东海科学技术学院
毕业论文（设计）
题目：船舶自动识别系统中数
字调制算法的编程实现
系：
学生姓名：
专业：电子信息工程
班级：
指导教师：
起止日期：3
船舶自动识别系统中数字调制算法的编程实现
周伟华
（浙江海洋学院东海科学技术学院，浙江舟山316000）
摘要
随着世界船舶数量的不断增加及船舶向大型化和高速化方向发展，世界重要水道越来越拥挤，安装AIS的目的是使所有安装AIS应答机的船舶为其它装有AIS应答机的船舶能“看得见”。由于这种特性，AIS将为船舶提供一种有效的避碰措施，并使雷达功能极大的增强。AIS的通信技术得到快速发展，许多优秀的调制技术应运而生，其中GMSK技术是无线通信中比较突出的一种二进制调制方法，它具有良好的频谱特性和较好的抗干扰性能，特别适用于无线通信和卫星通信，目前，很多通信标准都采用了GMSK技术。在本论文中首先介绍了AIS产生背景，AIS系统工作特点和功能，然后GMSK的基础MSK的一般原理，接着对GMSK的调制原理和几种调制方法进行了阐述，然后，重点研究了GMSK的几种差分解调方法并进行了比较，并用MATLAB对GMSK的调制解调进行了仿真，得到了时域波形，功率谱曲线和误码率曲线等重要数据。
关键词：AIS；GMSK；调制与解调；MATLAB
Abstract
Withtheincreasingnumberoftheworld''sshipsandvesselstolargescaleandhighspeeddirection,animportantwaterwayintheworldmoreandmorecrowded,thepurposeistoinstalltheAIS.AIStransponderforallinstallationsofshipstoothervesselsequippedwithAIStransponderscan"visible."Becauseofthisfeature,AISwillprovideaneffectivevesselcollisionavoidancemeasures,andtogreatlyincreasetheradarfunction.AISrapiddevelopmentofcommunicationtechnology,alotofgoodmodulationtechniquesemerged,includingGMSKwirelesscommunicationstechnologyismoreprominentinabinarymodulationmethod,whichhasgoodfrequencycharacteristicsandbetteranti-interferenceperformance,especiallyforwirelesscommunicationsandsatellitecommunications,atpresent,manycommunicationstandardsareusedGMSKtechnology.InthispaperfirstintroducesthebackgroundofAIS,AISsystemfeaturesandfunctionswork,thenthebasisofMSKGMSKgeneralprinciples,andthentotheGMSKmodulationprincipleandseveralmodulationmethodsareexplained,then,focusonthefewGMSKkindofdifferentialdetectionmethodandcompared,andusedMATLABtotheGMSKmodulationanddemodulationwassimulatedbyatimedomainwaveform,powerspectrum,andbiterrorratecurvesandotherimportantdata.
Keywords：AIS；GMSK；Modulationanddemodulation；MATLAB
目录
第一章引言 1
1.1AIS产生的背景 1
1.2AIS系统工作特点 1
1.3AIS系统的组成 1
1.4AIS系统工作原理 2
1.5AIS的主要功能 2
第二章MSK调制与解调 4
2.1MSK信号的基本原理 4
2.2MSK的调制解调原理 7
第三章GMSK的调制与解调 10
3.1GMSK的定义 10
3.2GMSK国内技术背景 10
3.3GMSK的调制解调 10
3.4GMSK调制的一般原理 11
3.5GMSK信号的产生 12
3.6高斯滤波器的矩形脉冲响应及功率谱密度 14
第四章GMSK信号的解调 15
4.1一比特差分检测 15
4.2二比特差分检测 17
第五章基于MATLAB的GMSK仿真 21
5.1GMSK仿真 21
5.2GMSK调制信号误码率分析 23
5.3实验结论 25
总结 26
致谢 27
参考文献 28
附录 29
第一章引言
船舶自动识别系统是一种船舶导航设备,能增强船舶间避免碰撞的措施，加强船用雷达、船舶交通管理系统、船舶报告的功能，能在电子海图上显示所有船舶可视化的航向、航线、船名等信息，达到改进海事通信的功能和提供一种船舶进行语音和文本通信的方法，可增强船舶的全局意识。GMSK（高斯滤波最小频移键控）调制作为一种连续相位的恒包络调制，具有带外辐射小、频谱利用率高的特点。
