GMSK跳頻通信系統不同調制模式下跟蹤干擾性能分析?

閆云斌，全厚德，崔佩璋

GMSK跳頻通信系統不同調制模式下跟蹤干擾性能分析?

閆云斌，全厚德，崔佩璋

（軍械工程學院光學與電子工程系，石家莊050003）

對FH-GMSK（Frequency Hopping-Gaussian Filtered Minimum Shift Keying）通信系統進行了研究，分析了GMSK調制的基本原理，給出了該跳頻通信系統的模型。分析了對FH-GMSK通信系統實施跟蹤干擾采用的調制方式，在Simulink平臺下搭建了FH-GMSK通信系統和各種調制模式下跟蹤干擾模塊。分析了不同BT值下該系統的誤碼率性能。仿真結果表明，隨著信噪比的增加，未受跟蹤干擾時，誤碼率逐漸降低，在跟蹤干擾下誤碼率有一定的下降，但始終保持在0.3以上；采用不同調制的跟蹤干擾中，2FSK調制干擾效果最佳，MSK和GMSK調制次之，FM調制效果最差。

跳頻通信；高斯濾波最小頻移鍵控；跟蹤干擾；調制方式

1 引言

跳頻通信因其良好的抗干擾性、低截獲概率及組網能力，在戰術通信中得到了廣泛的應用。GMSK作為一種高效的調制技術，其信號功率譜主瓣寬度小，能量集中，因此在戰場頻譜資源極其寶貴的情況下，更加適合窄帶信道中輸出；在固定的信道帶寬下采用GMSK調制還可以獲得更高的數據傳輸率［1］，同時它對鄰道干擾較小，抗干擾能力強。因此，結合了兩者優勢的跳頻無線傳輸設備在跳頻通信領域中得到了廣泛的應用［2-4］。

針對跳頻通信的干擾包括阻塞干擾和跟蹤干擾。在跟蹤干擾的實現過程中，干擾機通過對跳頻信號進行偵察、引導，在相應的頻點上把窄帶噪聲或隨機脈沖信號經過調制后發射出去。在現有的干擾機中已有能同時監控80個相鄰信道、掃描搜索速度為80 000信道／秒的偵察接收機問世，這種偵察接收機對一定跳速下的跳頻圖案截獲概率幾乎達到100%，這是迄今為止對付跳頻通信最理想的干擾手段［5-6］。跟蹤干擾根據產生方式不同分為調制跟蹤干擾和非調制跟蹤干擾，調制跟蹤干擾又可分為模擬調制跟蹤干擾和數字調制跟蹤干擾，其中非調制跟蹤干擾主要指單音跟蹤干擾。

本文分析了GMSK調制的基本原理，給出了FH -GMSK通信系統的模型，對FH-GMSK通信系統中實施的跟蹤干擾進行了研究。利用Simulink仿真工具直觀方便、參數容易調整等優點，搭建了FHGMSK通信系統，建立了不同調制模式下的跟蹤干擾模塊，分析了不同BT值下該系統的誤碼率性能。通過對上述幾種不同調制模式下跟蹤干擾的誤碼率進行計算，分別得到了不同調制模式下跟蹤干擾對FH-GMSK通信系統的誤碼率性能。

2 GMSK調制原理及跳頻系統模型

2.1 GMSK調制原理

GMSK是在MSK的基礎上改進而成的，具體的實現過程中首先用高斯低通濾波器作為MSK調制的前置濾波器，以便除去信號中的高頻分量，得到比較緊湊的功率譜。文獻［7］中給出了該高斯濾波器必須滿足的要求：帶寬要窄，并且過渡帶要尖銳；具有低峰突的沖激響應；保持輸出脈沖的面積不變，以保證π／2相移。圖1給出了GMSK調制的結構框圖。

高斯預調制濾波器的矩形脈沖響應函數g（t）可以表示為

式中：

式中，Bb為3 dB基帶帶寬，Tb為基帶碼元間隔。

MSK是2FSK信號的改進型，其相位是連續變化的，信號沒有突跳，其表達式如公式（3）所示［8］：

式中，ωc為載波角頻率，Ts為碼元寬度，ak為第k個碼元中的信息，取值為±1，φk為第k個碼元的相位常數，在時間（k-1）Ts≤t≤kTs內保持不變。

由高斯濾波器的矩形脈沖響應為g（t）和MSK信號表達式，得出GMSK信號的表達式為［3］

2.2 FH-GMSK調制系統原理和模型

FH-GMSK通信系統的原理框圖如圖2所示，主要由信源、GMSK調制解調器、跳頻器、信道和相關的濾波器組成。具體的實現過程中，在發射端傳輸的基帶數據首先經GMSK調制，與跳頻器產生的跳頻載波信號混頻后經射頻發送到噪聲信道。在信道傳輸過程中經過高斯白噪聲信道。接收系統將接收到的信號經接收濾波器濾波，與本地跳頻載波混頻后完成跳頻信號的解跳，經低通濾波器進行濾波，最后通過GMSK解調后將信息還原后輸出。在該模型框圖中跳頻器的設計是關鍵。

