MBC-8A移动通信实验指导书(第5版).doc

实验一 移动通信系统组成及功能一、实验目的1了解移动通信系统的组成。2了解移动通信系统的基本功能。3了解基带话音的基本特点。二、实验内容1按网络结构连接各设备，构成移动通信实验系统。2完成有线有线、有线无线及无线有线呼叫接续，观察呼叫接续过程，熟悉移动通信系统的基本功能。3用实验箱及示波器观测空中传输的话音波形。三、基本原理图1-1是与公用电话网（PSTN）相连的蜂窝移动通信系统方框图。系统包括大量移动台MS、许多基站BS、若干移动交换中心MSC及若干与MSC相连的数椐库(HLR、VLR等，图中未画出)，MSC通过中继线与公用电话网PSTN的交换机EX相连，接入公用电话网。系统的基本功能是：移动台能与有线电话或其它移动台通话(或传输数椐等信息)。蜂窝移动通信系统公用电话网（PSTN） MS ( Mobile Station ) : 移动台 BS ( Base Station ) : 基地台 MSC ( Mobile Switch Center ) : 移动交换中心(包括交换机和数据库) EX ( Exchanger ) : 公用电话网(PSTN)程控交换机 TEL (Telephone ) : 有线电话MSMSEXMSCBSBSTELTEL图1-1 移动通信系统方框图这样庞大复杂的系统无法放在实验桌上由同学自己动手做实验。将系统合理简化得到图1-2，它将图1-1实际系统全部交换机EX及MSC合并成一部交换机；基站BS及移动台MS各选用一台；有线电话采用二部。 它与图1-1实际系统在包含的各种功能设备(交换机、基站、移动台及有线电话)、系统基本网络结构(各设备的连接关系)及系统功能等特征方面是相同的。MS ( Mobile Station ) : 移动台BS ( Base Station ) : 基地台EX ( Exchanger ) : 程控交换机TEL (Telephone ) : 有线电话MSBSEXTELTEL图1-2 简化的移动通信系统方框图常用的移动通信系统主要有：蜂窝移动通信系统、集群移动通信系统、无绳电话系统，它们的功能及应用场合各不相同，但它们涉及的基本工作原理及技术是相同的。移动通信的多址方式主要有FDMA、TDMA、CDMA三大类。FDMA系统一般为模拟移动通信制式，TDMA及CDMA（实际上，通常为TDMA/FDMA及CDMA/FDMA混合多址方式）为数字移动通信制式。FDMA发展早，已成功应用于各种移动通信系统多年，目前在一些领域仍在应用。数字移动通信是在模拟移动通信基础上发展、演进而来的，在网络组成、设备配置、系统功能和工作方式上二者都有许多相同之处。基于以上原因，为了得到体积小巧、价格低廉、可放在实验桌上由学生动手操作的移动通信教学实验系统。在图1-2中，BS、MS实际选用基于FDMA技术、采用数字信令的中国CT1无绳电话，EX选用小型程控交换机，TEL为有线电话。为了测试上述小型移动通信系统无线部分的功能，采用了一台实验箱（SDT），构成一套完整的移动通信教学实验系统，如图1-3所示。MS ( Mobile Station ) : 移动台（无绳电话手机）BS ( Base Station ) : 基地台（无绳电话座机）EX ( Exchanger ) : 程控交换机TEL (Telephone ) : 有线电话SDT : 实验箱 SDTMSBSEXTELTEL图1-3 移动通信教学实验系统下面对图1-3各部分实际采用的设备及本实验内容介绍如下：1CT1无绳电话CT1无绳电话属于FDMA系统，数十个双工频道被全部无绳电话共用,采用话音模拟调频及数字信令技术。系统有一个基地台，即无绳电话座机，通过用户线接入电话网交换机；可带1-4部移动台即无绳电话手机（每一时刻，只能有一部手机通话）。无绳电话是为方便有线电话用户而提出的。它将有线电话座机与通话手柄之间的电缆（绳）去掉，用无线信道代替之，通话手柄成为无绳电话手机。用户持无绳手机在以座机为中心的小范围内移动通话，十分方便。虽然从使用功能上看，无绳电话是有线电话的无线延伸，但其工作原理及使用的技术都属于移动通信范畴。CT1无绳电话及在其后发展起来的各种数字无绳电话组成的无绳电话大家族，成为常用的四类移动通信系统之一。我国的CT1无绳电话技术标准、工作原理及手机使用方法见附录1。通常，同一实验室内有许多组实验系统，相距很近，为了防止互相干扰，必须降低无绳电话的发射功率及接收机灵敏度，以减小电磁波作用范围。