GMSK調制與解調在高速跳頻跳時系統中的應用摘要現代軍事對于數據傳輸的抗干擾性和抗截獲性提出了更高的要求，因而本文由工程實際出發，設計了一種高速跳頻跳時系統，用于戰術數據鏈中。該系統包含四種數據模式，可自適應接收，并可適用于單收、四收、一發四收等多種應用場景。本文運用MATLAB仿真，分析了GMSK調制信號的特點，研究了GMSK的不同解調方式和LDPC信道編碼等，并對幀結構和同步捕獲、載波估計等方案進行了設計，最后對系統進行了整體性能測試，驗證了方案的合理性和可行性。仿真測試結果表明，該系統可以實現四種速率模式的自適應接收和四路相同模式的混合接收，在以最大功率發射時，仍可在一定靈敏度下接收四路混合信號，且具有一定抗頻域干擾和抗時域干擾的性能。該系統各項性能優異，皆超出了項目的預期目標，實用性較強，因此對于現代戰術通信具有較大的實際意義。關鍵詞：跳頻跳時，GMSK，LDPC，抗干擾，MATLAB目錄1緒論 所示：表4.1GMSK預編碼算法當前bitQUOTE前一bitQUOTE進入調制器bitQUOTE偶數bit1100101100奇數bit1110001001結合GMSK解調后，仿真得到碼率為1/3的LDPC誤碼率曲線如下所示。這在某種程度上凸顯了可以發現，LDPC碼的性能還是非常優異的，甚至在-2~0dB下都沒有誤碼出現。圖4.2LDPC誤碼率曲線5系統整體方案和性能測試5.1系統整體方案從中不難發現本課題設計的高速跳頻跳時系統總體框圖如下所示。圖5.1總體設計框圖其中，發射部分包括LDPC編碼、交織、分包、加同步頭、分配跳頻跳時圖案、GMSK調制和上變頻等；接收部分包括下變頻、同步捕獲、解跳頻跳時、載波恢復、GMSK解調、解交織和LDPC譯碼等。5.2性能測試5.2.1測試干擾的場景搭建本課題中，需要模擬和測試的干擾場景主要包括：（最大功率）發射干擾、頻域干擾、時域干擾，以此來模擬實際軍事通信時可能遇到的敵方干擾。在模擬發射干擾時，這在某個角度上證明了以最大功率發射一路250Kbps模式的信號，同時接收一路或四路相同模式的信號(崔子聰、徐佳豪、楊潤澤,2023)。仿真中相當于此時在發射頻點的相鄰5個頻點上對接收信號施加較大的干擾（噪聲）。在模擬頻域干擾時，首先從21個頻點中挑選出15個作為使用頻點，然后再從中挑出若干頻點，不斷地施加較大的干擾信號。從這些互動中理解測試時，從0逐漸增大干擾的頻點數，測試在給定的接收機靈敏度下，系統可抵抗的最大干擾頻點數(謝凌峰、董冠宇、孫睿東,2023)。在模擬時域干擾時，從這些數據中顯現每500us就在信道上施加一定時間窗大小（小于500us）的較大的干擾信號。測試時，從0逐漸增大干擾時間窗的大小，測試在給定的接收機靈敏度下，系統可抵抗的最大干擾時間窗。5.2.2干擾檢測與擦除干擾檢測與擦除的實現方案如下：發射干擾檢測與擦除：這明顯體現出特征由于系統已知發射信號的跳頻跳時圖案，因此可以直接對此時發射頻點的相鄰5個頻點的基帶接收信號擦除為0。頻域干擾檢測與擦除(賈俊杰、彭宇飛、蔣明宇,2023)：設定一合適大小的時間窗和一合適閾值，對各路基帶信號分別進行操作；在其中能看出當某一路頻點的基帶信號連續3個（或3個以上）時間窗內的能量都大于設定閾值時，這在某種程度上彰顯了則將第3個開始的時間窗內的基帶信號擦除為0。此時受到頻域干擾的可能性較大。另外在進入解調模塊之前，系統會對此頻點內的基帶信號進行第二級擦除，以防余留的前2個時間窗造成干擾。基本的算法設計框圖如下所示(張思博、馮浩然、周志翔,2023)。圖5.2頻域干擾檢測與擦除設計框圖時域干擾檢測與擦除：同樣將各路基帶信號按時間窗大小計算能量，若同一時間窗內，各路信號的能量皆大于設定閾值，則將各路在此時間窗內的信號擦除為0。此時受到時域干擾的可能性較大。算法設計框圖如下所示。圖5.3時域干擾檢測與擦除設計框圖5.2.3測試項目和性能指標5.2.3.1接收機靈敏度接收機靈敏度是指為保證一定的輸出性能（如信噪比、誤碼率、丟包率等），接收機要求的最低信號強度，這在一定意義上揭示了是衡量系統性能的一個重要指標，一般可用功率來表示[31]。