多速率突发GMSK信号全数字盲解调器*

胡 礼，王世练，刘芳平

(1. 国防科学技术大学 电子科学与工程学院，湖南 长沙 410073;2.中国人民解放军65067部队，辽宁 沈阳 110035)

多速率突发GMSK信号全数字盲解调器*

胡 礼1，王世练1，刘芳平2

(1. 国防科学技术大学 电子科学与工程学院，湖南 长沙 410073;2.中国人民解放军65067部队，辽宁 沈阳 110035)

针对突发GMSK信号的侦察，设计了一种多速率GMSK全数字化盲解调器。首先通过符号率粗估计和抽取滤波将不同符号率信号降采样为固定过采样倍数的数据，运用乒乓缓存结构将不同突发数据包区分处理，然后采用无训练序列的前向载波恢复算法和定时同步算法保证解调的实时性，最后通过1比特相位差分加Viterbi译码进行符号判决。Matlab软件仿真结果表明了算法的有效性，FPGA硬件测试结果进一步验证了该解调器方案的可行性。

多速率；信号侦察；突发GMSK；盲解调器

0 引 言

突发模式通信具有隐蔽性强、抗干扰性能好、功率和信道利用率高等优点[1]，被广泛应用于各类通信系统中。民用通信中的TDMA蜂窝网通信系统、国际海事卫星通信系统(INMAESAT)等通信系统都采用突发模式传输来提供通信业务；军事卫星通信系统、跳频通信系统和潜艇对岸基通信[2]等多采用突发模式来提高通信的抗侦察截获能力，实现保密通信。

GMSK是一种连续相位调制，具有带外辐射小、频谱利用率高等优点，被应用于欧洲数字蜂窝移动通信系统(GSM)、船舶自动识别系统(AIS)等通信系统中。将突发通信与GMSK调制相结合，利用GMSK的高频谱效率特性及突发通信的抗干扰、抗截获特性，可实现高速、安全的数据传输。

针对多速率突发GMSK 信号的侦收，本文给出了全数字化GMSK盲解器的设计与实现，对其中的关键算法进行了研究，给出了算法仿真和硬件实现结果。

1 解调器设计

多速率突发GMSK信号解调器的实现结构如图1所示。中频信号经过ADC采样转换成数字信号，在预处理模块完成突发信号的检测及载频和符号率粗估计。根据载频估计值进行数字下变频，将中频采样信号搬移到零频附近；再根据符号率估计值进行抽取滤波，将不同符号率下的采样信号变换为过采样倍数固定(本文取为4)的4路并行信号，并给出相应的数据有效位标志；后面的解调译码模块根据有效标志位对信号进行处理。

图1 多速率突发GMSK信号全数字解调器结构

突发模式下有用信号以突发数据包的形式进行传输，不同符号速率的数据包解调所需的时间也不同。针对这一情况，在预处理模块后加入一个乒乓缓存。该缓存结构在突发起始时刻标志信号的控制下，将相邻的两个突发数据包分离开，以满足后续模块不同的延时需要[3]。乒乓缓存的加入保证了每个突发数据包的完整性，使多速率信号的解调得以兼容。

该解调器需兼容的最高符号速率可达200 Mbit/s，对硬件处理速度要求很高，因此载波恢复、低通滤波和定时同步模块采用并行结构以降低硬件实现难度。同时，为了避免采用反馈方式进行载波和定时同步时造成收敛过程中数据的丢失，载波恢复和定时同步均采用前向开环结构，以便于突发信号进行实时解调处理。

GMSK非相干解调译码主要有差分相位检测和限幅鉴频检测两种[4]，其中鉴频检测需要微分器和包络检波器，不利于数字实现；同时，由于GMSK固有的码间串扰，直接判决译码时误码率性能较差。综合考虑解调器的实现复杂度和误码率性能，选择基于 Viterbi 译码的1比特相位差分算法作为本文的解调算法。

下面对解调器的主要模块进行具体的算法分析和电路设计。

1.1 载波恢复

由于对中频采样信号进行载频估计的精度有限，预处理模块中下变频出来的信号仍然有残余频偏，影响后续的符号判决，因此接收机需要对频偏进行估计和校正。

GMSK复信号可表示为：

sbias(t)=exp{j[φ(t,a)+2πfct]}

(1)

图2 GMSK信号平方谱

频偏计算公式为：

(2)

式中，x1、x2为两个峰值谱线位置，Fs为采样率，NFFT为傅里叶变换点数。设突发数据长度为L个符号，则有效NFFT点数不大于N·L，此时理论估计精度可达1/(4·N·L)。如L为512时，估计精度达到10-4量级，满足突发解调的要求。

