CN114584443A - 一种基于调频的gmsk信号波形仿真算法 - Google Patents

一种基于调频的gmsk信号波形仿真算法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于调频的GMSK信号波形仿真算法，包括：S1：根据设置的符号带宽时间、过采因子、滤波器脉冲响应与其峰值之间的符号周期数，通过对高斯滤波器系数做归一化处理得到高斯成型滤波器系数；S2：输入二进制符号序列B，随后将输入的二进制符号序列B进行差分编码得到Ci，并将其单极性转为双极性，得到最终编码序列C；S3：将获得的编码序列C过矩形滤波器，随后用编码序列C与滤波系数H做卷积,得到频率变化序列Y；S4：对频率变化序列Y做FM调制，得到最终GMSK调制信号。通过频率调制对GMSK信号调制具有较好的功率频谱特性与误码性能，优点是带外辐射小，适用于工作在VHF和UHF频段的移动通信系统。

Description

一种基于调频的GMSK信号波形仿真算法
技术领域
本发明涉及一种仿真算法，具体涉及一种基于调频的GMSK信号波形仿真算法。
背景技术
GMSK调制是一种部分响应CPM调制(连续相位调制)，其原理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（最小频移键控）信号的矩形频率脉冲特性进行滤波，这样，GMSK调制不仅保证了符号转换时载波相位的连续， 而且保证了载波频率脉冲在符号转换时刻的连续，进一步减小了信号带宽，提高了频带利用率，降低了信道间干扰，并且其恒包络特性也适合在非线性信道内的传输，因此在民用及军事领域得到了广泛的发展。
目前，GMSK常用的调制方式一般分为利用基带高斯脉冲序列直接控制VCO 以及数字正交调制两种方式。前者虽然实现简单但中心频率稳定较差，需要设计 精确地锁相环技术才能解决，加大了电路设计的复杂性。后者虽然是目前较为流 行的调制方式，但占用的硬件资源也较多，其基带信号的调制较复杂。GMSK是高斯滤波最小频移键控的简称，由于具有优良的频谱效率和功率效率等特性，因而作为一种主要的调制技术被广泛地应用于多种现行的无线标准之中(GSM, DECT, CDPD )。
GMSK 调制技术是从 MSK调制的基础上发展起来的一种数字调制方式，其特点是在数据流送交频率调制器前先通过一个 高斯滤波器（预调制滤波器）进行预调制滤波。
GMSK的由于数字信号在调制前进行了 高斯预调制滤波，调制信号在交越零点不但相位连续，而且平滑过滤，因此 GSMK 调制的信号频谱紧凑、误码特性好，在数字移动通信中得到了广泛使用，如现在广泛使用的 GSM移动通信体制就是使用 GMSK 调制方式。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是目前的GMSK信号在调频出现的问题，针对雷达及通信系统中需要产生GMSK调制信号，而这种GMSK信号的波形如何进行仿真，通过哪些参数对进行调制，本申请文件的方式能够通过频率调制出频谱紧凑、误码特性好的GMSK调制信号，解决上述问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于调频的GMSK信号波形仿真算法，所述算法包括如下步骤：
S1：根据设置的符号带宽时间、过采因子、滤波器脉冲响应与其峰值之间的符号周期数，通过对高斯滤波器系数做归一化处理得到高斯成型滤波器系数；
S2：输入二进制符号序列B，随后将输入的二进制符号序列B进行差分编码得到Ci，并将其单极性转为双极性，得到最终编码序列C；
S3：将获得的编码序列C过矩形滤波器，随后用编码序列C与滤波系数H做卷积,得到频率变化序列Y；
S4：对频率变化序列Y做FM调制，得到最终GMSK调制信号。
随着现代通信技术的发展，移动通信技术得到快速发展，许多优秀的调制技术应运而生，其中高斯滤波最小频移键控(GMSK)技术是无线通信中比较突出的一种二进制调制方法，它具有良好的功率谱特性和较好的抗干扰性能，特别适用于无线通信和卫星通信，目前，很多通信标准都采用了GMSK技术，例如，GSM，DECT等。在我国数字通信系统中,全数字接收机已经得到了广泛的应用。利用数字化方法设计通信系统中的调制解调技术是实际应用中的一项重要技术。GMSK是一种典型的连续相位调制方式,具有包络恒定、频谱紧凑,可有效降低邻道干扰,提高非线性功率放大器的效率,已在移动通信(如GSM系统)、航天测控等场合得到广泛应用。