1.1AIS产生的背景
在AIS出现以前，船舶之间的信息交换极其有限。传统航海技术通过雷达、ARPA和VHF的对话来了解船舶的信息和航行状态。由于VHF设备操作问题和语言交流上存在问题而不能及时沟通和了解对方船舶的位置信息和操船意图，最终导致碰撞事故的发生。AIS是在上世纪90年代从北美和西欧的一些国家开始兴起和开发的。国际海事组织航海安全委员会（NAV）在1997年第43次全会上通过了《关于全球船舶自动识别系统AIS作业标准的建议案》；国际电工技术委员会IEC于2001年6月也通过了IEC61993-2关于《通用AIS的技术测试标准》的决议案，简称“AIS测试标准”。AIS系统的国际标准已经建立。
1.2AIS系统工作特点
AIS有三个工作模式：自动连续模式，适用于所有区域；指配模式适用于主管当局管辖的区域；寻呼或控制模式适用于特殊区域。应当注意的是，船舶大多在VTS或主管当局询问或指配TDMA链路的区域，自动模式被认为是AIS最重要的工作模式。AIS采用自组织时分（SOTDMA）技术解决了多船舶间通信信道的竞争问题，系统实时动态地调整信道分配，船舶自主选择空闲时隙发送信息而不干扰其他船舶的信道，从而实现了多船舶自主连续地进行动态信息交换，不需要认为的干扰。自组织时分多址（SOTDMA）可在射频信道上依据时隙分割技术来实现，并且应用该技术可达到多个移动用户之间相互通信的目的。SOTDMA协议将每个VHF信道的时间划分成固定长度的时隙，1MIN为1帧，1帧分成2250个时隙，1小时是6.7MS，可传送256b的信息，一个位置报占用一个时隙，其他报文可根据需要占用2-3个时隙，AIS设备按照SOTDMA协议，寻找空闲时隙发送本船信息，时隙分配根据通信链路的工作状态实时进行动态调整。
1.3AIS系统的组成
AIS系统由岸基台、船台、转发台、助航台、机载台组成。
AIS船载终端由信息处理器、信息显示器、VHF收发机和船用电子通信接口组成。如图1.1所示
图1.1AIS船载终端的构成框图
1.4AIS系统工作原理
船舶配备了AIS设备以后，设备一方面需要向外发送本船的相关信息，同时也要接收在VHF有效作用距离之内其他船舶的信息。接收到的信息一方面用文字的形式表示出来，另一方面可以形象地用雷达图表示，AIS船舶全部用三角符号“Δ”表示，直观地显示船舶的相对位置和运行方向，在电子海图上，可以用矢量线表示船舶的速度，必要时利用尾迹线表示船舶航行的轨迹，船位数据取自GPS乃至差分GPS，其精度很高。要是在AIS设备上选择一个目标或者在电子海图中从船舶标志处用鼠标点击一下，便可瞬时显示对应的船名、呼号、MMSI注册号以及航向、航速、CPA、TPCA等重要的航行信息。驾驶员了解了这些信息后，就可以非常方便地判断周围其他船舶的运动情况，确保航行安全，同时咋进行相互通信可以直呼其船名，信息交流非常方便。
1.5AIS的主要功能
AIS的主要功能包括：
AIS设备能在没有船员介入的情况下，自动和连续向岸基台及其他船台报告自己的导航数据和状态信息。同时，也能接受和处理有岸基台、其他船载台等传传送来的指令和相关信息；
AIS设备在所有区域通常工作在自主和连续模式，在岸基台的控制下也可以与指定模式或询问模式相互转换工作；
AIS设备能以高优先级和最小的延迟向岸基台和其他成员自动广播与安全有关的短信息，也能向指定的成员发送与安全有关的电文；
AIS设备能根据不同的用途，发射或接收及处理ITU-RM.1371。
AIS设备可以使用SOTMDA、ITDMA、ATDMA和或CSTDMA四种时分多址访问协议。AIS设备能使用与世界协调时UTC同步，或者在不能直接得到UTC时能够采用其他源同步的方法来保持TDMA工作的完整性；
AIS设备内部装有GNSS接收机，由此获得精确的UTC定时源，并能接收由岸基台广播的DGNSS修正数据，提供精确的船位精度。在失去外部提供船位信息源的情况下，内部GNSS接收机可被用作船位信息源；
AIS设备具有最小键盘和显示MKD，能人工输入航次和安全有关的信息，能进行AIS功能控制和数据选择等操作，能显示船舶航行有关的导航信息，能够提供提供有关的报警和状态信息指示。在MKD基础上可以考虑扩展具有电子海图显示和信息处理功能。在MKD基础上可以考虑扩展具有电子海图显示和信息处理功能，向操作员提供信息内容更丰富和更想象直观的显示；
AIS设备具有一个符合IEC61162标准的双向接口，用于远程应用。同时还根据相应的国际海事接口标准要求配置于各种传感器、船载系统及其相关应用的标准接口；
AIS设备提供必要的安全机制，以及发现AIS失效和防止未经许可的数据输入，发送或者更改。能自动记录AIS设备停止运行的所有时间，用户不得修改记录，当需要时可以恢复记录数据第二章MSK调制与解调
GMSK是以MSK为基础的一种调制方式，为更好的理解GMSK的调制解调原理，首先来了解下MSK（最小频移键控）。MSK(Minimumshiftkeying)是相位连续频移键控(CPFSK)的特殊形式，这是能够获得正交信号所要求的最小调制指数，也是MSK名称的由来。MSK是频移键控(FSK)的一种改进形式。在FSK方式中,每一码元的频率不变或者跳变一个固定值，而两个相邻的频率跳变码元信号，其相位通常是不连续的。所谓MSK方式，就是FSK信号的相位始终保持连续变化的一种特殊方式，可以看成是调制指数为0.5的一种CPFSK信号。GMSK与MSK的主要区别在于，GMSK在MSK基础上加了个高斯滤波器,是基带数字信号经高斯低通滤波器处理的MSK调制。为了减少已调信号的频谱宽度,可以减少高斯低通滤波器的归一化带宽BT(T是比特宽度)，常取0.2，0.25，0.3，0.4，0.5…等值，若BT=1，那么GMSK=MSK。
