EDGE系統中GMSK和8psk調制的應用原理

時間：2024-06-01 17:36:50 研究生論文我要投稿

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　　摘要：EDGE 是一種從高GSM 到3G 的過渡技術，它是在GSM 系統中采用新的調制方法，即GMSK 調制和8psk 調制。本文從MSK、GMSK 和普通8psk、優化8psk 的比較角度闡述了以上調制方法的原理、改進之處及方法的優劣，從而進一步達到通信系統對調制技術的要求。隨后運用MATLAB，比較了MSK、GMSK 的性能，并將改善的8psk 調制技術仿真，從而證實了先前的原理，即GMSK 不存在相位躍變點，屬于恒包絡調制，相比MSK 具有更緊湊的功率譜、更高的頻譜利用率;而改善后的8psk 避免了傳統8psk 調制在符號邊界處最大的相位跳變 ,減小了信號包絡起伏，減小了功放非線性而導致的信號畸變。

　　關鍵詞： GPRS 移動通信系統;EDGE;GMSK;8psk

　　0 引言

　　EDGE(是英文Enhanced Data Rate for GSM Evolution 的縮寫)，即增強型數據速率GSM演進技術。EDGE 是一種從GSM 到3G 的過渡技術，它主要是在GSM 系統中采用了一種新的調制方法，即最先進的多時隙操作和8PSK 調制技術。由于8PSK 可將現有GSM 網絡采用的GMSK 調制技術的信號空間從2 擴展到8，從而使每個符號所包含的信息是原來的4倍。之所以稱EDGE 是因為它是GPRS 到第三代移動通信的過渡性技術方案，這種技術能夠充分利用現有的GSM 資源，因為它除了采用現有的GSM 頻率外，還利用了大部分現有的GSM 設備。EDGE 技術有效地提高了GPRS 信道編碼效率及其高速移動數據標準，它的最高速率可達384kbit/s，在一定程度上節約了網絡投資，可以充分滿足未來無線多媒體應用的帶寬需求。

　　GMSK 調制來源于恒包絡連續相位調制方式(MSK),此方式能在非線性限帶信道中使用，不存在相位躍變點，因為連續相位調制信號的功率譜旁瓣衰減得快，而恒包絡調制信號可用于丙類功率放大，功放效率高。GMSK 調制是高斯濾波最小移頻鍵控，在MSK 調制前加一高斯濾波器，信號得到平滑，其功率譜旁瓣衰減得更快，所以GMSK 調制是一類性能最優秀的二進制調制。

　　在實際頻帶傳輸系統中，由于信道的頻率資源有限，因而要求有效地利用信道頻帶，盡量提高信帶的頻帶利用率，傳輸高速數據。為此必須采取高進制調制方式，對于在信道頻帶為給定的條件下，不論是MASK、MPSK、MQAM 數字調制方式，當M 增加時，頻帶利用率都有增加，但為了達到一定的誤碼性能，最終選擇了8PSK 調制。但傳統的8PSK 調制在符號邊界處的相位跳變是±π，這樣造成信號包絡起伏非常大，由于8PSK 信號屬于線性調制，為了盡可能減小信號畸變，對于射頻功放的要求非常苛刻。所以在EDGE 中采用了修正的8PSK 調制，通過相位旋轉修正，矢量圖不經過原點，減少了信號包絡的起伏變化，從而減少了功放非線性導致的信號畸變。因此將每個符號周期將星座旋轉3 π /8(也相當于每一點旋轉π /8)。這樣星座圖上增加了8 個點，符號之間的最大跳變為7 π /8，再經過高斯濾波后，降低旁瓣功率，減少帶外干擾，使信號頻譜更集中。

　　1、調制原理

　　1.1 MSK 和GMSK 調制原理及比較

　　1.1.1 MSK 調制

　　MSK 調制是一種特殊的連續相位2FSK 調制，其兩個載頻之間的頻率間隔是1/(2Tb)，則此2FSK 信號正交，并且此MSK 信號也是調頻信號。

　　1.1.2 GMSK 調制

　　由于 MSK 的相位路徑是折線，其功率譜旁瓣隨著頻率偏離中心頻率，衰減得還不夠快，所以要在MSK 調制之前加一高斯濾波器，使其信號波形得到平滑，再將其送入VCO 進行調制，這樣使得功率譜旁瓣衰減得更快。獲得廣泛應用的數字蜂窩通信GSM 系統采用BTb = 0.3的GMSK 調制方式(B為高斯濾波器3dB帶寬)。

