CDMA移动通信原理实验指导书V11.doc

目目 录录 第一章第一章 实验系统介绍实验系统介绍 1 1 1 系统组成 1 1 2 系统实现 1 第二章第二章 CDMA 实验实验 10 实验一 GOLD 序列特性实验 10 实验二 GOLD 序列的捕获与跟踪实验 15 实验三 扩频与解扩实验 20 实验四 载波提取实验 25 实验五 PSK 调制与解调实验 29 实验六 位同步提取实验 36 实验七 帧同步提取实验 42 实验八 纠错编码实验 50 实验九 CDMA 移动通信系统实验 54 参考书目参考书目 61 CDMA 移动通信原理实验指导书 1 第一章第一章 实验系统介绍实验系统介绍 1 1 系统组成系统组成 本实验系统主要用于高校 移动通信 扩频通信 等课程的实验教学 可进行移动通 信各种一般性原理的实验 覆盖移动通信课程的主要知识点 同时具有较强的系统性 能够 模拟直扩码分多址 DS CDMA 移动通信系统 本实验系统的主要参考教材为西安电子科技大学出版社出版 郭梯云 邬国扬 李建东 编著的 移动通信 修订版 和西安电子科技大学出版社出版 查光明 熊贤祚编著的 扩频通信 这两本教材被很多高校所采用 具有较强的权威性 其中 DS CDMA 系统的设计我们紧密结合 扩频通信 一书 着重突出教材的重点 PN 码的特性 扩频和解扩 同步和捕获等知识点 使用户通过实验进一步理解 CDMA 的精 髓 同时 该系统还包含码分多址 伪随机序列的捕获和跟踪 数字调制与解调 位同步 帧同步提取 载波恢复 纠错编解码等众多功能 可以构成一个完整的移动通信系统 具体实验内容有 1 GOLD 序列特性实验 2 GOLD 序列的捕获和跟踪实验 3 扩频与解扩实验 4 载波提取实验 5 PSK 调制与解调实验 6 位同步提取实验 7 帧同步提取实验 8 纠错编码实验 9 CDMA 移动通信系统实验 1 2 系统实现系统实现 现代通信技术取得的突出成就之一就是 CDMA Code Division Multiple Access 码分多 址 技术 由于 CDMA 技术可以处理多媒体数据业务的异步特性 可以提供比传统多址技 术 如 TDMA Time Division Multiple Access 时分多址 FDMA Frequency Division Multiple Access 频分多址 更高的容量 并且能够抵抗信道的频率选择性衰落 可以提供 方便的多用户接入 所以公认它将作为第三代移动通信的主要技术 CDMA 系统按照扩张频谱方式的不同可分为 1 直接序列扩频 CDMA DS CDMA 用待传信息信号与高速率的伪随机码序列相 乘后 去控制射频信号的某个参量而扩展频谱 2 跳频扩频 CDMA FH CDMA 数字信息与二进制伪随机码序列模二相加后 去 离散地控制射频载波振荡器的输出频率 使发射信号的频率随伪随机码的变化而跳变 3 跳时扩频 CDMA TH CDMA 跳时是用伪随机码序列来启闭信号的发射时刻和 持续时间 发射信号的 有 无 同伪随机序列一样是伪随机的 4 混合式 由以上三种基本扩频方式中的两种或多种结合起来 便构成了一些混合扩 CDMA 移动通信原理实验指导书 2 频体制 如 FH DS DS TH FH TH 等 其中 DS CDMA 系统是目前应用最广泛的一种扩频 CDMA 系统 被 CDMA2000 WCDMA TD SCDMA 等第三代移动通信系统采用 我们的实验系统就设计 了一个完整的 DS CDMA 系统 重点放在伪随机码的特性 扩频和解扩 同步和捕获等知识 点上 同时也具备码分多址 位同步 帧同步提取 载波恢复 纠错编解码等众多功能 1 2 1 发射机的实现发射机的实现 其发射机实现框图如图 1 2 1 所示 图图 1 2 1 CDMA 系统发射机实现框图系统发射机实现框图 两路信息码均在发射机的CPLD中产生 周期为8 分别由两个8位拨码开关 SIGN1置 位 和 SIGN2置位 进行置位 码速率1K 2K可变 由拨位开关 信码速率 控制 拨码 开关拨上时码速率为2K 拨下时为1K 两路扩频码为在CPLD中产生的127位Gold序列 分 别受两个8位开关 GOLD1置位 和 GOLD2置位 控制 可以任意改变 码速率 100K 200K可变 由拨位开关 扩频码速率 控制 拨位开关拨上时码速率为200K 拨下时 为100K 两路信息码分别与Gold1和Gold2进行扩频后 再进行PSK调制 当拨位开关 第一路 拨上 第二路 拨下时 发射机输出点TX输出的信号为SIGN1与GOLD1扩频调制后的信 号 当拨位开关 第一路 拨下 第二路 拨上时 发射机输出点TX输出的信号为SIGN2 与GOLD2扩频调制后的信号 当两个拨位开关均拨上时 发射机输出点TX输出的信号为两 路信号的叠加 拨位开关 扩频 可对是否扩频进行选择 当拨码开关拨上时表示不对信息 码进行扩频 拨下时扩频 这样便于对比观察是否扩频的PSK信号的频谱 另外 在发射机还可对SIGN1进行汉明编码 当拨位开关 编码 拨上时对SIGN1进行 编码 拨下时不编码 8位拨码开关 误码 的作用是对编码后的信号人为设置误码 以检 验汉明编码的纠错效果 该部分各测试点的位置如图 1 2 1 所示 在图中标明及未标明的测试点分别表示 SIGN1 当拨位开关 编码 