(3)

由上式可知该校正过程可用四路并行结构实现。

1.2 低通滤波

GMSK信号频谱主瓣窄，带外噪声对信号解调的影响较大，因此在解调前先将信号通过一个低通滤波器来滤除带外噪声。基本滤波方程为：

(4)

M为滤波器阶数(本文为15阶)。下面推导一种四路并行计算的15阶滤波器实现方法。

(5)

并行输入数据x(4n)、x(4n-1)、x(4n-2)、x(4n-3)分别对应{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)}四组系数，通过延迟相乘与求和得到滤波输出 ，其框图如图3所示。

图3 高速数据的并行滤波结构

其他三路滤波输出y(4n-1)、y(4n-2)和y(4n-3)可通过类似的流水线结构计算得到。通过这种并行实现方案可将滤波器所需的硬件工作频率降为原来的四分之一。

1.3 定时同步

GMSK定时误差估计算法采用文献[6]中的平方法，这是一种基于最大似然方法的非数据辅助估计算法。假定符号数为L的一段数据内定时误差是固定值，过采样倍数为N，信号采样点为x(nN+k)，此时定时误差τ为：

(6)

(7)

图4 定时误差估计的实现结构

得到定时误差估计值后采取数字插值滤波的方式来进行误差校正：对接收的非同步采样点进行插值运算，得到解调所需的最佳采样点值。内插滤波的原理是先通过离散采样点重构原始连续信号，然后在最佳采样时刻对连续信号进行重新采样[7]。

工程上用有限阶的多项式滤波器来逼近采用sinc函数的理想插值滤波器[8]，插值公式为：

(8)

式中，mk，μk控制插值位置，Cm(μk)为时变滤波器系数。本文采用四阶立方插值，Cm与μ关系[9]为：

(9)

在硬件实现上，采用如图5所示的高效Farrow结构[10]。

图6为Matlab仿真得到的GMSK定时后星座图。由于GMSK的连续相位特性及定时后信号点之间的离散性，星座图呈断裂的圆环状。

图6 信号定时后星座

1.4 译码判决

采用1比特相位差分加Viterbi译码方式来判决。差分相位计算公式为：

Δφk=φ(kTb,a)-φ(kTb+1Tb,a)

(10)

首先对GMSK信号的BTb参数进行粗估计，从而确定信号的部分响应长度P。此时 Viterbi 译码算法的约束长度为2P-1，Viterbi 译码器的状态数为22P-1，任意时刻需要计算的路径度量数为22P。从状态Sk转移到Sk+1时，所对应的路径相位度量为：

(11)

式中， 表示理想条件下转移到对应的不同符号序列的标准值。进一步可以得到第k+1个码元的总相位路径与第k个码元存储的幸存路径之间的关系：

(12)

根据式(12)，按照总的路径度量最小的原则，得到GMSK信号的幸存相位路径，从而恢复出发送的信息序列an。在实际运用中，设置判决深度N以防止存储的幸存路径长度无限增大[11]。

2 硬件实现

在以上算法分析基础上，采用Xilinx公司V6系列的XC6VSX457T芯片作为主要的信号处理平台，实现了多速率突发GMSK信号的硬件解调。通过使用在线逻辑分析仪(ChipScope Pro)捕获数据来分析解调器工作性能。图7、图8分别是ChipScope Pro 捕获的GMSK信号平方谱和定时后星座图，与上一节的理论分析基本吻合。图9为捕获的解调后比特流，通过与信源发送信号的对比可知解调数据是正确的，验证了本文提出的解调器方案的硬件可行性。

图7 ChipScope Pro 捕获的GMSK信号平方谱

图8 ChipScope Pro捕获的GMSK信号定时同步后星座图

图9 ChipScope Pro 捕获的GMSK信号解调比特

3 结 语

本文提出了一种适用于多速率突发GMSK信号的全数字盲解调器设计方案。该方案具有以下特点：采用全数字结构，易于硬件实现；解调实时性好，不会造成数据丢失；解调不需要任何训练序列。在Xilinx公司FPGA芯片上的硬件测试结果验证了解调器算法的有效性和可靠性。该解调器方案对军事通信信号的侦察具有一定的参考价值。

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胡 礼(1991—)男，硕士研究生，主要研究方向为无线通信;

王世练(1976—)男，博士，副教授，主要研究方向为无线通信;

刘方平(1975—)男，硕士，工程师，主要研究方向为军械训练。

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

国家自然科学基金项目(No.61101097)

Foundation Item:National Natural Science Foundation of China(No.61101097)

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.08.004

TN911.72

A