实验一移动通信系统组成及功能

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三类：蜂窝移动通信系统、集群移动通信系统及无绳电话系统，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。BS(Mhz)45.125MS(Mhz)48.125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。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。将系统合理简化得到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。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。所测得的基音频率：12.718khz实验二 无线数字信令一、实验目的通过对移动通信教学实验系统的测量，了解一般移动通信系统无线数字信令（空中信令）的基本概念，包括数字信令调制方式、帧结构及传输协议等概念。二、实验内容1用双踪示波器通过实验箱观测无绳电话无线数字信令波形，了解数据的副载波调制方式及数字信令帧结构。2用双踪示波器通过实验箱观测无绳电话无线数字信令传输协议。三、基本原理通信系统中除用户信息（如话音）外的一系列控制信号称为信令。信令系统与用户信息传输系统是二个相伴随的系统，信令系统连接并控制用户信息传输系统的所有网络设备及用户终端设备，共同构成整个通信系统。信令完成呼叫接续的建立、拆除、监控等一系列的操作与控制，保证用户信息传输系统正确且可靠的动作，使用户信息有效传输。因此，信令可以看作是整个通信系统的神经中枢。按信令形式不同，信令分为模拟信令和数字信令两类。模拟信令包括音频信令及其它形式的模拟信号，它应用早，现在仍应用在许多通信系统中，例如PSTN模拟用户线信令全为模拟信令。数字信令具有速度快、容量大等一系列明显优点，已成为目前通信系统中采用的主要形式。典型的移动通信系统BS至MS之间的无线数字信令帧结构如图2-1所示，它包括位同步码（又称为前置码）、帧同步（又称为字同步）、有效数据（包括地址、消息和其它数据）及纠/检错码四部分，分别介绍如下。位同步帧同步有效数据纠/检错码图2-1 典型的数字信令帧结构（1）位同步：数字通信收端必须从接收的数据流中提取位同步，才能对数据准确进行采样和判决，正确恢复发端数据。位同步建立需要时间，而数字信令是突发的数据串，收端必须在帧同步及有效数据收到之前建立位同步，因此在信令的帧同步前集中加入一段位同步码。（2）帧同步：帧同步位于一个信令帧有效数据的起点，作为帧同步的特殊码组其自相关函数必须具有尖锐峰值，便于与随机的数字信息相区别。常用的有巴克码和m序列。位同步及帧同步统称同步码。（3）有效数据：包括地址、消息或消息等数据。信令的控制、操作功能全由有效数据完成。（4）纠/检错码：对有效数据进行纠/检错编码后产生的监督位。基于纠/检错编码的数据传输差错控制方法，常用的有以下二种：前向纠错FEC(Forward Error Correction)：发端对数据进行纠/检错编码，收端进行纠错解码，对未超过纠错范围的误码予以纠正。检错重发，常称为自动请求重发ARQ(Automatic Repeat Request)：发端对数据进行纠/检错编码，收端发现有纠正不了的误码时，自动请求发端重发，直到收到正确数据为止。显然，后一纠错方式的可靠性要高得多，但付出的代价是降低了信息的传输速率。这符合香农定理。发端在没有收端请求的情况下，按事先规定主动重发多帧信令，收端对其纠检错之后再进行大数判决，亦可提高信令数据传输可靠性。