CN104202731A - 一种数字集群gmsk信号的解调方法 - Google Patents

Abstract

一种数字集群GMSK信号的解调方法，接收的射频信号经过低噪放、波段滤波器、下变频器、中频滤波器和中频放大器后，分别与正交两路中频本振信号相乘，得到两路信号，再各自通过低通滤波器，得到I路和Q路基带信号，I路和Q路基带信号分别送到A/D转换器，进行A/D采样，然后依次进行去直流处理、自动增益控制、通过帧同步、位同步模块实现对数字集群信号的时隙定位和比特定位，通过频差估计与校正模块和相位估计与校正模块、通过维特比算法对同步、校正处理后的数据进行解调，将原始数据解调出来。

Description

一种数字集群GMSK信号的解调方法

【技术领域】

本发明涉及无线通信技术领域，涉及通信中的解调。尤其涉及应用于数字集群无线通信***中的GMSK信号的解调。

【背景技术】

无线移动通信***分为两大类，一是移动公网，如2G、3G等蜂窝移动通信***，二是移动专网，如数字集群通信***等。从服务对象上看，公网为个人，数量众多，专网为政府、企业、机构等集团用户，数量相对较少。从基站覆盖范围方面看，公网为小区制，半径1km左右，甚至更小，其原因，一方面解决大容量的问题，另一方面减轻手机功耗，以延长续航时间。专网为大区制，半径3～20km，其原因主要是降低***建设、维护和运营成本，以及用户数量相对较少、***容量需求低。

数字集群通信***中，采用高性能的调制解调技术，一方面可以提高小区的覆盖范围，另一方面也可以降低基站和终端的发射功率，从而节约能耗，延长终端设备的待机时间。

目前，主流数字集群通信***采用的调制技术有π/4DQPSK、QAM、GMSK等。其中GMSK调制信号(GMSK Gaussian Minimum Shift Keying高斯最小频移键控)具有相位连续(频谱集中，邻道干扰小)、恒定包络(利于提高射频功放效率)等优点。目前产品中GMSK常用的解调方式主要有鉴频解调和差分解调两种方式。

所谓的鉴频解调是指，由于GMSK信号是恒幅窄带调频信号，可以对其相位进行微分，即鉴频。在对其相位进行微分后在位同步时钟的上升或者下降沿对鉴频后的波形进行判决，从而获得解调数据。如图1所示。由于GMSK信号是窄带调频信号，采用鉴频解调技术时，接收机抗噪声的能力弱，导致误码性能差。另外，鉴频解调技术存在门限效应，当接收信噪比较低时误码率会明显增大。

所谓的差分解调，如图2所示，接收的射频信号经波段滤波器滤除带外无用或者干扰信号、噪声，接着通过下变频和中频滤波将射频信号变为中频信号，然后与延迟2比特的信号相乘，经低通滤波后的基带信号分别送到位同步模块和判决模块，前者从基带信号中提取位同步信息，后者在位同步时钟的上升沿或下降沿对基带信号进行判决，从而恢复原始数据。GMSK信号差分解调技术的主要缺点是相对于相干解调类方式，其误码率比较大。

上述两种方式都具有实现简单、对频差不敏感等优点，但误码性能较差，为达到数字集群***中5％的信道误码率要求，所需接收信噪比分别为11dB和10dB(二比特差分)，难以实现大覆盖半径的要求，导致发射功率大、电池大、体积大、续航时间短的不足。因此，寻求性能优良的解调方法具有重要意义。

【发明内容】

本发明针对以上情况提出了一种采用译卷积码的维特比算法对GMSK信号进行解调，根据GMSK信号相邻若干个调制符号之间存在约束关系，采用维特比算法(Viterbi Algorithm)，可以获得明显优越的低误码性能。

本发明所涉及的数字集群GMSK信号的解调方法，接收的射频信号经过低噪放、波段滤波器、下变频器、中频滤波器和中频放大器后，与正交两路中频本振信号相乘，得到两路信号，再各自通过低通滤波器，得到I路和Q路基带信号，I路和Q路基带信号分别送到A/D转换器，进行A/D采样，然后进行以下步骤：

去直流：进行去直流处理，以消除直流偏置和漂移；

自动增益控制：通过AGC(自动增益控制)实现采样信号的归一化，以防止后续运算的溢出及计算每个节点分支路径度量值权重的改变；

校正：通过帧同步、位同步模块实现对数字集群信号的时隙定位和比特定位，通过频差估计与校正模块和相位估计与校正模块，最大限度地降低信号的失真；

解调：通过维特比算法对同步、校正处理后的数据进行解调，将原始数据解调出来。

GMSK信号的产生过程如下所示，Viterbi解调操作据此而展开

GMSK信号表示为：

式中，fc为载波频率，α是发送数据序列,Φ为相位角:

其中，h＝1/2是调制指数，L是频率脉冲长度，T是调制符号时间宽度，q(t)是相位响应函数，是频率脉冲函数g(t)的积分：

$g\left(t\right)=\frac{1}{2T}[Q\left(2\mathrm{\π}{B}_b\frac{t-\frac{T}{2}}{\sqrt{\ln 2}}\right)-Q\left(2\mathrm{\π}{B}_b\frac{t+\frac{T}{2}}{\sqrt{\ln 2}}\right)],0\≤B_{b}T\≤1$

相位由两部分组成，公式右边第一项是瞬态相位，第二项是积累相位：

${\mathrm{\θ}}_k=\left[\mathrm{h\π}\underset{i=1\∞}{\overset{k-L}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i\right]\left(\mathrm{mod}2\mathrm{\π}\right)$

共有四种值，0、π/2、π、3π/2。

图5所示状态转移图与发送端GMSK信号状态转移图完全一样。图中θk表示当前状态积累相位角，a_k-1、a_k-2分别表示当前状态之前的两个符号的数值，θk+1表示下一到达状态的积累相位角，状态转移指示线，实线表示新来的数据a_k为+1，虚线表示新来的数据a_k为-1。

【附图说明】

图1是现有技术所述GMSK信号鉴频解调示意图；

图2是现有技术所述GMSK信号差分解调示意图；

图3是本发明所述数字集群接收机的结构示意图；

图4是本发明所涉及的GMSK解调器的结构示意图；

图5是本发明的用于计算分支度量的GMSK信号状态转移示意图。

【具体实施方式】

下面将结合本发明附图和具体实施方式对本发明所述数字集群GMSK信号的解调方法进行进一步的详细说明。

以下所述解调方法全部在DSP(Digital Signal Processors数字信号处理器)芯片中用软件完成。

本发明实例所涉及的GMSK信号的参数如下：

BT＝0.3；

频率脉冲响应长度L＝3；

每时隙比特数(突发长度)为N

尾部训练码长度：10比特。

解调参数：

状态数：16；

回溯长度：16。

发射端GMSK信号参数(BT＝0.3及频率脉冲响应长度L＝3)决定了GMSK信号的状态数为16。

本发明维特比算法解调对信号的状态不做简化、合并处理，所以状态数依然为16。按照维特比算法经验，回溯长度一般取为约束长度的5～10倍，本发明GMSK信号的约束长度(频率脉冲响应长度)为3，因此，回溯长度设定为16，最终值可以根据调试情况进行调整，以获得最佳效果。

按照图3，接收的射频信号经波段滤波、低噪放后与第一级本振信号混频，通过中频滤波器获得中频信号，再经中放，分别与正交两路第二级本振信号混频(中频)，低通滤波后得到两路基带信号I和Q，然后用A/D转换器，以符号速率的Ns倍对基带信号I和Q进行采样。

按照图4，

一、首先对I、Q两路采样值分别进行去直流处理：

1、每时隙中间段每路M×Ns个样点求平均值(直流)Iav、Qav；

2、每路各个采样值分别减去上述平均值Iav或Qav；

二、进行自动增益控制AGC处理，实现归一化：

1、对每时隙中间段M×Ns个样点对(In，Qn)求平方和：Σ(I_n ²+Q_n ²)；

2、对上述平方和求平方根；

3、每路各个采样值分别除以上述平方根，得到归一化采样值。

三、接着帧同步、比特同步、频差估计与校正、相位估计与校正，再用维特比算法进行解调：

1、需要进行以下准备工作：

按照图5状态转移示意图建立标准波形表，32行、8列，行表示状态，列表示同一符号内的样点。自上往下，每两行代表到达同一个目的状态的两条分支，自左往右，每两列分别表示同一分支上代表样点的值，式中，i表示来源节点状态的序号，n表示目的节点状态的序号，为从i状态到n状态的相位波形，参照图5由下式确定：

建立乒、乓状态标志变量(二元值，用于识别两个存储区)，每当处理完一个调制符号，该标志变量的值更换到另一个。

建立两张幸存路径表(乒、乓表)，每张16行(状态数)、16列(回溯长度)，用于记录分支路径对应的数据。

建立两张幸存路径总度量值表(乒、乓表)，每张16行(状态数)、1列，记录幸存路径总度量值。

2、按照图5状态转移示意图，依次对每个到达状态S_n(k+1)的两条进入分支按照下述公式分别计算分支度量值：

式中，i,j为前一节点的两个来源状态序号，n为当前节点目的状态序号，I(m)，Q(m)分别为接收的归一化I、Q路采样值。

上述公式表示接收的信号与GMSK信号集之中与到达状态相关的两个的标准信号之间的相关值。

3、分别将BranchA_in和BranchB_jn加到来源状态i和j的总路径度量值上：PathMetrics_i+BranchA_in、PathMetrics_j+BranchB_jn。