拨下时 SIGN1 第一路信息码输出点 输出 8 位 NRZ 码 码字与拨码开关 SIGN1 置位 的设置一致 码速率受拨位开关 信码速率 控制 拨位开 扩频1 信号 发生器1 信号 发生器2 扩频2 GOLD序列 发生器1 GOLD序列 发生器2 GOLD2 置位 PSK 调制器1 PSK 调制器2 TX CW 10 7M 加法器 GOLD1 置位 功放 SIGN1 SIGN2 GOLD1 GOLD2 S1 KP S2 KP PSK1 PSK2 TX SIGN1 置位 SIGN2 置位 第一路 第二路 CDMA 移动通信原理实验指导书 3 关拨上时码速率为 2K 拨下时为 1K 当拨位开关 编码 拨上时 SIGN1 为第一路信息码 经过汉明编码信号输出点 输出为第一路信息码的汉明编码并加入帧同步码 1110010 后 的 NRZ 码 周期为 21 位 第一个 7 位为巴克码 1110010 第二个 7 位为第一路信号码 高四位经 7 4 汉明码编码后的数据 第三个 7 位为第一路信息码低四位经 7 4 汉明码编码后 的数据 同时 后两个 7 位的数据还受拨码开关 误码 的控制 当 误码 开关的 2 8 位中的某一位置高时 后两个 7 位的数据相应位取反 码速率同样受拨位开关 信码速率 控制 拨位开关拨上时码速率为 2K 拨下时为 1K SIGN2 第二路信息码输出点 输出 8 位 NRZ 码 码字与拨码开关 SIGN2 置位 的 设置一致 码速率受拨位开关 信码速率 控制 拨位开关拨上时码速率为 2K 拨下时为 1K GOLD1 第一路扩频码输出点 输出 127 位的 GOLD 序列 码型为 NRZ 码 码速率受 拨位开关 扩频码速率 控制 拨位开关拨上时码速率为 200K 拨下时为 100K GOLD2 第二路扩频码输出点 输出 127 位的 GOLD 序列 码型为 NRZ 码 码速率受 拨位开关 扩频码速率 控制 拨位开关拨上时码速率为 200K 拨下时为 100K S1 KP 当拨位开关 扩频 拨下时为 SIGN1 与 GOLD1 扩频后的输出点 输出 NRZ 码 码速率由扩频码速率决定 拨位开关 扩频码速率 拨上时码速率为 200K 拨下时为 100K 当拨位开关 扩频 拨上时为 SIGN1 信号输出点 不扩频 输出与 SIGN1 或者 同 差分编码 当 编码 拨上时 一致 S2 KP 当拨位开关 扩频 拨下时为 SIGN2 与 GOLD2 扩频后的输出点 输出 NRZ 码 码速率由扩频码速率决定 拨位开关 扩频码速率 拨上时码速率为 200K 拨下时为 100K 当拨位开关 扩频 拨上时为 SIGN2 信号输出点 不扩频 输出与 SIGN2 一致 TX CW 发射机 10 7M 载波信号输出点 输出 10 7MHz 的正弦波 峰峰值超过 1V PSK1 S1 KP 信号经过 PSK 调制后的输出点 输出载波为 10 7M 的 PSK 信号 PSK2 S2 KP 信号经过 PSK 调制后的输出点 输出载波为 10 7M 的 PSK 信号 TX 发射机发射信号输出点 当拨位开关 第一路 拨上 第二路 拨下时 输出 经过功率放大后的 PSK1 信号 当拨位开关 第一路 拨下 第二路 拨上时 输出经过 功率放大后的 PSK2 信号 两个拨位开关同时拨上时 输出为 PSK1 和 PSK2 叠加 放大后 的信号 两个拨位开关同时拨下时 输出为空 S1 BS SIGN1 和 SIGN2 位同步信号输出点 输出为方波 频率受拨位开关 信码速率 控制 拨位开关拨上时频率为 2KHz 拨下时为 1KHz S1 FS 当拨位开关 编码 拨上时为 SIGN1 帧同步信号输出点 输出为脉冲波 频率 受拨位开关 信码速率 控制 拨位开关拨上时频率为 2 21KHz 拨下时为 1 21KHz 当拨 位开关 编码 拨下时输出为零 差分编码 差分编码 当拨位开关 编码 拨下时 差分编码输出点的波形同 SIGN1 一致 当 拨位开关 编码 拨上时 差分编码输出点的波形为 SIGN1 第一路信息码汉明编码后 的信号 差分编码波形 G1 BS GOLD1 和 GOLD2 位同步信号输出点 输出为方波 频率受拨位开关 扩频码 速率 控制 拨位开关拨上时频率为 200K 拨下时为 100K CDMA 移动通信原理实验指导书 4 1 2 2 接收机的实现接收机的实现 接收机实现框图如图 1 2 2 所示 图图 1 2 2 CDMA 系统接收机实现框图系统接收机实现框图 接收机按电路实现的功能可分为四部分 扩频码的捕获和跟踪 载波提取 PSK解调和 差分译码 汉明解码 1 扩频码的捕获和跟踪 扩频码的捕获和跟踪 在扩展频谱系统中 为了使接收端能够正确恢复信码 必须使接收端产生的解扩用的伪 随机码和发送端的伪随机码同步 伪随机码的同步一般分两步进行 第一步是搜索和捕获伪 随机码的初始相位 使其与发端的码相位误差小于 1bit 这就可保证解扩后的信号通过相关 器后面的窄带中频滤波器 通常称这一步为初始同步或捕获 第二步是在初始同步的基础上 使码相位误差进一步减小 使已建立的同步保持下去 通常称这一步为跟踪 常用的捕获方法有滑动相关法 前置同步码法 发射参考信号法 突发同步法和匹配滤 波器同步法 在 CDMA 系统接收端 捕获的实现大多采用滑动相关法 本接收机也是采用 