带判决反馈的GMSK差分解调算法研究与实现

卫洪春　姜凯

摘 要： 在超短波电台通信中，由于GMSK调制算法前后码元之间的相关性，码元之间存在码间串扰，传统的GMSK 1比特差分解调算法性能不够理想。在分析GMSK信号特性的基础上，提出一种带判决反馈的1比特差分检测算法。在对两种解调算法进行研究比较后对其进行了仿真，仿真结果表明带判决反馈的1比特差分检测算法在满足解调性能时获得了3 dB的解调增益。最后使用VHDL语言在FPGA芯片中实现了该算法，并已成功用于超短波电台通信系统中。

关键词： GMSK； 判决反馈； 差分解调； 信号特性分析

中图分类号： TN924?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）17?0001?04Abstract： In VHF radio communication， GMSK suffers from significant inter?symbol interference because of its symbols coherent. Since the traditional 1?bit differential demodulation algorithm of GMSK is not perfect， the 1?bit differential detection algorithm with decision feedback is presented based on the analysis of the GMSK signal characteristics. The two demodulation algorithms were simulated after comparing the two demodulation algorithms. Simulation results show that 1?bit differential detection algorithm with decision feedback obtains about 3 dB demodulation gain. This algorithm was implemented in FPGA by using VHDL language. It was applied to VHF radio communication succesfully.

Keywords： GMSK； decision feedback； differential demodulation； signal property analysis

0 引 言

MSK调制的突出优点是信号具有恒定的振幅及信号的功率谱在主瓣以外衰减较快。GMSK是在MSK调制器之前加入一个高斯低通滤波器[1]。GMSK信号功率谱特性好，在移动通信及卫星通信系统中得到广泛应用[2]。

GMSK信号的解调分为相干解调和非相干解调。由于非相干解调结构简单，不需要进行载波恢复，有助于硬件电路的简化，特别适合GMSK信号的解调[3]。因此，针对GMSK信号的1比特差分解调，对带判决反馈的1比特差分解调进行了研究，随后进行了性能仿真比较，最后在FPGA芯片中实现了带判决反馈的1比特差分解调算法。

1 MSK信号和GMSK信号的产生

3.3 判决反馈1比特差分解调的FPGA实现

在工程实践中，考虑到数据计算量和FPGA实现的复杂性，在进行高斯滤波器设计时，选取[BtT=]0.5，以降低计算量。由前节所述当

在工程应用中，GMSK解调算法由FPGA实现时需要注意浮点转定点I/Q量化问题，中频采用限幅带通采样的方案，则可认为I/Q量化后幅度恒定，这样可以简化设计。

4 结 论

本文在分析GMSK信号特性的基础上，针对传统1比特差分解调的符号间干扰问题，提出了带反馈的1比特差分解调方法，并对两种解调方式进行了性能仿真，结果表明后者在满足误码率要求下可以带来3 dB的解调增益。最后在FPGA芯片上实现了该算法，并成功应用于VHF超短波电台通信系统中，经测试数据灵敏度达到理想水平。

参考文献

[1] 樊昌信，张甫翊，徐炳祥，等.通信原理[M].5版.北京：国防工业出版社，2005.

[2] LINZ A， HENDRICKSON A. Efficient implementation of an IQ GMSK modulator [J].IEEE Transactions on Circuits and Syetems H： Analog and Digital Signal Processing， 1996， 43（1）： 14?23.

[3] 冯超，杨晨.一种基于GSM?R的GMSK信号调制解调方法的实现[J].计算机与电子工程，2011，39（9）：157?160.

[4] GUPTA Subhashini， BHATIA Vikas， MANGAL L C. An efficient FPGA implementation of GMSK （BT=0.3） transceiver with non coherent sequence detection for tactical V/UHF waveforms [C]// 2012 National Conference on Communications. [S.l.]： [s.n.]， 2012： 1?5.

[5] NITIN BABU K M， VINAYMURTHI K K.GMSK modulator for GSM system an economical implementation on FPGA [C]// Proceedings of 2011 International Conference on Communications and Signal Processing. Calicut： IEEE， 2011： 208?212.

[6] 赵彦惠.基于相位累加实现GMSK调制的技术分析[J].无线电工程，2013，43（3）：20?23.

[7] SIMON M K， WANG C C. Differential detection of Gaussian MSK in mobile radio environment [J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 1984， 33（4）： 307?320.

[8] 郭梯云，杨家玮，李建东.数字移动通信[M].北京：人民邮电出版社，2001.

[9] 王茂磊，张志恒，蔡凡.卫星通信中GMSK信号的解调算法研究[J].中国科学院上海天文台年刊，2012（33）：114?120.

[10] ABBS Y， DIMITRIOS M， KAMILO F. Differential detection of GMSK using decision feedback [J]. IEEE Transtations on Communications， 1988，36（6）： 641?649.