GMSK调制是一种连续相位的频移键控调制技术，它是在MSK调制的基础上发展而来，主要原理是对发送的基带二进制信号首先进行高斯低通滤波，然后将滤波后的信号进行载波调制。GMSK调制具有容易实现、包络恒定、功率谱集中、抗干扰能力强、抑制带外辐射、压缩信号功率等优点，使得其在数字通信领域得到了广泛的应用。扩频通信(扩展频谱通信)则是围绕提高信息传输可靠性的调制技术，其工作原理是：在发射端，先将待传输的基带信息信号与某个特定的伪随机序列相乘，将其扩展成为宽频带信号，然后经载波调制送入信道中；在接收端，利用相关接收的原理，将扩展了频谱的信号与同一组扩频码相乘，完成解扩，再对解扩后的信号进行常规解调，无差错的恢复出原始基带信息信号。扩频通信具有抗多径衰落、抗干扰能力强、发射功率低、截获率低以及保密性好等特点。
在进行步骤S2时，得到最终的编码序列C，公式如下：
差分编码：
Figure 897370DEST_PATH_IMAGE001
双极性化：
Figure 1855DEST_PATH_IMAGE002
，二进制符号序列B进行差分编码得到Ci，并将其单极 性转为双极性，得到最终编码序列C，随后将获得的编码序列C过矩形滤波器，过矩形滤波器 的效果为，将原来的序列C每个元素重复过采因子O次，即
Figure 176484DEST_PATH_IMAGE003
。
进一步地，所述步骤S1中的高斯滤波器系数长度为
Figure 777230DEST_PATH_IMAGE004
，不同的高斯滤波器有 标准差
Figure 834048DEST_PATH_IMAGE005
，采用如下公式获取高斯滤波器系数长度
Figure 444021DEST_PATH_IMAGE004
：
Figure 473156DEST_PATH_IMAGE006
其中，O为过采因子，即每个符号对应的采样点，N为滤波器脉冲响应与其峰值之间的符号周期数，默认选取值为3；
采用如下公式获取高斯滤波器有标准差
Figure 277427DEST_PATH_IMAGE005
：
Figure 759224DEST_PATH_IMAGE007
其中，BT为符号带宽时间。
进一步地，所述步骤S1中在进行高斯滤波器系数做归一化处理前，通过高斯滤波 器系数长度
Figure 172887DEST_PATH_IMAGE004
结合下列公式获取时间序列ti：
Figure 56530DEST_PATH_IMAGE008
其中，
Figure 530236DEST_PATH_IMAGE004
为高斯滤波器系数长度，N为滤波器脉冲响应与其峰值之间的符号 周期数。
进一步地，所述步骤S1中对高斯滤波器系数进行归一化处理采用如下公式进行：
Figure 499329DEST_PATH_IMAGE009
其中，
Figure 185526DEST_PATH_IMAGE005
为高斯滤波器有标准差，ti为时间序列，
Figure 454833DEST_PATH_IMAGE004
为高斯滤波器系数长 度，hi和Hi分别时间序列第i个元素对应的滤波器系数和其归一化后的系数。
进一步地，所述步骤S4中通过下列公式对频率变化序列Y做FM调制：
Figure 335327DEST_PATH_IMAGE010
其中，A为振幅，
Figure 791716DEST_PATH_IMAGE011
为调制角频率,
Figure 547182DEST_PATH_IMAGE012
为调制频偏，t为时间序列。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明一种基于调频的GMSK信号波形仿真算法，通过频率调制对GMSK信号调制具有较好的功率频谱特性与误码性能，最大优点就是带外辐射小，较适用于工作在VHF和UHF频段的移动通信系统。
本发明一种基于调频的GMSK信号波形仿真算法，通过对GMSK系统调制、解调信号的波形、频谱图、眼图和误码率曲线的分析验证了GMSK系统良好的性能。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例
整个算法流程如下，根据设置的3-dB符号带宽时间BT、过采因子O（每个符号对应 的采样点）、滤波器脉冲响应与其峰值之间的符号周期数N(默认为3)，得到高斯成型滤波器 系数H；高斯滤波器系数长度
Figure 139837DEST_PATH_IMAGE013
Figure 955347DEST_PATH_IMAGE014
高斯滤波器标准差
Figure 899032DEST_PATH_IMAGE005
Figure 458189DEST_PATH_IMAGE015
时间序列t
Figure 170930DEST_PATH_IMAGE016
对高斯滤波器系数做归一化处理
Figure 189964DEST_PATH_IMAGE017
；
