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探讨EDGE系统中GMSK和8psk调制的应用原理

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翻新时间:2022-12-20

探讨EDGE系统中GMSK和8psk调制的应用原理

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摘要:EDGE 是一种从高GSM 到3G 的过渡技术,它是在GSM 系统中采用新的调制方法,即GMSK 调制和8psk 调制。本文从MSK、GMSK 和普通8psk、优化8psk 的比较角度阐述了以上调制方法的原理、改进之处及方法的优劣,从而进一步达到通信系统对调制技术的要求。随后运用MATLAB,比较了MSK、GMSK 的性能,并将改善的8psk 调制技术仿真,从而证实了先前的原理,即GMSK 不存在相位跃变点,属于恒包络调制,相比MSK 具有更紧凑的功率谱、更高的频谱利用率;而改善后的8psk 避免了传统8psk 调制在符号边界处最大的相位跳变 ,减小了信号包络起伏,减小了功放非线性而导致的信号畸变。

关键词: GPRS 移动通信系统;EDGE;GMSK;8psk

0 引言

EDGE(是英文Enhanced Data Rate for GSM Evolution 的缩写),即增强型数据速率GSM演进技术。EDGE 是一种从GSM 到3G 的过渡技术,它主要是在GSM 系统中采用了一种新的调制方法,即最先进的多时隙操作和8PSK 调制技术。由于8PSK 可将现有GSM 网络采用的GMSK 调制技术的信号空间从2 扩展到8,从而使每个符号所包含的信息是原来的4倍。之所以称EDGE 是因为它是GPRS 到第三代移动通信的过渡性技术方案,这种技术能够充分利用现有的GSM 资源,因为它除了采用现有的GSM 频率外,还利用了大部分现有的GSM 设备。EDGE 技术有效地提高了GPRS 信道编码效率及其高速移动数据标准,它的最高速率可达384kbit/s,在一定程度上节约了网络投资,可以充分满足未来无线多媒体应用的带宽需求。

GMSK 调制来源于恒包络连续相位调制方式(MSK),此方式能在非线性限带信道中使用,不存在相位跃变点,因为连续相位调制信号的功率谱旁瓣衰减得快,而恒包络调制信号可用于丙类功率放大,功放效率高。GMSK 调制是高斯滤波最小移频键控,在MSK 调制前加一高斯滤波器,信号得到平滑,其功率谱旁瓣衰减得更快,所以GMSK 调制是一类性能最优秀的二进制调制。

在实际频带传输系统中,由于信道的频率资源有限,因而要求有效地利用信道频带,尽量提高信带的频带利用率,传输高速数据。为此必须采取高进制调制方式,对于在信道频带为给定的条件下,不论是MASK、MPSK、MQAM 数字调制方式,当M 增加时,频带利用率都有增加,但为了达到一定的误码性能,最终选择了8PSK 调制。但传统的8PSK 调制在符号边界处的相位跳变是±π,这样造成信号包络起伏非常大,由于8PSK 信号属于线性调制,为了尽可能减小信号畸变,对于射频功放的要求非常苛刻。所以在EDGE 中采用了修正的8PSK 调制,通过相位旋转修正,矢量图不经过原点,减少了信号包络的起伏变化,从而减少了功放非线性导致的信号畸变。因此将每个符号周期将星座旋转3 π /8(也相当于每一点旋转π /8)。这样星座图上增加了8 个点,符号之间的最大跳变为7 π /8,再经过高斯滤波后,降低旁瓣功率,减少带外干扰,使信号频谱更集中。

1、调制原理

1.1 MSK 和GMSK 调制原理及比较

1.1.1 MSK 调制

MSK 调制是一种特殊的连续相位2FSK 调制,其两个载频之间的频率间隔是1/(2Tb),则此2FSK 信号正交,并且此MSK 信号也是调频信号。

1.1.2 GMSK 调制

由于 MSK 的相位路径是折线,其功率谱旁瓣随着频率偏离中心频率,衰减得还不够快,所以要在MSK 调制之前加一高斯滤波器,使其信号波形得到平滑,再将其送入VCO 进行调制,这样使得功率谱旁瓣衰减得更快。获得广泛应用的数字蜂窝通信GSM 系统采用BTb = 0.3的GMSK 调制方式(B为高斯滤波器3dB带宽)。