在此条件下，为了保证同一套实验系统内部接收信号足够强，能正常完成各实验，必须加强无线设备间的无线耦合： 无绳座机BS的天线垂直竖立但不要拉出。实验箱”BS收发信机”天线放置在无绳座机天线与座机外壳之间的缝隙中，使二者无线紧耦合。 无绳手机MS的天线不要拉出。将实验箱”MS收发信机”天线的芯线与地线夹在一起后套在无绳手机天线上，使二者无线紧耦合。2程控交换机本教学实验系统中程控交换机采用1拖4双绳路小型用户程控交换机，一条外线可接4部内部电话。本系统中不用其外线端口，只使用内部4条用户线端口，其技术参数与使用方法与PSTN程控交换机相同，相当于4门PSTN程控交换机。图1-4为小型程控交换机的外观图。四个用户线插座可连接四部电话（包括无绳电话座机），插座下方号码为对应电话的号码。交换机由220VAC市电供电，通电后电源指示LED灯连续闪烁。用户电话摘机后对应的LED指示灯亮。 外线（不接）LINE801802803220VAC电源指示 LED灯用户摘机指示LED灯用户号码用户线插座804图1-4 小型程控交换机外观图3实验箱实验箱包含的电路模块很多，功能齐备，它既是测量仪器，又可作为被测量对象，其电路原理及使用方法详见附录2。在实验一实验四中实验箱作为测量仪器，在实验一中用来观测无绳电话发射在空中的话音波形，了解话音的特点。4移动通信教学实验系统的组成及功能根据上面介绍的各设备原理，按照图1-3的布局顺序放置并连接设备，就构成了移动通信实验系统。本系统可实现以下呼叫通话功能：（1）无绳手机呼叫有线电话（无线呼叫有线）；（2）有线电话呼叫无绳手机（有线呼叫无线）；（3）有线电话呼叫有线电话（有线呼叫有线）。在同时满足以下两个条件时，主、被呼用户才可能建立话路，进入通话：（1）被呼用户空闲；（2）主、被呼用户之间至少有一条空闲路径。由以上实验可了解移动通信系统的基本网络结构及功能。另外，在手机与有线电话通话时，用示波器在实验箱上观测发射在空中的话音波形，可了解话音的基本特征。话音是由发音器官中的声音激励源和口腔声道形状的不同而形成的。话音分为浊音和清音，浊音包括元音及浊辅音。浊音对应于声带振动，每个单词中至少包括1个浊音。浊音，又称有声音。发浊音时声带在气流作用下准周期地闭合或开启，从而在声带中激励起准周期的声振动，形成浊音声波，如图1-5所示。图中TP为基音周期，则基音频率fp=1/Tp。通常fp在70300Hz范围内，则Tp=313ms。基音频率一般女声较高，男声较低。清音又称无声音。发清音时声带不振动，声道被气流冲击产生较小辐度的声波，其波形与噪声相似，清音信号没有准周期性。包括浊音及清音的话音能量主要集中在3003400Hz频率范围内。相对声压图1-5 浊音的准周期波形四、实验步骤1按图1-3的布局顺序放置设备并连接成系统：两部有线电话用户线插入交换机号码801、802的用户线插孔；无绳电话座机用户线(带用户线信号测量板LINE.PCB)插入交换机号码804的用户线插孔。这些号码就是各部电话对应的号码。将交换机、无绳电话座机及手机充电器都接通220VAC电源。无绳电话座机、手机及实验箱使用上次实验已经对好码的同一套系统或由教师实验前完成对码，使三者识别码及呼叫信道一致（对码步骤详见实验四的实验步骤1）。2有线电话1摘机，交换机上对应的LED指示灯亮，用户听拨号音。用户拨号呼叫有线电话2，有线电话2振铃，有线电话1听回铃。有线电话2摘机通话，通话完毕挂机，未挂机的一方听忙音。若有线电话2忙（已摘机），则有线电话1摘机拨号后听忙音。若有线电话2用户线从交换机上拔下，有线电话1拨号后听回铃。3有线电话2拨号呼叫有线电话1，通话完毕挂机。4无绳手机按“通话”键摘机，听到拨号音后拨有线电话1或有线电话2的号码，有线电话振铃，无绳手机听回铃。有线电话摘机通话，通话完毕挂机（其中，无绳手机再按“通话”键或将手机放回充电器则挂机）。5有线电话摘机拨号(804)呼叫无绳手机，手机振铃，有线电话听回铃。手机按“通话”键摘机通话，通话完毕挂机。6将双踪示波器两个探头分别接至实验箱”BS测量”及”MS测量”面板上接收机解调输出端AFo。接通实验箱电源（K5置ON），置系统测量自动AUTO工作方式(按”工作方式”控制面板K1键至SYST灯亮，再按K2键使K2灯亮)，实验箱守候在无绳电话控制信道。关发射机（”发射机控制”面板上的K6置OFF），关信令存储显示模块（”无线信令存储显示”面板上的K10置OFF）。手机按“通话”键摘机，与座机一起由控制信道转移到某空闲通话信道，实验箱检测到摘机信令后自动跟踪扫描，锁定于该通话信道。