EDGE系统中GMSK和8psk调制的应用原理

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。

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