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EDGE系統(tǒng)中GMSK和8psk調(diào)制的應用原理
摘要：EDGE 是一種從高GSM 到3G 的過渡技術，它是在GSM 系統(tǒng)中采用新的調(diào)制方法，即GMSK 調(diào)制和8psk 調(diào)制。本文從MSK、GMSK 和普通8psk、優(yōu)化8psk 的比較角度闡述了以上調(diào)制方法的原理、改進之處及方法的優(yōu)劣，從而進一步達到通信系統(tǒng)對調(diào)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(diào)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(diào)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(tǒng)8psk 調(diào)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(tǒng);EDGE;GMSK;8psk
0 引言
EDGE(是英文Enhanced Data Rate for GSM Evolution 的縮寫)，即增強型數(shù)據(jù)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(tǒng)中采用了一種新的調(diào)制方法，即最先進的多時隙操作和8PSK 調(diào)制技術。由于8PSK 可將現(xiàn)有GSM 網(wǎng)絡采用的GMSK 調(diào)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(xiàn)有的GSM 資源，因為它除了采用現(xiàn)有的GSM 頻率外，還利用了大部分現(xiàn)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(shù)據(jù)標準，它的最高速率可達384kbit/s，在一定程度上節(jié)約了網(wǎng)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(diào)制來源于恒包絡連續(xù)相位調(diào)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(xù)相位調(diào)制信號的功率譜旁瓣衰減得快，而恒包絡調(diào)制信號可用于丙類功率放大，功放效率高。GMSK 調(diào)制是高斯濾波最小移頻鍵控，在MSK 調(diào)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(diào)制是一類性能最優(yōu)秀的二進制調(diào)制。
在實際頻帶傳輸系統(tǒng)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(shù)據(jù)。為此必須采取高進制調(diào)制方式，對于在信道頻帶為給定的條件下，不論是MASK、MPSK、MQAM 數(shù)字調(diào)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(diào)制。但傳統(tǒng)的8PSK 調(diào)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(diào)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(diào)制，通過相位旋轉(zhuǎn)修正，矢量圖不經(jīng)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(zhuǎn)3 π /8(也相當于每一點旋轉(zhuǎn)π /8)。這樣星座圖上增加了8 個點，符號之間的最大跳變?yōu)? π /8，再經(jīng)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(diào)制原理
1.1 MSK 和GMSK 調(diào)制原理及比較
1.1.1 MSK 調(diào)制
MSK 調(diào)制是一種特殊的連續(xù)相位2FSK 調(diào)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(diào)頻信號。
1.1.2 GMSK 調(diào)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(diào)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(diào)制，這樣使得功率譜旁瓣衰減得更快。獲得廣泛應用的數(shù)字蜂窩通信GSM 系統(tǒng)采用BTb = 0.3的GMSK 調(diào)制方式(B為高斯濾波器3dB帶寬)。
1.2 8PSK 及3π /8_8psk 的調(diào)制原理及比較
(1)在8 進制移相鍵控調(diào)制中，8 進制符號間隔Ts 內(nèi)，已調(diào)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(tǒng)的增強性技術EDGE 中，為了提高數(shù)據(jù)傳信率，采用的是3 π /8 相位旋轉(zhuǎn)的8PSK 技術，由圖5 可知，傳統(tǒng)的8PSK 調(diào)制在符號邊界處最大的相位跳變?yōu)?plusmn;π，這樣造成信號包絡起伏非常大。由于8PSK 調(diào)制是線性調(diào)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(tǒng)中，采用了修正的8PSK 調(diào)制，即相位旋轉(zhuǎn)的8PSK 調(diào)制。通過相位旋轉(zhuǎn)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(diào)制仿真及討論
2.1 MSK 和GMSK 調(diào)制的頻譜仿真
由于 GMSK 調(diào)制是在MSK 調(diào)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(xù)相位調(diào)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(diào)制的特點
在 EDGE 系統(tǒng)中，因為傳統(tǒng)的8PSK 調(diào)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(tǒng)8PSK 調(diào)制是8 點)，并且每次跳變的路徑都不會經(jīng)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(diào)制星座圖，共16 個明顯的信號點簇(符號點數(shù)是1100，加入白噪聲的信噪比是15dB),但并不是兩兩都可以發(fā)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(shù)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(diào)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(tǒng)調(diào)制過程中運用的GMSK，是恒定包絡制，屬于連續(xù)相位調(diào)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(xiàn)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(yōu)秀的二進制調(diào)制方式。
利用3 π /8_8PSK 代替普通8PSK 調(diào)制，通過相位旋轉(zhuǎn)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?yōu)? π /8，使包絡起伏變小，有更優(yōu)良的性能。在EDGE 系統(tǒng)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(shù)據(jù)，使之成為2G 和3G 的過渡技術，滿足在移動通信中對調(diào)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(nèi);有效性，采用多進制調(diào)制;而且工程上易于實現(xiàn)，主要體現(xiàn)在恒包絡和峰平比上。以上三點在這兩種調(diào)制方法中均有體現(xiàn)，所以在EDGE 系統(tǒng)中，GMSK 和3 π /8_8PSK 調(diào)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(diào)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(nèi)，而EDGE 的高速率將提供給下行鏈路使用。因為絕大多數(shù)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(jīng)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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