若实验箱因误码未检测到手机摘机信令仍停在控制信道，则按K3键启动实验箱扫描信道（SCAN），最后锁定于该通活信道。实验箱锁定于通话信道的标志是：信道扫描仃止并且”BS测量”及”MS测量”面板同时显示各自的接收频率。手机拨号呼叫有线电话进入通话后，示波器可观测到通话双方的话音波形，记录浊音波形，测出浊音的基音频率。五、实验报告内容1画出移动通信实验系统的网络结构方框图，给出系统功能，并说明它是如何由常用的蜂窝移动通信系统在保持基本特证不变条件下合理简化而来。2总结主呼方从摘机、拨号、通话到挂机的各个阶段听到那些信号音。3画出自己话音浊音波形，给出所测基音频率，与同组同学比较。实验二 双工器一、实验目的1了解双工器功能与电路2了解双工器特性二、实验内容用实验箱自带高频信号源及示波器测量双工器特性，包括发射机天线传输特性，发射机接收机衰减特性，天线接收机传输特性及天线发射机衰减特性。三、基本原理移动通信设备的收发信机一般都共用一根天线。单工电台用天线继电器开关或电子开关切换天线，交替连接接收机及发射机。而频分双工(FDD)电台收发信机通过双工器共用天线，使收、发互不影响，如图13-1所示。图中，fR及fT分别为接收频率及发射频率。fRANTGNDRXDPXTXfT图13-1 双工器（DPX）与接收机（RX）、发射机（TX）及天线（ANT）连接方框图双工器主要性能要求是良好的收发频率隔离度，即收发信号各行其道，不影响对方电路的正常工作：发射信号经过双工器只到达天线，而不窜入接收机；天线收到的信号只到达接收机，而不窜入发射机。这两方面性能要求前者更为重要一些。若发射机信号窜入接收机，会产生二个不利影响。一是发射频率的强信号使接收机前级产生阻塞。二是发射信号的边带噪声落入接收机通带内，使接收机输出信噪比恶化。这二方面的影响都会使接收机双工灵敏度下降。双工器电路有图13-2所示的带阻型及带通型二类，不同频率的滤波器使收发频率信号各行其道。RX带 阻滤波器带 阻滤波器TXfRfTfRfT(a) 带阻型双工器RX带 通滤波器带 通滤波器TXfRfRfTfT(b) 带通型双工器图13-2 两种类型双工器在双工通信中，收、发频率之间有表13-1规定的间隔。由表13-1可见，双工收发频率必须有足够大的相对频率间隔，即工作频率愈高双工频率绝对间隔愈大，这样才可能制造出具有良好收发频率隔离的双工器。中国CT1无绳电话双工器(45/48MHz)的特性曲线例子见图13-3。表13-1 双工收发频率间隔工作频率(MHz)45150450900双工频率间隔(MHz)35.71045图13-3 双工器TXANT及ANTRX信号传输损耗曲线(水平分度1MHz/DIV，垂直分度5dB/DIV)47MHz0dB47MHz0dBMSBS-25dB-25dB双工器的带通、带阻滤波器，对45/48MHz的无绳电话由总集参数L、C元件谐振电路实现，150MHz以上频段通常使用分布参数的同轴线谐振腔或螺旋谐振腔。同轴线谐振腔是一端短路的l/4同轴线，其开路端处于并联谐振。若将l/4同轴线的内导体做成螺旋状，外导体做成空腔，则缩小了同轴线谐振腔的长度与体积，性能又基本不变，这称为螺旋谐振腔，由它构成的滤波器称为螺旋滤波器，是双工器广泛采用的电路。四、实验步骤实验箱二套收发信机各有一个双工器，双工器有接至接收机（RX）、发射机（TX）、天线（ANT）及地（GND）的四个端口，如图13-1所示。”BS收发信机”双工器DPX101这四个端口都引出到”双工器测量”面板上，分别标为RX、TX、ANT及GND，以方便用示波器测量该双工器特性。（一）测量双工器发射信号传输特性1将实验箱二套收发信机天线短接。2设置实验箱为系统测量工作方式（按K1至SYST灯亮）。3开TX-BS发射机（K6置ON，K7置BS，”BS测量”面板”发射”灯亮）。4按K4键置收发信机工作于某一频道。5. 示波器测量探头置10。6用示波器测量双工器TX端发射信号幅度VTX（电压峰-峰值）。7用示波器测量双工器ANT端发射信号幅度VANT（电压峰-峰值）。8用示波器测量双工器RX端发射信号幅度VRX（电压峰-峰值）。9重复4-8，测量另一频道双工器三个端口发射信号幅度。如此测量20个频道或第1、10、20三个频道双工器特性记录在表13-2中。10计算被测双工器发射机天线传输特性20log(VANT/VTX)及发射机接收机衰减特性20log(VRX/VTX)。