滑动相关法 由图 1 2 2 中的 TX 同相 支路和 CPLD 构成滑动相关捕获电路 如图 1 2 3 所示 乘法器1 乘法器3 乘法器2 扣码电路 GOLD序列 发生器3 超前1 2位 滞后1 2位 GD TX GD CQ GD ZH GOLD3 置位 VCO C VCO 门限判决 TX3 判断是否停止扣码 BPF1 BPF2 BPF3 包络检波1 包络检波2 包络检波3 TX1 TX2 CQ1CQ2 减法器 ZH1ZH2 PSK解调差分译码 高放 载波提取 CQ3 ZH3 RX 汉明解码 CDMA 移动通信原理实验指导书 5 图图 1 2 3 滑动相关捕获电路滑动相关捕获电路 接收到的信号与本地伪随机码相乘后再积分 即求出它们的互相关值 然后在门限检测 器中与某一门限值比较 以判断是否已捕获到有用信号 这里是利用伪随机码的相关特性 当两个相同的码序列相位上一致时 其相关值有最大的输出 一旦确认捕获完成 则捕获指 示信号的同步脉冲控制搜索控制钟 调整伪随机码发生器产生的伪随机码的重复频率和相位 使之与收到的信号保持同步 实现跟踪也是利用伪随机间的相关特性实现的 一般采用延迟锁定环来实现 本接收机 用图 1 2 2 中的 CQ 超前 支路 ZH 滞后 支路 VCO 和 CPLD 构成延迟锁定环 如图 1 2 4 所示 图图1 2 4 延迟锁定环跟踪电路延迟锁定环跟踪电路 输入信号与本地 PN 序列的超前和滞后序列作互相关运算 然后分别进行带通滤波 包 络检波 最后相减 得到误差函数 误差电压经过环路滤波 送到压控振荡器控制时钟频率 的变化 这个时钟再推动本地 PN 序列发生器 产生本地 PN 序列的超前和滞后序列 为了方便实验 我们在捕获电路的门限判决处加了一个旋转电位器 捕获 用于改变比 较的门限值 以捕捉有用信号 同时用发光二极管 捕获指示 的亮灭来判断是否已捕捉到 有用信号 同时 在跟踪电路VCO处加了一个旋转电位器 跟踪 用来调节VCO的压控信 号的直流电平 增大接收机的时钟调节范围 使锁相更容易 接收机的扩频码GOLD3受8位拨码开关 GOLD3置位 控制 因此 当 GOLD3置位 与 GOLD1置位 一致而与 GOLD2置位 不一致时 解调出信息码SIGN1 当 GOLD3 包络检波解扩 时钟 PN码发生器扣码 BPF门限判决 解调 包络检波BPF 包络检波BPF 环路滤波 压控 时钟 PN码 发生器 t t CDMA 移动通信原理实验指导书 6 置位 与 GOLD2置位 一致而与 GOLD1置位 不一致时 解调出的信息码SIGN2 拨 位开关 信码速率 扩频码速率 解码 分别对应发射机的拨位开关 信码速率 扩频码速率 编码 该部分各测试点的位置如图 1 2 2 所示 在图中标明及未标明的测试点分别表示 RX 接收机接收到的经过滤波放大后的信号 GD TX 接收机同相支路同相 GOLD 序列输出点 当接收机完成捕获和跟踪后 该点 输出的 GOLD 序列应与发射机的 GOLD 序列同频同相 TX1 接收机同相支路解扩后 滤波前信号输出点 当接收机完成捕获和跟踪后 该点 输出为解扩后的 PSK 信号 TX2 接收机同相支路滤波后 检波前信号输出点 TX3 接收机同相支路检波后信号输出点 当接收机捕获前输出 GOLD 序列的相关峰 GD CQ 接收机超前支路超前 GOLD 序列输出点 输出与 GD TX 频率 码字一致 相 位超前半个码元的 GOLD 序列 CQ1 接收机超前支路解扩后 滤波前信号输出点 CQ2 接收机超前支路滤波后 检波前信号输出点 CQ3 接收机超前支路检波后信号输出点 当接收机捕获前输出 GOLD 序列的相关峰 相位比 TX3 超前半个码元 GD ZH 接收机滞后支路超前 GOLD 序列输出点 输出与 GD TX 频率 码字一致 相 位滞后半个码元的 GOLD 序列 ZH1 接收机滞后支路解扩后 滤波前信号输出点 ZH2 接收机滞后支路滤波后 检波前信号输出点 ZH3 接收机滞后支路检波后信号输出点 当接收机捕获前输出 GOLD 序列的相关峰 相位比 TX3 滞后半个码元 VCO C 延迟锁定环中 VCO 控制信号输出点 当接收机捕获前输出延迟锁定环的鉴相 特性 G3 BS GOLD3 位同步信号输出点 输出为方波 频率受拨位开关 扩频码速率 控 制 拨位开关拨上时频率为 200K 拨下时为 100K 2 载波提取 载波提取 当接收机采用同步解调或相干检测时 接收机需要提供一个与发射机调制载波同频同相 的相干载波 这个相干载波的获取就称为载波提取 或称为载波同步 本接收机载波提取使 用科斯塔斯环法 科斯塔斯环又称同相正交环 其原理框图如图 1 2 5 所示 环路 滤波器 低通2 压控 振荡器 低通1 90 相移 输入已调信号输出 乘法器1 乘法器2 乘法器3 V7 V5 V1 V2 V4V6 V3 CDMA 移动通信原理实验指导书 7 图图 1 2 5 科斯塔斯环原理框图科斯塔斯环原理框图 在科斯塔斯环环路中 误差信号 V7是由低通滤波器及两路相乘提供的 压控振荡器输 出信号直接供给一路相乘器 供给另一路的则是压控振荡器输出经 90o移相后的信号 两路 相乘器的输出 V3 V4均包含有调制信号 两者相乘以后可以消除调制信号的影响 经环路 滤波器得到仅与压控振荡器输出和理想载波之间相位差有关的控制电压 