王良，钱博

（沈阳理工大学，辽宁 沈阳 110159）

0 引言

高速化、大型化是上世纪90年代各种船舶发展的主要方向。与此同时船舶数量急剧增加，其装载货物数量也在骤增，这导致水域交通的安全性受到了严重的挑战。由此船舶自动识别系统（AIS）诞生出来，它的出现使得海上通信压力逐渐降低，船舶之间信息通信趋于稳定，同时满足岸站与船舶通信的需求。AIS为一种无线电通信技术，它能使得通信双方在甚高频（VHF）频段进行完美通信，安装了AIS的船舶可以实时的向其他船舶及岸台发送与该船相关的信息，同时，为了让碰撞避免发生，安装了AIS的船舶可以对附近的船只进行自动识别。相应的，在不同数据业务低速方面，相较于其他系统，AIS同样具有较大的优势。因此，极大程度方便了系统中船舶与岸台之间的信息通信[1]。

作为AIS主要采用的调制方式，GMSK相比与其他调制方式更加高效。同时GMSK是以OQPSK,MSK调制方式为基础，在其基础从之上发展而来的，因此，对比于OQPSK与MSK，GMSK在诸多方面都有着很大优势。GMKS能保证通信系统的可靠性，因为GMSK具有更窄的频带，同时由于其实现简单和平滑的频谱，使其在各种环境均有广发的应用。首先，我们将基带数据通过高斯低通滤波器，从而对待调制的基带数据进行滤波。其目的是得到紧密的频带间距及较低的载波跳变能量。这使得GMSK相较于其他调制方式在同等的传输速率条件下更具优势。由于基带信号在进行调制之前先做了滤波处理。因此，GMSK在带宽方面比MSK更有优势。同时在相位连续与平滑方面，GMSK调制信号同样优于MSK信号。同时频谱也更加紧凑，具有良好的误码特性[2]。考虑到GMSK调制方式具有众多优良的特性，本文在对GMSK调制解调原理深入研究的基础上，通过MATLAB7.1仿真平台对GMSK调制方式进行仿真及分析。

1 GMSK信号调制机理

作为MSK调制技术的一种改进形式，在进行GMSK调制时，基带信号先经过前置高斯低通滤波器进行预处理，之后对于处理后的信号进行MSK调制。基带信号在进行高斯低通滤波器后，基带信号会发生相应的改变。在相位跳变的时刻是连续的并且陡峭的边沿消失了。因此在之后进行MSK调制时，信号具有平滑的相位路径及衰减更快频谱旁瓣，降低带外辐射，且相邻两路干扰小[3], GMSK调制的流程图如图1所示：

图1 GMSK调制流程图Fig.1 GMSK modulation flow chart

高斯低通滤波器性能的优劣完全决定了GMSK信号的好坏，为使得GMSK调制信号更加完美的实现，同时有更加紧凑的输出频谱，其须具有如下特性[4]：

(1)为了将基带信号中的高频分量率除掉，高斯低通滤波器要具有良好的窄带和尖锐的截比特性。

(2)在脉冲方面，要有尽量小的响应过冲量。

(3)在脉冲响应曲线方面，为了使GMSK调制信号的调制指数为1/2，其输出的面积在对应的相位方面应为π/2。

高斯低通滤波器的传输函数和冲激响应分别为：

其中，参数α与(H)f的3 dB带宽B有关，且有

设不归零矩形脉冲的表达式为：

那么矩形脉冲宽度为Tb的单个高斯脉冲响应为：

其中，B为H(f)的3dB带宽。为了使得GMSK信号在进行解调时更加简易，基带信号在送入高斯低通滤波器之前为双极性不归零码(NRZ)，之后对双极性不归零码进行差分编码。具体表达式如下：

接着再经过MSK调制，便可得到GMSK信号的表达式：

2 GMSK信号解调机理

我们将解调分为相干解调和非相干解调两种，其依据为在接收端是否需要恢复出载波的相位。考虑到GMSK相干解调技术的发展已经成熟，同时对比于相干解调技术，非相干解调器在价格方面有着很大的优势，而且非相干解调比相干解调更稳定，其内部差分解调部分结构更加简单，不需要载波恢复时间[5]。因此，对于GMSK信号的解调，我们采用非相干解调技术。在GMSK的解调方面，本文采用1比特差分解调技术，其原理框图如图2所示：

