多速率突發(fā)GMSK信號全數(shù)字盲解調(diào)器*

胡 禮，王世練，劉芳平

(1. 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410073;2.中國人民解放軍65067部隊，遼寧 沈陽 110035)

多速率突發(fā)GMSK信號全數(shù)字盲解調(diào)器*

胡 禮1，王世練1，劉芳平2

(1. 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410073;2.中國人民解放軍65067部隊，遼寧 沈陽 110035)

針對突發(fā)GMSK信號的偵察，設(shè)計了一種多速率GMSK全數(shù)字化盲解調(diào)器。首先通過符號率粗估計和抽取濾波將不同符號率信號降采樣為固定過采樣倍數(shù)的數(shù)據(jù)，運用乒乓緩存結(jié)構(gòu)將不同突發(fā)數(shù)據(jù)包區(qū)分處理，然后采用無訓(xùn)練序列的前向載波恢復(fù)算法和定時同步算法保證解調(diào)的實時性，最后通過1比特相位差分加Viterbi譯碼進(jìn)行符號判決。Matlab軟件仿真結(jié)果表明了算法的有效性，F(xiàn)PGA硬件測試結(jié)果進(jìn)一步驗證了該解調(diào)器方案的可行性。

多速率；信號偵察；突發(fā)GMSK；盲解調(diào)器

0 引 言

突發(fā)模式通信具有隱蔽性強、抗干擾性能好、功率和信道利用率高等優(yōu)點[1]，被廣泛應(yīng)用于各類通信系統(tǒng)中。民用通信中的TDMA蜂窩網(wǎng)通信系統(tǒng)、國際海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)(INMAESAT)等通信系統(tǒng)都采用突發(fā)模式傳輸來提供通信業(yè)務(wù)；軍事衛(wèi)星通信系統(tǒng)、跳頻通信系統(tǒng)和潛艇對岸基通信[2]等多采用突發(fā)模式來提高通信的抗偵察截獲能力，實現(xiàn)保密通信。

GMSK是一種連續(xù)相位調(diào)制，具有帶外輻射小、頻譜利用率高等優(yōu)點，被應(yīng)用于歐洲數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)(GSM)、船舶自動識別系統(tǒng)(AIS)等通信系統(tǒng)中。將突發(fā)通信與GMSK調(diào)制相結(jié)合，利用GMSK的高頻譜效率特性及突發(fā)通信的抗干擾、抗截獲特性，可實現(xiàn)高速、安全的數(shù)據(jù)傳輸。

針對多速率突發(fā)GMSK 信號的偵收，本文給出了全數(shù)字化GMSK盲解器的設(shè)計與實現(xiàn)，對其中的關(guān)鍵算法進(jìn)行了研究，給出了算法仿真和硬件實現(xiàn)結(jié)果。

1 解調(diào)器設(shè)計

多速率突發(fā)GMSK信號解調(diào)器的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。中頻信號經(jīng)過ADC采樣轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，在預(yù)處理模塊完成突發(fā)信號的檢測及載頻和符號率粗估計。根據(jù)載頻估計值進(jìn)行數(shù)字下變頻，將中頻采樣信號搬移到零頻附近；再根據(jù)符號率估計值進(jìn)行抽取濾波，將不同符號率下的采樣信號變換為過采樣倍數(shù)固定(本文取為4)的4路并行信號，并給出相應(yīng)的數(shù)據(jù)有效位標(biāo)志；后面的解調(diào)譯碼模塊根據(jù)有效標(biāo)志位對信號進(jìn)行處理。

圖1 多速率突發(fā)GMSK信號全數(shù)字解調(diào)器結(jié)構(gòu)

突發(fā)模式下有用信號以突發(fā)數(shù)據(jù)包的形式進(jìn)行傳輸，不同符號速率的數(shù)據(jù)包解調(diào)所需的時間也不同。針對這一情況，在預(yù)處理模塊后加入一個乒乓緩存。該緩存結(jié)構(gòu)在突發(fā)起始時刻標(biāo)志信號的控制下，將相鄰的兩個突發(fā)數(shù)據(jù)包分離開，以滿足后續(xù)模塊不同的延時需要[3]。乒乓緩存的加入保證了每個突發(fā)數(shù)據(jù)包的完整性，使多速率信號的解調(diào)得以兼容。