2.1MSK信号的基本原理
MSK信号具有包络恒定，相位连续，占用带宽最小的特性，其信号的表示式为
(2-1)
其中，k=0，1，…。
令，(2-2)
则式(2-1)可表示为
(2-3)
式中称为附加相位函数；为载波角频率；为码元宽度；为第k个输入码元，取值为土1；为第k个码元的相位常数，在时间中保持不变，其作用是保证在时刻信号相位连续。当(2-4)
当(2-5)
式中：MSK信号的两个频率分别为
(2-6)
(2-7)
中心频率应选为
,n=1,2,…(2-8)
式(2-8)表明，MSK信号在每个码元持续时间内包含载波周期的整数倍。还可以表示成
（N是正整数；m=0,1,2,3,…）(2-9)
相应地MSK信号的两个频率可写成：
=(2-10)
=(2-11)
可得频率间隔为：(2-12)
MSK信号的调制指数为：(2-13)
当N=1,m=0时,由实验仿真得到的MSK信号的时间波形如图2.1所示。
图2.1MSK信号的时间波形
对第k个码元的相位常数的选择应保证MSK信号相位在码元转换时刻是连续的[9]。根据这一要求，由式(2-2)可以得到相位约束条件为
（2-14）
假设的初始值等于0：
=0或（mod2）k=0,1,2,…(2-15)
从式（2-14）可以看出MSK信号前后码元区间具有相位约束关系，第K个码元的相位不仅和当前输入的有关，而且和前一码元的相位及有关。
由附加相位函数的表示式(2-2)可以看出，在此码元持续时间内它是t的直线方程，其斜率k=，截距为，由于的取值为土l，故是分段线性的相位函数。因此，MSK的整个相位路径是由间隔为的一系列直线段所连成的折线。在任一个码元期间若，则第K个码元的附加相位增加；若，则第K个码元的附加相位减少。对于给定的输入信号序列{=+1,+1,+1,-1,-1,+1,+1,+1,-1,-1,-1,-1,-1}，相应的附加相位函数的波形如图2.2所示
图2.2附加相位函数的波形图
对于各种可能的输入信号序列，的所有可能路径如图2.3所示，它是一个从到的网格图。
图2.3MSK的相位网络图
从以上分析总结得出，MSK信号具有以下特点：
MSK信号是恒定包络信号；
在码元转换时刻，信号的相位是连续的，以载波相位为基准的信号相位在一个码元期间内线性地变化；
在一个码元期间内，信号应包括四分之一载波周期的整数倍，信号的频率偏移等于，相应的调制指数h=0.5。
2.2MSK的调制解调原理
由MSK信号的一般表示式(2-3)可得
(2-16)
因为（2-17）
带入式(2-16)可得
(2-18)
上式即为MSK信号的正交表示形式。其同相分量，也称I支路，即为
(2-19)
其正交分量，也称为Q支路，为
(2-20)
其中和称为加权函数，或者调制函数。是同相分量的等效数据，是正交分量的等效数据，它们都与原始输入数据有确定的关系。令，，带入(2-18)得
(2-21)
根据以上讨论，可以用正交调幅方式来产生MSK信号，步骤为：
对输入数据序列进行差分编码；
把差分编码器的输出数据用串/并变换器分成两路，并相互交错一个码元宽度；
用加权函数和分别对两路数据进行加权；
用两路加权后的数据分别对正交载波和进行调制；
把两个输出信号进行叠加。
图2.4MSK调制器框图
MSK是FSK的一种改进形式，所以MSK信号是2FSK信号的一种，所以MSK信号也可采用相干解调或非相干解调。而在此了解延时判决相干解调法。
设，由图2.3知道，在t=2T时，的相位可能为0或。
在解调时，若用作为相干载波与此信号相乘，得到
（2-22）
式（2-22）中右端第二项的频率为。将它用低通滤波器滤除，并省略掉常数后，得：
（2-23）
假设输入的码元为“+1，+1”或“+1，-1”，则的值恒为正。如输入的一对码元为“-1，+1”或“-1，-1”，则的值恒为负。
图2.5附加相位函数变化
图2.6输出电压变化
这种解调方法是根据前后两个码元的信息对前一个码元作判决，这可以提高数据接收的可靠性。
图2.7MSK相干解调器框图。
图2.7中积分判决器的积分时间长度为2,其错开时间为。上路的积分判决器先输出第2个码元，然后下路积分判决器给出第（2+1）个码元。第三章GMSK的调制与解调
3.1GMSK的定义
GMSK(GaussianfilteredMSK)信号是在MSK调制信号基础上发展起来的。在1979年日本国际电报电话公司电气通信实验室提出了调制前高斯滤波的MSK,也就是GMSK。在MSK加一高斯低通滤波器,由于成形后的高斯脉冲包络无陡峭边沿,也无拐点,经调制后的已调波相位路径在MSK基础上进一步得到平滑。MSK(最小移频键控)信号可以看成是调制系数为0.5的连续相位FSK信号，尽管它具有包络恒定、相位连续、相对较窄的带宽和能相干解调的优点，但它不能满足某些通信系统对带外辐射的严格要求。为了压缩MSK信号的功率谱，在MSK调制前增加一级预调制滤波器，从而有效地抑制了信号的带外辐射。GMSK信号就是预调制滤波器为高斯低通滤波器的MSK信号。它具有恒包络、带外辐射小和抗干扰性强等特点，在世界范围内得到了广泛的应用，特别适用与无线信道和卫星信道[1]。