随后对输入的二进制符号序列B进行差分编码得到Ci，并将其单极性转为双极性，得到最终的编码序列C，公式如下：
差分编码：
Figure 620946DEST_PATH_IMAGE018
双极性化：
Figure 718215DEST_PATH_IMAGE019
；
将编码序列C过矩形滤波器；
过矩形滤波器的效果为，将原来的序列C每个元素重复过采因子O次，即
Figure 551041DEST_PATH_IMAGE020
；
用编码序列C与滤波 系数H做卷积,得到频率变化序列Y；Y做FM调制，得到最终GMSK调制信号；
Figure 177195DEST_PATH_IMAGE021
其中，A为振幅，
Figure 95472DEST_PATH_IMAGE022
为调制角频率,
Figure 996432DEST_PATH_IMAGE023
为调制频偏。
目前，为了实现GMSK信号的调制，关键是设计一个性能良好的高斯低通滤波器，它必须具有如下特性有良好的窄带和尖锐的截止特性，以滤除基带信号中多余的高频成分。脉冲响应过冲量应尽量小，防止已调波瞬时频偏过大。输出脉冲响应曲线的面积对应的相位为π/2，使调制系数为1/2。以上要求是为了抑制高频分量、防止过量的瞬时频率偏移以及满足相干检测所需要的。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于调频的GMSK信号波形仿真算法，其特征在于，算法包括如下步骤：
S1：根据设置的符号带宽时间、过采因子、滤波器脉冲响应与其峰值之间的符号周期数，通过对高斯滤波器系数做归一化处理得到高斯成型滤波器系数；
S2：输入二进制符号序列B，随后将输入的二进制符号序列B进行差分编码得到Ci，并将其单极性转为双极性，得到最终编码序列C；
S3：将获得的编码序列C过矩形滤波器，随后用编码序列C与滤波系数H做卷积，得到频率变化序列Y；
S4：对频率变化序列Y做FM调制，得到最终GMSK调制信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于调频的GMSK信号波形仿真算法，其特征在于，所述步 骤S1中的高斯滤波器系数长度为
Figure 793301DEST_PATH_IMAGE001
，不同的高斯滤波器有标准差
Figure 241600DEST_PATH_IMAGE002
，采用如下公式 获取高斯滤波器系数长度
Figure 286916DEST_PATH_IMAGE001
：
Figure 10021DEST_PATH_IMAGE003
其中，O为过采因子，即每个符号对应的采样点，N为滤波器脉冲响应与其峰值之间的符号周期数，默认选取值为3；
采用如下公式获取高斯滤波器有标准差
Figure 886711DEST_PATH_IMAGE002
：
Figure 487936DEST_PATH_IMAGE004
其中，BT为符号带宽时间。
3.根据权利要求2所述的一种基于调频的GMSK信号波形仿真算法，其特征在于，所述步 骤S1中在进行高斯滤波器系数做归一化处理前，通过高斯滤波器系数长度
Figure 82865DEST_PATH_IMAGE001
结合下 列公式获取时间序列ti：
Figure 547345DEST_PATH_IMAGE005
其中，ti为时间序列的第i个元素，
Figure 544120DEST_PATH_IMAGE001
为高斯滤波器系数长度，N为滤波器脉冲响 应与其峰值之间的符号周期数。
4.根据权利要求3所述的一种基于调频的GMSK信号波形仿真算法，其特征在于，所述步骤S1中对高斯滤波器系数进行归一化处理采用如下公式进行：
Figure 803063DEST_PATH_IMAGE006
其中，
Figure 88550DEST_PATH_IMAGE002
为高斯滤波器有标准差，ti为时间序列，
Figure 654923DEST_PATH_IMAGE001
为高斯滤波器系数长度，hi和 Hi分别时间序列第i个元素对应的滤波器系数和其归一化后的系数。
5.根据权利要求3所述的一种基于调频的GMSK信号波形仿真算法，其特征在于，所述步骤S4中通过下列公式对频率变化序列Y做FM调制：
Figure 709467DEST_PATH_IMAGE007
其中，A为振幅，
Figure 670470DEST_PATH_IMAGE008
为调制角频率,
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为调制频偏，t为时间序列。
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