从而准确地对压控 振荡器进行调整 恢复出原始的载波信号 接收机载波提取电路的实现如图 1 2 6 所示 图图 1 2 6 接收机载波提取电路实现框图接收机载波提取电路实现框图 收机接收到的扩频 PSK 信号经过解扩后 在 TX1 处得到 PSK 信号 经过带通滤波器到 TX2 再送入载波提取电路得到相干载波 COS 在实验过程中 由于科斯塔斯环频率锁定范围较小 因此需要调节电位器 频率调节 使压控振荡器的自由振荡频率接近 10 7MHz 同时 为观察 PSK 信号载波提取中易出现的 相位模糊 又称倒 现象 我们在科斯塔斯环输入处加入了一个拨位开关 调制信号 输入 反复断开 连接该开关 可以观察到提取的载波会出现 0 和 两种初始相位 该部分各测试点的位置如图 1 2 6 所示 在图中标明及未标明的测试点分别表示 相乘相乘 1 COS 信号与 PSK 信号相乘 滤波后输出点 当环路锁定后该点输出为 PSK 信号中包含的基带信号 相乘相乘 2 SIN 信号与 PSK 信号相乘 滤波后输出点 当环路锁定后该点输出为零 相乘相乘 3 相乘 1 信号与 相乘 2 信号相乘后输出点 当环路锁定后该点输出为零 VCO 环路中压控振荡器的控制信号 当环路锁定后该点输出为零 COS 环路中压控振荡器输出信号滤波后的输出点 输出为正弦波 当环路锁定后该点 输出频率与 PSK 的载波频率 相位一致 3 PSK 解调解调 接收机 PSK 解调使用相干解调方法 PSK 相干解调的原理如图 1 2 7 所示 低通滤波器抽样判决器 位同步信号 带通滤波器相乘器 调制信号 输入 解调信号 输出 本地载波 环路 滤波器 低通2 压控 振荡器 低通1 90 相移 TX2 COS 相乘1 相乘2 相乘3 乘法器1 乘法器2 乘法器3 VCO 10 7M 滤波器 COS 调制信号 输入 CDMA 移动通信原理实验指导书 8 图图 1 2 7 PSK 解调实现框图解调实现框图 PSK 调制信号先经过带通滤波器 然后调制信号经过乘法器与载波信号相乘后 去掉了 调制信号中的载波成分 再经过低通滤波器去除高频成分 得到包含基带信号的低频信号 对此信号进行抽样判决 就可以得到基带信号了 接收机 PSK 解调电路实现框图如图 1 2 8 所示 图图 1 2 8 接收机接收机 PSK 解调电路实现框图解调电路实现框图 其中 乘法器和低通滤波器与载波提取电路的科斯塔斯环中的乘法器 1 和低通 1 为同一 电路 整形 比较 电平可通过旋转电位器 整形 改变 该部分各测试点的位置如图 1 2 8 所示 在图中标明及未标明的测试点分别表示 TX1 同捕获和跟踪电路中的 TX1 TX2 同捕获和跟踪电路中的 TX2 COS 同载波提取电路中的 COS 整形前 整形前 同载波提取电路中的 相乘 1 整形电平 整形电平 对 整形前 信号进行整形 判决 的直流电平 整形后 整形后 对 整形前 信号进行整形 判决 后得到的信号 应与发射机 SIGN1 接收第一路信号时 一致 当干扰较大时 会有一定误码存在 BS 接收机提取位同步信号输出点 输出为方波 频率应与发射机位同步信号 S1 BS 频率一致 当干扰较大时 位同步信号频率会有一定的跳变 判决后 判决后 对 整形后 信号利用接收机提取的位同步信号进行抽样判决后得到的信号 应与发射机 SIGN1 接收第一路信号时 一致 当干扰较大时 会有一定误码存在 但 误码率较 整形后 的误码率小 注 当发射端的注 当发射端的 编码编码 拨上时 拨上时 整型后整型后 判决后判决后 的波形应与发射机的波形应与发射机 差分编码差分编码 一致 一致 4 汉明解码 汉明解码 接收机汉明解码电路实现框图如图 1 2 9 所示 带通 滤波器 TX1 已调信号 乘法器 COS 相干载波 TX2低通 滤波器 整形 电平 BS 判决后整形后整形前 整形 抽样 判决 位同步 提取 U300 FS DECODE 汉明 解码 帧同步 提取 逆差分 CDMA 移动通信原理实验指导书 9 图图 1 2 9 接收机汉明解码电路实现框图接收机汉明解码电路实现框图 其中帧同步提取 汉明解码分别由单片机 AT89C2051 U211 U212 完成 该部分各测试点的位置如图 1 2 9 所示 在图中标明及未标明的测试点分别表示 逆差分 逆差分 同发射机的第一路信息码的汉明编码 SIGN1 FS 接收机提取帧同步信号输出点 输出为窄脉冲 频率应与发射机帧同步信号 S1 FS 频率一致 假识别 假识别 接收机提取帧同步时假识别信号输出点 输出为窄脉冲 当判决后的信号一个 周期 21 位 只包含一个帧同步码 1110010 时 输出与 FS 一致 当判决后的信号一 个周期包含两个帧同步码时 其频率是 FS 信号频率的两倍 DECODE 接收机对 SING1 汉明编码后的解码信号输出点 码字应与发射机拨码开关 SIGN1 置位 的设置一致 注意 由于我们仅对发射机的第一路信号进行了汉明编码 因此接收机也仅能对第一路 信号进行汉明解码 CDMA 移动通信原理实验指导书 10 第二章第二章 CDMA 实验实验 实验一实验一 GOLD 序列特性实验序列特性实验 一 实验目的一 实验目的 1 掌握 GOLD 序列的特点 2 了解 GOLD 序列在直接扩频通信中所起的作用 二 实验内容二 实验内容 