摘 要： 在超短波电台通信中，由于GMSK调制算法前后码元之间的相关性，码元之间存在码间串扰，传统的GMSK 1比特差分解调算法性能不够理想。在分析GMSK信号特性的基础上，提出一种带判决反馈的1比特差分检测算法。在对两种解调算法进行研究比较后对其进行了仿真，仿真结果表明带判决反馈的1比特差分检测算法在满足解调性能时获得了3 dB的解调增益。最后使用VHDL语言在FPGA芯片中实现了该算法，并已成功用于超短波电台通信系统中。

关键词： GMSK； 判决反馈； 差分解调； 信号特性分析

中图分类号： TN924?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）17?0001?04Abstract： In VHF radio communication， GMSK suffers from significant inter?symbol interference because of its symbols coherent. Since the traditional 1?bit differential demodulation algorithm of GMSK is not perfect， the 1?bit differential detection algorithm with decision feedback is presented based on the analysis of the GMSK signal characteristics. The two demodulation algorithms were simulated after comparing the two demodulation algorithms. Simulation results show that 1?bit differential detection algorithm with decision feedback obtains about 3 dB demodulation gain. This algorithm was implemented in FPGA by using VHDL language. It was applied to VHF radio communication succesfully.

Keywords： GMSK； decision feedback； differential demodulation； signal property analysis

0 引 言

MSK调制的突出优点是信号具有恒定的振幅及信号的功率谱在主瓣以外衰减较快。GMSK是在MSK调制器之前加入一个高斯低通滤波器[1]。GMSK信号功率谱特性好，在移动通信及卫星通信系统中得到广泛应用[2]。

GMSK信号的解调分为相干解调和非相干解调。由于非相干解调结构简单，不需要进行载波恢复，有助于硬件电路的简化，特别适合GMSK信号的解调[3]。因此，针对GMSK信号的1比特差分解调，对带判决反馈的1比特差分解调进行了研究，随后进行了性能仿真比较，最后在FPGA芯片中实现了带判决反馈的1比特差分解调算法。

1 MSK信号和GMSK信号的产生

3.3 判决反馈1比特差分解调的FPGA实现

在工程实践中，考虑到数据计算量和FPGA实现的复杂性，在进行高斯滤波器设计时，选取[BtT=]0.5，以降低计算量。由前节所述当

在工程应用中，GMSK解调算法由FPGA实现时需要注意浮点转定点I/Q量化问题，中频采用限幅带通采样的方案，则可认为I/Q量化后幅度恒定，这样可以简化设计。

4 结 论

本文在分析GMSK信号特性的基础上，针对传统1比特差分解调的符号间干扰问题，提出了带反馈的1比特差分解调方法，并对两种解调方式进行了性能仿真，结果表明后者在满足误码率要求下可以带来3 dB的解调增益。最后在FPGA芯片上实现了该算法，并成功应用于VHF超短波电台通信系统中，经测试数据灵敏度达到理想水平。

参考文献

[1] 樊昌信，张甫翊，徐炳祥，等.通信原理[M].5版.北京：国防工业出版社，2005.

[2] LINZ A， HENDRICKSON A. Efficient implementation of an IQ GMSK modulator [J].IEEE Transactions on Circuits and Syetems H： Analog and Digital Signal Processing， 1996， 43（1）： 14?23.

[3] 冯超，杨晨.一种基于GSM?R的GMSK信号调制解调方法的实现[J].计算机与电子工程，2011，39（9）：157?160.

[4] GUPTA Subhashini， BHATIA Vikas， MANGAL L C. An efficient FPGA implementation of GMSK （BT=0.3） transceiver with non coherent sequence detection for tactical V/UHF waveforms [C]// 2012 National Conference on Communications. [S.l.]： [s.n.]， 2012： 1?5.

[5] NITIN BABU K M， VINAYMURTHI K K.GMSK modulator for GSM system an economical implementation on FPGA [C]// Proceedings of 2011 International Conference on Communications and Signal Processing. Calicut： IEEE， 2011： 208?212.

[6] 赵彦惠.基于相位累加实现GMSK调制的技术分析[J].无线电工程，2013，43（3）：20?23.

[7] SIMON M K， WANG C C. Differential detection of Gaussian MSK in mobile radio environment [J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 1984， 33（4）： 307?320.

[8] 郭梯云，杨家玮，李建东.数字移动通信[M].北京：人民邮电出版社，2001.

[9] 王茂磊，张志恒，蔡凡.卫星通信中GMSK信号的解调算法研究[J].中国科学院上海天文台年刊，2012（33）：114?120.

[10] ABBS Y， DIMITRIOS M， KAMILO F. Differential detection of GMSK using decision feedback [J]. IEEE Transtations on Communications， 1988，36（6）： 641?649.