3.2GMSK国内技术背景
国内有些专题组建议对GSM系统调制方式给出统一规范，而具体的调制实现方法有待各国自己探讨，但鉴于商业利益，报道甚少。该专题组检索出一整套设计方法和具体的实现途径，业已被证明可行。(1)在高斯滤波最小移频键控调制器的实现上不采用工艺上制作困难的高斯滤波器，而利用计算机精确计算BT=0.3GMSK调制器的相位路径，并应用随机信号功率谱估计方法，对基带信号离散化参数进行了优化选择，再将计算后离散化基带信号制成码表，实现简单，便于数字集成及小型化。(2)由于移动通信信道复杂，该专题组不采用在卫星通信，数字微波中继通信中常用的锁相环相干解调方案，而采用准相干解调相关同步方案，即接收本振采用独立本振，接收信号在下变频后进行A/D变换得到数字信号。解调任务由数字信号处理器承担，完成比特同步，载波相位误差补偿及采用Viterbi算法的最大似然序列估计。该方案便于数字集成及小型化。(3)专题组研究了GSM系统采用Viterbi算法最大似然序列估计及相关同步技术的解调设计理论。专门对GMSK非线性调制信号在BT=0.3条件下可近似为参数差正交幅度调制的线性模型作了具体计算，从而解决了解调相关同步的线性运算，并结合能量窗检测办法得到信道冲激响应估计，然后通过Viterbi算法进行16状态最大似然序列估计。(4)些专题对数字移动信道进行了深入的研究和仿真，并对仿真置信度进行了检验，其检验结果与国外结果基本一致。在该基础上，完成了GSM系统GMSK调制解调在GSM建议的移动信道模型条件下的等效基础带仿真工作，其误码结果与国外IEEE期刊上发表的基本一致，证实了专题组对GSM系统调制解调及信道的理论分析是正确的。(5)硬件工作：用数字化方法产生的调制器经测试其功率谱符合GSM建议的要求。用IMS320C25数字信号处理器实现解调，其误码率符合要求。
3.3GMSK的调制解调
GMSK的调制原理和方法相对比较简单，在调制指数为0.5的VCO前加高斯滤波器就可以形成GMSK信号，在实际应用中通常采用波形存储法[3]来完成GMSK信号的调制。由于GMSK的解调的好坏直接影响系统性能，所以人们提出了许多解调方案。主要可以分为相干检测和非相干检测两种方法，由于在衰落信道中相干载波的捕获和跟踪相当困难，所以常用差分相位检测（DPD）接收机。但BT值较小时，DPD的性能比较差。为了解决这个问题，考虑用已判决的符号来抵消一半的码间干扰，据此提出了一比特二比特和三比特DPD判决反馈接收机[4]。文献[5]采用一比特DPD结合软输出维特比算法（SOVA）对某个符号在时间轴左右两个方向上的串扰均予以抵消，并由SOVA给出软输出作为后面的译码器输入，由此得到了很好的性能。文献[6]给出了卷积码和GMSK调制器级联系统的一种迭代译码方案，将最大后验概率（MAP）算法应用于GMSK差分相位检测器，使之能够接收先验信息并给出软输出，实现了解调器与其后的卷积码译码器之间的迭代计算，系统性能有明显的改进。文献[7]给出了两种非相干软输出检测算法，并将迭代译码原理应用于编码连续相位调制的解调。
为了进一步改善MSK的频谱性能，可以在MSK调制器前加一个高斯低通滤波器对输入的矩形信号进行滤波，使信号的相位变的平滑，功率谱更加收敛，这样的调制方式即为GMSK调制。
3.4GMSK调制的一般原理
GMSK调制的关键是高斯低通滤波器的设计。为了使输出频谱密集并保持MSK的特征，高斯滤波器必须具备以下特性[10]：
(1)窄带和尖锐的截止特性，以抑制FM调制器输入信号中的高频分量；
(2)脉冲响应过冲量小，以防止瞬时频偏过大；
(3)保持滤波器输出脉冲响应曲线下的面积对应于的相移，使调制指数为
其传输函数可表示为
(3-1)
式中(是与高斯滤波器的3dB带宽Bb有关的参数，它们之间的关系为：
(3-2)
根据传输函数求冲激响应，得
(3-3)
如果输入为双极性不归零矩形脉冲序列:
,(3-4)
(3-5)
其中，为码元间隔。高斯预调制滤波器的输出为
(3-6)
式中，为高斯预调制滤波器的脉冲响应：
(3-7)
式中：
BT不同时高斯预调制滤波器的脉冲响应的g(t)曲线如图3.1所示。
图3.1高斯滤波器对矩形脉冲的响应
GMSK信号的表达式为
(3-8)
式中：=(3-9)
GMSK信号的瞬时频率为：
(3-10)
为调制灵敏度，由下式决定：
(3-11)
高斯滤波器的输出脉冲经MSK调制得到GMSK信号，其相位路径由脉冲的形状决定。
3.5GMSK信号的产生
从原理上说，产生GMSK信号的简便方法是把输入数据信号经过高斯滤波器处理后再送入调制器进行频率调制即可[12]，见图3.2。在本设计中即采用这种方法完成GMSK的调制。
图3.2GMSK调制器的原理电路框图
为了有效地抑制MSK信号的外带功率辐射，预调制滤波器应具有以下特性：
(1)带宽窄并且具有陡峭的截止特性；
(2)脉冲响应的过冲较小；
(3)滤波器输出脉冲响应曲线下的面积对应于(/2的相移。
其中条件(1)是为了抑制高频分量；条件(2)是为了防止过大的瞬时频偏；条件(3)是为了使调制指数为0.5。