1 观察 GOLD 序列的波形 频谱 2 观察 GOLD 序列的自相关和互相关特性 三 预备知识三 预备知识 1 GOLD 序列的产生方法 2 伪随机序列的特点 四 实验器材四 实验器材 1 移动通信原理实验箱一台 2 20M 双踪示波器一台 3 频谱分析仪或带 FFT 功能的数字示波器 选配 一台 五 实验原理五 实验原理 1 伪随机序列 伪随机序列 工程上常用二元 0 1 序列来产生伪噪声码 它具有如下特点 1 每一周期内 0 和 1 出现的次数近似相等 2 每一周期内 长度为n比特的游程出现的次数比长度为n 1比特的游程出现的次 数多一倍 游程是指相同码元的码元串 3 序列具有双值自相关函数 即 2 1 1 11 k 01 p p R 当 当 在 2 1 1 式中 p为二元序列周期 又称码长 k为小于p的整数 为码元延时 2 m序列序列 二元m序列是一种基本的伪随机序列 有优良的自相关函数 易于产生和复制 在扩频 技术中得到了广泛的应用 长度为2n 1位的m序列可以用n级线性移位寄存器来产生 如图 2 1 1所示 CDMA 移动通信原理实验指导书 11 图图2 1 1 线性移位寄存器线性移位寄存器 m序列的特性如下 1 在每一周期p 2n 1内 0 出现2n 1 1次 1 出现2n 1次 1 比 0 多出现一次 2 在每一周期内共有2n 1个元属游程 其中 0 的游程和 1 的游程数目各占 一半 并且 对n 2 当1 k n 1时 长为k的游程占游程总数的1 2 k 其中 0 的游程和 1 的游程各占一半 长为n 1的游程只有一个 为 0 的游 程 长为n的游程也只有一个 为 1 的游程 3 m序列 a k 与其位移序列 的模二和仍然是 m序列的另一位移序列 k a 即 k a kkk aaa 4 m序列的自相关函数为 2 1 2 p p p R mod0 1 mod01 当 当 3 Gold序列序列 虽然m序列有优良的自相关特性 但是使用m序列作CDMA 码分多址 通信的地址码 时 其主要问题是由m序列组成的互相关特性好的互为优选的序列集很少 对于多址应用来 说 可用的地址数太少了 而Gold序列具有良好的自 互相关特性 且地址数远远大于m序 列的地址数 结构简单 易于实现 在工程上得到了广泛的应用 Gold序列是m序列的复合码 它是由两个码长相等 码时钟速率相同的m序列优选对模 二和构成的 其中m序列优选对是指在m序列集中 其互相关函数最大值的绝对值最接近或 达到互相关值下限 最小值 的一对m序列 这里我们定义优选对为 设A是对应于n级本原 多项式f x 所产生的m序列 B是对应于n级本原多项式g x 所产生的m序列 当他们的 互相关函数满足 模二加法器 CDMA 移动通信原理实验指导书 12 2 1 3 的整数倍数不是为偶数 为奇数 4n12 12 2 2 2 1 n n kR n n ba 则f x 和g x 产生的m序列A和B构成一对优选对 在Gold序列的构造中 每改变两个m序列相对位移就可得到一个新的Gold序列 当相对 位移2n 1比特时 就可得到一族 2n 1 个Gold序列 再加上两个m序列 共有 2n 1 个Gold序列 由优选对模二和产生的Gold族2n 1个序列已不再是m序列 也不具 有m序列的游程特性 但Gold码族中任意两序列之间互相关函数都满足 2 1 3 式 由于 Gold码的这一特性 使得码族中任一码序列都可作为地址码 其地址数大大超过了用m序列 作地址码的数量 所以Gold序列在多址技术中得到了广泛的应用 产生Gold序列的结构形式有两种 一种是串联成级数为2n级的线性移位寄存器 另一种 是两个n级并联而成 图2 1 2和图2 1 3分别为n 6级的串联型和并联型结构图 其本原多项 式分别为 这两种结构是完全等效的 它 1 1 2566 xxxxxgxxxf 们产生Gold序列的周期都是 12 n p x1x3x2x4x6x5x7x9x8x10 x12x11 图图2 1 2 串联型串联型Gold序列发生器序列发生器 CDMA 移动通信原理实验指导书 13 x1x3x2x4x6x5 x1x3x2x4x6x5 f x 1 x x6 g x 1 x x2 x5 x6 图图2 1 3 并联型并联型Gold序列发生器序列发生器 Gold序列的自相关特性见图2 1 4 图图2 1 4 Gold序列的自相关特性序列的自相关特性 4 实验系统 实验系统 在本实验系统中使用Gold序列作为实现扩频的伪随机码 在发送端将信息序列与Gold序 列相乘 在实验箱中有三个8位拨码开关 GOLD1置位 GOLD2置位 和 GOLD3置 位 他们分别用来设置发送和接收端产生的Gold序列是同一个Gold序列族中的哪一个 上 面已经提到Gold序列是由两个互为优选对的m序列相异或产生的 8位拨码开关用于设定其 中一个m序列的相位 通过拨动开关设定m序列的不同相位 两个m序列相异或所产生的 Gold序列将不同 因此 当 GOLD3置位 与 GOLD1置位 一致而与 GOLD2置位 不 一致时 解调出的信息码SIGN1 当 GOLD3置位 与 GOLD2置位 一致而与 GOLD1 置位 不一致时 解调出的信息码SIGN2 由此同学可以体会码分多址通信是如何实现的 六 实验步骤六 实验步骤 1 安装好发射天线和接收天线 