接收機靈敏度的公式為(李澤和、許凌云、鄭晨星,2023)：Pro其中K=1.381×10?23W/Hz/K，為玻爾茲曼常數；T取室溫290K；Nf是接收機噪聲系數，在本系統中令NfPro5.2.3.2預期目標基本功能要求：1、可以實現四種數據模式自適應接收。2、可以實現四路相同模式混合接收。3、可以實現在最大功率發射時，仍可在一定靈敏度下接收一路或四路混合信號。4、有一定抗頻域干擾和抗時域干擾的性能。具體性能指標：1、任意一路接收能力2MbpsA：誤包率≤1%時，接收機靈敏度不大于-96dBm；2MbpsB：誤包率≤1%時，接收機靈敏度不大于-99dBm；500Kbps：誤包率≤1%時，接收機靈敏度不大于-101dBm；250Kbps：誤包率≤1%時，接收機靈敏度不大于-103.5dBm。2、同時4路靈敏度信號接收能力4路2MbpsA：誤包率≤1%時，接收機靈敏度不大于-96dBm；4路2MbpsB：誤包率≤1%時，接收機靈敏度不大于-99dBm；4路500Kbps：誤包率≤1%時，接收機靈敏度不大于-101dBm；4路250Kbps：誤包率≤1%時，接收機靈敏度不大于-103.5dBm。3、同時4路混合信號接收能力4路2MbpsA：1路輸入-96dBm，其余3路輸入-86dBm時，誤包率≤1%；4路2MbpsB：1路輸入-99dBm，其余3路輸入-89dBm時，誤包率≤1%；4路500Kbps：1路輸入-101dBm，其余3路輸入-91dBm時，誤包率≤1%；4路250Kbps：1路輸入-103.5dBm，其余3路輸入-93.5dBm時，誤包率≤1%。4、最大功率發射時的任意一路接收能力端機以最大功率發射2MbpsA/500Kbps/250Kbps時，任意一路接收2MbpsB，可在-93dBm下，誤包率≤10%；任意一路接收500Kbps/250Kbps，可在-93dBm下，誤包率≤1%。5、最大功率發射時的四路接收能力端機以最大功率發射2MbpsA/500Kbps/250Kbps時，四路接收2MbpsB，可在-90dBm下，誤包率≤10%；四路接收500Kbps/250Kbps，可在-90dBm下，誤包率≤1%。6、抗時頻干擾能力頻域干擾：2MbpsA/2MbpsB/500Kbps/250Kbps速率，不小于30%工作頻段被阻塞干擾時，接收機靈敏度下降不大于3dB（相對于接收單路信號的靈敏度指標要求）；時域干擾：2MbpsA/2MbpsB/500Kbps/250Kbps速率，不小于30%的信號幀時間被阻塞干擾時，接收機靈敏度下降不大于3dB（相對于接收單路信號的靈敏度指標要求）。5.2.4測試結果1、任意一路接收能力2MbpsA：誤包率≤1%時，接收機靈敏度為-102dBm；2MbpsB：誤包率≤1%時，接收機靈敏度為-104.5dBm；500Kbps：誤包率≤1%時，接收機靈敏度為-108dBm；250Kbps：誤包率≤1%時，接收機靈敏度為-110dBm。2、同時4路靈敏度信號接收能力4路2MbpsA：誤包率≤1%時，接收機靈敏度為-102dBm；4路2MbpsB：誤包率≤1%時，接收機靈敏度為-104.5dBm；4路500Kbps：誤包率≤1%時，接收機靈敏度為-108dBm；4路250Kbps：誤包率≤1%時，這在某種程度上反映出接收機靈敏度為-110dBm。3、同時4路混合信號接收能力4路2MbpsA：1路輸入-102dBm，其余3路輸入-92dBm時，誤包率≤1%；4路2MbpsB：1路輸入-104.5dBm，其余3路輸入-94.5dBm時，誤包率≤1%；4路500Kbps：1路輸入-108dBm，其余3路輸入-98dBm時，誤包率≤1%；4路250Kbps：1路輸入-110dBm，其余3路輸入-100dBm時，誤包率≤1%。4、最大功率發射時的任意一路接收能力系統以最大功率發射2MbpsA/500Kbps/250Kbps：任意一路接收2MbpsB，誤包率≤10%時，接收機靈敏度為-104dBm；任意一路接收500Kbps，誤包率≤1%時，接收機靈敏度為-106dBm；任意一路接收250Kbps，誤包率≤1%時，接收機靈敏度為-108.5dBm。