3 跟蹤干擾模型建立

跟蹤干擾，是指干擾信號能跟蹤跳頻信號頻率跳變的一種干擾方式。跟蹤干擾的干擾載體信號特征與跳頻通信載體信號特征相吻合，只不過雙方的調制信號不同，干擾的調制信號可以是窄帶噪聲和隨機脈沖。對于跟蹤干擾形成的條件和分類筆者在文獻［9］有詳細的論述，跟蹤干擾按照典型的實現可以分為波形跟蹤干擾、引導跟蹤干擾和轉發跟蹤干擾。其中波形跟蹤干擾實現起來非常困難，而轉發跟蹤干擾可以理解為多徑干擾，所以本文中提到的跟蹤干擾特指引導跟蹤干擾。

在跟蹤干擾的實現過程中，首先干擾機將偵察到的跳頻信號進行頻譜分析，提取跳頻信號中的瞬時頻點，在該頻點上把干擾信號源調制后施放出去，整個過程必須有較強的電子支援設備的支持。對于FH-GMSK跳頻通信系統，干擾機對接收到的跳頻信號的頻譜特征和相關特性進行分析，使得干擾機發揮性能較好的調制方式可以為FM、FSK、MSK和GMSK。本文主要分析跟蹤干擾分別采用上述調制方式對FH-GMSK通信系統的性能影響。

FH-GMSK通信系統跟蹤干擾信號產生框圖如圖3所示，干擾信號源可以是窄帶噪聲或者隨機數字碼流。對于模擬調制方式FM，干擾信號源采用窄帶噪聲；對于其它的數字調制方式，干擾信號源為隨機數字碼流。

4 仿真及結果分析

為了得到不同信噪比下FH-GMSK通信系統在不同調制模式下跟蹤干擾的誤碼率性能，假設VHF跳頻無線傳輸設備的傳輸速率為1 200 bit／s、跳速為200 hop／s、跳頻頻率數目為64、跳頻信道間隔為25 kHz。信道采用高斯加性白噪聲信道，調制和解調都采用相同跳頻器產生的本地跳頻載波以便在仿真中實現同步，系統實現如圖4所示。

圖4中隨機信號源采樣率為1／1200，經過雙極性轉換變為雙極性序列碼，再經過GMSK調制模塊和跳頻載波混頻后變為跳速為200 hops／s、跳頻頻率數目為64、跳頻信道間隔為25kHz的GMSK跳頻信號，經過高斯噪聲信道，經解跳、低通濾波、GMSK解調模塊和單極性轉換器恢復出原始數據。誤碼率測試模塊完成誤碼率的統計。當測試不同調制模式下跟蹤干擾的誤碼率性能時，可以在FH-GMSK通信系統中把不同調制模式下的跟蹤干擾模塊分別疊加到FH-GMSK解跳模塊前，計算誤碼率性能。由于在FH-GMSK通信系統和跟蹤干擾產生模塊中都會用到跳頻載波模塊，下面詳細說明跳頻載波在Simulink下的具體實現［3］。其實現框圖如圖5所示。

其中偽隨機序列采用m序列，采樣率為1／1200，Buffer中長度設置為6，對應跳頻信號的跳頻速率為200 hop／s。其本原多項式為x6+x+1，周期為63個碼元，對應64個跳頻點。將偽隨機序列通過相應的變換成為與之對應的整數s，送到壓控振蕩器輸入控制端，壓控振蕩器振蕩頻率為f，輸入靈敏度為d，那么瞬時輸出的頻率為m=f+（d×s），則當s從0～63變化時，就能夠產生64個跳頻點。仿真中設置f=40 MHz，d=25 kHz，所以得到跳頻載波的頻率范圍為40～41.6 MHz。

4.1 不同BT值下FH-GMSK誤碼率分析

在FH-GMSK通信系統中，設置不同的BT值，當信道間隔一定的情況下，通過仿真觀察其對誤碼率的影響，誤碼率曲線如圖6所示。在仿真中可以看到，當SNR=-8 dB時，系統的誤碼率在BT=0.2

