CN102368758A - 关于gmsk调制技术的一种新的改进方案 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于无线通信领域的数字调制方式。本发明首先具体给出了目前的存在的GMSK调制技术，分析了其在频谱效率方面的不足，然后在此基础上提出了一种新的数字调制方式。该调制方式充分考虑了如何解决误码性能和频谱效率之间的矛盾，它将二进制的信息通过预编码转换成三进制的数据，使得传输信号相位只有三种跳变值，然后分别从发射和接收的角度对本发明的频谱以及误码性能性能指标进行衡量。通过matlab仿真平台表明，该调制方式的频谱利用率以及抗干扰性能均优于GMSK调制方式。

Description

关于GMSK调制技术的一种新的改进方案

技术领域

本发明属于数字通信领域，特别涉及GMSK调制解调技术的一种新的方案。 

背景技术

GMSK调制技术是在1979年提出的一种高带宽效率恒包络调制方案，随着其进一步的发展，已经被广泛应用于军用电台、GSM系统、GPRS系统、数字电视、卫星通信等领域。 

实际上，GMSK调制是一种调制系数为h＝0.5的部分响应CPM调制，是由MSK调制演变而来的二进制调制方式。MSK信号可以看成是调制指数为0.5的连续相位FSK信号。尽管MSK它具有包络恒定、相位连续、相对较窄的带宽和能相干解调的优点，但它不能满足某些通信系统对带外辐射的严格要求。为了压缩MSK信号的功率谱，在MSK调制前增加一级预调制滤波器，从而有效的抑制了信号的带外辐射。 

预调制滤波器应具有的特性： 

①带宽窄而带外截止尖锐，以抑制不需要的高频分量； 

②脉冲响应的过冲量较小，防止调制器产生不必要的瞬时频偏； 

③输出脉冲响应曲线的面积应对应于1/2的相移量，使调制指数为1/2。 

而高斯滤波器就满足以上的条件，所以，GMSK调制的原理就是在对载波进行频率调制之前，用高斯冲激响应滤波器对MSK的矩形脉冲特性进行滤波，以减小两个不同频率的载波切换时的跳变能量，使得在相同的数据传输速率时频道间距可以变得更紧密，因此GMSK信号比MSK信号具有更窄的带宽。由于数字信号在调制前进行了Gauss预调制滤波，调制信号在交越零点不但相位连续，而且平滑过滤。因此得到GMSK调制信号的频率脉冲为： 

$g\left(t\right)=\left\{\begin{array}{c}\frac{1}{2T_b}\left[Q\right[\frac{2\mathrm{\πB}}{\sqrt{\ln 2}}(t-T_b)]-Q[\frac{2\mathrm{\πB}}{\sqrt{\ln 2}}t\left]\right],\\ -\∞\≤t\≤\∞\end{array}\right.---\left(1\right)$

$Q\left(t\right)={\∫}_t^{\∞}\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}}\exp (-{\mathrm{\τ}}^2/2)\mathrm{d\τ}$

其中B为低通高斯滤波器的3dB带宽。BT_b的值越小，频谱就越紧凑，但引入的符号间干扰就越严重，因此降低了误比特率性能。所以在这里，BT_b值的选取要同时考虑频谱效率与误码性能。 

在实际的工程实现中，为了减少符号间干扰通常对GMSK频率脉冲进行时间截短，取近似 值，频率脉冲响应时间长度变为L*T_b，其中L值为部分响应长度， 

L值是根据BT_b进行选取的。 

数学上来说是g(t)的积分q(t)即为相位平滑响应 

利用输入的二进制信息进行相位调制，即得到调制后的相位信息，然后在此基础上加入初始相位φ₀、载波频率f_c、信号幅度 

等信息，就可以得到GMSK调制信号的发射波形CPM表达式。 

对于GMSK调制信号的解调，基于劳伦提出的一种用多个相移调幅脉冲流(AMP)叠加的CPM表示方法，Kaleh实现了GMSK调制的相干接收机，这种方案实现起简单。经仿真表明，随着BT_b的减小，符号间干扰越严重，其误码性能会逐渐恶化，但是另一方面，其发射端信号的频谱带宽利用率在增加，所以如何改进GMSK调制解调方案来使得频谱效率和误码性能同时达到最优，是本发明需要考虑的问题。 

发明内容

由于目前带宽资源的匮乏，很多研究人员都致力于如何提高传输信号的带宽利用率，随着通信行业的发展，对带宽效率的要求也会越来越高。本发明是为了建立一个高带宽效率的调制方式，目前的GMSK调制一般是调制系数为h＝0.5的二进制近似CPM信号，其相位变化是以正斜率或者负斜率进行线性变化，也就是说在给定的一个比特间隔内，相位变化只以±π/2的进行改变。而本发明从广义上说是将二进制的GMSK调制信号改进为三进制的GMSK单模调制，在此这种调制方案称为TGMSK(Ternary Gaussian Minimum Shift Keying)。 