2 插上电源线 打开主机箱右侧的交流开关 再按下开关 CDMA 移动通信原理实验指导书 14 POWER100 POWER101 POWER200 和 POWER201 对应的发光二极管 LED100 LED101 LED200 和 LED201 发光 CDMA 系统的发射机和接收机均开始工作 3 发射机拨位开关 信码速率 扩频码速率 扩频 编码 均拨下 接收机拨 位开关 信码速率 扩频码速率 跟踪 解码 均拨下 此时系统的信码速率为 1Kbit s 扩频码速率为 100Kbit s 4 观察 Gold 序列 拨动拨码开关 GOLD1 置位 设置 GOLD1 序列的初始相位 按 发射机复位 键 用示波器观察测试点 GOLD1 处的波形 改变拨位开关 扩频码速率 的设置 按 发射机复位 键 再观察 GOLD1 处的波形 选做 用带 FFT 功能的数字或虚拟示波器观察 GOLD1 处的频谱 改变拨位开 关 扩频码速率 的设置 按 发射机复位 键 再观察 GOLD1 处的频谱 选做 将拨码开关 SIGN1 置位 设置为全 1 用频谱仪 或带 FFT 功能的数字 或虚拟示波器 观察 PSK1 处的频谱 将拨位开关 扩频码速率 拨下 改变拨位开关 扩频码速率 的设置 按 发射机复位 键 再观察 PSK1 处的频谱 说明说明 1 将 SIGN1 置位 设置为全 1 时 S1 KP 处输出的信号即为 GOLD1 则 PSK1 处的频谱即为 GOLD1 进行 PSK 调制后的频谱 它与 GOLD1 的频谱形状一致 只 是频谱向上搬移了 10 7M PSK 载波频率 由于一般的频谱仪无法观察频率较低的信号 为观察完整的 GOLD1 的波形 须将其搬移到较高的频段 如果使用带 FFT 的功能的数字或 虚拟示波器则 可直接观察 GOLD1 处的频谱 说明说明 2 用频谱仪观察 PSK1 处的频谱 应将频谱仪的中心频率设置为 10 7M 扫描 带宽设置为 1M 5 观察 Gold 序列的自相关和互相关特性 将拨位开关恢复到实验步骤 3 要求的设置 按 发射机复位 键 将拨位开关 第一路 连接 拨位开关 第二路 断开 此时发射机输出 GOLD1 为扩频码的第一路扩频信号 将拨码开关 GOLD3 置位 拨为与 GOLD1 置位 一致 按 接收机复位 键 逆时针将 捕获 电位器旋到底 捕获指示 灯灭 用示波器测 TX3 处波形 该波形即为 Gold 序列的自相关特性 将 GOLD3 置位 拨为与 GOLD1 置位 不同 按 接收机复位 键 用示波器测 TX3 处波形 该波形即为 Gold 序列的互相关特性 说明说明 3 用示波器观察 Gold 序列的自相关波形时 为观察到稳定的信号 应以 Gold 序 列自相关特性波形的上半部分触发 如下图所示 另外 由于该波形频率很低 在示波器上观察可能存在闪烁 此为正常现象 触发电平 CDMA 移动通信原理实验指导书 15 七 实验思考题七 实验思考题 1 扩频通信利用了 Gold 序列的自相关和互相关性的什么特点 2 选做 实验步骤 4 可以观察到什么现象 这种现象说明了什么问题 3 扩频通信中除了 m 序列和 GOLD 序列外 还有哪些伪随机序列 八 实验报告要求八 实验报告要求 1 分析 m 序列和 GOLD 序列的产生方法 找出二者的关系 2 根据实验记录 画出 GOLD 序列的自相关和互相关特性曲线 并做具体分析 3 对实验思考题加以分析 并给出相应答案 实验二实验二 GOLD 序列的捕获与跟踪实验序列的捕获与跟踪实验 一 实验目的一 实验目的 1 了解滑动相关捕获的原理 2 了解延迟锁定同步法的原理 3 了解扩频码的捕获和跟踪的原理 二 实验内容二 实验内容 1 观察滑动相关电路各点的波形 频谱 理解滑动相关电路的工作原理 2 观察延迟锁定电路各点的波形 频谱 理解延迟锁定电路的工作原理 3 观察扩频码的捕获和跟踪过程 三 预备知识三 预备知识 1 同步的基本概念 2 滑动相关的基本原理 3 延迟锁定的基本原理 四 实验器材四 实验器材 1 移动通信原理实验箱一台 2 20M 双踪示波器一台 CDMA 移动通信原理实验指导书 16 五 实验原理五 实验原理 1 同步的基本概念 同步的基本概念 同步是通信系统中一个重要的实际问题 当采用同步解调或相干解调时 接收端需要一 个与发射端调制载波同频同相的相干载波 这个相干载波的获取就称为载波同步 数字通信中 除了有载波同步的问题外 还有位同步的问题 因为信息是一串相继的信 号码元的序列 解调时常需知道每个码元的起止时刻 抽样判决的时刻应位于码元的终止时 刻 因此接收端必须产生一个用作抽样判决的定时脉冲序列 它和接收码元的终止时刻应对 齐 我们把在接收端产生与接收码元的重复频率和相位一致的定时脉冲序列的过程称为码元 同步或位同步 数字通信中的信息数字流总是用若干码元组成一个 字 又用若干个 字 组成一 句 因此 在接收这些数字流时 同样也必须知道这些 字 句 的起止时刻 在接 收端产生与 字 句 起止时刻相一致的定时脉冲序列 称为 字 同步和 句 同步 统称为群同步或帧同步 同步系统性能的降低 会直接导致通信系统性能的降低 甚至使通信系统不能工作 在扩展频谱通信系统中 接收端一般有两类不确定的因素 就是码相位和载波频率的不 确定性 扩频接收机要能够正常工作 