GSMK信号生成装置及方法、信号检测装置及方法与流程
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种gsmk信号生成装置及方法、信号检测装置及方法。
背景技术：
信号发生器的调制是通信系统中提高通信质量的一项关键技术，以使信号特性与信道特性相匹配。现代通信系统大多数使用的是数字调制技术，但是，一般的数字调制技术，如ask(amplitude-shiftkeying，振幅键控)、fsk(frequency-shiftkeying，频移键控)、psk(phase-shiftkeying，相移键控)、qpsk(quadraturephaseshiftkeying，正交相移键控)和msk(minimum-shiftkeying，最小移频键控)等都无法满足移动通信的要求。
gmsk(gaussianfilteredminimum-shiftkeying，高斯最小频移键控)是从msk发展起来的一种技术，gmsk调制方式能满足移动通信环境下对邻道干扰的严格要求，它以其良好的性能而广泛被gsm(globalsystemformobilecommunication，全球移动通信系统)所采用。图1为不同调制方式的频谱图，由图1可以看出，qpsk频谱衰落缓慢，导致频谱泄漏比较严重；msk频谱泄露较小；gsmk频谱阻带衰落最快并且最陡峭，频谱衰落最快，频谱泄漏最小。所以gsmk信号最容易满足频谱模板要求，所以信号的稳定性最好。
gmsk信号发生器一般采用模拟滤波器和压控振荡器来实现，但是模拟滤波器中应用的模拟电路的实现方式灵活性低，参数配置需要通过改变片外硬件参数来实现，进而使得以模拟或模数混合的gmsk信号发生器已不能适应全数字化通信系统的发展。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种gsmk信号生成装置及方法、信号检测装置及方法，用于实现gsmk信号生成的全数字化，以适应全数字化通信系统的发展。
为达到上述目的，本发明的第一方面提供一种gsmk信号生成方法，采用如下技术方案：
一种gsmk信号生成方法包括：
步骤s1、根据用户数据产生随机码，并对随机码进行差分编码；
步骤s2、对差分编码后的信号进行过采样，填充零值，并进行高斯滤波，高斯滤波时采用的总的内插倍数为l0，l0为大于0的正整数；
步骤s3、将经高斯滤波后的信号乘以π/2，进行逐个相位累加，并在每次累加时除以总的内插倍数l0，得到相位fei(t)；
步骤s4、使用正交调制模式或者余弦相位叠加模式，对相位fei(t)进行处理，得到相位输出数值；
步骤s5、根据相位输出数值得到正交调制的gmsk信号；
步骤s6、将gmsk信号发射至数模转换器。
进一步地，步骤s2中进行高斯滤波时，采用的总的内插倍数l0＝fs/fb，其中，fs为采样速率，fb为基带信号速率。
可选地，步骤s2中进行fir高斯滤波时，采用的3db带宽bt为0.3、0.5或者0.7。
可选地，步骤s2中进行高斯滤波包括：依次进行fir高斯滤波和多级hb滤波，高斯滤波的总的内插倍数l0为fir高斯滤波的内插倍数和多级hb滤波的内插倍数的乘积。
示例性地，步骤s4中使用正交调制模式对相位fei(t)进行处理，得到gmsk信号的具体公式为：
ith(t)＝cos(fei(t))；
qth(t)＝sin(fei(t))；
gsmk(t)＝ith(t)*cos(2*π*fc/fs*t)-qth(t)*sin(2*π*fc/fs*t)；
其中，gsmk(t)为gmsk信号；ith(t)为i支路信号；qth(t)为q支路信号；fc为载波频率；fs为采样速率；t为时间。
示例性地，步骤s4中使用余弦相位叠加模式对相位fei(t)进行处理，得到gmsk信号的具体公式为：