1.2 8PSK 及3π /8_8psk 的调制原理及比较

(1)在8 进制移相键控调制中,8 进制符号间隔Ts 内,已调信号的载波相位是8 个可能的离散相位之一,其中每个载波相位对应于3 个二进制符号。

(2)在GPRS 系统的增强性技术EDGE 中,为了提高数据传信率,采用的是3 π /8 相位旋转的8PSK 技术,由图5 可知,传统的8PSK 调制在符号边界处最大的相位跳变为±π,这样造成信号包络起伏非常大。由于8PSK 调制是线性调制,为了尽可能减小信号畸变,对于射频功放的要求非常苛刻。因此在EDGE 系统中,采用了修正的8PSK 调制,即相位旋转的8PSK 调制。通过相位旋转的修正,矢量图轨迹就不再过原点,减小了信号包络的起伏变化。

2、调制仿真及讨论

2.1 MSK 和GMSK 调制的频谱仿真

由于 GMSK 调制是在MSK 调制之前加入一个高斯滤波器(BTb = 0.3),从而信号波形得到平滑,其连续相位调制信号的相位路径也更平滑,频谱(或者功率谱)旁瓣衰减得更快,说明了GMSK 和MSK 的频谱差别。

2.2 3/8_8psk 调制的特点

在 EDGE 系统中,因为传统的8PSK 调制的最大相位跳变是,造成很大的包络起伏,为了减小信号畸变,使每个空间信号点偏移3 π /8,跳变只能在相邻符号进行,所以在星座图上看到的是16 个点(传统8PSK 调制是8 点),并且每次跳变的路径都不会经过原点,最大相位跳变是7 π /8,可以很形象的看出以上原理。

在频率为100Hz 的8 进制随机序列下,修正后的8PSK 调制星座图,共16 个明显的信号点簇(符号点数是1100,加入白噪声的信噪比是15dB),但并不是两两都可以发生跳变,最大跳变相位是7 π /8,图10 的两图很好地说明了这一点,其中上图的跳变轨迹数为1500,下图的跳变轨迹是11000,白噪声信噪比都相同。可以看出即使跳变点再增加但都不会像普通8PSK 调制一样通过原点。

3、结论

通过以上讨论与仿真,可知在EDGE 系统调制过程中运用的GMSK,是恒定包络制,属于连续相位调制,不存在相位跃变点,利用高斯滤波器,可以达到预期的使频谱旁瓣衰减较快的特性,使信号波形平滑,能量更加集中于主瓣,减少干扰,并且在工程实现上,GMSK对高功率放大器要求低,功放效率高,所以GMSK 是一类性能最优秀的二进制调制方式。

利用3 π /8_8PSK 代替普通8PSK 调制,通过相位旋转的修正,矢量图轨迹就不再过原点,减小了信号包络的起伏变化,从而减小了功放非线性而导致的畸变。使最大相位跳变由±π,变为7 π /8,使包络起伏变小,有更优良的性能。在EDGE 系统中,下行链路所使用的3 π /8_8PSK 之前还加入了高斯滤波器,整合了包络性能,更适合传输高速数据,使之成为2G 和3G 的过渡技术,满足在移动通信中对调制方式的选择:可靠性,即抗干扰特性—功率谱密度集中于主瓣内;有效性,采用多进制调制;而且工程上易于实现,主要体现在恒包络和峰平比上。以上三点在这两种调制方法中均有体现,所以在EDGE 系统中,GMSK 和3 π /8_8PSK 调制都有很好的应用。在连接移动终端的地方可以采取两种调制方式,第一种是将GMSK传输用于上行链路,将8PSK 用于下行链路。这样上行链路的速率将限制在GPRS的范围内,而EDGE 的高速率将提供给下行链路使用。因为绝大多数服务对下行链路的速率要求都要比上行链路高,这种方案可以用一种最经济的方式满足移动终端的服务需求。第二种方式就是在上行链路和下行链路中都采取决8PSK 方式进行传输。

[参考文献] (References)

[1] 吴伟陵,牛凯著 移动通信原理[M] 电子工业出版社 2005

[2] 周炯檗,庞沁华,续大我等著 通信原理[M] 北京北京邮电大学出版社 2005

[3] 飞思科技产品研发中心著 MATLAB 辅助信号处理技术与应用[M] 北京电子工业出版社2005

[4] 徐明远,邵玉斌著 MATLAB 仿真在通信与电子工程中的应用[M] 陕西西安电子科技大学出版社2005.

[5] EGPRS TEST Meeting the challenge of 8PSK modulation [J] Agilent Technologies 2001

[6] Mearing EDGE Signals[J] News From Rohde&Schwarz 2002.1/173

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