差分解调器解调电路框图如图3.2所示。由式(3-7)、(3-8)可知，在不同时刻，相位取决于输入数据和高斯滤波器冲激响应的卷积。我们知道，数据的取值是有限的，二进制只有+1和-1两种，在BT一定时，冲击响应的有效覆盖区域也是有限的（比如3、5、7和比特宽度）。因此，在任一比特区间，尽管有前后几个基带信号的响应交叠，但它们形成的和却只有数目有限的不同波形。这样，我们可以事先把所有可能出现的波形，经过取样存储而制定成和表格。工作时，根据输人数据形成查阅地址，在表中读出相应的数据，经过A／D变换和滤波后，即可得和波形，接着进行正交调制，就获得了GMSK信号。
图3.3用波形存储法产生GMSK信号的电路框图
产生GMSK信号的另一种方法是采用锁相环(PLL)法，其原理图如图3.4所示。图中，输入数据序列先进行相移BPSK调制，然后将该信号通过锁相环对BPSK信号的相位突跳进行平滑，使得信号在码元转换时刻相位连续，而且没有尖角。该方法实现GMSK信号的关键是锁相环传输函数的设计，以满足输出信号功率谱特性要求。
图3.4PPL型GMSK调制器框图
3.6高斯滤波器的矩形脉冲响应及功率谱密度
GMSK表达式为： （3-12）
其中an为输入数据。
通过计算机模拟得到的GMSK信号的功率谱如图所示。图中，横坐标为归一化频差(f?fc)Tb，纵坐标为功率谱密度，参变量为高斯低通滤波器的归一化3dB带宽与码元长度的乘积。的曲线是MSK信号的功率谱密度。GMSK信号的功率谱密度随值的减小变得紧凑起来。
图3.5GMSK功率频谱第四章GMSK信号的解调
GMSK信号具有相干和非相干两种解调方式。由于非相干解调省去了锁相环、本振和载波恢复电路等因而在结构上比较简单，造价比较低廉，应用比较广泛。非相干解调主要分成两类：差分方式和限幅鉴频的方式。本章主要研究GMSK信号的差分解调，包括一比特和二比特差分检测。
4.1一比特差分检测
图4.1一比特差分检测框图
普通一比特差分检测框图如图4.1所示。带通滤波器的输入为混有高斯白噪声的GMSK信号，输出y(t)的表达式为：
(4-1)
其中为信号时变包络，为信号相位，和分别是窄带噪声的同相分量和正交分量。
在延迟一个码元时间并移相90度后与原信号相乘，然后经低通滤波器滤波后得到：
(4-2)
式中，）为噪声项。为获得上式，我们假设，k为整数。在抽样时刻KT，有如下形式：
(4-3)
式中=(4-4)
表4.1一比特差分检测不同BT值对应的表
BT 0.15
0.2
0.25
0.3
0.4
0.5
1.0
0.3
－
－
－
－
－
－
－ 4.55
0.7
0.6
0.2
－
－
－
－ 21.85
20.6
18.2
15.9
12.5
10.3
5.9
－ 36.6
45.4
52.4
57.8
65.0
69.4
78.2
90.0 21.85
20.6
18.2
15.9
12.5
10.3
5.9
－ 4.55
0.7
0.6
0.2
－
－
－
－ ０.3
－
－
－
－
－
－
－ －
0.6
29.6
51.2
80.0
97.6
132.8
180.0 19.8
46.2
67.2
83.4
105.0
118.2
144.6
180.0
对不同BT值所对应的值已于表4.1列出，其中，代表信号项，，，，，和代表干扰项。由于h=1/2,上表中任何一行之和等于90度。当大于等于3时，可以忽略不记。所以，我们把（4-3）重写为
(4-5)
式中(4-6)
当BT等于0.25时，对于各种可能的输入数据组合所产生的差分相位角由表4.2列出。该表列出了抽样时刻所有可能的差分相位角，通过该表我们可以画出一比特差分检测的相位状态图，如图4.2所示。
从图4.2可以看出：
相位状态关于x轴对称，判决门限为x轴，当位于x轴之上时，被判为+1，否则被判为-1，即
(4-7)
为了研究BT值对于一比特差分检测性能的影响，在表4.2中列出了具有相反极性的状态最接近的相位差别，我们把它定义为最小差分相位角
(4-8)
从表4.2可以看出，普通一比特差分接收机在BT大于0.2时具有正的。如果把前置带通滤波器所引起的码间干扰也考虑在内，一比特差分接收机能处理的最小BT值大约为0.22[14]。
BitCombination State
(indegrees) 111
11-1
-111
-11-1
1-11
1-1-1
-1-11
-1-1-1 1
2
2
3
4
5
5
6 88.8
52.4
52.4
16.0
-16.0
-52.4
-52.4
-88.8 表4.2一比特差分检测相位状态表
图4.2BT=0.25时的一比特差分检测相位状态图
4.2二比特差分检测
普通二比特差分接收机框图如图4.3所示，y(t)延时两个比特时间再与原信号相乘经低通滤波器滤波后得到
(4-9）
在抽样时刻KT，可表示为
(4-10)
图4.3二比特差分接收机框图
式中(4-11)
不同BT所对应的值如表4.3所示，其中和代表信号，，，，为干扰项。表4.3中任何一行之和都等于180度，其中当和时几乎为0，所以把(4-10)重写为
(4-12)
式中=(4-13)
表4.3二比特差分检测不同BT所对应的值表
BT 0.15
0.18
0.2
0.25
0.3
0.4
0.5
1.0
4.85
2.7
1.7
0.6
0.2
－
－
－
－ 26.4
23.9
22.3
18.8
16.2
12.5
10.3
5.9
－ 58.45
63.4
66.0