5、最大功率發射時的四路接收能力系統以最大功率發射2MbpsA/500Kbps/250Kbps：四路接收2MbpsB，誤包率≤10%時，接收機靈敏度為-104dBm；四路接收500Kbps，誤包率≤1%時，接收機靈敏度為-106dBm；四路接收250Kbps，誤包率≤1%時，接收機靈敏度為-108.5dBm。6、抗時頻干擾能力頻域干擾：2MbpsA：誤包率≤1%時，干擾6個頻點，接收機靈敏度下降不超過3dB；2MbpsB：誤包率≤1%時，干擾8個頻點，接收機靈敏度下降不超過3dB；500Kbps：誤包率≤1%時，干擾11個頻點，接收機靈敏度下降不超過3dB；250Kbps：誤包率≤1%時，干擾12個頻點，接收機靈敏度下降不超過3dB。時域干擾：2MbpsA：誤包率≤1%時，干擾255us，接收機靈敏度下降不超過3dB；2MbpsB：誤包率≤1%時，干擾325us，接收機靈敏度下降不超過3dB；500Kbps：誤包率≤1%時，干擾370us，接收機靈敏度下降不超過3dB；250Kbps：誤包率≤1%時，干擾405us，接收機靈敏度下降不超過3dB。結論本文從工程實際出發，設計了一種高速跳頻跳時系統，主要研究內容包括：GMSK調制解調、上下變頻、幀結構和跳頻跳時圖案的設計、同步捕獲和載波估計具體方案的設計，以及LDPC信道編碼等，這在某種程度上標明并運用MATLAB軟件進行了仿真和測試。從測試結果可以看出，本課題研究的高速跳頻跳時系統圓滿通過了所有的性能測試，已經達到甚至遠超了項目的預期目標，可以適用于不同場景，實現了工程實際中可靠性高、保密性強，且抗干擾性能較強的要求，這在某種程度上凸顯了驗證了本設計的合理性。因此，此系統在軍事戰術數據鏈中將會具有較大的實際應用價值。然而，由于時間有限等原因，此系統也還存在許多問題，可以考慮進行進一步的改進，比如：1、GMSK的調制方式不一定是最優的，可以考慮采用更新型的調制方式；GMSK的解調算法也可以再多分析、改進和創新；2、幀結構的設計和同步捕獲、載波估計的方案不一定是最優的；3、LDPC的性能還沒有達到最優，還需要更深入的學習，以對其方案有進一步的改進和優化，從而設計出更適于本系統的LDPC編譯碼方法，而不僅僅是參照5G-NR標準中的QC-LDPC碼。另外，本系統后續還需要做成硬件，采用VHDL語言集成到FPGA上，因而如何在保證一定性能的同時，進一步節省硬件資源，也是下一步需要思考的問題。比如：在上下變頻時可以考慮用CIC插值/抽取濾波；同步捕獲模塊中，做相關運算時，本地波形可以考慮僅用符號位來代替浮點數。而且，MATLAB仿真還是相對理想化的，若做成了硬件，系統的整體性能應該也會有些許的損失。總之，本課題還有著廣闊的研究空間，以上問題都有可能影響系統的整體性能，也是我下一步應該重點研究的方向。我也要盡快學習VHDL語言以及Modelsim、Vivado等仿真、綜合工具，為將來的工作提前做好準備。參考文獻[1]文格.基于跳頻跳時的虛擬全雙工技術及其多用戶檢測算法研究[D].重慶大學,2017.[2]林哲宏、趙文輝、宋承志.GMSK跳頻通信系統仿真與研究[D].合肥工業大學,2010.[3]高宇彬、劉子騰、周曉峰.GMSK跳頻通信系統設計及其FPGA實現[D].天津工業大學,2018.[4]鄧明煜、鄭澤濤、梁佳俊.現代通信原理[M].北京:清華大學出版社,1994:299-309,371-389.[5]K.Murota,K.Hirade.GMSKModulationforDigitalMobileRadioTelephony[J].I(張成棟、劉志遠、黃睿智,2023)TransactionsonCommunications,1981,29(7):1044-1050.[6]羅毅和、唐昱澤、李浩然.GMSK在短波跳頻通信系統中的應用研究[D].太原理工大學,2006.[7]張成棟、劉志遠、黃睿智.GMSK調制解調及其實現技術的研究[D].華僑大學,2013.[8]陳思遠、吳東升、王俊豪.Hendrickson.EfficientimplementationofanI-QGMSKmodulator[J].I(張成棟、劉志遠、黃睿智,2023)TransactionsonCircuitsand李國偉、邱子豪、周悅文temsII:AnalogandDigitalSignalProcessing,1996,43(1):14-23.