图2 1比特差分检测框图Fig.2 1 bit differential detection block diagram

经过BPF(带通滤波器)处理后的输出信号为：

其中，R(t)是时变包络，为载波频率，ϕ(t) 为附加相位函数[6]，

经LPF后输出信号为：

其中，正值的包络为R(t)和R(t-Tb)。因而 Δϕ(Tb)决定着Y(t)的极性。在这里，我们用零作为判决门限为，具体判决规则如

当输入“+1”时ϕ(t)增大，输入“-1”时ϕ(t)减小，用此判决规则即可恢复原来的数据[7]。

GMSK的非相干解调中1bit差分解调如图3所示：

图3 1bit GMSK信号差分解调框图Fig.3 1bit GMSK differential demodulation block diagram

在GMSK信号的接收端，我们降低调制后GMSK信号数据流速率，之后对低速率的信号进行频谱搬移，然后进行低通滤波及下变频处理。通过一系列处理后，接收到的GMSK便能被恢复成I/Q两路正交的中频基带信号，然后对两路正交信号进行1 bit特差分解调，最后通过抽样判决，便可得到二进制基带信号[8]。

3 仿真结果及分析

3.1 仿真参数

根据之前对GMSK信号调制解调原理的研究，使用MATLAB7.1对GMSK信号调制解调进行仿真，GMSK信号参数如表1所示：

表1 GMSK信号仿真参数Tab.1 GMSK signal simulation parameters

3.2 GMSK调制解调仿真

首先，信源生成的基带数据先经差分编码预调制，再由高斯低通滤波器进行滤波，如图4所示（为了能清晰的看到滤波后的效果，图4中截取了部分的信息码及滤波后的信号）：

图4 编码滤波后基带信号Fig.4 Baseband signal after encoding and filtering

图5 GMSK调制信号生成Fig.5 GMSK modulation signal generation

从图4中我们可以看出，在码元转换时，经过高斯低通滤波器后的信号相位路径更加平滑，在频谱特性方面，经过滤波后的信号更加优良；在一个码元周期内的相位增量方面，GMSK信号不再固定为π/2，随输入信号的不同而发生相应的变化。

图5为GMSK调制信号的生成。首先将高斯滤波后的信号串并转换为I、Q两路，本文中将串并转换后I路信号延时一个码元周期Ts。然后分别用加权函数对 GMSK中I、Q两路信号进行加权调制。加权调制之后，下一步对信号进行载波调制，I、Q两路信号便由此得出，最后合成I、Q两路的调制信号，得到GMSK调制后的信号。

图6 GMSK信号乘载波后滤波Fig.6 GMSK signal multiple by carrier after filtering

图7 解调后的基带数据Fig.7 Baseband data after demodulation

图6中前两个图为GMSK信号与I、Q两路载波相乘的仿真图，后两个为对相乘后的信号滤波之后的仿真图。

图7为滤波后的信号进行1 bit差分解调，之后对解调后得到的序列进行抽样判决，然后将两路数据串并转换为一路，再进行判决与差分解调，便可得到二进制基带码元。

从图7可以看出，经过解调后的基带数据与原始的基带数据完全相同（为方便观察，图中只截取部分信号），说明1 bit差分解调算法对于GMSK 解调的有效性。

3.3 结果分析

为了分析GMSK调制信号的性能，本文主要从功率谱及误码性两方面入手，如图8所示，通过对比原始双极性不归零码与高斯滤波后的双极性不归零码的功率谱，可以看出经过高斯滤波后的基带信号能量更加集中，压缩了MSK的功率谱，有效的抑制了MSK的带外衰减，提高了通信质量[9]。

图8 信息码功率谱Fig.8 Power spectrum of information code

通过GMSK调制信号与MSK调制信号误码率进行仿真。我们可以看出，GMSK的误码率要略低于MSK的误码率。但是考虑到GMSK信号在频谱方面的优势。因此在一些对频谱要求较为严格的移动通信中，GMSK是最佳的选择。

图9 误码率曲线图Fig.9 Error rate curve

通过之前分析可知，GMSK以MSK为基础改进得来。在频谱方面，GMSK在主瓣以外的衰减要快于MSK，同时在邻路干扰方面，GMSK要优于MSK。但是，在误码率方面，MSK要略优于GMSK，这是因为GMSK是通过降低误码率性能来提高频谱性能的。如图10所示，当高斯滤波器的带宽越窄，即BT值越小，误码率性能就变得越差[10]。

图10 不同BT下误码率曲线图Fig.10 Graph error rate curves under different BT

4 结论

本文以AIS为背景，对其所采用的调制方式进行仿真及性能分析。首先对GMSK的调制解调原理进行深入研究，重点对调制过程中高斯低通滤波器的原理和实现以及非相干解调中1bit差分解调器的原理及实现进行研究，然后在MATALB7.1软件环境下对GMSK调制解调过程进行仿真及GMSK的性能分析，实验结果表明GMSK调制的信号频谱紧凑，并且接收端解调后信号质量非常好，因此AIS系统通信过程采用GMSK调制方式可以实现。