70.6
73.6
77.5
79.7
84.1
90.0 58.45
63.4
66.0
70.6
73.6
77.5
79.7
84.1
90.0 26.4
23.9
22.3
18.8
16.2
12.5
10.3
5.9－ 4.85
2.7
1.7
0.6
0.2
－
－
―― －
20.4
36.0
63.6
81.6
105.0
118.2
144.6
180.0 52.4
73.6
84.0
102.4
114.4
130.0
138.8
156.4
180.0 当BT=0.25时，各种可能的输入数据组合所产生的差分相位角已于表4.3列出。通过该表我们得到二比特差分检测的相位状态，如图4.4所示
表4.4二比特差分检测相位状态表
BitCombination State
(indegrees) 11-11
1-111
11-1-1
1-11-1
-11-11
-1-111
-1-11-1
-11-1-1
1-1-11
1-1-1-1
-1-1-11
-1-1-1-1
1111
111-1
-1111
-111-1 7
7
8
8
8
8
9
9
10
11
11
12
12
13
13
14 37.6
37.6
0.0
0.0
0.0
0.0
-37.6
-37.6
-103.6
-141.2
-141.2
-178.8
178.8
141.2
141.2
103.6
.
图4.4普通二比特差分接收机相位状态图
为了确定输出比特的极性，我们假设判决门限为y轴，当在y轴右边时，为-1，否则为+1。由于已知，所以就可以知道。但如果发生错判就会导致后面一系列码元发生错判，因而我们在信源进行差分编码即来避免这种情况，因为，所以
(4-14)
由图4.4可以看出二比特差分接收机的相位状态并不是关于y轴对称的。为了这种情况下的误码性能，在判决时加一个直流门限，即相当于把图4.4中的判决门限移到轴，由此降低了误码率。
二比特接收机的最小差分相位角定义为[15]
(4-15)
不同BT情况下的值已于表4.3列出，从表4.3我们还可以得出结论，普通二比特差分接收机可以应用于BT值大于等于0.18的系统。第五章基于MATLAB的GMSK仿真
GMSK频带调制模块对输入信号实施GMSK调制，产生频带调制信号。GMSK频带调制器模块首先通过GMSK基带调制器把输入信号转换成基带调制信号，然后把这个基带信号调制到高频载波上，形成频带调制信号。高斯低通滤波器的作用是使基带方波的“棱角”加以圆滑。本仿真模型对GMSK调制和解调过程进行仿真，以分析GMSK调制信号误码率与信道信噪比之间的关系。
5.1GMSK仿真
GMSK信号的产生用到了MATLAB中的Simulink组件中的基带GMSK产生模块，Simulink组件中的基带GMSK产生模块的输入为双极性码或二进制码。在MATLAB环境下中建立一个仿真模型
图5.1GMSK调制解调系统仿真模型
在图5.1所示的GMSK调制解调系统仿真模型中，选择贝努利二进制序列产生器（BernoullibinaryGenerator）产生一个二进制序列，然后通过GMSK调制模块(GMSKModulatorPassband)得到已调信号。这个已调信号首先通过一个加性高斯白噪声信道模块(AWGNChannel)，然后通过GMSK解调模块(GMSKDemodulatorPassband)对其实施解调，得到二进制解调信号。通过示波器观察，可以看出GMSK是恒包络的、连续相位的调制方式。
图5.2输入信号波形图
图5.3初始相位等于零的余弦波形图
图5.4初始相位等于零的正弦波形图
图5.5GMSK的功率谱密度
图5.5所示GMSK的功率在0-0.5Hz前随频率增加而变化快，大于1.5Hz时GMSK功率较于稳定。表明了GMSK信号能量集中，外带功率衰减快，这样对相邻的码间干扰小，正是信号发送和接收所必须的。
5.2GMSK调制信号误码率分析
误码率是调制信号的一个重要性能指标。在Simulink模块库中找出相应的模块，即基带信号源、GMSK调制／解调模块、加性高斯白噪声AWGN(AdditiveWhiteGaussianNoise)模块以及误码率统计(ErrorRateCalculation)模块。
在MATLAB环境下建立仿真模型：
图5.6GMSK调制信号误码率曲线的仿真模型
图5.7MSK调制信号误码率曲线的仿真模型
根据GMSK调制解调模型，GMSK基带调制信号先通过一个AWGNChannel(加性高斯白噪声模块)，然后由GMSKDemodulatorBaseband(GMSK基带解调器模块)对其进行解调，最后由ErrorRateCalculation(误码率统计模块)统计GMSK调制信号的误码率。建好模侯，首先对GMSK，MSK，调制方式进行比较，在MATLAB命令窗口输入调用程序，编制程序文件见附录。
在程序中设置信源产生信息的比特率R=10kb/s，设置GMSK基带调制解调器模块的输出信号采样数参数xSamplesPerSymbol为2，设置GMSK调制与解调器的BT乘积为0.3。运行程序文件，结果如图5.8所示
图5.8MSK与GMSK误码率比较
从图5.8看出GMSK数字调制随着信噪比的增加，信号误码率降低比MSK慢。但是GMSK相位路径的尖角比MSK平滑，其频谱特性优于MSK；
改变GMSK调制与解调器的乘积，取和，在不同信噪比下绘制出MSK和GMSK的图形：
