GMSK跳頻通信系統(tǒng)不同調(diào)制模式下跟蹤干擾性能分析?

閆云斌，全厚德，崔佩璋

GMSK跳頻通信系統(tǒng)不同調(diào)制模式下跟蹤干擾性能分析?

閆云斌，全厚德，崔佩璋

（軍械工程學(xué)院光學(xué)與電子工程系，石家莊050003）

對FH-GMSK（Frequency Hopping-Gaussian Filtered Minimum Shift Keying）通信系統(tǒng)進(jìn)行了研究，分析了GMSK調(diào)制的基本原理，給出了該跳頻通信系統(tǒng)的模型。分析了對FH-GMSK通信系統(tǒng)實施跟蹤干擾采用的調(diào)制方式，在Simulink平臺下搭建了FH-GMSK通信系統(tǒng)和各種調(diào)制模式下跟蹤干擾模塊。分析了不同BT值下該系統(tǒng)的誤碼率性能。仿真結(jié)果表明，隨著信噪比的增加，未受跟蹤干擾時，誤碼率逐漸降低，在跟蹤干擾下誤碼率有一定的下降，但始終保持在0.3以上；采用不同調(diào)制的跟蹤干擾中，2FSK調(diào)制干擾效果最佳，MSK和GMSK調(diào)制次之，F(xiàn)M調(diào)制效果最差。

跳頻通信；高斯濾波最小頻移鍵控；跟蹤干擾；調(diào)制方式

1 引言

跳頻通信因其良好的抗干擾性、低截獲概率及組網(wǎng)能力，在戰(zhàn)術(shù)通信中得到了廣泛的應(yīng)用。GMSK作為一種高效的調(diào)制技術(shù)，其信號功率譜主瓣寬度小，能量集中，因此在戰(zhàn)場頻譜資源極其寶貴的情況下，更加適合窄帶信道中輸出；在固定的信道帶寬下采用GMSK調(diào)制還可以獲得更高的數(shù)據(jù)傳輸率［1］，同時它對鄰道干擾較小，抗干擾能力強(qiáng)。因此，結(jié)合了兩者優(yōu)勢的跳頻無線傳輸設(shè)備在跳頻通信領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用［2-4］。

針對跳頻通信的干擾包括阻塞干擾和跟蹤干擾。在跟蹤干擾的實現(xiàn)過程中，干擾機(jī)通過對跳頻信號進(jìn)行偵察、引導(dǎo)，在相應(yīng)的頻點上把窄帶噪聲或隨機(jī)脈沖信號經(jīng)過調(diào)制后發(fā)射出去。在現(xiàn)有的干擾機(jī)中已有能同時監(jiān)控80個相鄰信道、掃描搜索速度為80 000信道／秒的偵察接收機(jī)問世，這種偵察接收機(jī)對一定跳速下的跳頻圖案截獲概率幾乎達(dá)到100%，這是迄今為止對付跳頻通信最理想的干擾手段［5-6］。跟蹤干擾根據(jù)產(chǎn)生方式不同分為調(diào)制跟蹤干擾和非調(diào)制跟蹤干擾，調(diào)制跟蹤干擾又可分為模擬調(diào)制跟蹤干擾和數(shù)字調(diào)制跟蹤干擾，其中非調(diào)制跟蹤干擾主要指單音跟蹤干擾。

本文分析了GMSK調(diào)制的基本原理，給出了FH -GMSK通信系統(tǒng)的模型，對FH-GMSK通信系統(tǒng)中實施的跟蹤干擾進(jìn)行了研究。利用Simulink仿真工具直觀方便、參數(shù)容易調(diào)整等優(yōu)點，搭建了FHGMSK通信系統(tǒng)，建立了不同調(diào)制模式下的跟蹤干擾模塊，分析了不同BT值下該系統(tǒng)的誤碼率性能。通過對上述幾種不同調(diào)制模式下跟蹤干擾的誤碼率進(jìn)行計算，分別得到了不同調(diào)制模式下跟蹤干擾對FH-GMSK通信系統(tǒng)的誤碼率性能。