該解調(diào)器需兼容的最高符號速率可達(dá)200 Mbit/s，對硬件處理速度要求很高，因此載波恢復(fù)、低通濾波和定時同步模塊采用并行結(jié)構(gòu)以降低硬件實現(xiàn)難度。同時，為了避免采用反饋方式進(jìn)行載波和定時同步時造成收斂過程中數(shù)據(jù)的丟失，載波恢復(fù)和定時同步均采用前向開環(huán)結(jié)構(gòu)，以便于突發(fā)信號進(jìn)行實時解調(diào)處理。

GMSK非相干解調(diào)譯碼主要有差分相位檢測和限幅鑒頻檢測兩種[4]，其中鑒頻檢測需要微分器和包絡(luò)檢波器，不利于數(shù)字實現(xiàn)；同時，由于GMSK固有的碼間串?dāng)_，直接判決譯碼時誤碼率性能較差。綜合考慮解調(diào)器的實現(xiàn)復(fù)雜度和誤碼率性能，選擇基于 Viterbi 譯碼的1比特相位差分算法作為本文的解調(diào)算法。

下面對解調(diào)器的主要模塊進(jìn)行具體的算法分析和電路設(shè)計。

1.1 載波恢復(fù)

由于對中頻采樣信號進(jìn)行載頻估計的精度有限，預(yù)處理模塊中下變頻出來的信號仍然有殘余頻偏，影響后續(xù)的符號判決，因此接收機需要對頻偏進(jìn)行估計和校正。

GMSK復(fù)信號可表示為：

sbias(t)=exp{j[φ(t,a)+2πfct]}

(1)

圖2 GMSK信號平方譜

頻偏計算公式為：

(2)

式中，x1、x2為兩個峰值譜線位置，F(xiàn)s為采樣率，NFFT為傅里葉變換點數(shù)。設(shè)突發(fā)數(shù)據(jù)長度為L個符號，則有效NFFT點數(shù)不大于N·L，此時理論估計精度可達(dá)1/(4·N·L)。如L為512時，估計精度達(dá)到10-4量級，滿足突發(fā)解調(diào)的要求。

(3)

由上式可知該校正過程可用四路并行結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。

1.2 低通濾波

GMSK信號頻譜主瓣窄，帶外噪聲對信號解調(diào)的影響較大，因此在解調(diào)前先將信號通過一個低通濾波器來濾除帶外噪聲。基本濾波方程為：

(4)

M為濾波器階數(shù)(本文為15階)。下面推導(dǎo)一種四路并行計算的15階濾波器實現(xiàn)方法。

(5)

并行輸入數(shù)據(jù)x(4n)、x(4n-1)、x(4n-2)、x(4n-3)分別對應(yīng){a(0)、a(4)、a(8)、a(12)}、{a(1)、a(5)、a(9)、a(13)}、{a(2)、a(6)、a(10)、a(14)}和{a(3)、a(7)、a(11)、a(15)}四組系數(shù)，通過延遲相乘與求和得到濾波輸出 ，其框圖如圖3所示。

圖3 高速數(shù)據(jù)的并行濾波結(jié)構(gòu)

其他三路濾波輸出y(4n-1)、y(4n-2)和y(4n-3)可通過類似的流水線結(jié)構(gòu)計算得到。通過這種并行實現(xiàn)方案可將濾波器所需的硬件工作頻率降為原來的四分之一。

1.3 定時同步

GMSK定時誤差估計算法采用文獻(xiàn)[6]中的平方法，這是一種基于最大似然方法的非數(shù)據(jù)輔助估計算法。假定符號數(shù)為L的一段數(shù)據(jù)內(nèi)定時誤差是固定值，過采樣倍數(shù)為N，信號采樣點為x(nN+k)，此時定時誤差τ為：

(6)

(7)

圖4 定時誤差估計的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)

得到定時誤差估計值后采取數(shù)字插值濾波的方式來進(jìn)行誤差校正：對接收的非同步采樣點進(jìn)行插值運算，得到解調(diào)所需的最佳采樣點值。內(nèi)插濾波的原理是先通過離散采樣點重構(gòu)原始連續(xù)信號，然后在最佳采樣時刻對連續(xù)信號進(jìn)行重新采樣[7]。

工程上用有限階的多項式濾波器來逼近采用sinc函數(shù)的理想插值濾波器[8]，插值公式為：

(8)

式中，mk，μk控制插值位置，Cm(μk)為時變?yōu)V波器系數(shù)。本文采用四階立方插值，Cm與μ關(guān)系[9]為：

(9)

