《GMSK調(diào)制與解調(diào)在高速跳頻跳時系統(tǒng)中的應(yīng)用》16000字論文

GMSK調(diào)制與解調(diào)在高速跳頻跳時系統(tǒng)中的應(yīng)用摘要現(xiàn)代軍事對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_性和抗截獲性提出了更高的要求，因而本文由工程實(shí)際出發(fā)，設(shè)計了一種高速跳頻跳時系統(tǒng)，用于戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈中。該系統(tǒng)包含四種數(shù)據(jù)模式，可自適應(yīng)接收，并可適用于單收、四收、一發(fā)四收等多種應(yīng)用場景。本文運(yùn)用MATLAB仿真，分析了GMSK調(diào)制信號的特點(diǎn)，研究了GMSK的不同解調(diào)方式和LDPC信道編碼等，并對幀結(jié)構(gòu)和同步捕獲、載波估計等方案進(jìn)行了設(shè)計，最后對系統(tǒng)進(jìn)行了整體性能測試，驗(yàn)證了方案的合理性和可行性。仿真測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)四種速率模式的自適應(yīng)接收和四路相同模式的混合接收，在以最大功率發(fā)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(tǒng)各項(xiàng)性能優(yōu)異，皆超出了項(xiàng)目的預(yù)期目標(biāo)，實(shí)用性較強(qiáng)，因此對于現(xiàn)代戰(zhàn)術(shù)通信具有較大的實(shí)際意義。關(guān)鍵詞：跳頻跳時，GMSK，LDPC，抗干擾，MATLAB目錄1緒論 所示：表4.1GMSK預(yù)編碼算法當(dāng)前bitQUOTE前一bitQUOTE進(jìn)入調(diào)制器bitQUOTE偶數(shù)bit1100101100奇數(shù)bit1110001001結(jié)合GMSK解調(diào)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(fā)現(xiàn)，LDPC碼的性能還是非常優(yōu)異的，甚至在-2~0dB下都沒有誤碼出現(xiàn)。圖4.2LDPC誤碼率曲線5系統(tǒng)整體方案和性能測試5.1系統(tǒng)整體方案從中不難發(fā)現(xiàn)本課題設(shè)計的高速跳頻跳時系統(tǒng)總體框圖如下所示。圖5.1總體設(shè)計框圖其中，發(fā)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(diào)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(fù)、GMSK解調(diào)、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(fā)射干擾、頻域干擾、時域干擾，以此來模擬實(shí)際軍事通信時可能遇到的敵方干擾。在模擬發(fā)射干擾時，這在某個角度上證明了以最大功率發(fā)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(dāng)于此時在發(fā)射頻點(diǎn)的相鄰5個頻點(diǎn)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(diǎn)中挑選出15個作為使用頻點(diǎn)，然后再從中挑出若干頻點(diǎn)，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(diǎn)數(shù)，測試在給定的接收機(jī)靈敏度下，系統(tǒng)可抵抗的最大干擾頻點(diǎn)數(shù)(謝凌峰、董冠宇、孫睿東,2023)。在模擬時域干擾時，從這些數(shù)據(jù)中顯現(xiàn)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(jī)靈敏度下，系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)方案如下：發(fā)射干擾檢測與擦除：這明顯體現(xiàn)出特征由于系統(tǒng)已知發(fā)射信號的跳頻跳時圖案，因此可以直接對此時發(fā)射頻點(diǎn)的相鄰5個頻點(diǎn)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(shè)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(jìn)行操作；在其中能看出當(dāng)某一路頻點(diǎn)的基帶信號連續(xù)3個（或3個以上）時間窗內(nèi)的能量都大于設(shè)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(nèi)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(jìn)入解調(diào)模塊之前，系統(tǒng)會對此頻點(diǎn)內(nèi)的基帶信號進(jìn)行第二級擦除，以防余留的前2個時間窗造成干擾?；镜乃惴ㄔO(shè)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(shè)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(nèi)，各路信號的能量皆大于設(shè)定閾值，則將各路在此時間窗內(nèi)的信號擦除為0。此時受到時域干擾的可能性較大。算法設(shè)計框圖如下所示。