本发明提出的这种新的调制方式采用了以下步骤： 

步骤1：在现存在的GMSK调制方式之前加上预编码器 

本发明在原GMSK调制之前加上预编码器，将二进制的输入数据比特序列a＝{…，a_-2，a_-1，a₀，a₁，a₂，…}以一定的规则转化为三进制的等效数据序列α＝{…，α_-2，α_-1，α₀，α₁，α₂，…}，使得当其中a_i∈{1，-1}，得到α_i∈{-1，0，1}，从而这里相位变化就存在{0，±π/2}三种改变，这样新提出的这种改进GMSK的相位既可线性变化也可保持不变。 

步骤2：根据这种新的调制方式给出对应的解调方案 

本发明对这新提出的GMSK调制方案要给出其对应的解调方案，本发明采用相干解调来对TGMSK进行解调，这里可以设计两种解调方案： 

1.最优相干检测 

●利用劳伦分解改进的线性分解算法得到TGMSK时域实波形，然后基于维特比算法进行相干解调。 

目前存在的GMSK相干检测接收机大多数是基于劳伦表示法并采用维特比算法，然而TGMSK是广义上的三进制单模调制，劳伦分解主要关注的是二进制调制，所以这里要利用新的线性分解算法实现对三进制连续相位信号的相干解调。 

由于CPM固有的记忆性，不论采用何种数学表达式，最佳接收机都采用MLSE形式，通常用VA实现。 

2.次优相干检测 

●利用I&D匹配滤波器和二进制硬判决器来对TGMSK进行逐符号判决。 

由于TGMSK是一个由等概率的信号集组成的信号，因此可以进行逐符号检测。 

在这个解调结构中，对于接收机的匹配滤波器选择尤为重要，这里采用的是矩形脉冲匹配滤波器。 

步骤3：对本发明的性能指标进行衡量 

本发明提出的这种新的调制方案，为了更好的反映这个发明的通信质量，需要考虑这种调制方式的频谱效率和误码性能，因此分别从发射和接收的角度对本发明的性能指标进行衡量。 

本发明提出的这种新的调制方案充分考虑了无线通信的特点，分别从发射和接收的角度对本发明的性能指标进行衡量，TGMSK调制方案在频谱有效性和抗干扰性能方面均优于GMSK调制，适用于无线通信领域。 

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。 

附图说明

图1为本发明的流程图。 

图2(a)为TGMSK信号在L＝2时的眼图波形。 

图2(b)为TGMSK信号在L＝4时的眼图波形。 

图3(a)为TGMSK调制与GMSK调制信号的双边频谱比较。 

图3(b)为TGMSK调制与GMSK调制信号的单边频谱比较。 

图4为不同L的TGMSK逐符号I&D解调误码性能。 

具体实施方式

本发明提出的新调制方案已经通过Matlab平台进行验证，并且在simulink仿真工具得 到硬件仿真实现。从仿真结果可以看出该调制方案在频谱效率和误码性能方面的优越性。附图1中显示本发明的流程，下面给出具体实施的技术方案： 

1.TGMSK发射机 

(1)TGMSK调制方案由GMSK改进而来，在GMSK调制器之前加上预编码器，将二进制的输入比特序列转化为三进制的序列，先将二进制信息0映射成1，1映射成-1，得到由{1，-1}组成的二进制信息序列，再利用下式转化规则进行转换： 

${\mathrm{\α}}_i={(-1)}^{i+1}\frac{a_{i-1}(a_i-a_{i-2})}{2}---\left(2\right)$

(2)转化后的三进制序列中α_i∈{-1，0，1}，在这里，+1，-1，0取值概率分别为1/4，1/4，1/2，在任意给定的比特间隔内，α_i的取值只能为两等概率值之一，也就是0和+1，或0和-1，也就是-1后不能跟+1，反之亦然。 

(3)由于调制系数h＝0.5和g(t)中的系数为1/2相当于π/2弧度的相位改变，当α_i的取值为+1，-1，0，相位随之变化值为π/2，-π/2，0，因此可以看出TGMSK的相位网格在α_i＝0的比特间隔内保持平顶状态，也可线性变化，也可以说TGMSK可以当成是0QPSK和GMSK的混合。 

(4)TGMSK的发射机信号一般表达形式为： 

$s_{\mathrm{TGMSK}}\left(t\right)=\sqrt{\frac{{2E}_b}{T_b}}\cos (2\mathrm{\π}{f}_{c}t+\frac{\mathrm{\πh}}{2T_b}\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\α}}_i\∫[Q[\frac{2\mathrm{\πB}{T}_b}{\sqrt{\ln 2}}(\frac{\mathrm{\τ}}{T_b}-(i+1))]$ (3) 