图5.9不同BT值下GMSK与MSK的衰减图形
从图5.9中看出的性能比的差；的曲线比较接近MSK曲线；MSK曲线的性能较优。从原理上讲，GMSK是MSK的改进，GMSK频谱在主瓣以外比MSK衰减得更快，且邻路干扰小。但是，GMSK信号的频谱特性的改善是通过降低误码率性能换来的。前置滤波器的带宽越窄，即B值越小，输出功率谱越紧凑，误码率性能就变得越差。当BT趋于无穷时，GMSK就蜕变为MSK。虽然，图8只比较了和的曲线，但从趋势上来看，BT的值越大，其曲线将越接近MSK曲线。但是当GMSK调制信号的频谱随着BT值的减小而变得紧凑的时候，GMSK调制信号的误码性能却变得越来越差。所以在使用GMSK调制方式的时候，需要选择一个折中的BT值，使GMSK信号既有紧凑的频谱，又有良好的误码性能。在MATLAB中可以通过错误率统计模块绘制GMSK信号的误码率与信噪比的关系曲线。绘制GMSK调制信号误码率曲线的仿真模型。
5.3实验结论
通过实验仿真和分析得知，在一个突发脉冲串时间内，GMSK不仅具有恒定包络调制的特性，适合在非线性信道中传输而且其带宽也比普通MSK的窄。在参数选择时，当时侯，GMSK调制信号具有较理想的性能。由于GMSK不仅保留了MSK的优点，而且频谱在主瓣以外衰减得更快，且邻路干扰小，因此在AIS中信号的发送和接受信息得到广泛的应用。
总结
在刘玉良教授的细心指导下，顺利的完成了对船舶自动识别系统（AIS）中GMSK调制与解调的探索与研究。通过MATLAB对MSK和GMSK调制解调的仿真，让我对AIS系统中数据交换和工作原理有了全新的认识。更重要的是让我知道仿真在处理实际问题的重要性。
通过查阅一些资料，使我对船舶自动识别系统的基本知识有了一个比较详细的了解，让我对AIS系统产生了浓厚的兴趣，为我的大学所学知识做了一个很好的概括。
在做这次设计时遇到了很多难题，但在老师的细心指导下克服了，并从中学到了让人新奇的东西。另外也清楚的认识到自己对信号调制知识的匮乏，以后要弥补自己在这方面的不足。在这次设计涉及的MATLAB软件，在以前课上没有接触到Simulink模块，所以用这模块做功率频谱和信噪比的仿真中遇到了很多难题，但在老师的指导下进步了很多。
在未来的船舶通信系统中一个重要标志是能提供极大的系统容量，而无线资源是非常有限的，这就需要研究带宽效率和功率效率都很高的新的调制技术，实现自适应调制的编码调制方式就是为了达到这个目的，而GMSK是一种基于MSK的二进制调制方法，具有包络恒定、功率谱收敛、抗干扰性强等优点，所以能在船舶通信系统信号的调制解调中广泛应用。此外，发射分集技术的兴起，采用时空编码提高通信能力，为自适应调制技术的研究提供了新的发展空间，把时空编码与多进制调制结合起来，加上自适应处理，将会有令人关注的新结果，它将是移动通信调制技术研究的新课题
致谢
首先我要感谢刘玉良老师的热心的指导和帮助，在他的细心指导下我才顺利地完成毕业设计。并且我也学到了很多书本上根本看不到的东西，例如他那负责态度，平易近人的品质，以及认真求实的作风都值得我去学习。
同时我还要感谢给予我帮助和指导的老师。如王老师在我四年大学期间，他在生活和学习上都给予我许多帮助，时常来了解我们的学习情况和生活状况，如有困难，他总是想尽办法帮我们解决。还有我的任课老师:李长青老师、冯燕尔老师、赵秋亮老师、张华老师等,正是他们辛勤和耐心的教导,我们才学到了很多知识及处人处事的方式，这些都是在社会上立足的根本。另外我要感谢系里的老师,正是有了他们辛勤的工作和帮助,我们才能顺利的完成学业。
其次我要感谢学院的所有老师，他们四年来对我的学习生活都给与了不同程度的指导和帮助，正是他们忘我的付出，我们才能成为21世纪的接班人，才能为我们的祖国奉献我们赤热的心。真的很感谢！
再次感谢同学们在我刚入门时的指点。C06电信2班是一个温暖的大家庭，忘不了和同学们一次次的热情交谈和惺惺相惜，会永远怀念和大家一起度过的日日月月，我想能够结识他们是我人生一个伟大的的机遇。
最后感谢我的父母以及关心我的家人和朋友。当我离开家扬帆远航的时候，他们的祝福是我力量的源泉，他们的劝戒是我前进的航标。一次次犯错，一次次改进，一次次跌倒，一次次站起，四年我一步步的成长。
四年是一段情感，一段生活，一个梦，一篇最重要的参考文献。四年的快乐中透着忧伤，忧伤中透出快乐。四年的忧伤和快乐织成一个结，永远徜徉于菁菁复旦的美丽情结。
参考文献
[1]杨雪丽,郑碧月,朱广良.GMSK调制信号的仿真[J].信息技术.2004,(3):13-15
[2]万福，赵云波.一种GMSK调制算法及其实现.通信与广播电视[J].2003，(2):14-15
[3]GiulioColavolpeandRiccardoRaheli.Noncoherentsequencedetectionofcontinuousphasemodulation[D].IEEETransCommun,1999,47(9):1303-1307
[4]H.Mathis.DifferentialdetectionofGMSKsignalswithlowBTusingtheSOVA[D].IEEE.Commun,1998,46(4):428-430
[5]秦冠锋，周世东，肖立民.消除GMSK信号符号间串扰的迭代译码技术.电子学报[J].1999，Vol.27.
