GMSK的相干和非相干“基于PAM表示的串行接收器PAM“研究附Matlab代码-优快云博客

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🔥 内容介绍

在数字通信系统不断演进的当下，调制解调技术始终是核心环节。高斯最小频移键控（GMSK）作为一种卓越的调制方式，融合了高斯低通滤波与最小频移键控的长处。其具备恒定包络特性，这使得信号在经过非线性功率放大器时，能有效规避信号失真，保障通信质量；同时，较高的频谱效率让其在有限的带宽资源下，可传输更多的数据，在全球移动通信系统（GSM）、无线局域网（WLAN）以及甚高频数字链路（VDL）等诸多无线通信场景中广泛应用。

为了充分挖掘 GMSK 调制的潜力，实现高效可靠的信号接收，基于脉冲幅度调制（PAM）表示的串行接收器应运而生。该接收器能够分别构建相干与非相干检测机制，以适配复杂多样的通信环境，从多维度提升信号接收的质量与效率，在现代通信领域展现出重要的研究价值与应用前景。

二、GMSK 调制原理与 PAM 表示思想

（一）GMSK 调制过程剖析

GMSK 的调制流程较为精细。首先，输入的数字信息序列会被映射为二进制符号序列，完成信息的初步数字化转换。接着，二进制序列进入根升余弦滤波器进行整形。这一环节至关重要，通过滤波器的作用，信号的带宽得到精准限制，有效减少了信号在传输过程中的频谱扩散，降低对相邻信道的干扰。最后，整形后的信号作为频率调制信号的输入，借助频率调制器，利用高斯低通滤波器输出信号的幅度变化来控制载波的瞬时频率，产生 GMSK 调制信号。整个过程环环相扣，保证了信号具备良好的功率和带宽效率。

（二）PAM 表示的核心思路

由于 GMSK 信号具有连续相位变化的特征，为了便于接收器设计，可将其巧妙表示为 PAM 信号的形式。具体而言，在每个符号间隔内对 GMSK 信号的相位变化量进行采样，再将采样得到的相位变化值映射到对应的 PAM 符号。例如，若相位变化量在某个范围内，对应一个特定幅度值的 PAM 符号。这种映射关系并非随意确定，而是紧密依赖于所选定的 GMSK 调制参数，诸如滤波器的滚降系数和调制指数等。合理的参数设置与映射方式，能极大地简化接收器结构，使得经典的 PAM 解调技术得以迁移应用于 GMSK 解调，为后续接收器的构建奠定基础。

三、基于 PAM 表示的相干串行接收器

（一）设计架构

相干接收器的设计旨在精准恢复发送信号的原始信息，其核心依赖于对发送信号相位信息的掌握。在基于 PAM 表示的 GMSK 相干接收器架构中，接收信号首先进入匹配滤波器。匹配滤波器的设计极为关键，其冲激响应依据 GMSK 信号的波形特征进行定制，确保在接收到信号时，能够最大化信噪比，将有用信号从噪声与干扰中尽可能地提取出来。经过匹配滤波后，得到的信号中 PAM 脉冲特征更加凸显。

（二）解调流程

当 PAM 脉冲被提取后，便进入解调环节。由于已知发送信号的相位信息，此时可利用该相位信息对每个 PAM 脉冲进行解调操作。具体实现上，将接收到的 PAM 脉冲信号与已知相位的参考信号进行相关运算，通过计算两者的相关性，精准判断出 PAM 脉冲所携带的原始比特信息。例如，若相关结果大于某个阈值，则判定为 “1”，反之则为 “0”。整个解调过程对相位精度要求极高，相位的微小偏差都可能导致解调错误，影响信号恢复的准确性。

（三）性能特点

相干接收器的优势在于其卓越的解调性能。在理想的通信环境下，即噪声和干扰较小、信道稳定时，相干接收器能够近乎完美地恢复出原始信号，误码率可维持在极低水平。然而，其对系统的要求也较为苛刻。一方面，需要精确的定时同步机制，确保采样时刻与发送信号的符号间隔严格对齐，否则采样点一旦偏离最佳位置，就会引入较大的解调误差；另一方面，获取准确的发送信号相位信息并非易事，在实际通信中，信道的时变特性、多径传播等因素会导致信号相位发生复杂变化，准确估计相位需要复杂的算法与硬件支持，这无疑增加了系统的实现复杂度与成本。