　　1.2 8PSK 及3π /8_8psk 的調制原理及比較

　　(1)在8 進制移相鍵控調制中，8 進制符號間隔Ts 內，已調信號的載波相位是8 個可能的離散相位之一，其中每個載波相位對應于3 個二進制符號。

　　(2)在GPRS 系統的增強性技術EDGE 中，為了提高數據傳信率，采用的是3 π /8 相位旋轉的8PSK 技術，由圖5 可知，傳統的8PSK 調制在符號邊界處最大的相位跳變為±π，這樣造成信號包絡起伏非常大。由于8PSK 調制是線性調制，為了盡可能減小信號畸變，對于射頻功放的要求非常苛刻。因此在EDGE 系統中，采用了修正的8PSK 調制，即相位旋轉的8PSK 調制。通過相位旋轉的修正，矢量圖軌跡就不再過原點，減小了信號包絡的起伏變化。

　　2、調制仿真及討論

　　2.1 MSK 和GMSK 調制的頻譜仿真

　　由于 GMSK 調制是在MSK 調制之前加入一個高斯濾波器(BTb = 0.3)，從而信號波形得到平滑，其連續相位調制信號的相位路徑也更平滑，頻譜(或者功率譜)旁瓣衰減得更快，說明了GMSK 和MSK 的頻譜差別。

　　2.2 3/8_8psk 調制的特點

　　在 EDGE 系統中，因為傳統的8PSK 調制的最大相位跳變是，造成很大的包絡起伏，為了減小信號畸變，使每個空間信號點偏移3 π /8，跳變只能在相鄰符號進行，所以在星座圖上看到的是16 個點(傳統8PSK 調制是8 點)，并且每次跳變的路徑都不會經過原點，最大相位跳變是7 π /8，可以很形象的看出以上原理。

　　在頻率為100Hz 的8 進制隨機序列下，修正后的8PSK 調制星座圖，共16 個明顯的信號點簇(符號點數是1100，加入白噪聲的信噪比是15dB),但并不是兩兩都可以發生跳變，最大跳變相位是7 π /8，圖10 的兩圖很好地說明了這一點,其中上圖的跳變軌跡數為1500，下圖的跳變軌跡是11000，白噪聲信噪比都相同。可以看出即使跳變點再增加但都不會像普通8PSK 調制一樣通過原點。

　　3、結論

　　通過以上討論與仿真，可知在EDGE 系統調制過程中運用的GMSK，是恒定包絡制，屬于連續相位調制，不存在相位躍變點，利用高斯濾波器，可以達到預期的使頻譜旁瓣衰減較快的特性，使信號波形平滑，能量更加集中于主瓣，減少干擾,并且在工程實現上，GMSK對高功率放大器要求低，功放效率高，所以GMSK 是一類性能最優秀的二進制調制方式。

　　利用3 π /8_8PSK 代替普通8PSK 調制，通過相位旋轉的修正，矢量圖軌跡就不再過原點，減小了信號包絡的起伏變化，從而減小了功放非線性而導致的畸變。使最大相位跳變由±π，變為7 π /8，使包絡起伏變小，有更優良的性能。在EDGE 系統中，下行鏈路所使用的3 π /8_8PSK 之前還加入了高斯濾波器，整合了包絡性能，更適合傳輸高速數據，使之成為2G 和3G 的過渡技術，滿足在移動通信中對調制方式的選擇：可靠性，即抗干擾特性—功率譜密度集中于主瓣內;有效性，采用多進制調制;而且工程上易于實現，主要體現在恒包絡和峰平比上。以上三點在這兩種調制方法中均有體現，所以在EDGE 系統中，GMSK 和3 π /8_8PSK 調制都有很好的應用。在連接移動終端的地方可以采取兩種調制方式，第一種是將GMSK傳輸用于上行鏈路，將8PSK 用于下行鏈路。這樣上行鏈路的速率將限制在GPRS的范圍內，而EDGE 的高速率將提供給下行鏈路使用。因為絕大多數服務對下行鏈路的速率要求都要比上行鏈路高，這種方案可以用一種最經濟的方式滿足移動終端的服務需求。第二種方式就是在上行鏈路和下行鏈路中都采取決8PSK 方式進行傳輸。

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