gsmk(t)＝cos(2*π*fc/fs*t)+fei(t)+θ(0)；
其中，gsmk(t)为gmsk信号；fc为载波频率；fs为采样速率；θ(0)为初相角；t为时间。
本发明提供的gsmk信号生成方法包括以上所述的步骤，从而使得使用该gsmk信号生成方法生成gsmk信号的过程中，均实现了数字化，能够很好地适应全数字化通信系统的发展。
本发明的第二方面提供一种gsmk信号生成装置，采用如下技术方案：
gsmk信号生成装置包括依次连接的差分模块、滤波模块、线性相位累加模块、相位混合叠加模块和coslut表模块；其中，差分模块用于根据用户数据产生随机码，并对随机码进行差分编码；滤波模块用于对差分编码后的信号进行过采样，填充零值，并进行高斯滤波，高斯滤波时采用的总的内插倍数为l0，l0为大于0的正整数；线性相位累加模块用于将经高斯滤波后的信号乘以π/2，进行逐个相位累加，并在每次累加时除以总的内插倍数l0，得到相位fei(t)；相位混合叠加模块用于使用正交调制模式或者余弦相位叠加模式，对相位fei(t)进行处理，得到相位输出数值；coslut表模块用于根据相位输出数值得到正交调制的gmsk信号，并将gmsk信号发射至数模转换器。
进一步地，滤波模块包括fir高斯滤波器和多级hb滤波器。
本发明提供的gsmk信号生成装置具有以上所述的结构，从而使得使用该gsmk信号生成装置生成gsmk信号的过程中，均实现了数字化，能够很好地适应全数字化通信系统的发展。
本发明的第三方面提供一种gsmk信号检测方法，采用如下技术方案：
一种gsmk信号检测方法包括：
步骤s1’、对从模数转换器获取的gmsk信号进行正交解调；
步骤s2’、对正交解调后得到的两个信号分别进行多级hb滤波和抽取，以及高斯滤波，得到i支路信号和q支路信号，高斯滤波时采用的带宽bt’与生成gsmk信号时采用的bt不同，bt’＝bt*(1+x)，其中，x为大于0的数值，x的大小根据频偏大小决定；
步骤s3’、对i支路信号和q支路信号分别进行位同步调整，并完成抽取，获得多个最佳采样点；
步骤s4’、进行频偏的测量和修正，以及相偏的测量和修正，得到i(k)和q(k)，其中，k为采样点的序号，k为大于1的正整数；
步骤s5’、分别对i(k)和q(k)进行一比特差分检测；
步骤s6’、对检测结果进行差分解码。
本发明提供的gsmk信号检测方法包括以上所述的步骤，从而使得使用该gsmk信号检测方法检测gsmk信号的过程简单，且可以达到很好的检测效果。
本发明的第四方面提供一种gsmk信号检测装置，采用如下技术方案：
gsmk信号检测装置包括依次连接的正交解调模块、滤波抽取模块、同步调整模块、修正模块、差分检测模块和差分解码模块；其中，正交解调模块用于对从模数转换器获取的gmsk信号进行正交解调；滤波抽取模块用于对正交解调后得到的两个信号分别进行多级hb滤波和抽取，以及高斯滤波，得到i支路信号和q支路信号，高斯滤波时采用的带宽bt’与生成gsmk信号时采用的bt不同，bt’＝bt*(1+x)，其中，x为大于0的数值，x的大小根据频偏大小决定；同步调整模块用于对i支路信号和q支路信号分别进行位同步调整，并完成抽取，获得多个最佳采样点；修正模块用于进行频偏的测量和修正，以及相偏的测量和修正，得到i(k)和q(k)，其中，k为采样点的序号，k为大于1的正整数；差分检测模块用于分别对i(k)和q(k)进行一比特差分检测；差分解码模块用于对检测结果进行差分解码。
本发明提供的gsmk信号检测装置具有以上所述的结构，从而使得使用该gsmk信号检测装置检测gsmk信号的过程简单，且可以达到很好的检测效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为不同调制方式的频谱图；
图2为本发明实施例中gmsk信号的相位路径图；