2 GMSK調(diào)制原理及跳頻系統(tǒng)模型

2.1 GMSK調(diào)制原理

GMSK是在MSK的基礎(chǔ)上改進(jìn)而成的，具體的實現(xiàn)過程中首先用高斯低通濾波器作為MSK調(diào)制的前置濾波器，以便除去信號中的高頻分量，得到比較緊湊的功率譜。文獻(xiàn)［7］中給出了該高斯濾波器必須滿足的要求：帶寬要窄，并且過渡帶要尖銳；具有低峰突的沖激響應(yīng)；保持輸出脈沖的面積不變，以保證π／2相移。圖1給出了GMSK調(diào)制的結(jié)構(gòu)框圖。

高斯預(yù)調(diào)制濾波器的矩形脈沖響應(yīng)函數(shù)g（t）可以表示為

式中：

式中，Bb為3 dB基帶帶寬，Tb為基帶碼元間隔。

MSK是2FSK信號的改進(jìn)型，其相位是連續(xù)變化的，信號沒有突跳，其表達(dá)式如公式（3）所示［8］：

式中，ωc為載波角頻率，Ts為碼元寬度，ak為第k個碼元中的信息，取值為±1，φk為第k個碼元的相位常數(shù)，在時間（k-1）Ts≤t≤kTs內(nèi)保持不變。

由高斯濾波器的矩形脈沖響應(yīng)為g（t）和MSK信號表達(dá)式，得出GMSK信號的表達(dá)式為［3］

2.2 FH-GMSK調(diào)制系統(tǒng)原理和模型

FH-GMSK通信系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示，主要由信源、GMSK調(diào)制解調(diào)器、跳頻器、信道和相關(guān)的濾波器組成。具體的實現(xiàn)過程中，在發(fā)射端傳輸?shù)幕鶐?shù)據(jù)首先經(jīng)GMSK調(diào)制，與跳頻器產(chǎn)生的跳頻載波信號混頻后經(jīng)射頻發(fā)送到噪聲信道。在信道傳輸過程中經(jīng)過高斯白噪聲信道。接收系統(tǒng)將接收到的信號經(jīng)接收濾波器濾波，與本地跳頻載波混頻后完成跳頻信號的解跳，經(jīng)低通濾波器進(jìn)行濾波，最后通過GMSK解調(diào)后將信息還原后輸出。在該模型框圖中跳頻器的設(shè)計是關(guān)鍵。

3 跟蹤干擾模型建立

跟蹤干擾，是指干擾信號能跟蹤跳頻信號頻率跳變的一種干擾方式。跟蹤干擾的干擾載體信號特征與跳頻通信載體信號特征相吻合，只不過雙方的調(diào)制信號不同，干擾的調(diào)制信號可以是窄帶噪聲和隨機(jī)脈沖。對于跟蹤干擾形成的條件和分類筆者在文獻(xiàn)［9］有詳細(xì)的論述，跟蹤干擾按照典型的實現(xiàn)可以分為波形跟蹤干擾、引導(dǎo)跟蹤干擾和轉(zhuǎn)發(fā)跟蹤干擾。其中波形跟蹤干擾實現(xiàn)起來非常困難，而轉(zhuǎn)發(fā)跟蹤干擾可以理解為多徑干擾，所以本文中提到的跟蹤干擾特指引導(dǎo)跟蹤干擾。

在跟蹤干擾的實現(xiàn)過程中，首先干擾機(jī)將偵察到的跳頻信號進(jìn)行頻譜分析，提取跳頻信號中的瞬時頻點，在該頻點上把干擾信號源調(diào)制后施放出去，整個過程必須有較強(qiáng)的電子支援設(shè)備的支持。對于FH-GMSK跳頻通信系統(tǒng)，干擾機(jī)對接收到的跳頻信號的頻譜特征和相關(guān)特性進(jìn)行分析，使得干擾機(jī)發(fā)揮性能較好的調(diào)制方式可以為FM、FSK、MSK和GMSK。本文主要分析跟蹤干擾分別采用上述調(diào)制方式對FH-GMSK通信系統(tǒng)的性能影響。

FH-GMSK通信系統(tǒng)跟蹤干擾信號產(chǎn)生框圖如圖3所示，干擾信號源可以是窄帶噪聲或者隨機(jī)數(shù)字碼流。對于模擬調(diào)制方式FM，干擾信號源采用窄帶噪聲；對于其它的數(shù)字調(diào)制方式，干擾信號源為隨機(jī)數(shù)字碼流。