圖5.3時域干擾檢測與擦除設(shè)計框圖5.2.3測試項(xiàng)目和性能指標(biāo)5.2.3.1接收機(jī)靈敏度接收機(jī)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(jī)要求的最低信號強(qiáng)度，這在一定意義上揭示了是衡量系統(tǒng)性能的一個重要指標(biāo)，一般可用功率來表示[31]。接收機(jī)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(shù)；T取室溫290K；Nf是接收機(jī)噪聲系數(shù)，在本系統(tǒng)中令NfPro5.2.3.2預(yù)期目標(biāo)基本功能要求：1、可以實(shí)現(xiàn)四種數(shù)據(jù)模式自適應(yīng)接收。2、可以實(shí)現(xiàn)四路相同模式混合接收。3、可以實(shí)現(xiàn)在最大功率發(fā)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(biāo)：1、任意一路接收能力2MbpsA：誤包率≤1%時，接收機(jī)靈敏度不大于-96dBm；2MbpsB：誤包率≤1%時，接收機(jī)靈敏度不大于-99dBm；500Kbps：誤包率≤1%時，接收機(jī)靈敏度不大于-101dBm；250Kbps：誤包率≤1%時，接收機(jī)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(jī)靈敏度不大于-96dBm；4路2MbpsB：誤包率≤1%時，接收機(jī)靈敏度不大于-99dBm；4路500Kbps：誤包率≤1%時，接收機(jī)靈敏度不大于-101dBm；4路250Kbps：誤包率≤1%時，接收機(jī)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(fā)射時的任意一路接收能力端機(jī)以最大功率發(fā)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(fā)射時的四路接收能力端機(jī)以最大功率發(fā)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(jī)靈敏度下降不大于3dB（相對于接收單路信號的靈敏度指標(biāo)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(jī)靈敏度下降不大于3dB（相對于接收單路信號的靈敏度指標(biāo)要求）。5.2.4測試結(jié)果1、任意一路接收能力2MbpsA：誤包率≤1%時，接收機(jī)靈敏度為-102dBm；2MbpsB：誤包率≤1%時，接收機(jī)靈敏度為-104.5dBm；500Kbps：誤包率≤1%時，接收機(jī)靈敏度為-108dBm；250Kbps：誤包率≤1%時，接收機(jī)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(jī)靈敏度為-102dBm；4路2MbpsB：誤包率≤1%時，接收機(jī)靈敏度為-104.5dBm；4路500Kbps：誤包率≤1%時，接收機(jī)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(jī)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(fā)射時的任意一路接收能力系統(tǒng)以最大功率發(fā)射2MbpsA/500Kbps/250Kbps：任意一路接收2MbpsB，誤包率≤10%時，接收機(jī)靈敏度為-104dBm；任意一路接收500Kbps，誤包率≤1%時，接收機(jī)靈敏度為-106dBm；任意一路接收250Kbps，誤包率≤1%時，接收機(jī)靈敏度為-108.5dBm。5、最大功率發(fā)射時的四路接收能力系統(tǒng)以最大功率發(fā)射2MbpsA/500Kbps/250Kbps：四路接收2MbpsB，誤包率≤10%時，接收機(jī)靈敏度為-104dBm；四路接收500Kbps，誤包率≤1%時，接收機(jī)靈敏度為-106dBm；四路接收250Kbps，誤包率≤1%時，接收機(jī)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(diǎn)，接收機(jī)靈敏度下降不超過3dB；2MbpsB：誤包率≤1%時，干擾8個頻點(diǎn)，接收機(jī)靈敏度下降不超過3dB；500Kbps：誤包率≤1%時，干擾11個頻點(diǎn)，接收機(jī)靈敏度下降不超過3dB；250Kbps：誤包率≤1%時，干擾12個頻點(diǎn)，接收機(jī)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(jī)靈敏度下降不超過3dB；2MbpsB：誤包率≤1%時，干擾325us，接收機(jī)靈敏度下降不超過3dB；500Kbps：誤包率≤1%時，干擾370us，接收機(jī)靈敏度下降不超過3dB；250Kbps：誤包率≤1%時，干擾405us，接收機(jī)靈敏度下降不超過3dB。結(jié)論本文從工程實(shí)際出發(fā)，設(shè)計了一種高速跳頻跳時系統(tǒng)，主要研究內(nèi)容包括：GMSK調(diào)制解調(diào)、上下變頻、幀結(jié)構(gòu)和跳頻跳時圖案的設(shè)計、同步捕獲和載波估計具體方案的設(shè)計，以及LDPC信道編碼等，這在某種程度上標(biāo)明并運(yùn)用MATLAB軟件進(jìn)行了仿真和測試。從測試結(jié)果可以看出，本課題研究的高速跳頻跳時系統(tǒng)圓滿通過了所有的性能測試，已經(jīng)達(dá)到甚至遠(yuǎn)超了項(xiàng)目的預(yù)期目標(biāo)，可以適用于不同場景，實(shí)現(xiàn)了工程實(shí)際中可靠性高、保密性強(qiáng)，且抗干擾性能較強(qiáng)的要求，這在某種程度上凸顯了驗(yàn)證了本設(shè)計的合理性。因此，此系統(tǒng)在軍事戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈中將會具有較大的實(shí)際應(yīng)用價值。