表13-2 BS测量收发信机双工器发射机天线及发射机接收机传输特性CHfTX(MHz)VTX(mVp-p)VANT(mVp-p)VRX(mVp-p)20log(VANT/VTX)(dB)20log(VRX/VTX)(dB)148.000248.025348.050448.075548.100648.125748.150848.175948.2001048.2251148.2501248.2751348.3001448.3251548.3501648.3751748.4001848.4251948.4502048.475（二）测量双工器接收信号传输特性1同本实验（一）1、2。2开TX-MS发射机（K6置ON，K7置MS，”MS测量”面板上”发射”灯亮）。3按本实验（一）49类似步骤，用示波器测出TRX-BS双工器ANT、RX及TX端口接收射频信号辐度（电压峰-峰值）,记录在表13-3中，并计算出天线接收机传输特性20log(VRX/VANT)及天线发射机衰减特性20log(VTX/VANT)。表13-3 BS测量收发信机双工器天线接收机及天线发射机传输特性CHfRX(MHz)VANT(mVp-p)VRX(mVp-p)VTX(mVp-p)20log(VRX/VANT)(dB)20log(VTX/VANT)(dB)145.000245.025345.050445.075545.100645.125745.150845.175945.2001045.2251145.2501245.2751345.3001445.3251545.3501645.3751745.4001845.4251945.4502045.475五、实验报告内容1整理测量记录，给出被测双工器BS收发信机双工器（DPX101）发射信号传输特性及接收信号传输特性，总结双工器收发频率隔离的性能特点。2根据对BS收发信机双工器（DXP101）的测量结果，估计MS收发信机双工器（DPX201）的传输特性，列在类似于表13-2、表13-3的表格中（提示：不需列出VANT、VTX、VRX测量值，仅列出传输特性dB数；两双工器收发频率互补）。实验三 FSK/MSK调制解调一、实验目的1. 了解FSK/MSK调制解调原理2. 了解用FM调制器(VCO)产生FSK/MSK信号的方法及用FM鉴频器对FSK/MSK信号非相干解调的方法二、实验内容用示波器测量FSK/MSK调制器及解调器有关点信号波形，了解FSK/MSK调制解调原理及实现方法。三、基本原理1、12、13、141. FSK调制解调FSK (Frequency Shift Keying移频键控)有二进制FSK及多进制FSK二类，其中二进制FSK应用较多，是本实验研究的内容。设输入到FSK调制器的比特流为an，an=1，n=-+。输出的FSK调制信号为，an= -1，an= +1 信号频率在f1、f2之间跳变，信号带宽大约为 B =f2 -f1+2 fb式中，fb 为比特速率。产生FSK信号有二种方法：(1). 用数椐比特an控制开关，在二个独立的振荡器输出之间切换，如图16-1(a)所示。由于二个振荡器不相关，FSK信号在切换时刻相位不连续，为相位不连续FSK信号，会造成频谱扩展等问题。 (2). 将数椐NRZ波形直接输入模拟FM调制器(即压控振荡器VCO：Voltage Controlled Oscillator)，输出频率在二个值之间跳变，产生FSK信号，如图16-1(b)所示。虽然VCO输出信号频率会跳变，但相位是频率的积分而不会跳变，保持连续，所以产生相位连续FSK信号，其性能优于相位不连续FSK信号。相位不连续FSK信号anf2f1(a)相位连续FSK信号NRZ码anVCO(b)图16-1 产生FSK信号的二种方法FSK信号解调有相干解调及非相干解调二类方法，后者包括模拟FM鉴频器解调。FSK图16-2 相位连续FSK调制解调原理电路功放an发射机(TX) VCOanRX前端鉴频接收机(RX)本实验用模拟FM调制器(VCO)及鉴频器实现FSK调制解调，如图16-2所示。图中发端电位器用来调整送入VCO的信号幅度，从而调整VCO输出FSK信号的调制频偏。2. MSK调制解调MSK(Minimum frequency Shift Keying最小移频键控)是相位连续FSK的一种特殊形式，它是二个频率正交(即互相关函数为0)的一系列FSK中频差最小的FSK信号。可以证明，FSK信号二个频率正交的条件为13式中，fb为码速率，n为正整数。当n=1时得到MSK信号，其频差为 即调制指数为总之，MSK是调制指数为1/2的相位连续FSK信号。