時最大，而在BT=0.9時最小，因此可以得出BT越小，誤碼率越高。從原理上可以知道，GMSK在調制前經過了高斯濾波器，主瓣衰落快，鄰道干擾小，但是其頻譜特性的改進是通過犧牲誤碼率性能實現的，高斯濾波器的帶寬越窄，即BT值越小，頻譜越集中，丟失的頻譜分量就越多，誤碼率就會越高，文獻［10］證明當BT=0.588 7時由高斯濾波器產生的碼間干擾所引起的誤碼率將達到最小，但是實際的應用中應該從頻譜利用率和誤碼率雙方面考慮，BT應該折衷選擇。本文在仿真中依據上面分析，結合頻譜利用率和高斯濾波器碼間干擾兩方面考慮取中間值，設定BT取0.3。

4.2 不同調制模式下跟蹤干擾的誤碼性能分析

為了分析不同調制下跟蹤干擾對FH-GMSK通信系統的性能影響，通過仿真比較在不同信噪比條件下FH-GMSK通信系統中疊加不同調制模式跟蹤干擾模塊的誤碼率，其實現框圖如圖7所示。

圖7以2FSK調制跟蹤干擾為例給出了Simulink下跟蹤干擾信號的仿真模型圖，其它調制方式以此為藍本，更換調制模塊衍生出GMSK和MSK調制跟蹤干擾，在FM調制跟蹤干擾中干擾源采用的是窄帶噪聲。

在仿真過程中，干擾機偵察引導時間通過時間延遲器代替，這里假設為0.75ms［11］，跟蹤干擾的跳頻器采用和FH-GMSK通信系統中相同的跳頻器，這樣假設使得干擾機每次都能夠跟蹤上跳頻信號。誤碼率曲線如圖8所示。

從圖8可以知道，隨著信噪比增加，未受跟蹤干擾的FH-GMSK通信系統中的誤碼率逐漸減小。而受到跟蹤干擾的誤碼率曲線隨著信噪比的增加，誤碼率有一定的下降，但是最終趨于一個定值，而且基本都大于0.3，給FH-GMSK通信系統造成很大的威脅。而在這幾種調制下的跟蹤干擾誤碼性能的比較，以信噪比SNR=-8 dB為例，各調制方式下跟蹤干擾誤碼率分別為：2FSK最大為0.48，FM最小為0.33，而MSK和GMSK基本相同，約為0.38。由此可得出，對FH-GMSK通信系統中實施跟蹤干擾時采用2FSK調制時效果最佳，MSK和GMSK調制時次之，FM調制效果最差。

5 結束語

本文以研究不同調制模式下跟蹤干擾對FHGMSK通信系統的性能影響為目的，分析了GMSK調制的基本原理，構建了FH-GMSK通信系統，研究了對其產生跟蹤干擾存在的調制方式；在Simulink下搭建了FH-GMSK通信系統和各種調制模式下的跟蹤干擾模塊，分析了不同BT值下系統的誤碼率性能，建立了不同調制模式下的跟蹤干擾模塊。仿真結果表明，隨著信噪比的增加，未受跟蹤干擾時，誤碼率逐漸降低，而在跟蹤干擾存在下，誤碼率有一定的下降，但最終趨于一個定值，并且都大于0.3。同時，不同調制模式下的跟蹤干擾誤碼率表明，2FSK調制下干擾效果最佳，MSK和GMSK調制時次之，FM調制效果最差。

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YAN Yun-bin was born in Shuozhou，Shanxi Province，in 1984.He is currently working toward the Ph.D.degree.His research concernswireless communication performance test.

Email：zkjysyyb＠163.com

全厚德（1963—），男，博士，教授、博士生導師，主要研究方向為情報指揮系統、通信設備性能測試。

QUAN Hou-de was born in 1963.He is now a professor with the Ph.D.degree and also the Ph.D.supervisor.His research concerns intelligence command system，communication equipment performance test.

Follower Jamm ing Performance Analysis of Different Modulation Modes in a GMSK Frequency-hopping Communication System

YAN Yun-bin，QUAN Hou-de，CUIPei-zhang
（Optical and Electronic Engineering Department，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

The FH-GMSK communication system is researched，the basic principle of GMSK modulation is analysed and themodelof the FH-GMSK communication system is given.Themodulationmode of follower jamming to the FH-GMSK communication system is analysed，and the FH-GMSK communication system and follower jammingmodule in differentmodulations are simulated by Simulink.The bit error rate（BER）under the different BT is given.The simulation results show that，with the increase of SNR，the BER is gradually decreased when the follower jamming does notexist.On the contrary，when the follower jamming is completed，the BER is decreased but keptabove 0.3.When the follower jamming adopts differentmodulations，the 2FSKmodulation provides themosteffective hedge，theMSK and GMSKmodulation are placed in themiddle，the FMmodulation performsworse.

frequency-hopping communication；GMSK；follower jamming；modulation mode

TN914.3

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.10.010

閆云斌（1984—），男，山西朔州人，博士研究生，主要研究方向為無線電通信性能測試；

1001-893X（2011）10-0046-05

2011-05-26；

2011-09-06