这可认为是对ARQ重发次数作硬性规定后与FEC组合而成的一种方法。作为构成图1-3移动通信教学实验系统无线部分的中国CT1无绳电话，相关技术标准只规定了其工作频率、调制方式等射频技术要求（见附录1表1），但对其信令结构、传输协议及多信道共用方式未作规定，由各生产厂家自行定义、开发。因而，各厂家生产的无绳电话这方面技术各不相同，座机与手机一般不能交换配对使用。本实验系统中采用的一种无绳电话的信令结构及多信道共用方式是国内外很多厂家所采用的，十分可靠实用，也比较规范，便于观测。1无绳电话无线数字信令副载频调制方式及帧结构信令数据先对副载频进行FSK调制，即一次调制，如表2-1所示。然后再对45/48MHz的主载频调频（FM），即二次调制。由于每个码元只调制为1个周期的副载频，故与经典的FSK调制相比有点不同：码元宽度随0/1数据而变化。表2-1 信令数据的FSK调制方式数据FSK调制参数0周期2.0ms的一周方波1周期2.8ms的一周方波帧同步S周期4.0ms的一周方波数据帧的典型结构以手机拨号码7为例，见图2-2。数据帧各部分的含义见图2-3，其中有效数据有12位，分为三个部分：波形：数据：00S101000111000图2-2 典型的信令数据帧结构同步码IDH手机号代码消息(消息)0 0 S, 1 0 1 0, 0 0, 1 1 1 0, 0 0图2-3 信令数据帧各部分的含义（1）IDHIDH为无绳电话系统16位识别码（ID码）的高4位。在初装无绳电话时，座机与手机要统一ID码，称为对码。只有ID码相同的座机和手机才能建立无线连接，有效防止不同ID码无绳电话之间的窜扰和盗打。在手机摘机主呼及被呼振铃时，才全部发送及接收16位ID码，在这以后的信令传输过程中为节省传输时间只发送部分ID码。为了使实验箱能自动跟踪测量无绳电话工作过程，实验箱也要与无绳电话对码，使实验箱、无绳电话座机及手机三者的ID码及呼叫信道保持一致(对码方法见实验四的实验步骤1。实验前教师己对好了码，实验一、二、三中同学不必对码)。实验箱内的无绳电话系统ID码及控制信道号都存在E2PROM中，掉电不会丢失。要查看系统ID码只需点动实验箱”对码”键，即可在频率显示LED数码管上显示ID码4秒钟。16位二进制码以8位四进制码形式显示，高位在左，低位在右，例如01，23，32，10（四进制）=0001，1011，1110，0100（B）。（2）手机号代码本无绳电话一台座机最多可带4部手机（任一时间只能有一部手机占用座机通话）。在对码时，按手机对码的先后顺序，座机顺次指定手机号码为1、2、3、4。信令中手机号代码含义见表2-2，2位代码倒序看为自然二进制码，与手机号码直接对应。表2-2 手机号码手机号码1234代码00100111倒序代码00011011（3）消息消息为6位，亦应倒序读取，图2-3中消息倒序码为00,0111B=07H，表示消息”拨号码7”。常用消息见表2-3。表2-3 无绳电话常用消息消息代码（倒序读出）拨号码0-9、*、#01-09H、0EH、0FH闪断（Flash）10H挂机12H2无线数字信令传输协议无绳电话呼叫接续有不同状态，包括手机被呼振铃，手机主呼/被呼摘机，手机拨号，进入通话后手机进行“闪断”、“换频”、“挂机”等操作。在呼叫接续的不同状态下，信令传输协议各不相同，下面仅介绍手机拨号、闪断（Flash）及通话结束后挂机的信令传输协议。（1）手机拨号MS发：0 0 S, 0 1 0 0, 0 0, 1 1 1 0, 0 0; S ,0 1 0 0, 0 0, 1 1 1 0, 0 0; S, 0 1 0 0; S 0 1 0 0; S 0 1 0 0.BS发： 0 0 S, 1 0 1 1; S 1 0 1 1; S 1 0 1 1.