摘 要： 在超短波电台通信中，由于GMSK调制算法前后码元之间的相关性，码元之间存在码间串扰，传统的GMSK 1比特差分解调算法性能不够理想。在分析GMSK信号特性的基础上，提出一种带判决反馈的1比特差分检测算法。在对两种解调算法进行研究比较后对其进行了仿真，仿真结果表明带判决反馈的1比特差分检测算法在满足解调性能时获得了3 dB的解调增益。最后使用VHDL语言在FPGA芯片中实现了该算法，并已成功用于超短波电台通信系统中。

关键词： GMSK； 判决反馈； 差分解调； 信号特性分析

中图分类号： TN924?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）17?0001?04Abstract： In VHF radio communication， GMSK suffers from significant inter?symbol interference because of its symbols coherent. Since the traditional 1?bit differential demodulation algorithm of GMSK is not perfect， the 1?bit differential detection algorithm with decision feedback is presented based on the analysis of the GMSK signal characteristics. The two demodulation algorithms were simulated after comparing the two demodulation algorithms. Simulation results show that 1?bit differential detection algorithm with decision feedback obtains about 3 dB demodulation gain. This algorithm was implemented in FPGA by using VHDL language. It was applied to VHF radio communication succesfully.

Keywords： GMSK； decision feedback； differential demodulation； signal property analysis

0 引 言

MSK调制的突出优点是信号具有恒定的振幅及信号的功率谱在主瓣以外衰减较快。GMSK是在MSK调制器之前加入一个高斯低通滤波器[1]。GMSK信号功率谱特性好，在移动通信及卫星通信系统中得到广泛应用[2]。

GMSK信号的解调分为相干解调和非相干解调。由于非相干解调结构简单，不需要进行载波恢复，有助于硬件电路的简化，特别适合GMSK信号的解调[3]。因此，针对GMSK信号的1比特差分解调，对带判决反馈的1比特差分解调进行了研究，随后进行了性能仿真比较，最后在FPGA芯片中实现了带判决反馈的1比特差分解调算法。

1 MSK信号和GMSK信号的产生

3.3 判决反馈1比特差分解调的FPGA实现

在工程实践中，考虑到数据计算量和FPGA实现的复杂性，在进行高斯滤波器设计时，选取[BtT=]0.5，以降低计算量。由前节所述当

在工程应用中，GMSK解调算法由FPGA实现时需要注意浮点转定点I/Q量化问题，中频采用限幅带通采样的方案，则可认为I/Q量化后幅度恒定，这样可以简化设计。

4 结 论

本文在分析GMSK信号特性的基础上，针对传统1比特差分解调的符号间干扰问题，提出了带反馈的1比特差分解调方法，并对两种解调方式进行了性能仿真，结果表明后者在满足误码率要求下可以带来3 dB的解调增益。最后在FPGA芯片上实现了该算法，并成功应用于VHF超短波电台通信系统中，经测试数据灵敏度达到理想水平。

参考文献

[1] 樊昌信，张甫翊，徐炳祥，等.通信原理[M].5版.北京：国防工业出版社，2005.

[2] LINZ A， HENDRICKSON A. Efficient implementation of an IQ GMSK modulator [J].IEEE Transactions on Circuits and Syetems H： Analog and Digital Signal Processing， 1996， 43（1）： 14?23.

[3] 冯超，杨晨.一种基于GSM?R的GMSK信号调制解调方法的实现[J].计算机与电子工程，2011，39（9）：157?160.

[4] GUPTA Subhashini， BHATIA Vikas， MANGAL L C. An efficient FPGA implementation of GMSK （BT=0.3） transceiver with non coherent sequence detection for tactical V/UHF waveforms [C]// 2012 National Conference on Communications. [S.l.]： [s.n.]， 2012： 1?5.

[5] NITIN BABU K M， VINAYMURTHI K K.GMSK modulator for GSM system an economical implementation on FPGA [C]// Proceedings of 2011 International Conference on Communications and Signal Processing. Calicut： IEEE， 2011： 208?212.

[6] 赵彦惠.基于相位累加实现GMSK调制的技术分析[J].无线电工程，2013，43（3）：20?23.

[7] SIMON M K， WANG C C. Differential detection of Gaussian MSK in mobile radio environment [J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 1984， 33（4）： 307?320.

[8] 郭梯云，杨家玮，李建东.数字移动通信[M].北京：人民邮电出版社，2001.

[9] 王茂磊，张志恒，蔡凡.卫星通信中GMSK信号的解调算法研究[J].中国科学院上海天文台年刊，2012（33）：114?120.

[10] ABBS Y， DIMITRIOS M， KAMILO F. Differential detection of GMSK using decision feedback [J]. IEEE Transtations on Communications， 1988，36（6）： 641?649.