[9]崔子聰、徐佳豪、楊潤澤.小BT參數突發GMSK信號解調技術研究[D].中國工程物理研究院,2013.[10]A.Viterbi.Errorboundsforconvolutionalcodesandanasymptoticallyoptimumdecodingalgorithm[J].I(張成棟、劉志遠、黃睿智,2023)TransactionsonInformationTheory,1967,13(2):260-269.[11]P.Laurent.ExactandApproximateConstructionofDigitalPhaseModulationsbySuperpositionofAmplitudeModulatedPulses(AMP)[J].I(張成棟、劉志遠、黃睿智,2023)TransactionsonCommunications,1986,34(2):150-160.[12]G.K.Kaleh.Simplecoherentreceiversforpartialresponsecontinuousphasemodulation[J].I(張成棟、劉志遠、黃睿智,2023)JournalonSelectedAreasinCommunications,1989,7(9):1427-36.[13]謝凌峰、董冠宇、孫睿東.DifferentialdetectionofgaussianMSKinamobileradioenvironment[J].I(張成棟、劉志遠、黃睿智,2023)TransactionsonVehicularTechnology,1984,33(4):307-320.[14]S.M.Elnoubi.AnalysisofGMSKwithdiscriminatordetectioninmobileradiochannels[J].I(張成棟、劉志遠、黃睿智,2023)TransactionsonVehicularTechnology,1986,35(2):71-76.[15]王子豪、宋晨昊、林俊浩.Elnoubi.AnalysisofGMSKwithdifferentialdetectioninlandmobileradiochannels[J].I(張成棟、劉志遠、黃睿智,2023)TransactionsonVehicularTechnology,1986,35(4):162-167.[16]賈俊杰、彭宇飛、蔣明宇.AnalysisofGMSKwithTwo-BitDifferentialDetectioninLandMobileRadioChannels[J].I(張成棟、劉志遠、黃睿智,2023)TransactionsonCommunications,1987,35(2):237-240.[17]張思博、馮浩然、周志翔.DifferentialdetectionofGMSKusingdecisionfeedback[J].I(張成棟、劉志遠、黃睿智,2023)TransactionsonCommunications,1988,36(6):641-649.[18]I.Korn.GMSKwithlimiterdiscriminatordetectioninsatellitemobilechannel[J].I(張成棟、劉志遠、黃睿智,2023)TransactionsonCommunications,1991,39(1):94-101.[19]A.Abrardo,G.Benelli,G.R.Cau.Multiple-symboldifferentialdetectionofGMSKformobilecommunications[J].I(張成棟、劉志遠、黃睿智,2023)TransactionsonVehicularTechnology,1995,44(3):379-389.[20]J.P.Fonseka.Noncoherentdetectionwith