四、基于 PAM 表示的非相干串行接收器

（一）设计架构

非相干接收器的设计初衷是应对存在相位误差或相位不确定性的通信环境，其架构相较于相干接收器更为简洁。在基于 PAM 表示的 GMSK 非相干接收器中，同样会对接收到的信号进行初步处理，但重点关注的是信号的幅度信息，而无需精确知晓发送信号的相位。

（二）解调流程

解调过程主要围绕 PAM 脉冲的幅度展开。当接收到信号并经过适当滤波等预处理后，通过计算每个 PAM 脉冲的幅度值来估计其对应的比特值。例如，预先设定幅度阈值，若检测到的 PAM 脉冲幅度大于阈值，则判定为 “1”，小于阈值则判定为 “0”。在实际应用中，为了提高解调的准确性与稳定性，通常会采用自适应算法来补偿因采样时刻偏差等因素带来的影响，像最小均方误差（MMSE）算法通过不断调整解调参数，使解调结果尽可能逼近真实值；维特比算法则利用信号的前后相关性，在复杂的信号序列中寻找最有可能的比特序列，从而提升解调性能。

（三）性能特点

非相干接收器最大的优势在于对定时同步的要求大幅降低，采样时刻即使略微偏离最佳采样点，依然能够进行解调，这极大地简化了接收器的设计与实现，降低了系统成本。同时，由于无需精确的相位信息，在一些相位快速变化或难以准确估计相位的信道环境中，如快衰落信道，非相干接收器展现出更强的适应性与鲁棒性。不过，其缺点也较为明显，相较于相干接收器，在相同的信噪比条件下，非相干接收器的误码率较高，解调性能相对较差，这意味着在信号恢复的准确性上有所牺牲。

五、应用案例与性能对比

（一）实际通信场景应用

在 GSM 系统中，基于 PAM 表示的相干串行接收器凭借其高精度的解调性能，能够在基站与手机通信时，准确恢复出语音与数据信号，保障通话清晰、数据传输稳定。但在城市高楼林立的环境中，信号易受多径传播影响，相位快速变化，此时相干接收器的性能会受到较大冲击。而非相干接收器则在一些对实时性要求较高、信号相位难以稳定跟踪的无线传感器网络中表现出色，如工业监测场景下，传感器节点间通信环境复杂多变，非相干接收器能够以较低的成本和复杂度实现信号接收，尽管存在一定误码，但通过合理的编码纠错机制，依然能够满足数据传输的基本要求。

（二）性能对比分析

通过 Matlab 仿真对两者性能进行对比。在加性高斯白噪声（AWGN）信道下，生成不同信噪比（SNR）的 GMSK 调制信号，分别采用相干和非相干接收器进行解调。结果显示，在高信噪比区域（如 SNR > 10dB），相干接收器的误码率可低至 10^-5 以下，远远优于非相干接收器；但在低信噪比区域（如 SNR < 5dB），非相干接收器虽然误码率较高，但依然能够维持一定的通信能力，而相干接收器由于相位估计困难，误码率急剧上升，甚至导致通信中断。在多径衰落信道仿真中，非相干接收器在信道快速变化时，误码率增长相对平缓，展现出良好的适应性；相干接收器则需要更为复杂的信道估计与均衡算法来维持性能。

六、结论与展望

基于 PAM 表示的串行接收器为 GMSK 信号的接收提供了灵活且有效的解决方案。相干接收器以其高精度的解调能力，在信道条件良好、对信号恢复准确性要求极高的场景中发挥关键作用；非相干接收器则凭借对相位不敏感、结构简单、适应性强的特点，在复杂信道环境与对成本、复杂度要求苛刻的应用中崭露头角。

展望未来，随着通信技术向更高频段、更复杂场景发展，一方面可深入研究将先进的机器学习算法融入相干接收器的相位估计与同步环节，进一步提升其在恶劣信道下的性能；另一方面，针对非相干接收器，探索新型的调制与解调组合方式，在维持其优势的同时，有效降低误码率。此外，结合更高效的信道编码技术，从整体上提升基于 PAM 表示的 GMSK 串行接收器在各类通信环境中的可靠性与有效性，以满足未来通信多样化、高速化的需求。