故图16-2电路也是MSK信号调制解调最直接的原理性方法。调整送入VCO的数字信号幅度，使VCO输出相位连续FSK信号的调制指数刚好等于1/2时，即为MSK信号；否则为一般FSK信号。图16-2电路收端还应加入位同步提取及积分、采样、保持电路，以最低的误码率恢复发端数椐。实验箱上完整的实验电路框图见图16-3，图中，BS(Base Station基站)发射机、FSK/MSK图16-3 相位连续FSK/MSK调制解调实验电路16-35-3 FH-CDMA移动通信实验系统BS发射机 MS接收机功放幅度D1umVCOAF0CLKDKDK1DK2鉴频积分/清除采样/保持位同步提 取RX前端MS(移动台 Mobile Station)接收机电路见附图1(A)、(B)及实验十二、实验十三的有关说明。输入数椐D1为4阶M序列(在4阶m序列3个连0后再插入1个0所得到)，序列长24=16，数码为1111010110010000，码速率fb=2kb/s。发端VCO压控灵敏度及收端鉴频灵敏度已经配合调整到鉴频器输出AFo信号幅度每1Vp_p对应FSK信号频差为1KHz。则当调整发端电位器使收端解调输出AFo数椐波形幅度为1Vp_p时，频差为fb/2，即为MSK信号；否则为一般相位连续FSK信号。图16-3中有关信号测量点都引到实验箱”BS测量”及”MS测量”面板上。MSK调制解调另一种常用方法是正交调制解调，它可以保证频差为fb/2的准确性及稳定性，详见资料1。四、实验步骤1. 设置实验箱为FSK/MSK调制解调工作方式(按”工作方式”控制面板上K1键 至”MODEM”灯亮，再按K2健使K2灯亮)，打开BS发射机(“发射机控制”面板上K6开关置ON，K7开关置BS)，实验箱内部电路组合成图16-3所示电路。2. 双踪示波器的触发方式设置为：外触发、DC。外触发信号接自实验箱”BS测量”或”MS测量”面板触发信号输出端TRI。双踪示波器二个通道设置为DC、1V/DIV，去测量收发二端各点信号。3. 调整发端送入VCO的数字信号幅度(调整”发射机控制”面板上”幅度”电位器)，使收端解调输出信号AFo幅度足够大(12Vp_p)，以便观测。按对应时间关系测量并记录发端D1、um及收端AFo、DK1、DK2、CLK、DK波形，测量码速率fb。4. 调整发端”幅度”电位器，使收端解调输出信号AFo幅度为1Vp_p，此时FSK信号调制指数为1/2，成为MSK信号；否则为一般相位连续FSK信号。五、实验报告要求根椐实验，说明FSK及MSK调制解调原理。 实验四 GMSK/GFSK调制解调及眼图一、实验目的1. 了解GMSK/GFSK调制解调原理。2. 了解用FM调制器(VCO)产生GMSK/GFSK信号的方法及用FM鉴频器对FSK/MSK信号非相干解调的方法二、实验内容1. 用示波器测量GMSK/GFSK调制器及解调器有关点信号波形，了解GMSK/GFSK调制解调原理及实现方法。2. 用示波器观测GMSK/GFSK信号眼图。三、基本原理1、12、13、14、18尽管MSK信号已具有较高的频谱利用率，但在移动通信实际应用中还需进一步减小其占用的频带，保证邻道辐射低于主瓣峰值60dB以上。这就要求对MSK的带外频谱特性加以改进，使其衰减速度加快。在图16-3的MSK调制器电路中，由于VCO输入数椐NRZ方波脉冲序列具有较宽的频谱，从而导至已调信号的带外衰减较慢。如果将输入数椐脉冲予先经过低通滤波器滤除高频分量，再送入VCO，必然会减小已调信号的带外辐射。当低通滤波器为特性如图17-1所示高斯低通滤波器时，已调信号称为GMSK(Goussion Filtered MSK 高斯低通滤波最小(b)频率特性(a) 矩形脉冲响应图17-1 高斯LPF滤波器的特性移频键控)，其调制解调实验电路见图17-2，其中高斯LPF带宽选择为BtTb=0.5。GMSK与MSK相比为频带受限信号，存在固有的码间串扰，故收端最佳检测不能采用积分-采样-清除电路，而应采用LPF滤波后，由本地恢复的位同步时钟在眼图中点采样，以最低的误码BrBtTb=0.5GMSK/GFSK图17-2 GMSK/GFSK调制解调实验电路16-35-3 FH-CDMA移动通信实验系统BS发射机 MS接收机功放幅度umVCOAF0CLKDK1DK2鉴频LPF采样/保持位同步提 取RX前端高斯LPFDKD1率恢复发端数椐。收端LPF的带宽Br在(1.52)Bt范围内选取，在附加的波形畸变可忽略不计的条件下，Br愈小愈好(滤除噪声效果好)。 