同步IDH消息(拨号码7)重发消息帧应答确认(IDL)重发应答确认同步应答(IDL)重发应答手机号代码图2-4 手机拨号信令传输过程图2-4为手机拨号（以”拨号码7”为例）信令传输过程。图中，消息帧各部分含义见前节；应答帧中IDL为ID码低4位，为IDL的反码。由图可见，无绳电话信令收发是全双工工作方式，座机及手机可同时收发信令。为保证信令数据传输可靠性，必须采用差错控制。本无绳电话采用检错重发即自动请求重发ARQ方式实现差错控制。但与一般ARQ方式不同，数据中的检错功能不是由纠检错编码而是由以下手段实现：如表2-1所示，每位数据都是特定周期的一周方波，收端微处理器采用脉宽检测方式检测其半周期及周期，超过表中数值（有一定允许误差）就判定为误码。只要有1位误码就确定数据帧出错。另外，噪声及干扰引起前一码元脉宽变化会传递到下一码元，若前一码元刚好错成另一码元，则下一码元脉冲半周期或周期一般都会出错。总之，脉冲半周期及周期宽度检测是一种极严格的检测方式，在相同信噪比条件下，它的误码率比常用的最佳检测方式相关检测或匹配滤波的误码率要高得多。更重要的是，最佳检测对每个码元的检测结果只给出是0还是1，但这个码元的对错它一无所知，只能通过纠错解码来判定；而脉宽检测根据每个码元的参数就可检测出误码，等效为每个码元自带检错信息。消息帧中的IDH及应答/应答确认帧中的、IDL分别为无绳电话系统16位ID码的高4位、低4位的反码及低4位，是座机及手机双方都确知的数据，收端可检出这些数据的错误。座机及手机依据以上信令数据的可靠检错功能，以自动请求重发ARQ方式保证信令数据传输的可靠性：如图2-4所示，若座机BS收到第1个消息帧检测无误码，则连续发多个应答帧表示收到正确的消息。MS只要正确收到其中一个应答帧就确认BS已收到正确消息帧，于是在发完当前的消息帧后就停止发消息帧，然后发多个应答确认帧通知BS，让BS仃发应答帧，完成1次手机拨号消息的传送过程。若BS未收到正确的消息帧，则不发应答，等效为发送请求重发信息，MS就连续重发第3个、第4个消息帧，直至收到BS的应答为止（或MS因发送超时，放弃这次信令传输）。MS至少发送2个消息帧的原因是，BS在收完第1个消息帧检测无误码直到发完第1个应答帧并被MS正确接收后，MS已经将第2个消息帧发送了一部分，因而发完算了。由于重发的最后一帧消息帧是多余的，生产厂家开发者对这一段手机程序没有准确设计及仔细调试，消息帧后几位可能有错误。（2）手机挂机MS发：0 0 S, 0 1 0 0, 0 0, 0 1 0 0, 1 0; S 0 1 0 0, 0 0, 0 1 0 0, 1 0; 0 0 S, 0 1 0 0; S 0 1 0 0; S 0 1 0 0.BS发： 0 0 S, 1 0 1 1; S 1 0 1 1; S 1 0 1 1.同步IDH挂机消息手机号代码图2-5 手机挂机信令传输过程图2-5为手机挂机信令传输过程。由图可见，其过程与手机拨号完全相同，唯一的区别是消息内容不同。四、实验步骤按实验室现有示波器类型，选择以下二种方法之一做实验。（一）用模拟双踪示波器观测无线数字信令1. 将模拟双踪示波器设置为：双踪/切换(CHOP) 扫描方式，上升沿外触发，水平分度2ms/DIV，垂直为DC、2V/DIV。示波器的两个测量探头分别接在实验箱”BS测量”及”MS测量”面板上存储信令的输出端SIG；示波器外触发输入端接至实验箱”BS测量”或”MS测量”面板的触发信号输出端TRI。设置实验箱为AUTO自动跟踪测量方式（按”工作方式”控制面板上K1键至SYST灯亮，再按K2键使K2灯亮），实验箱守候于无绳电话系统的控制信道；打开无线信令存储显示电路 (“无线信令存储显示”面板上的K10置ON，顶部红灯亮；按”存储”键使”显示”绿灯灭，模块处于等待触发存储状态)；关发射机电源(“发射机控制”面板上的K6置OFF，顶部电源指示红灯灭)。