在硬件實現(xiàn)上，采用如圖5所示的高效Farrow結(jié)構(gòu)[10]。

圖6為Matlab仿真得到的GMSK定時后星座圖。由于GMSK的連續(xù)相位特性及定時后信號點之間的離散性，星座圖呈斷裂的圓環(huán)狀。

圖6 信號定時后星座

1.4 譯碼判決

采用1比特相位差分加Viterbi譯碼方式來判決。差分相位計算公式為：

Δφk=φ(kTb,a)-φ(kTb+1Tb,a)

(10)

首先對GMSK信號的BTb參數(shù)進(jìn)行粗估計，從而確定信號的部分響應(yīng)長度P。此時 Viterbi 譯碼算法的約束長度為2P-1，Viterbi 譯碼器的狀態(tài)數(shù)為22P-1，任意時刻需要計算的路徑度量數(shù)為22P。從狀態(tài)Sk轉(zhuǎn)移到Sk+1時，所對應(yīng)的路徑相位度量為：

(11)

式中， 表示理想條件下轉(zhuǎn)移到對應(yīng)的不同符號序列的標(biāo)準(zhǔn)值。進(jìn)一步可以得到第k+1個碼元的總相位路徑與第k個碼元存儲的幸存路徑之間的關(guān)系：

(12)

根據(jù)式(12)，按照總的路徑度量最小的原則，得到GMSK信號的幸存相位路徑，從而恢復(fù)出發(fā)送的信息序列an。在實際運用中，設(shè)置判決深度N以防止存儲的幸存路徑長度無限增大[11]。

2 硬件實現(xiàn)

在以上算法分析基礎(chǔ)上，采用Xilinx公司V6系列的XC6VSX457T芯片作為主要的信號處理平臺，實現(xiàn)了多速率突發(fā)GMSK信號的硬件解調(diào)。通過使用在線邏輯分析儀(ChipScope Pro)捕獲數(shù)據(jù)來分析解調(diào)器工作性能。圖7、圖8分別是ChipScope Pro 捕獲的GMSK信號平方譜和定時后星座圖，與上一節(jié)的理論分析基本吻合。圖9為捕獲的解調(diào)后比特流，通過與信源發(fā)送信號的對比可知解調(diào)數(shù)據(jù)是正確的，驗證了本文提出的解調(diào)器方案的硬件可行性。

圖7 ChipScope Pro 捕獲的GMSK信號平方譜

圖8 ChipScope Pro捕獲的GMSK信號定時同步后星座圖

圖9 ChipScope Pro 捕獲的GMSK信號解調(diào)比特

3 結(jié) 語

本文提出了一種適用于多速率突發(fā)GMSK信號的全數(shù)字盲解調(diào)器設(shè)計方案。該方案具有以下特點：采用全數(shù)字結(jié)構(gòu)，易于硬件實現(xiàn)；解調(diào)實時性好，不會造成數(shù)據(jù)丟失；解調(diào)不需要任何訓(xùn)練序列。在Xilinx公司FPGA芯片上的硬件測試結(jié)果驗證了解調(diào)器算法的有效性和可靠性。該解調(diào)器方案對軍事通信信號的偵察具有一定的參考價值。

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胡 禮(1991—)男，碩士研究生，主要研究方向為無線通信;

王世練(1976—)男，博士，副教授，主要研究方向為無線通信;

劉方平(1975—)男，碩士，工程師，主要研究方向為軍械訓(xùn)練。

A Full-Digital Blind Demodulator for Burst-Mode GMSK with Multiple Symbol Rates

HU Li1, WANG Shi-lian1, LIU Fang-ping2

(1.College of Electronic Science and Engineering，NUDT, Changsha Hunan 410073，China;(2.Unit 65067 of PLA, Shenyang Liaoning 110035，China)

The receiver with full-digital and forward structure for burst-mode GMSK signal with multiple symbol rates is designed. Firstly, the received signal is down-sampled on the basis of symbol rate estimation, signal extracting and filtering. A Ping-pang RAM structure is used to separate the adjoin burst data package, and then a forward estimation algorithm without preamble is adopted to implement carrier recovery and symbol timing in the real-time GMSK demodulation. Finally, a Viterbi decoder based on 1-bit differential phase detection is designed to recover the information bits. Both the computer simulation with Matlab and the on-line testing results based on FPGA platform verify the feasibility of the proposed receiver.

multiple symbol rate; signal investigate; burst-mode GMSK; blind demodulator

2015-03-27；

2015-07-10 Received date:2015-03-27；Revised date：2015-07-10

國家自然科學(xué)基金項目(No.61101097)

Foundation Item:National Natural Science Foundation of China(No.61101097)

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.08.004

TN911.72

A