图3为本发明实施例中gsmk信号生成方法的流程图；
图4为本发明实施例中总的内插倍数l0等于8时的相位叠加示意图；
图5为本发明实施例中gsmk信号生成装置的结构示意图；
图6为本发明实施例中gsmk信号检测方法的流程图；
图7为本发明实施例中gsmk信号检测装置的结构示意图。
附图标记说明：
1—差分模块；2—滤波模块；3—线性相位累加模块；
4—相位混合叠加模块；5—coslut表模块；1’—正交解调模块；
2’—滤波抽取模块；3’—同步调整模块；4’—修正模块；
5’—差分检测模块；6’—差分解码模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了便于本领域技术人员理解本申请的技术方案，此处先对本申请的技术方案涉及的一些理论基础进行详细描述。
gmsk的模型如下：
其中，ec为每个符号的能量，t为符号持续时间，fc为载波频率，t为时间，φ(t)为gmsk调制相位，θ为从保护频带的随机相位，且在一突发期间为恒定的。
上述gmsk调制相位φ(t)为：
式中，g(x)为高斯预调制滤波器的脉冲响应；h为调制指数，通常为0.5；t为时间；t为符号持续时间；在时间i被调制的nrz(non-returntozero，不归零码)位元素表示为ai。
由以上所述可知，gmsk信号的相位路径由脉冲的形状决定，或者说在一个码元内已调波相位的变化取决于其间脉冲的面积。由于高斯滤波后的脉冲无陡峭沿，也无拐点，因此，其相位路径得到进一步平滑，如图2所示。需要注意的是，由于相邻脉冲间有重叠，因此，在决定一个码元内的脉冲面积时，要考虑相邻码元的影响。这样，在不同的码流图案下，会使一个码元内脉冲面积不同，因而对应的相位路径也不同。
实施例一
本发明实施例提供一种gsmk信号生成方法，具体地，如图3所示，该gsmk信号生成方法包括：
步骤s1、根据用户数据产生随机码，并对随机码进行差分编码；
步骤s2、对差分编码后的信号进行过采样，填充零值，并进行高斯滤波，高斯滤波时采用的总的内插倍数为l0，l0为大于0的正整数；高斯滤波后输出的信号实际为相位瞬时数值。
步骤s3、将经高斯滤波后的信号乘以π/2，进行逐个相位累加，并在每次累加时除以总的内插倍数l0，得到相位fei(t)；
步骤s4、使用正交调制模式或者余弦相位叠加模式，对相位fei(t)进行处理，得到相位输出数值；算法实现时通常选择正交调制模式。
步骤s5、根据相位输出数值得到正交调制的gmsk信号；
步骤s6、将gmsk信号发射至数模转换器。
本发明提供的gsmk信号生成方法包括以上所述的步骤，从而使得使用该gsmk信号生成方法生成gsmk信号的过程中，均实现了数字化，能够很好地适应全数字化通信系统的发展。
进一步地，步骤s2中进行高斯滤波时，采用的总的内插倍数l0的具体数值可以根据信号带宽和信号的采样速率确定，例如，信号带宽是1mhz，信号速率是32msps，则需要总的内插倍数l0应小于或者等于32。由于信号带宽和基带信号速率具有对应的关系，因此，l0的具体数值也可以根据基带信号速率和信号的采样速率确定。示例性地，l0＝fs/fb，其中，fs为采样速率，fb为基带信号速率。
可选地，步骤s2中进行高斯滤波时，采用的3db带宽bt为0.3、0.5或者0.7，优选为0.5。
可选地，步骤s2中进行高斯滤波包括：依次进行fir(finiteimpulseresponse，有限长单位冲激响应)高斯滤波和多级hb(half-band，半带)滤波，高斯滤波的总的内插倍数l0为fir高斯滤波的内插倍数和多级hb滤波的内插倍数的乘积。以需要总的内插倍数l0为32为例，fir高斯滤波可以进行8倍内插，多级hb滤波可以进行4倍内插，分级处理。由以上所述可知，多级hb滤波的内插倍数是由总的内插倍数l0决定的。另外，由于上述多级hb滤波的内插倍数是由多级实现的，从而可以起到节省资源的同时保证性能的好处。