$-Q\left[\frac{2\mathrm{\π}{\mathrm{BT}}_b}{\sqrt{\ln 2}}(\frac{\mathrm{\τ}}{T_b}-i)\right]]\mathrm{d\τ}+{\mathrm{\φ}}_0),{\mathrm{nT}}_b\≤t\≤(n+1)T_b$

2.TGMSK接收机 

●上文中提出了一种对应于TGMSK最优相干解调的方案，针对这个方案进行说明： 

(1)由于TGMSK调制随着L的增大，其全符号波形越多(从图2中可以看出)，所以匹配滤波器的个数也会随之增多，工程上不易实现，所以在这里需要考虑如何来简化接收机的复杂度。 

(2)本发明利用劳伦分解改进的线性分解法推广至奇数进制TGMSK信号， 

得到TGMSK的线性表达式。二进制的劳伦分解的线性叠加信号为： 

$\tilde{S}\left(t\right)=\sqrt{\frac{{2E}_b}{T_b}}\underset{K=0}{\overset{2^{L-1}-1}{\mathrm{\Σ}}}\left[\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{e}^{\mathrm{j\πh}{A}_{K,n}}{C}_K(t-{\mathrm{nT}}_b)\right]$ (4) 

$=\sqrt{\frac{{2E}_b}{T_b}}\underset{K=0}{\overset{2^{L-1}-1}{\mathrm{\Σ}}}\left[\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\tilde{a}}_{K,n}{C}_k(t-{\mathrm{nT}}_b)\right]$

式中，L为部分响应长度，E_b为码元能量，T_b为码元时间， 

为含信息的编码，C_K(t)为分解后的实波形。 

(3)然后在最优接收机的基础上，考虑简化接收机，减少维特比网格的状态数，降低复杂度。 

●对上文中提出的TGMSK信号检测的次优接收机方案进行说明： 

(1)随着L的增大，其全符号波形越多，如若要求最优检测，其工程复杂度加大，难以实现，所以这里所以在这里需要考虑匹配滤波器的设计问题：一种为标准的矩形脉冲匹配滤波器；另一种通过将TGMSK信号集中全符号波形求平均，从而得到的平均匹配滤波器。 

(2)将信号通过匹配滤波器后，分成I、Q路分别进行码元判决，然后进行并串变换，就可将码元信息检测出来。 

(3)但是随着L逐渐增大，在这里，使用的滤波器为最简单的矩形脉冲匹配滤波器，TGMSK信号解调的误码性能将会越来越差(图4中给出了具体的仿真曲线)，损失很大，但是复杂度很低，工程上比较容易实现。 

本发明提出了一种新的能运用到无线通信领域的调制及其对应的方案，附图3给出了这种调制方案在频谱方面比GMSK的优越性。 

本发明申请书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。 

Claims (2)

1.关于GMSK调制技术的一种新的改进方案，所采用的步骤是：

步骤1：在现存在的GMSK调制方式之前加上预编码器，将二进制的输入数据比特序列a＝{…，a_-2，a_-1，a₀，a₁，a₂，…}以一定的规则转化为三进制的等效数据序列α＝{…，α_-2，α_-1，α₀，α₁，α₂，…}；

步骤2：根据这种新的调制方式给出对应的解调方案，本发明对这新提出的GMSK调制方案要给出其对应的解调方案，本发明采用相干解调来对TGMSK进行解调，利用I&D匹配滤波器和二进制硬判决器来对TGMSK进行逐符号判决，这是次佳接收方案，最优相干检测利用劳伦分解改进的线性分解算法得到TGMSK时域实波形，然后基于维特比算法进行相干解调；

步骤3：分别从发射和接收的角度对三进制GMSK调制方式的性能指标进行衡量。

2.根据权利要求1所述的关于GMSK调制技术的一种新的改进方案，其特征是：

(1)在GMSK调制模型前加上预编码器，将二进制输入数据按预编码准则转换为三进制数据，得到的数据α_i∈{-1，0，1}，从而可以看出这里相位变化就存在{0，±π/2}三种改变，这样新提出的这种改进GMSK的相位既可线性变化也可保持不变；

(2)当选用次佳相干接收检测时，利用I&D匹配滤波器和二进制硬判决器来对TGMSK进行逐符号判决，TGMSK是一个由等概率的信号集组成的信号，由于随着L的增大，其全符号波形越多，所以直接采用矩形匹配滤波器对接收信号进行滤波，滤波结束后进行抽样判决；

(3)当选用最优相干接收检测，利用劳伦分解改进的线性分解法推广至奇数进制TGMSK信号，得到TGMSK的线性表达式，最佳接收机采用MLSE形式，通常用维特比算法进行相干解调。在最优接收机的基础上，考虑简化接收机，减少维特比网格的状态数，降低复杂度；

(4)在整个通信过程中，为了反映这个发明的通信质量，需要考虑这种调制方式的频谱效率和误码性能，因此分别从发射和接收的角度对本发明的性能指标进行衡量。

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