为了避免交换机信号音及2/4转换反射信号干扰信令波形观测，本实验中将无绳座机用户线从交换机上拔下。2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，并发出一声蜂鸣声指示。”无线信令存储显示”控制面板上的”显示”绿灯亮，表示手机摘机信令已存储完毕。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”工作方式”控制面板K3键启动实验箱扫描(SKAN)，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。3按实验箱”无线信令存储显示”控制面板上”存储”键，”显示”灯灭，电路处等待触发存储状态。4手机用户按键进行“拨号”、“闪断”等操作，实验箱以单次触发方式存储记录下这一次信令传输过程，”显示”灯亮，示波器可观察到存储的数字信令。调节示波器触发电平旋钮使波形稳定；反复按”同步”键分八步循环步进调节波形的闪烁及亮度，在波形由严重闪烁刚好调节到不闪烁时，亮度最高，波形最清晰。旋转”位置”旋钮左右移动显示波形，或按”复位”键使显示波形回到信令传输过程的起点。如此仔细观测并记录信令帧结构及信令传输过程。5重复3、4，观测并记录另1次信令传输过程。6. 拉开手机与座机之间的距离，即拉开实验箱”BS收发信机”天线与无线电话座机天线距离及实验箱”MS收发信机”天线与无线电话手机天线距离，降低无线电话座机的接收机输入C/N，增大接收信令误码率。手机重复按某数字键拨号，观测信令传输过程中消息帧重发2次以上的现象。（二）用TDS210双踪数字存储示波器观测无线数字信令1将TDS210双踪数字存储示波器的两个测量探头分别接至实验箱”BS测量”及”MS测量”面板上AFo端；示波器外触发输入端接至TRI触发输出端。示波器设置为上升沿外触发，单次触发方式，触发电平11.6V；水平分度25ms/DIV；垂直为直流、2V/DIV。关断实验箱发射机及信令存储显示电路（”发射机控制”面板上的K6置OFF，”无线信令存储显示”控制面板上的K10置OFF）；置实验箱为自动测量AUTO方式（按”工作方式”控制面板K1键至SYST灯亮，再按K2健使K2灯亮），实验箱守候于无绳电话系统的控制信道。2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，并发出一声蜂鸣声指示。按示波器运行（RUN）键使示波器处于等待触发扫描状态，示波器显示屏上方状态栏中停止（STOP）字符变为运行（RUN）字符。3手机用户按键进行“拨号”、“闪断”等操作，TDS210数字存储示波器以单次触发方式存储显示这一次信令传输过程，示波器显示屏上方状态栏中显示停止（STOP）字符。调节示波器水平分度至2.55ms/DIV，展开波形，仔细观测并记录信令传输过程。4 调节示波器水平分度返回25ms/DIV，按运行（RUN）键使示波器处于等待触发扫描状态，示波器显示屏上方状态栏中停止（STOP）字符变为运行（RUN）字符。重复3，观测并记录另一次信令传输过程。5. 拉开手机与座机之间的距离，即拉开实验箱”BS收发信机”天线与无线电话座机天线距离及实验箱”MS收发信机”天线与无线电话手机天线距离，降低座机的接收机输入C/N，增大接收信令误码率。手机重复按某数字键拨号，观测信令传输过程中消息帧重发2次以上的现象。五、实验报告内容1给出以下几种操作的无线数字信令传输过程图，并注明在实验箱上查到的无绳电话系统16位ID码，与图中IDH、IDL及比较。