本实验箱数椐D1为4阶M序列(在4阶m序列3个连0后再插入1个0所得到)，序列长24=16，数码为1111010110010000，码速率fb=2kb/s。发端VCO压控灵敏度及收端鉴频灵敏度已经配合调整到鉴频器输出AFo信号幅度每1Vp_p对应FSK信号频差为1KHz。则当调整发端电位器使收端解调输出AFo数椐波形最大幅度(连1最大幅度与连0最大幅度之差)为1Vp_p时，频差为1KHz =fb/2，即为GMSK信号；否则为一般相位连续GFSK信号。 收发二端有关点信号波形见图17-3，为便于比较收发二端波形对应关系忽略了发端至收端传输时延。收端DK2理想的眼图见图17-4，实际眼图存在除发端高斯低通滤波器之外的电路引起的波形畸变及迭加有信道噪声(收发信机内部噪声及外部噪声)。CLK最大幅度D1DK2DKCLK最大幅度D1DK2DK图17-3 收发二端有关信号波形(BT=0.3) 图17-4 眼图GMSK调制解调另一种常用方法是正交调制解调，它可以保证频差为fb/2的准确性及稳定性，详见资料1。四、实验步骤 1. 设置实验箱为GMSK/GFSK调制解调工作方式(按”工作方式”控制面板上K1键 至”MODEM”灯亮，再按K3健使K3灯亮)，打开BS发射机(“发射机控制”面板上K6开关置ON，K7开关置BS)，实验箱内部电路组合成图17-2所示电路。2. 双踪示波器的触发方式设置为：外触发、DC。外触发信号接自实验箱”BS测量”或”MS测量”面板触发信号输出端TRI。双踪示波器二个通道设置为DC、1V/DIV。3. 调整发端送入VCO的数字信号幅度(调整”发射机控制”面板上”幅度”电位器)，使收端解调输出信号AFo幅度足够大(13Vp_p)，以便观测。按对应时间关系测量并记录发端D1、um及收端AFo、DK1、DK2、CLK、DK波形，测量码速率fb。4. 调整发端”幅度”电位器，使收端解调输出信号AFo数椐波形最大幅度(连1最大幅度与连0最大幅度之差)为1Vp_p时，频差为fb/2，即为GMSK信号；否则为一般相位连续GFSK信号。5. 观测GMSK/GFSK信号眼图。(1).双踪示波器二个通道同时观测收端DK2及CLK，由CLK内触发同步。(2).调整示波器时基，显示23个CLK波形，观测DK2波形的眼图，记录DK2及CLK波形。五、实验报告要求1. 根椐实验结果，说明GMSK及GFSK调制解调原理。 2. 整理眼图波形，说明位同步时钟CLK要对准眼图中点的原因。实验五 DS-CDMA（直扩码分多址）移动通信一、实验目的了解DS-CDMA（直扩码分多址）移动通信原理。二、实验内容1测量单信道DS-CDMA通信系统发端及收端波形，了解发端扩频调制及收端相关检测原理，初步了解直扩码分多址逻辑信道形成原理。2测量2信道DS-CDMA通信系统发端及收端波形，进一步了解发端扩频调制、收端相关检测及码分多址逻辑信道形成原理。三、基本原理图6-1为直扩码分多址DS-CDMA（Direct Sequence Spread Spectrum-Code Division Multiple Access）通信系统原理框图。DS-CDMA利用高速率的正交码序列ci（互相关函数值为0或很小的码序列）作为地址码，与用户信息数据di相乘（或模2加）得到信息数据的直接序列扩频信号，经过相应的信道传输后，在接收端与本地产生的地址码进行相关检测，从中将地址码与本地地址码一致的用户数据选出，把不一致的用户数据除掉。码分多址通信系统可完成时域、频域及空间上混叠的多个用户数据的同时传输，或者说，利用正交地址码序列在同一载频上形成了多路逻辑信道，可动态地分配给用户使用。信码d1(Rb)fcC1CLKd1sEX(t)调制解调0Tb ( ) dt采样解扩d1时钟同步地址码同步载波同步S(t)s1(t)s(t)载波fc地址码c1(Rp=pRb)调制载波fc地址码cN相关检测扩频信码dN图6-1 DS-CDMA移动通信系统原理框图SN(t)其工作原理如下9,10,11：1正交码序列（1）定义设ci(t),i=1,2, N是序列周期为T的一组码序列（一序列周期内子码元数为p，子码周期为TP=T/p）。若它们的互相关函数为0，即 （6-1）则称为正交码序列组，可作为DS-CDMA系统的地址码。为便于收端实现地址码的同步，它们应具有尖锐的自相关峰，即满足 （6-2）实际地址码互相关函数及自相关函数不一定严格满足以上关系。迄今为止，实际用于DS-CDMA的地址码，按互相关性能可分成二类： 互相关函数值在任意值下，与自相关函数峰值相比都很小，但不一定为0，称为准正交。 