[6]GiulioColavolpe,GianhuigiFerrari,RiccardoRaheli.Noncoherentiterative(Turbo)decoding[D].IEEETrans,Commun,2000,48(9):1488-1498.
[7]樊昌信,徐炳祥.通信原理.第五版[M].北京:国防工业出版社，2001
[8]张辉,曹丽娜.现代通信原理与技术[M].西安:电子科技大学出版社，2002
[9]郭梯云,詹道庸,杨恰.数据传输(修订本)[M].北京:人民邮电出版社，1998
[10]郭梯云,邬国扬,李建东.移动通信[M].西安:电子科技大学出版社，2000
[11]樊昌信.通信原理教程[M].北京:电子工业出版社，2004
[12]娄丽.GMSK数字调制的仿真与分析[J].现代电子技术.2004,(18):66-68
[13]A.Yonga?coglu,D.Makrakis,andK.Feher.DifferentialdetectionofGMSKusingdecisionfeedback[D].IEEETrans.Commun,vol.36,pp.641–649.
[14]M.K.SimonandC.C.Wang.DifferentialdetectionofGaussianMSKmobileradioenvironment[D].IEEETrans.Veh.Techno,1984,11:307-320
[15]A.Yongaqoglu,D.Makrakis,H.Ohnishi,andK.Feher,“AnewreceiverfordifferentialdetectionofGMSK,”inProc[D].GLOEECOM’86,pp.1039-1044.
[16]曾宪伟，张萌.一种GMSK解调方案的研究与实现[J].电子器件,2002，25(4)：397-401.
[17]约翰·G·普罗克斯.现代通信系统使用MATLAB.刘树棠译[M].西安交通大学出版社.2001
[18]陈萍.现代通信实验系统的计算机仿真[M].北京:国防工业出版社.2003
[19]刘敏,魏玲.MATLAB通信仿真与应用[M].北京:国防工业出版社.2001
[20]邓华.Matlab通信仿真及应用实例详解[M].北京:人民邮电大学出版社，2003.附录
GMSKMSK俩者调制仿真的误码率性能比较.M
%设置调制信号的抽样间隔
xSampleTime=1/10000;
%设置仿真时间的长度
xSimulationTime=10;
%设置随机数产生的初始化种子
xInitialSeed=61;
%设置GMSK调制器的回溯长度
xTracebackLength=4;
%x表示信噪比取值范围
x=0:10;
%y1表示GMSK调制的误比特率
%y2表示MSK调制的误比特率
y1=x;
y2=x;
fori=1:length(x);
%信噪比依次取向量x的数值
xSNR=x(i);
%执行GMSK仿真模型
sim(''GMSK'');
%从xErrorRate中获得调制信号的误比特率
y1(i)=xErrorRate(1);
end
fori=1:length(x);
%信噪比依次取向量x的数值
xSNR=x(i);
%执行MSK仿真模型
sim(''MSK'');
%从xErrorRate中获得调制信号的误比特率
y2(i)=xErrorRate(1);
end
fori=1:length(x);
%信噪比依次取向量x的数值
xSNR=x(i);
semilogy(x，y1，''b''，x，y2，''r''，);
%增添曲线栅格
gridon;
I
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14
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20
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30
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船用电子通信接口
GPS/DGPS
陀螺罗经
VHF收发机
信息处理器
计程仪
信息显示器
1
0
1
t
0
0
1
0
-180
（11）或（10）
（正极性）
（负极性）
1
t
（00）或（01）
-1
积分判决
解调输出
MSK
载波提取
积分判决
高斯
滤波器
MSK调制器
h=0.5
输入
输出
地址产生器
Cos[]表
Sin[]表
D/A
D/A
LPF
LPF
放大器
移相
BPSK
LPF
VCO
输入
输出
|
|