最后总结出数字信令典型帧结构和信令传输过程。对码：BS22.20MS23.21（1） 手机拨号码1；（2） 手机拨号码3；（3） 手机拨号码9；（4） 手机进行“闪断”操作；（5） 手机挂机。数据帧的典型结构以手机拨号码7为例,数据帧各部分的含义见图2-3，其中有效数据有12位，分为三个部分：波形：数据：00S101000111000图2-2 典型的信令数据帧结构同步码IDH手机号代码消息(消息)0 0 S, 1 0 1 0, 0 0, 1 1 1 0, 0 0图2-3 信令数据帧各部分的含义IDh1010可以得到IDh和IDl同我们的对码对应IDl0110（1）手机拨号MS发：0 0 S, 0 1 0 0, 0 0, 1 1 1 0, 0 0; S ,0 1 0 0, 0 0, 1 1 1 0, 0 0; S, 0 1 0 0; S 0 1 0 0; S 0 1 0 0.BS发： 0 0 S, 1 0 1 1; S 1 0 1 1; S 1 0 1 1.同步IDH消息(拨号码7)重发消息帧应答确认(IDL)重发应答确认同步应答(IDL)重发应答手机号代码图2-4 手机拨号信令传输过程图2-4为手机拨号（以”拨号码7”为例）信令传输过程。图中，消息帧各部分含义见前节；应答帧中IDL为ID码低4位，为IDL的反码。由图可见，无绳电话信令收发是全双工工作方式，座机及手机可同时收发信令。为保证信令数据传输可靠性，必须采用差错控制。本无绳电话采用检错重发即自动请求重发ARQ方式实现差错控制。但与一般ARQ方式不同，数据中的检错功能不是由纠检错编码而是由以下手段实现：若座机BS收到第1个消息帧检测无误码，则连续发多个应答帧表示收到正确的消息。MS只要正确收到其中一个应答帧就确认BS已收到正确消息帧，于是在发完当前的消息帧后就停止发消息帧，然后发多个应答确认帧通知BS，让BS仃发应答帧，完成1次手机拨号消息的传送过程。若BS未收到正确的消息帧，则不发应答，等效为发送请求重发信息，MS就连续重发第3个、第4个消息帧，直至收到BS的应答为止（或MS因发送超时，放弃这次信令传输）。MS至少发送2个消息帧的原因是，BS在收完第1个消息帧检测无误码直到发完第1个应答帧并被MS正确接收后，MS已经将第2个消息帧发送了一部分，因而发完算了。由于重发的最后一帧消息帧是多余的，生产厂家开发者对这一段手机程序没有准确设计及仔细调试，消息帧后几位可能有错误。（2）手机挂机MS发：0 0 S, 0 1 0 0, 0 0, 0 1 0 0, 1 0; S 0 1 0 0, 0 0, 0 1 0 0, 1 0; 0 0 S, 0 1 0 0; S 0 1 0 0; S 0 1 0 0.BS发： 0 0 S, 1 0 1 1; S 1 0 1 1; S 1 0 1 1.同步IDH挂机消息手机号代码图2-5 手机挂机信令传输过程2 根椐信令传输过程中，因接收误码导至消息帧重发2次以上的现象，回答数字信令传输采用何种差错控制方式。为保证信令数据传输可靠性，必须采用差错控制。本无绳电话采用检错重发即自动请求重发ARQ方式实现差错控制。六、思考题测量并记录手机主呼摘机信令传输过程，试分析信令帧结构及传输协议。（注：研究性题目，无现成答案）实验三 信令系统一、实验目的通过对移动通信教学实验系统的测量，了解一般移动通信系统的信令系统的基本概念。二、实验内容1用示波器观测无绳座机用户线信令。2用示波器观测手机操作时座机对手机座机之间无线数字信令与座机交换机之间用户线信令的转换、转发。3用示波器观测手机主呼有线电话的呼叫接续信令传输全过程。三、基本原理通信系统中除用户信息（如话音）外的一系列控制信号称为信令。信令系统与用户信息传输系统是二个相伴随的系统，信令系统连接并控制用户信息传输系统的所有网络设备及用户终端设备，共同构成整个通信系统。