互相关函数值在指定的时刻（例如=0）才为0，才是正交的；而在其它时刻互相关函数值可能很大。地址码按自相关性能可分为以下二类： 自相关峰很尖锐且在一序列周期内只有一个自相关峰，与白噪声的自相关函数相近，称为PN序列( PseudoNoise sequence 伪噪声序列)。 自相关峰不尖锐或在一序列周期内有多个自相关峰，自相关特性不好，不属于PN序列。（2）常用正交码序列常用正交码序列有以下三种： Walsh（沃尔什）序列：在指定时刻（=0）正交，自相关特性不好(不属于PN序列)。 m序列：准正交，自相关特性很好(属于PN序列)。 Gold序列：准正交，自相关特性很好(属于PN序列)。下面通过一个例子来了解正交码序列。表6-1给出8阶Walsh序列1。表示0号8阶Walsh序列，其它依此类推。在研究8阶Walsh序列的正交性前，先研究一下如何计算及用什么电路实现式（6-1）、（6-2）所示的相关运算。表6-1 8阶沃尔什(Walsh)序列（0，1）域（-1，+1）域0 0 0 0，0 0 0 0-1-1-1-1，-1-1-1-10 1 0 1，0 1 0 1-1 1-1 1，-1 1-1 10 0 1 1，0 0 1 1-1-1 1 1，-1-1 1 10 1 1 0，0 1 1 0-1 1 1-1，-1 1 1-10 0 0 0，1 1 1 1-1-1-1-1， 1 1 1 10 1 0 1，1 0 1 0-1 1-1 1， 1-1 1-10 0 1 1，1 1 0 0-1-1 1 1， 1 1-1-10 1 1 0，1 0 0 1-1 1 1-1， 1-1-1 1注：表中规定二元数椐(0,1)域与(-1,+1)对应转换关系为：0-1，1+1，与一般资料上的规定(0+1，1-1)相反。这样规定物理概念清晰，结果亦不失一般性,见以下分析。二进制数用0，1表示，在常用的正逻辑数字电路里面的形式是低电平（L）、高电平（H）。两个二进制序列A、B由异或门及模拟乘法器进行处理的电路及输出波形如图6-2所示。1 1 0 001 1 10 0BA1 1 1 1 -1 -1 -1-1 -1-1 -A，B = -1(B=0)：AAAB = AB 01AAB( a )AB =A， B=0：A， B=1： 1 1 A-AB( b )A， B = +1(B=1)：图62 两个二进制序列通过(a)异或门及(b)模拟乘法器图中，假定A=010011，B是长串的连0及连1。模拟乘法器输入、输出端有自己的正常静态偏置电平，故与前后电路必须通过隔直流电容相联。输入二进制序列0、1经过隔直后，以模拟乘法器输入偏置电平为参考，成为负电平、正电平，归一化后为-1、+1，即0-1，1+1。由图6-2可见，除了倒相之外，两电路的输出波形完全相同。而倒相的差别，很容易通过加一级倒相器来消除，可以不予考虑。将A、B互换或改为其它数椐重画波形，可得到相同结果。如果加一级倒相器在模拟乘法器的二个输入端则两个电路的输出相同，这就是一般资料上规定的二元数椐在(0,1)域与(-1,+1)域的对应转换关系：0+1，1-1，与前述转换关系没有本质区别，为使物理概念清楚些我们采用前者。由以上分析可得到以下结论：（1）、（0，1）域上的二进制序列作乘法运算，必须首先转换到（-1，+1）域上（0-1，1+1）然后再相乘。（2）、二进制序列在（0，1）域上模二加（异或）运算与其在（-1，+1）域上的乘法运算等效。即对二进制序列可以用模二加代替乘法运算。当然，对于两路输入为多个数字序列波形线性叠加成的多电平信号时，就不能用模二加代替乘法运算了。下面就可按式（6-1）以表6-1中的、为例来研究沃尔什序列的正交性。图6-3是用模拟乘法器求、互相关函数值R1,7的有关波形。由图可见，在求互相关函数值积分过程中，积分值在t=0时刻为0，然后围绕0起伏变化，在t=T的最后时刻得互相关函数值R1,7=0。t0T0t W18W78 dt图63 W18、W78及互相关函数值TTPW18W78W18W78+1-1+1-1+1-1R1,7 =0T W18W78 dt=0直接计算的结果与图6-3中一致： 由上式也可见，求数字序列相关函数Rij(=nTp)，即为码周期Tp整数倍时，只需将两序列(-1,+1)域对应位相乘再求和(再乘以码周期)即可得到。或者Rij(nTp)=(A-D)Tp，式中，A为两序列对应位相同的个数，D为两序列对应位不同的个数。