4 仿真及結(jié)果分析

為了得到不同信噪比下FH-GMSK通信系統(tǒng)在不同調(diào)制模式下跟蹤干擾的誤碼率性能，假設(shè)VHF跳頻無線傳輸設(shè)備的傳輸速率為1 200 bit／s、跳速為200 hop／s、跳頻頻率數(shù)目為64、跳頻信道間隔為25 kHz。信道采用高斯加性白噪聲信道，調(diào)制和解調(diào)都采用相同跳頻器產(chǎn)生的本地跳頻載波以便在仿真中實現(xiàn)同步，系統(tǒng)實現(xiàn)如圖4所示。

圖4中隨機(jī)信號源采樣率為1／1200，經(jīng)過雙極性轉(zhuǎn)換變?yōu)殡p極性序列碼，再經(jīng)過GMSK調(diào)制模塊和跳頻載波混頻后變?yōu)樘贋?00 hops／s、跳頻頻率數(shù)目為64、跳頻信道間隔為25kHz的GMSK跳頻信號，經(jīng)過高斯噪聲信道，經(jīng)解跳、低通濾波、GMSK解調(diào)模塊和單極性轉(zhuǎn)換器恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)。誤碼率測試模塊完成誤碼率的統(tǒng)計。當(dāng)測試不同調(diào)制模式下跟蹤干擾的誤碼率性能時，可以在FH-GMSK通信系統(tǒng)中把不同調(diào)制模式下的跟蹤干擾模塊分別疊加到FH-GMSK解跳模塊前，計算誤碼率性能。由于在FH-GMSK通信系統(tǒng)和跟蹤干擾產(chǎn)生模塊中都會用到跳頻載波模塊，下面詳細(xì)說明跳頻載波在Simulink下的具體實現(xiàn)［3］。其實現(xiàn)框圖如圖5所示。

其中偽隨機(jī)序列采用m序列，采樣率為1／1200，Buffer中長度設(shè)置為6，對應(yīng)跳頻信號的跳頻速率為200 hop／s。其本原多項式為x6+x+1，周期為63個碼元，對應(yīng)64個跳頻點。將偽隨機(jī)序列通過相應(yīng)的變換成為與之對應(yīng)的整數(shù)s，送到壓控振蕩器輸入控制端，壓控振蕩器振蕩頻率為f，輸入靈敏度為d，那么瞬時輸出的頻率為m=f+（d×s），則當(dāng)s從0～63變化時，就能夠產(chǎn)生64個跳頻點。仿真中設(shè)置f=40 MHz，d=25 kHz，所以得到跳頻載波的頻率范圍為40～41.6 MHz。

4.1 不同BT值下FH-GMSK誤碼率分析

在FH-GMSK通信系統(tǒng)中，設(shè)置不同的BT值，當(dāng)信道間隔一定的情況下，通過仿真觀察其對誤碼率的影響，誤碼率曲線如圖6所示。在仿真中可以看到，當(dāng)SNR=-8 dB時，系統(tǒng)的誤碼率在BT=0.2

時最大，而在BT=0.9時最小，因此可以得出BT越小，誤碼率越高。從原理上可以知道，GMSK在調(diào)制前經(jīng)過了高斯濾波器，主瓣衰落快，鄰道干擾小，但是其頻譜特性的改進(jìn)是通過犧牲誤碼率性能實現(xiàn)的，高斯濾波器的帶寬越窄，即BT值越小，頻譜越集中，丟失的頻譜分量就越多，誤碼率就會越高，文獻(xiàn)［10］證明當(dāng)BT=0.588 7時由高斯濾波器產(chǎn)生的碼間干擾所引起的誤碼率將達(dá)到最小，但是實際的應(yīng)用中應(yīng)該從頻譜利用率和誤碼率雙方面考慮，BT應(yīng)該折衷選擇。本文在仿真中依據(jù)上面分析，結(jié)合頻譜利用率和高斯濾波器碼間干擾兩方面考慮取中間值，設(shè)定BT取0.3。

4.2 不同調(diào)制模式下跟蹤干擾的誤碼性能分析

為了分析不同調(diào)制下跟蹤干擾對FH-GMSK通信系統(tǒng)的性能影響，通過仿真比較在不同信噪比條件下FH-GMSK通信系統(tǒng)中疊加不同調(diào)制模式跟蹤干擾模塊的誤碼率，其實現(xiàn)框圖如圖7所示。