图4为总的内插倍数l0等于8时不同时刻体现的相位叠加示意图。图4中纵轴y体现的是高斯滤波后信号相位叠加的相位瞬时数值，横轴x体现的是输入信号的时刻，x的数值就是时刻t除以采样周期tb，体现的就是采样点。图4中总的内插倍数为8，幅度震荡周期也就是8，由图4可知，在gmsk调制方式下，输入的信号通过gmsk滤波后输入信号波纹起伏呈现平滑，在msk调制方式下，由于没有滤波，曲线平直。
示例性地，步骤s4中使用正交调制模式对相位fei(t)进行处理，得到gmsk信号的具体公式为：
ith(t)＝cos(fei(t))；
qth(t)＝sin(fei(t))；
gsmk(t)＝ith(t)*cos(2*π*fc/fs*t)-qth(t)*sin(2*π*fc/fs*t)；
其中，gsmk(t)为gmsk信号；ith(t)为i支路信号；qth(t)为q支路信号；fc为载波频率；fs为采样速率；t为时间。
示例性地，步骤s4中使用余弦相位叠加模式对相位fei(t)进行处理，得到gmsk信号的具体公式为：
gsmk(t)＝cos(2*π*fc/fs*t)+fei(t)+θ(0)；
其中，gsmk(t)为gmsk信号；fc为载波频率；fs为采样速率；θ(0)为初相角，为了便于计算，可将θ(0)的取值选为0；t为时间。
与上述gsmk信号生成方法相对应的，本发明实施例还提供一种gsmk信号生成装置，具体地，如图5所示，该gsmk信号生成装置包括依次连接的差分模块1、滤波模块2、线性相位累加模块3、相位混合叠加模块4和coslut表模块5；其中，差分模块1用于根据用户数据产生随机码，并对随机码进行差分编码；滤波模块2用于对差分编码后的信号进行过采样，填充零值，并进行高斯滤波，高斯滤波时采用的总的内插倍数为l0，l0为大于0的正整数；线性相位累加模块3用于将经高斯滤波后的信号乘以π/2，进行逐个相位累加，并在每次累加时除以总的内插倍数l0，得到相位fei(t)；相位混合叠加模块4用于使用正交调制模式或者余弦相位叠加模式，对相位fei(t)进行处理，得到相位输出数值；coslut表模块5用于根据相位输出数值得到正交调制的gmsk信号，并将gmsk信号发射至数模转换器。
具体地，滤波模块2输出的信号为相位瞬时数值，该相位瞬时数值经线性相位累加模块3处理后，输出至相位混合叠加模块4，在相位混合叠加模块4中与频率控制字叠加的相位混合叠加，并作为最终的相位输出数值给coslut表模块5，coslut表模块5进行cos-rom查表，得到最终的正交调制的gmsk信号。
需要说明的是，上述gsmk信号生成方法中各步骤的具体细节均适用于此处提及的gsmk信号生成装置，此处不再进行赘述。
为了便于本领域技术人员理解和实施，下面本发明实施例对上述滤波模块2、相位混合叠加模块4和coslut表模块5进行进一步的描述。
为了保证滤波模块2具有很好的效果，本发明实施例中选择滤波模块2包括fir高斯滤波器和多级hb滤波器，其中，fir高斯滤波器负责典型的高斯滤波成型作用，多级hb滤波器不仅具有扩展性，同时可以实施实时计算高斯滤波器系数后实施动态配置高斯滤波器系数，这样比存储方式更加灵活和精确。fir高斯滤波器的系数不宜过长。滤波模块2的总的内插倍数l0为fir高斯滤波器的内插倍数和多级hb滤波器的内插倍数的乘积。以需要总的内插倍数l0为32为例，fir高斯滤波器可以进行8倍内插，多级hb滤波器可以进行4倍内插，分级处理。由以上所述可知，多级hb滤波器的内插倍数是由总的内插倍数l0决定的。另外，由于上述多级hb滤波器的内插倍数是由多级实现的，从而可以起到节省资源的同时保证性能的好处。
本发明提供的gsmk信号生成装置具有以上所述的结构，从而使得使用该gsmk信号生成装置生成gsmk信号的过程中，均实现了数字化，能够很好地适应全数字化通信系统的发展。
