSK
多层次的频移键控 MFSK
连续相位频移键控 CPFSK
最小频移键控 MSK
高斯最小频移键控 GMSK
任务组监视器 TFM
相移键控 PSK
正交相移键控 QPSK
差分正交相移键控 DQPSK
差分正交相移键控 DQPSK
正交调幅 QAM
表1 ：调制格式
表1中所列出来的每个调制格式适合特定的应用。一般情况下，计划依赖于两个级别（如QAM调制，QPSK调制），需要有更好的信号信噪比（SNR）的超过两个级别的与计划类似的BER性能。此外，在无线环境里，多层次的计划，通常需要更大的功率放大器，其线性超过两个级别的计划。事实上，GMSK使用两个级别连续相位调制（CPM）的格式广受欢迎和采纳。另一点，其主张是，允许使用C级功率放大器（相对非线性）和数据传输速率接近频道带宽（取决于滤波器的带宽和信道间隔）。
GMSK的理论基础
在详细讨论GMSK之前，我们需要回顾MSK，从而导出GMSK。MSK是一个连续相位调制的调制方案，即调制载波在任何阶段都没有相位不连续性而且频率的变化发生在载波的零通道。MSK的独特之处是由于一个合乎逻辑的频率0和1之间的关系：逻辑0的频率和逻辑1的频率的不同之处就是总是相当于一半的数据传输速率。换言之，调制指数为0.5的MSK，并定义为
当m = _f x T时
,
f = |flogic 1 – flogic 0|
T = 1/bit rate
例如，1200比特每秒的MSK数据基带信号可以由1200赫兹的逻辑频率1和1800赫兹逻辑频率0组成（见图1）。
图1 ：1200波特率的MSK数据信号;a）NRZ数据，b）的MSK信号
基带MSK如图1所示，在无线数据传输系统的数据传输速率中有低带宽的频道，这是一个强有力的方法。MX-COM加载装置如MX429和MX469是单芯片解决方案的基带MSK系统，将调制解调电路在一个芯片上。
另一种方法实现的MSK调制，可实现直接输入NRZ数据为一个频率调制器且其调制指数为0.5（见图2）。这种做法实质上是相当于基级的MSK。但是，直接的办法是压控振荡器的射频/中频部分，即在基带的MSK的电压频率转换发生在基级。
图2 ：直接的MSK调制
MSK最根本的问题的是，其频谱并非紧凑的，即不足以实现数据传输速率接近射频频道的带宽。通过频谱我们可以看出MSK扩展揭示旁瓣远远高于数据速率（见图4）。无线数据传输系统，需要更有效地利用射频频道带宽，这是必要的，以减少MSK上旁瓣的能量。早些时候，我们提出一个简单的手段来减少这一能量，即数据流提交给调制器之前，先经过一低通滤波器（前调制过滤）。预调制低通滤波器必须有一个狭窄的带宽即急剧截止频率和很少的超脉冲响应。这就是高斯滤波器的特点，它的一个个脉冲响应的特点是古典高斯分布（钟形曲线），如图3所示，注意没有通过的或响铃的。
图3 ：高斯滤波器脉冲响应BT=0.3和BT=0.5
图3描述了脉冲响应的高斯滤波器为BT=0.3和BT=0.5与滤波器的-3dB带宽及数据传输速率有关，公式如下：
因此，对数据传输速率为9.6kbps和BT为0.3的高斯过滤器-3dB的截止频率是2880Hz。
从图3中可以看出分散在BT=03的3位期和BT=0.5的2位期上的现象。这种现象称为码间干扰（ISI）。BT=0.3的邻近符号或比特率间的相互干扰比BT=0.5的邻近符号或比特率间的相互干扰更加厉害。当GMSK的参数BT为1时就相当于的MSK。换言之，MSK并不是有意引起码间干扰的。更大的码间干扰使频谱更加紧凑，让解调更加困难。因此，从MSK发展到高斯调制滤波的MSK即考虑到频谱密度的紧凑特点。图4显示了正常化的谱密度的MSK和GMSK。请注意GMSK上减少的旁瓣能源。所以，这意味着GMSK与MSK相比通道间隔在邻近频道干扰处应当更加严格。
图4：MSK和GMSK的功率谱密度
性能测量
GMSK调制器的性能通常是量化的测量信号的信噪比（SNR）和误码率（BER）。
与信噪比的有关的Eb/N0，其公式为：
Where
S=signal power
R=data rate in bits per second