圖7以2FSK調(diào)制跟蹤干擾為例給出了Simulink下跟蹤干擾信號的仿真模型圖，其它調(diào)制方式以此為藍(lán)本，更換調(diào)制模塊衍生出GMSK和MSK調(diào)制跟蹤干擾，在FM調(diào)制跟蹤干擾中干擾源采用的是窄帶噪聲。

在仿真過程中，干擾機(jī)偵察引導(dǎo)時間通過時間延遲器代替，這里假設(shè)為0.75ms［11］，跟蹤干擾的跳頻器采用和FH-GMSK通信系統(tǒng)中相同的跳頻器，這樣假設(shè)使得干擾機(jī)每次都能夠跟蹤上跳頻信號。誤碼率曲線如圖8所示。

從圖8可以知道，隨著信噪比增加，未受跟蹤干擾的FH-GMSK通信系統(tǒng)中的誤碼率逐漸減小。而受到跟蹤干擾的誤碼率曲線隨著信噪比的增加，誤碼率有一定的下降，但是最終趨于一個定值，而且基本都大于0.3，給FH-GMSK通信系統(tǒng)造成很大的威脅。而在這幾種調(diào)制下的跟蹤干擾誤碼性能的比較，以信噪比SNR=-8 dB為例，各調(diào)制方式下跟蹤干擾誤碼率分別為：2FSK最大為0.48，F(xiàn)M最小為0.33，而MSK和GMSK基本相同，約為0.38。由此可得出，對FH-GMSK通信系統(tǒng)中實施跟蹤干擾時采用2FSK調(diào)制時效果最佳，MSK和GMSK調(diào)制時次之，F(xiàn)M調(diào)制效果最差。

5 結(jié)束語

本文以研究不同調(diào)制模式下跟蹤干擾對FHGMSK通信系統(tǒng)的性能影響為目的，分析了GMSK調(diào)制的基本原理，構(gòu)建了FH-GMSK通信系統(tǒng)，研究了對其產(chǎn)生跟蹤干擾存在的調(diào)制方式；在Simulink下搭建了FH-GMSK通信系統(tǒng)和各種調(diào)制模式下的跟蹤干擾模塊，分析了不同BT值下系統(tǒng)的誤碼率性能，建立了不同調(diào)制模式下的跟蹤干擾模塊。仿真結(jié)果表明，隨著信噪比的增加，未受跟蹤干擾時，誤碼率逐漸降低，而在跟蹤干擾存在下，誤碼率有一定的下降，但最終趨于一個定值，并且都大于0.3。同時，不同調(diào)制模式下的跟蹤干擾誤碼率表明，2FSK調(diào)制下干擾效果最佳，MSK和GMSK調(diào)制時次之，F(xiàn)M調(diào)制效果最差。

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YAN Yun-bin was born in Shuozhou，Shanxi Province，in 1984.He is currently working toward the Ph.D.degree.His research concernswireless communication performance test.

Email：zkjysyyb＠163.com

全厚德（1963—），男，博士，教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向為情報指揮系統(tǒng)、通信設(shè)備性能測試。

QUAN Hou-de was born in 1963.He is now a professor with the Ph.D.degree and also the Ph.D.supervisor.His research concerns intelligence command system，communication equipment performance test.

Follower Jamm ing Performance Analysis of Different Modulation Modes in a GMSK Frequency-hopping Communication System

YAN Yun-bin，QUAN Hou-de，CUIPei-zhang
（Optical and Electronic Engineering Department，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

The FH-GMSK communication system is researched，the basic principle of GMSK modulation is analysed and themodelof the FH-GMSK communication system is given.Themodulationmode of follower jamming to the FH-GMSK communication system is analysed，and the FH-GMSK communication system and follower jammingmodule in differentmodulations are simulated by Simulink.The bit error rate（BER）under the different BT is given.The simulation results show that，with the increase of SNR，the BER is gradually decreased when the follower jamming does notexist.On the contrary，when the follower jamming is completed，the BER is decreased but keptabove 0.3.When the follower jamming adopts differentmodulations，the 2FSKmodulation provides themosteffective hedge，theMSK and GMSKmodulation are placed in themiddle，the FMmodulation performsworse.

frequency-hopping communication；GMSK；follower jamming；modulation mode

TN914.3

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.10.010

閆云斌（1984—），男，山西朔州人，博士研究生，主要研究方向為無線電通信性能測試；

1001-893X（2011）10-0046-05

2011-05-26；

2011-09-06