实施例二
为了便于对使用实施例一中的gsmk信号生成方法和/或装置生成的gsmk信号进行检测，本发明实施例提供一种gsmk信号检测方法(即接收方法)，如图6所示，该gsmk信号检测方法包括：
步骤s1’、对从模数转换器获取的gmsk信号进行正交解调；
步骤s2’、对正交解调后得到的两个信号分别进行多级hb滤波和抽取，以及高斯滤波，得到i支路信号和q支路信号，高斯滤波时采用的带宽bt’与生成gsmk信号时采用的bt不同，bt’＝bt*(1+x)，其中，x为大于0的数值，x的大小根据频偏大小决定，频偏越大则x越大，例如频偏为20khz时，x＝0.5，则频偏为10khz时，x＝0.25，以此类推；示例性地，x为0.5，即bt’＝bt*1.5，bt’为0.99时具有较佳的效果。
步骤s3’、对i支路信号和q支路信号分别进行位同步调整，并完成抽取，获得多个最佳采样点；
步骤s4’、进行频偏的测量和修正，以及相偏的测量和修正，得到i(k)和q(k)，其中，k为采样点的序号，k为大于1的正整数；
步骤s5’、分别对i(k)和q(k)进行一比特差分检测；
步骤s6’、对检测结果进行差分解码。
本发明提供的gsmk信号检测方法包括以上所述的步骤，从而使得使用该gsmk信号检测方法检测gsmk信号的过程简单，且可以达到很好的检测效果。此外，使用一比特差分检测还具有算法简单易于实现的优点。
由以上所述可知，在gmsk信号检测过程中，调制后的gmsk信号经过数字下变频后恢复成i(k)和q(k)两支路信号后，运用一比特差分检测进行解调。
运用一比特差分检测可以找出在一比特周期内接收到的信号在相位方面的改变量。这种相位方面的改变量可以用下式表示：
其中，t为时间，tb为一个码元时间；d(t)为输入的数据；h(t)为高斯滤波器的冲击响应，
通过上式可知，
通过一比特差分检测还可以找出传输的码元在一比特周期时间内的相位改变量。这种相位的改变量可以表示为：
类似地，与上述gsmk信号检测方法相对应的，本发明实施例还提供一种gsmk信号检测装置，具体地，如图7所示，该gsmk信号检测装置包括依次连接的正交解调模块1’、滤波抽取模块2’、同步调整模块3’、修正模块4’、差分检测模块5’和差分解码模块6’；其中，正交解调模块1’用于对从模数转换器获取的gmsk信号进行正交解调；滤波抽取模块2’用于对正交解调后得到的两个信号分别进行多级hb滤波和抽取，以及高斯滤波，得到i支路信号和q支路信号，高斯滤波时采用的带宽bt’与生成gsmk信号时采用的bt不同，bt’＝bt*(1+x)，其中，x为大于0的数值，x的大小根据频偏大小决定；同步调整模块3’用于对i支路信号和q支路信号分别进行位同步调整，并完成抽取，获得多个最佳采样点；修正模块4’用于进行频偏的测量和修正，以及相偏的测量和修正，得到i(k)和q(k)，其中，k为采样点的序号，k为大于1的正整数；差分检测模块5’用于分别对i(k)和q(k)进行一比特差分检测；差分解码模块6’用于对检测结果进行差分解码。
需要说明的是，上述gsmk信号检测方法中各步骤的具体细节均适用于此处提及的gsmk信号检测装置，此处不再进行赘述。
本发明提供的gsmk信号检测装置具有以上所述的结构，从而使得使用该gsmk信号检测装置检测gsmk信号的过程简单，且可以达到很好的检测效果。
通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在可读取的存储介质中，如计算机的软盘，硬盘或光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
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