=noise power spectral density(watts/Hz)
=energy per bit
最新标准
GMSK已经通过了许多的无线数据通信协议。其中具体的两个GMSK调制系统分别是蜂窝数字分组数据（CDPD）和Mobitex。
CDPD使用闲置蜂窝传输语音频道数据传输的封闭空气时间蜂窝系统，发送数据速率在19.2kbps且使用参数BT为0.5。由于这种高数据速率，因而促进了30kHz信道间隔的蜂窝网络形成和GMSK的频谱保全。语音优先于数据而且可以将数据传输中断，迫使CDPD系统寻求新的闲置蜂窝通道。这可能被证明是对一个以19.2kbps的数据速率在一个高度拥挤且时间有限的地区执行命令时，对其吞吐量形成的一个障碍。
CDPD也将被加入到现有的蜂窝基础设施中，因此，它将会提供广泛的覆盖范围。覆盖范围大和易用性强似乎是CDPD系统的最大的优点。
与其竞争的专业数据系统，如Mobitex并非是无足轻重的。虽然Mobitex与比CDPD（8kbps）相比具有较低的数据速率，它也并不与蜂窝语音传输分享其信道。但有几个奥妙之处，比如这将是使最终用户难以选择最适合其需求的系统。Mobitex的选择8kbps的数据速率且BT参数设置为0.3，这样使其比CDPD承受了更严格的频道间隔（12.5kHz），但由BT=0.3带来的更大的符号间干扰限制了系统的耐噪声性也让信号产生了失真。狭窄的频带也限制了Mobitex单元间的频偏程度。
CDPD和Mobitex的应用采用的对packetting数据的前向纠错技术。图5显示了典型的数据包结构，这两个系统进行比较。前向纠错（FEC）有助于提高系统在信道条件不好时候的吞吐量。
图5：CDPD和Mobitex的典型的数据包结构
实施的考虑
设计一个GMSK调制器/解调器似乎是一个简单的任务。大多数教科书本调制器作为一个“简单”高斯滤波器级联的压控振荡器。然而，在实践中一般并不那么简单。许多章节中一个典型的广播电台，如合成器，IF滤波器，功率滤波器等已远非理想中那么简单。独特的是，这些合成器给GMSK调制提出了一个独特的问题。由0或1组成的数据模式使频谱响应扩展到附近的直流。大多数频率合成器将不会响应此低频信号（一个典型的综合有效的高通滤波器特性）。对合成器而言有两种最常见的调制方式将大大有助于在不理想的情况下的实施，即“两点调制”和“正交调制”。
两点调制
两点调制（见图5）用分裂高斯过滤信号规避这一合成问题；其中一部分是针对振荡器调制输入的，其他部分是用来调节TCXO。TCXO不是频率控制反馈环。因此，TCXO可被低频部分的信号调制，其输出有效地总结了频率合成器里的信号调制压控振荡器。综合信号的频谱响应延伸到直流信号。
图6 ：两点调制的无线电框图
I和Q的调制
正交（I和Q）调制还可以有效地消除合成器的缺点。在I和Q调制中，高斯过滤数据信号分离成同相（I）和正交相位（Q）的组成部分。已调射频信号是由混合的I和Q元件的频率最多的射频载波组成。合成器的作用现在已经减少到仅仅改变载波频率的选择信道上了。达到正交调制的最佳性能的关键在于准确建立I和Q的组件。
图7：I和Q电台框图
基带I和Q信号可以被用来创建全通相移网络。为了所有频率波段的利益这个网络必须保持I和Q信号间90度的关系。
解调
解调GMSK信号需要多注意维护一个纯正波形一样调制的信号。选择高斯预调制滤波器主要有三个原因：
1) 窄带会急剧截止。
2) 较低的超脉冲响应。
3) 保存的过滤器会在脉冲区输出。
第一个条件使GMSK调制的频谱有效率，它也提高了其在解调时的抗噪声性能时。第二个条件使GMSK低相位失真。这是一个重大的关切点，在接收器的信号解调到基带时候，必须注意设计中的IF过滤，以保护这一特点。第三个条件，确保协调一致的信号。当然这是一个相当严格的而且不是物理高斯滤波器容易实现的，一个的相位响应可以保持线形，因此能充分的被的相干解调。
在大多数系统上的上述目标的限制还包括：
（1） 数据速率
（2） 发送
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