这两个问题都必须解决 码相位的分辨力必须远小于 1bit 载波中心频率的分辨能力必须使解扩后的信号落在相关滤波器的频率范围内 并且本 地载波频率需始终对准输入信号载波频率 以便使解调器能正常工作 若发射机和接收机中均使用精确的频率源 可以消除大部分码时钟相位和载波频率的不 确定性 但不能完全克服由于多普勒频率引起的载波和码速率的偏移 收发信机相对移动时 也会引起相对码相位的变化 固定位置的收发信机也会由于电波传播中的多径效应而引起码 相位 载波中心频率相位的延迟造成同步的不确定性 同时 由于一般通信系统中的频率源并不像我们所希望的那样稳定 频率源的不稳定对 接收系统正常工作的影响亦不可忽略 在扩展频谱系统中频率源不稳定引起时钟速率的偏移 要积累在码相位偏移上 对于码速率为 1Mb s 的码发生器 当时钟稳定度为 10 5时 将产生 10bit s 的累积码元偏差 一小时就会引起码元漂移 36000bit 2 扩频码的捕获和跟踪 扩频码的捕获和跟踪 在扩展频谱系统中 为了使接收端能够正确恢复信码 必须使接收端产生的解扩用的伪 随机码和发送端的伪随机码同步 伪随机码的同步一般分两步进行 第一步是搜索和捕获伪 随机码的初始相位 使与发端的码相位误差小于 1bit 这就可保证解扩后的信号通过相关器 后面的窄带中频滤波器 通常称这一步为初始同步或捕获 第二步是在初始同步的基础上 使码相位误差进一步减小 使所建立的同步保持下去 通常称这一步为跟踪 2 1 捕获 常用的捕获方法有滑动相关法 前置同步码法 发射参考信号法 突发同步法和匹配滤 波器同步法 在 CDMA 系统接收端 捕获的实现大多采用滑动相关法 若使接收端伪随机序列发生器以不同于发送端的码速率工作 这就相当于两个码组间相 对滑动 一旦发现两个码组相位符合 即同步 时 立即使滑动停止 在实际系统中 两码 组间的相对滑动并不是使两码组的码速率不同而获得 而是通过使接收机时钟周期性地移动 一个相位增量而实现的 对于伪随机码组 由于它具有良好的相关性能 当相对滑动的结果 CDMA 移动通信原理实验指导书 17 使两码组的相位符合时 相关器的输出有尖峰值出现 此时就判断捕获完成 滑动相关法的 原理见图 2 2 1 包络检波解扩 时钟 PN码发生器扣码 BPF门限判决 解调 图图 2 2 1 滑动相关捕获原理滑动相关捕获原理 接收到的信号与本地伪随机码相乘后再积分 即求出它们的互相关值 然后与门限检 测器中的某一门限值比较 以判断是否已捕获到有用信号 这里是利用伪随机码的相关特性 当两个相同的码序列相位上一致时 其相关值有最大的输出 一旦确认捕获完成 则捕获指 示信号的同步脉冲控制搜索控制钟 调整伪随机码发生器产生的伪随机码的重复频率和相位 使之与收到的信号保持同步 2 2 跟踪 实现跟踪也是利用伪随机码的相关特性实现的 一般采用延迟锁相环来实现 当接收到 的信号和本地的 PN 序列达到同步以后 我们就说时间参考已经建立 延迟锁定环是通过一 非线性的反馈环路来实现输出信号对输入信号的跟踪和同步作用 延迟锁定技术是使本地 PN 序列发生器跟踪或锁定于外来的 PN 序列 两个 PN 序列在时延上的差别需要通过相关运 算来监视 如果两个 PN 序列的相位相同 则有最大的相关输出 反之如果相位不同 则输 出很小 包络检波BPF 包络检波BPF 环路滤波 压控 时钟 PN码 发生器 t t 图图2 2 2 PN码的跟踪原理码的跟踪原理 由图 2 2 2 可见 输入信号与本地 PN 序列的超前和滞后序列作互相关运算 然后分别 进行带通滤波 包络检波 最后相减 得到误差函数 误差电压经过环路滤波 送到压控振 CDMA 移动通信原理实验指导书 18 荡器控制时钟频率的变化 这个时钟再推动本地 PN 序列发生器 产生本地 PN 序列的超前 和滞后序列 本地 PN 序列发生器的级数和反馈逻辑与发射方相同 延时锁定环路的鉴相特 性曲线 如图 2 2 3 所示 图图 2 2 3 延迟锁相环的鉴相特性延迟锁相环的鉴相特性 六 实验步骤六 实验步骤 1 安装好发射天线和接收天线 2 插上电源线 打开主机箱右侧的交流开关 再按下开关 POWER100 POWER101 POWER200 和 POWER201 对应的发光二极管 LED100 LED101 LED200 和 LED201 发光 CDMA 系统的发射机和接收机均开始工作 3 发射机拨位开关 信码速率 扩频码速率 扩频 编码 均拨下 接收机拨 位开关 信码速率 扩频码速率 跟踪 解码 均拨下 此时系统的信码速率为 1Kbit s 扩频码速率为 100Kbit s 4 将拨位开关 第一路 连接 拨位开关 第二路 断开 此时发射机输出 GOLD1 为扩频码的第一路扩频信号 5 将拨码开关 GOLD3 置位 拨为与 GOLD1 置位 一致 按 发射机复位 键和 接收机复位 键 6 逆时针将 捕获 电位器旋到底 捕获指示 灯灭 7 顺时针将 跟踪 电位器旋到底 用示波器测 VCO C 处波形 该波形即为延迟 锁相环的鉴相特性曲线 说明说明 1 用示波器观察 VCO C 处的波形时 为观察到稳定的信号 应将示波器的触 发电平设置在波形的上半部分或下半部分触发 如下图所示 另外 由于该波形频率很低 在示波器上观察可能存在闪烁 此为正常现象 8 顺时针将 捕获 