相关系数 ij(nTp)=(A-D)/P，式中P=A+D等于序列包含的码元数。当然，以上讨论对求自相关函数/系数同样有效。同法可求出其它任意二个序列之间的互相关函数都为0。Walsh序列的正交性在0时急剧恶化。例如：由表6-1，循环左移1位（=-TP）等于，循环左移2位（=-2TP）等于，互相关函数值都等于自相关函数的峰值。 2DS-CDMA移动通信系统图6-1为DS-CDMA移动通信系统原理框图。系统中采用包含N个码序列的正交码组C1，C2，CN作为地址码，分别与信码d1,d2,dN模2加或相乘实现扩频调制。信码速率Rb（单位：b/s，比特/秒）、周期Tb=1/Rb；地址码速率Rp（单位：c/s，码片/秒或子码/秒）、周期Tp=1/Rp，地址码序列每周期包含p个子码元，序列周期。通常设置 （6-3）即 （6-4）地址码速率Rp是信息速率Rb的p整数倍，1个信码周期Tb对应一个地址码序列周期T。信息码与地址码相乘后占据的频谱宽度扩展了p倍。由N个正交地址码在一对双工载频上构成N个逻辑信道，可供N对用户同时通信。图中画出发端的N个用户及收端第1个用户。DS-CDMA系统的载波调制方式可采用调频或调相，以调相方式应用最广。以2PSK调制为例，发端用户1发射的信号为 （6-5a）上式中，d1(t).c1(t)是（-1，+1）域二元数据，则S1(t)是0/调相的2PSK信号。故载波调制器就是模拟乘法器。式（6-5a）可写成如下形式 （6-5b） 或 （6-5c）上式表明，发端的DS-CDMA射频信号，可通过先扩频调制再载波调制（式（6-5b）或先载波调制再扩频调制（式（6-5c）得到，二者是等效的。与此对应，收端也有二种等效的解调方案。本实验系统采用的方案是：发端先扩频调制再载波调制，收端先载波解调再扩频解调。发端N个用户发射在空中的信号在时域、频域完全混叠在一起，收端每一个用户都可收到。收端第1个用户天线收到的信号（6-6）载波解调后的信号 (6-7)经过与本地地址码c1(t)相关检测后输出信号 上式中，T为地址码序列周期，等于信码周期Tb，故积分号中信码di(t)是常数可提出，得 代入式（6-1）地址码的正交性关系可得 （6-8）上式中为c1(t)的自相关函数峰值。经采样后得到方波形式的信码d1(t)。收端用户1从发端N个用户发射在空中，在时域及频域完全混叠的DS-CDMA信号中，接收到发端用户1的信码。3DS-CDMA移动通信的关键技术（1）正交码序列的研究、选择及配置。（2）为克服远近效应，要进行精确，快速的发射功率控制。由前面式（6-6）（6-8）的分析可见，如果地址码组严格正交，并且收端对接收信号采用相关检测(与地址码相乘再积分)，则式（6-8）所示收端输出只包含有用信息，而不包含其它地址的信息，即不存在多址干扰。但实际情况并不是如此理想： 实际使用的地址码一般都不是严格正交，或者只在指定的相对相位关系下才是严格正交； 传输引起信号波形畸变及收端地址码同步精度不高，使地址码正交性恶化。在上述两种实际应用情况下，接收端就存在多址干扰。这样一来，接收机收到的近地发射机来的无用的强信号对远地发射机来的有用的弱信号会产生严重多址干扰。另一方面，由于接收机前端电路的线性动态范围有限，近地强干扰信号会造成接收机的阻塞，亦会抑制远地有用弱信号的接收。以上二个原因造成的近地强信号对远地弱信号接收的抑制现象称为“远近效应”。同一小区内各移动台与基站距离不同，各移动台发射信号到达基站接收机的传输距离不同，存在远近效应；而基站发射的多路信号到达某一移动台接收机的传输距离相同，不存在远近效应。克服远近效应的方法是对移动台发射功率进行精确、快速及大幅度的控制，使任一移动台无论处于什么位置，其发射信号到达基站接收机时，都具有相同的电平，而且刚刚达到要求的信干比门限；基站发射信号虽不存在远近效应，但仍进行慢速及小幅度的控制，使移动台接收机收到基站发射来的信号刚刚达到要求的信干比门限。各移动台的发射机是物理上独立的发射机，可按需要独立进行功率控制。基站发射机及功率控制由于下述原因而大为简化。原则上，基站需为每条DS-CDMA逻辑信道配置一台发射机，但由于这些发射机处于同一基站，所以发射载频是相干的（同频、同相），故基站总的发射信号可表示为 （6-9）由式（6-9）可见，基站各信道发射的射频信号，可先在中频wIF实现扩频调制及载波调制，经线性叠后由1台发射机上变频到射频再功率放大后发射出去。调整各信道中频信号幅度，就调整了各信道射频信号幅度（功率）。基站发射的多路射频信号另外一种形式为 （6-10）即，可先将各