胡 禮，王世練，劉芳平

(1. 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410073;2.中國(guó)人民解放軍65067部隊(duì)，遼寧 沈陽(yáng) 110035)

多速率突發(fā)GMSK信號(hào)全數(shù)字盲解調(diào)器*

胡 禮1，王世練1，劉芳平2

(1. 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410073;2.中國(guó)人民解放軍65067部隊(duì)，遼寧 沈陽(yáng) 110035)

針對(duì)突發(fā)GMSK信號(hào)的偵察，設(shè)計(jì)了一種多速率GMSK全數(shù)字化盲解調(diào)器。首先通過符號(hào)率粗估計(jì)和抽取濾波將不同符號(hào)率信號(hào)降采樣為固定過采樣倍數(shù)的數(shù)據(jù)，運(yùn)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(shí)同步算法保證解調(diào)的實(shí)時(shí)性，最后通過1比特相位差分加Viterbi譯碼進(jìn)行符號(hào)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(cè)試結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了該解調(diào)器方案的可行性。

多速率；信號(hào)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(qiáng)、抗干擾性能好、功率和信道利用率高等優(yōu)點(diǎn)[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(guó)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(duì)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(shí)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(diǎn)，被應(yīng)用于歐洲數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM)、船舶自動(dòng)識(shí)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(shí)現(xiàn)高速、安全的數(shù)據(jù)傳輸。

針對(duì)多速率突發(fā)GMSK 信號(hào)的偵收，本文給出了全數(shù)字化GMSK盲解器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，對(duì)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(shí)現(xiàn)結(jié)果。

1 解調(diào)器設(shè)計(jì)

多速率突發(fā)GMSK信號(hào)解調(diào)器的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。中頻信號(hào)經(jīng)過ADC采樣轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，在預(yù)處理模塊完成突發(fā)信號(hào)的檢測(cè)及載頻和符號(hào)率粗估計(jì)。根據(jù)載頻估計(jì)值進(jìn)行數(shù)字下變頻，將中頻采樣信號(hào)搬移到零頻附近；再根據(jù)符號(hào)率估計(jì)值進(jìn)行抽取濾波，將不同符號(hào)率下的采樣信號(hào)變換為過采樣倍數(shù)固定(本文取為4)的4路并行信號(hào)，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(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。

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

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

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

GMSK非相干解調(diào)譯碼主要有差分相位檢測(cè)和限幅鑒頻檢測(cè)兩種[4]，其中鑒頻檢測(cè)需要微分器和包絡(luò)檢波器，不利于數(shù)字實(shí)現(xiàn)；同時(shí)，由于GMSK固有的碼間串?dāng)_，直接判決譯碼時(shí)誤碼率性能較差。綜合考慮解調(diào)器的實(shí)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(duì)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(jì)。

1.1 載波恢復(fù)

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

GMSK復(fù)信號(hào)可表示為：

sbias(t)=exp{j[φ(t,a)+2πfct]}

(1)

圖2 GMSK信號(hào)平方譜

頻偏計(jì)算公式為：

(2)

式中，x1、x2為兩個(gè)峰值譜線位置，F(xiàn)s為采樣率，NFFT為傅里葉變換點(diǎn)數(shù)。設(shè)突發(fā)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為L(zhǎng)個(gè)符號(hào)，則有效NFFT點(diǎn)數(shù)不大于N·L，此時(shí)理論估計(jì)精度可達(dá)1/(4·N·L)。如L為512時(shí)，估計(jì)精度達(dá)到10-4量級(jí)，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(shí)現(xiàn)。

1.2 低通濾波

GMSK信號(hào)頻譜主瓣窄，帶外噪聲對(duì)信號(hào)解調(diào)的影響較大，因此在解調(diào)前先將信號(hào)通過一個(gè)低通濾波器來濾除帶外噪聲?；緸V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(jì)算的15階濾波器實(shí)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(duì)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(jì)算得到。通過這種并行實(shí)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(shí)同步

GMSK定時(shí)誤差估計(jì)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(jì)算法。假定符號(hào)數(shù)為L(zhǎng)的一段數(shù)據(jù)內(nèi)定時(shí)誤差是固定值，過采樣倍數(shù)為N，信號(hào)采樣點(diǎn)為x(nN+k)，此時(shí)定時(shí)誤差τ為：

(6)

(7)

圖4 定時(shí)誤差估計(jì)的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)

得到定時(shí)誤差估計(jì)值后采取數(shù)字插值濾波的方式來進(jìn)行誤差校正：對(duì)接收的非同步采樣點(diǎn)進(jìn)行插值運(yùn)算，得到解調(diào)所需的最佳采樣點(diǎn)值。內(nèi)插濾波的原理是先通過離散采樣點(diǎn)重構(gòu)原始連續(xù)信號(hào)，然后在最佳采樣時(shí)刻對(duì)連續(xù)信號(hào)進(jìn)行重新采樣[7]。

工程上用有限階的多項(xiàng)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(shí)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(shí)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(shí)后星座圖。由于GMSK的連續(xù)相位特性及定時(shí)后信號(hào)點(diǎn)之間的離散性，星座圖呈斷裂的圓環(huán)狀。

圖6 信號(hào)定時(shí)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(jì)算公式為：

Δφk=φ(kTb,a)-φ(kTb+1Tb,a)

(10)

首先對(duì)GMSK信號(hào)的BTb參數(shù)進(jìn)行粗估計(jì)，從而確定信號(hào)的部分響應(yīng)長(zhǎng)度P。此時(shí) Viterbi 譯碼算法的約束長(zhǎng)度為2P-1，Viterbi 譯碼器的狀態(tài)數(shù)為22P-1，任意時(shí)刻需要計(jì)算的路徑度量數(shù)為22P。從狀態(tài)Sk轉(zhuǎn)移到Sk+1時(shí)，所對(duì)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(duì)應(yīng)的不同符號(hào)序列的標(biāo)準(zhǔn)值。進(jìn)一步可以得到第k+1個(gè)碼元的總相位路徑與第k個(gè)碼元存儲(chǔ)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(hào)的幸存相位路徑，從而恢復(fù)出發(fā)送的信息序列an。在實(shí)際運(yùn)用中，設(shè)置判決深度N以防止存儲(chǔ)的幸存路徑長(zhǎng)度無限增大[11]。

2 硬件實(shí)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(hào)處理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了多速率突發(fā)GMSK信號(hào)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(hào)平方譜和定時(shí)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(hào)的對(duì)比可知解調(diào)數(shù)據(jù)是正確的，驗(yàn)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(hào)平方譜

圖8 ChipScope Pro捕獲的GMSK信號(hào)定時(shí)同步后星座圖

圖9 ChipScope Pro 捕獲的GMSK信號(hào)解調(diào)比特

3 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種適用于多速率突發(fā)GMSK信號(hào)的全數(shù)字盲解調(diào)器設(shè)計(jì)方案。該方案具有以下特點(diǎn)：采用全數(shù)字結(jié)構(gòu)，易于硬件實(shí)現(xiàn)；解調(diào)實(shí)時(shí)性好，不會(huì)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(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了解調(diào)器算法的有效性和可靠性。該解調(diào)器方案對(duì)軍事通信信號(hào)的偵察具有一定的參考價(jià)值。

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胡 禮(1991—)男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闊o線通信;

王世練(1976—)男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)闊o線通信;

劉方平(1975—)男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)檐娦涤?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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)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