4、比较上述两个和值，选最大者为当前节点目的状态n的总路径度量值PathMetrics_n

5、根据当前乒、乓状态标志，将4中总路径度量值PathMetrics_n存入相应幸存路径总度量表第n单元。

6、根据当前乒、乓状态标志，将相对幸存路径表(若当前为乒状态，则指乓表)第n行的后15个单元，拷贝至当前幸存路径表第n行的前15个单元，并将到达目的状态n的分支对应的数据存入该行最后一个单元。

7、重复2～6，遍历16个状态。

8、处理符号数+1，乒、乓状态标志更换。

9、若处理符号数小于回溯长度16，则等待处理下一符号。

10、若处理符号数不小于回溯长度16，且小于等于N-15，则找出刚刚更新的幸存路径总度量表中最大值对应的状态MAX，再将刚刚更新的幸存路径表中第MAX行首个数据作为解调数据输出。

11、若处理符号数不小于回溯长度16，且大于N-15，则比较刚刚更新的幸存路径表中每条路径后10比特与实际传输的10比特训练码的欧式距离，选出距离最小的那条路径，依次输出该路径上的数据作为解调数据输出。

以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许变更或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明技术是指对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种数字集群GMSK信号的解调方法，接收的射频信号经过低噪放、波段滤波器、下变频器、中频滤波器和中频放大器后，与正交两路中频本振信号相乘，得到两路信号，再各自通过低通滤波器，其特征在于，得到I路和Q路基带信号，I路和Q路基带信号分别送到A/D转换器，进行A/D采样，然后进行以下步骤：

去直流：进行去直流处理，以消除直流偏置和漂移；

自动增益控制：通过自动增益控制实现采样信号的归一化，以防止后续运算的溢出及计算每个节点分支路径度量值权重的改变；

校正：通过帧同步、位同步模块实现对数字集群信号的时隙定位和比特定位，通过频差估计与校正模块和相位估计与校正模块，最大限度地降低信号的失真；

解调：通过维特比算法对同步、校正处理后的数据进行解调，将原始数据解调出来。

2.根据权利要求1所述数字集群GMSK信号的解调方法，其特征在于，去直流处理过程是：将I路和Q路基带信号的采样值，每时隙中段每路M×Ns个样点求平均值Iav、Qav；将I路和Q路基带信号的各个采样值分别减去其对应的平均值Iav或Qav，得到无直流偏置的基带信号。

3.根据权利要求1所述数字集群GMSK信号的解调方法，其特征在于，该自动增益控制过程为：对每时隙中间段M×Ns个样点对(In，Qn)求平方和：Σ(I_n ²+Q_n ²)；对上述平方和求平方根；将I路和Q路基带信号的各个采样值分别除以其对应的平方根，得到I路和Q路基带信号的归一化采样值。

4.根据权利要求1所述数字集群GMSK信号的解调方法，其特征在于，该以维特比算法对信号进行解调的过程为：

1)首先建立标准波形表，用于相关运算，产生分支度量值；建立两张幸存路径表，用于记录分支路径对应的数据；建立两张幸存路径总度量值表，用于记录幸存路径总度量值；

2)按照状态转移图，依次对每个到达状态的两条进入分支分别计算分支度量值；

3)分别将上述两个分支度量值加到来源两个状态的总路径度量值上，得到两个待选的总路径度量值；

4)比较上述两个待选的总路径度量值，选最大者为当前节点目的状态的总路径度量值；

5)根据当前乒、乓状态标志，将4)中总路径度量值存入相应幸存路径总度量表中的相应单元；

6)根据当前乒、乓状态标志，将相对幸存路径表，若当前为乒状态，则指乓表；当前状态对应的行的后15个单元，拷贝至当前幸存路径表相同行的前15个单元，并将到达目的状态的分支对应的数据存入该行最后一个单元；

7)重复2)～6)，遍历16个状态；

8)处理符号数+1，乒、乓状态标志更换；

9)若处理符号数小于回溯长度16，则等待处理下一符号；

10)若处理符号数不小于回溯长度16，且小于等于N-15，则找出刚刚更新的幸存路径总度量表中最大值对应的状态MAX，再将刚刚更新的幸存路径表中第MAX行首个数据作为解调数据输出；

11)若处理符号数不小于回溯长度16，且大于N-15，则比较刚刚更新的幸存路径表中每条路径后10比特与实际传输的10比特训练码的欧式距离，选出距离最小的那条路径，依次输出该路径上的数据作为解调数据输出。