然而，由于時間有限等原因，此系統(tǒng)也還存在許多問題，可以考慮進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)，比如：1、GMSK的調(diào)制方式不一定是最優(yōu)的，可以考慮采用更新型的調(diào)制方式；GMSK的解調(diào)算法也可以再多分析、改進(jìn)和創(chuàng)新；2、幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計和同步捕獲、載波估計的方案不一定是最優(yōu)的；3、LDPC的性能還沒有達(dá)到最優(yōu)，還需要更深入的學(xué)習(xí)，以對其方案有進(jìn)一步的改進(jìn)和優(yōu)化，從而設(shè)計出更適于本系統(tǒng)的LDPC編譯碼方法，而不僅僅是參照5G-NR標(biāo)準(zhǔn)中的QC-LDPC碼。另外，本系統(tǒng)后續(xù)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(jìn)一步節(jié)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(guān)運(yùn)算時，本地波形可以考慮僅用符號位來代替浮點(diǎn)數(shù)。而且，MATLAB仿真還是相對理想化的，若做成了硬件，系統(tǒng)的整體性能應(yīng)該也會有些許的損失?？傊?，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(tǒng)的整體性能，也是我下一步應(yīng)該重點(diǎn)研究的方向。我也要盡快學(xué)習(xí)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(zhǔn)備。參考文獻(xiàn)[1]文格.基于跳頻跳時的虛擬全雙工技術(shù)及其多用戶檢測算法研究[D].重慶大學(xué),2017.[2]林哲宏、趙文輝、宋承志.GMSK跳頻通信系統(tǒng)仿真與研究[D].合肥工業(yè)大學(xué),2010.[3]高宇彬、劉子騰、周曉峰.GMSK跳頻通信系統(tǒng)設(shè)計及其FPGA實(shí)現(xiàn)[D].天津工業(yè)大學(xué),2018.[4]鄧明煜、鄭澤濤、梁佳俊.現(xiàn)代通信原理[M].北京:清華大學(xué)出版社,1994:299-309,371-389.[5]K.Murota,K.Hirade.GMSKModulationforDigitalMobileRadioTelephony[J].I(張成棟、劉志遠(yuǎn)、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(tǒng)中的應(yīng)用研究[D].太原理工大學(xué),2006.[7]張成棟、劉志遠(yuǎn)、黃睿智.GMSK調(diào)制解調(diào)及其實(shí)現(xiàn)技術(shù)的研究[D].華僑大學(xué),2013.[8]陳思遠(yuǎn)、吳東升、王俊豪.Hendrickson.EfficientimplementationofanI-QGMSKmodulator[J].I(張成棟、劉志遠(yuǎn)、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(shù)突發(fā)GMSK信號解調(diào)技術(shù)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(yuǎn)、黃睿智,2023)TransactionsonInformationTheory,1967,13(2):260-269.[11]P.Laurent.ExactandApproximateConstructionofDigitalPhaseModulationsbySuperpositionofAmplitudeModulatedPulses(AMP)[J].I(張成棟、劉志遠(yuǎn)、黃睿智,2023)TransactionsonCommunications,1986,34(2):150-160.[12]G.K.Kaleh.Simplecoherentreceiversforpartialresponsecontinuousphasemodulation[J].I(張成棟、劉志遠(yuǎn)、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(yuǎn)、黃睿智,2023)TransactionsonVehicularTechnology,1984,33(4):307-320.[14]S.M.Elnoubi.AnalysisofGMSKwithdiscriminatordetectioninmobileradiochannels[J].I(張成棟、劉志遠(yuǎn)、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(yuǎn)、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(yuǎn)、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(yuǎn)、黃睿智,2023)TransactionsonCommunications,1988,36(6):641-649.[18]I.Korn.GMSKwithlimiterdiscriminatordetectioninsatellitemobilechannel[J].I(張成棟、劉志遠(yuǎn)、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(yuǎn)、黃睿智,2023)TransactionsonVehicularTechnology,1995,44(3):379-389.[20]J.P.Fonseka.Noncoherentdetectionwith