电位器旋到底 捕获指示 灯亮 用示波器双踪分别观察 G1 触发电平 或 CDMA 移动通信原理实验指导书 19 BS 和 G3 BS 处的波形 调节 跟踪 电位器 使两者波形相对移动尽可能缓慢或静止 9 逆时针将 捕获 电位器旋到底 再顺时针缓慢旋转 直到 捕获指示 灯刚好变 亮 按下 接收机复位 键时 捕获指示 灯灭 松开 接收机复位 键时 捕获指示 灯 亮 则 捕获 电位器调节正确 10 用示波器双踪分别观察 G1 BS 和 G3 BS 处的波形 调节 跟踪 旋钮 直 到二个波形完全一致 没有相差为止 此时表明接收机的 Gold 序列和发射机的 Gold 序列在 相位与码速率上都一致 说明说明 2 由于 CDMA 接收机对接收到的信号有一定的延迟 Gold 码的同步应是接收机 从发射机接收到的 Gold 同接收机产生的 Gold 序列相位与码速率一致 即用示波器双踪分别 观察 TX1 和 G3 BS 处的波形 调节 跟踪 旋钮使 TX1 的包络过零点同 G3 BS 的边沿对齐直至锁定 另外需要说明的是此延迟是固定的因此相对于采用速率为 100K 的扩频码来说延迟不是很大可以采用步骤 10 进行锁定 但相对于采用速率 200K 的扩频码来 说延迟增加了一倍 因此采用说明 2 的方法锁定 11 用示波器双踪分别观察 GOLD1 和 GD TX 处的波形 二者的波形应完全一 致 说明说明 3 由于本系统的 Gold 序列频率较高 且周期很长 模拟双踪示波器应在 断续 CHOP 模式下比较 GOLD1 和 GD TX 处的波形 如果在 交替 ALT 模式 下即使两者输出波形一致 观察结果也可能不一致 数字示波器则不存在该问题 七 实验思考题七 实验思考题 1 延迟锁相环在扩频通信中的主要作用是什么 2 捕获与跟踪各自的作用是什么 它们有先后顺序吗 捕获与跟踪的具体步骤是什么 3 在接收机尚未完成捕获和跟踪时 观察 ZH3 和 CQ3 处的波形 并结合图 2 2 3 分析延迟锁相环的鉴相特性是如何产生的 八 实验报告要求八 实验报告要求 1 分析捕获与跟踪的工作原理 画出各自的实现框图 2 根据实验测试记录 画出相关峰和延迟锁相环鉴相特性的波形图 3 对实验思考题加以分析 给出相应答案 CDMA 移动通信原理实验指导书 20 实验三实验三 扩频与解扩实验扩频与解扩实验 一 实验目的一 实验目的 1 掌握扩频的基本原理 2 理解扩频增益的概念 二 实验内容二 实验内容 1 观察基带信号扩频前后波形 频谱 2 观察扩频前后 PSK 调制的波形 频谱 三 预备知识三 预备知识 1 了解扩频的基本原理 2 了解扩频的基本实现方法 3 了解扩频增益的概念 四 实验器材四 实验器材 1 移动通信原理实验箱一台 2 20M 双踪示波器一台 3 频谱分析仪或带 FFT 功能的数字示波器 选用 一台 CDMA 移动通信原理实验指导书 21 五 实验原理五 实验原理 扩展频谱通信系统是指将待传输信息的频谱用某个特定的扩频函数扩展成为宽频带信号 后送入信道中传输 在接收端利用相应手段将信号解压缩 从而获取传输信息的通信系统 也就是说在传输同样信息时所需的射频带宽 远比我们已熟知的各种调制方式要求的带宽要 宽得多 扩频带宽至少是信息带宽的几十倍甚至几万倍 信息不再是决定调制信号带宽的一 个重要因素 其调制信号的带宽主要由扩频函数来决定 这一定义包括以下三方面的意思 1 信号频谱被展宽了 在常规通信中 为了提高频率利用率 通常都是采用大体相当 带宽的信号来传输信息 即在无线电通信中射频信号的带宽和所传信息的带宽是属于同一个 数量级的 但扩频通信的信号带宽与信息带宽之比则高达100 1000 属于宽带通信 原因 是为了提高通信的抗干扰能力 这是扩频通信的基本思想和理论依据 扩频通信系统扩展的 频谱越宽 处理增益越高 抗干扰能力就越强 2 采用扩频码序列调制的方式来展宽信号频谱 由信号理论知道 脉冲信号宽度越窄 其频谱就越宽 信号的频带宽度和脉冲宽度近似成反比 因此 所传信息被越窄的脉冲序列 调制 则可产生很宽频带的信号 扩频码序列就是很窄的脉冲序列 3 在接收端用与发送端完全相同的扩频码序列来进行解扩 扩频技术的理论依据定性的讨论有以下几点 首先 扩频技术的理论基础可用香农信道容量公式来描述 1 log2NSWC 式中 C 为信道容量 W 为系统传输带宽 S N 为传输系统的信噪比 该公式表明 在高斯信道中当传输系统的信噪比 S N 下降时 可用增加系统传输带宽 W 的办法来保持信道容量 C 不变 对于任意给定的信噪比可以用增大传输带宽来获得较低 的信息差错率 扩频技术正是利用这一原理 用高速率的扩频码来达到扩展待传输的数字 信息带宽的目的 故在相同的信噪比条件下 具有较强的抗噪声干扰的能力 香农指出 在高斯噪声干扰下 在限平均功率的信道上 实现有效和可靠通信的最佳信 号是具有白噪声统计特性的信号 目前人们找到的一些伪随机序列的统计特性逼近于高斯白 噪声的统计特性 使用于扩频系统中 可以使得所传输信号的统计特性逼近于高斯信道要求 的最佳信号形式 早在 50 年代 哈尔凯维奇就从理论上证明 要克服多径衰落干扰的影响 信道中传输 的最佳信号形式也应该是具有白噪声统计特性的信号形式 由于扩频函数逼近白噪声的统计 特性 因此扩频通信又具有抗多径干扰的能力 常用的扩展频谱