信令完成呼叫接续的建立、拆除、监控等一系列的操作与控制，保证用户信息传输系统正确且可靠的动作，使用户信息有效传输。因此，信令系统可以看作是整个通信系统的神经中枢。信令在信令系统中传输、交互、转发及实施控制。用户信息对于电路交换通信系统而言，是在呼叫接续完成后建立的逐段连接的信息通道中传输。按信令通道与用户信息通道在物理上是否独立，信令分为共路信令及随路信令。共路信令集中在独立的信令通道中传输。随路信令在用户信息通道中采用时分、频分等方式随同用户信息一起在信息通道中传输。本移动通信实验系统在研究其信令系统及用户信息传输系统时的原理框图如图3-1所示，它涉及到无线信道及程控交换机用户线信道两类信道。无线信道包括1个专用呼叫信道及19个通话信道（详见实验四）。专用呼叫信道上传送的是共路信令。无线通话信道及有线用户线信道上，信令与用户信息以时分方式在同一信道上传输，都属于随路信令。用户线信 道用户线信 道无线信道TELEXBSMS图3-1 移动通信实验系统的信道连接无线数字信令在实验二中已详细研究，下面首先介绍程控交换机用户线信令，然后介绍无绳座机BS对BSMS之间的无线数字信令及EXBS之间的用户线信令的转换、转发，最后来研究手机MS主呼有线电话TEL的完整的呼叫接续信令传输过程，建立信令系统的概念。1程控交换机用户线信令国家标准规定的PSTN程控交换机用户线信令如下所示17。（1）监视信令馈电电压为-48VDC，用户环路电阻（包括话机摘机电阻）小于2000W，交换机向电话机直流馈电电流（环路电流）18-50mA（电话机摘机门限电流约10mA）。铃流：253Hz正弦波，有效值9015VAC。拨号音：45025Hz连续信号，电平为-103dBm。忙音：45025Hz、0.7秒断续（0.35秒送、0.35秒断）信号，电平为-103dBm。回铃音：450Hz25Hz、5秒断续（1秒送、4秒断）信号，电平为-103dBm。（2）地址信令（拨号信令）直流脉冲信号（已不常用，略）双音多频（DTMF：Dual Tone Multi-Frequency）信号，如表3-1所示。表3-1 DTMF信号的频率及表示的数字、符号高频群(Hz)数字低频群(Hz)1209133614771633697123A770456B852789C941*(E)0#(F)D由以上用户线信令技术标准可见，它是包括直流（环流）和音频（25Hz、450Hz及DTMF）的模拟信令。本实验系统中采用的小型用户程控交换机用户线信令总体上符合以上标准，只在以下细节上有差别，但是它的使用完全正常。馈电电压约为24VDC，比PSTN交换机的48VDC低。这是因为其用户线短，线路压降小，24VDC电压已足够使用。发出的450Hz信号音为方波。由于450Hz信号音（包括拨号音，回铃音及忙音）是发给用户听的指示音，其波形不理想不影响用户听觉对其含义的判断。铃流为50Hz，有效值70VAC。由于用户线不长，电话能正常振铃。2用户线信令过程以图3-2所示有线电话1呼叫有线电话2为例介绍如下：有线电话1未摘机，用户线环路断开，环路电流为0，电话机端电压等于交换机馈电电压。有线电话1摘机，用户线环路通，环路电流为1850mA，大于摘机环流门限10mA，交换机据此判定有线电话机1摘机，向其发拨号音。此时由于有环路电流，电话机端电压下降到6-10V。有线电话1用户按数字键拨号，通过用户线向交换机发DTMF号码。交换机收齐号码后，检查电话机2空闲（环流为0），则向它发铃流，并向电话机1发回铃；若电话机2忙，则向电话机1发忙音。电话机2用户摘机（环流大于摘机门限10mA），交换机停止发铃流，接通双方话路（交换连接），双方通话。一方挂机（环流为0），交换机断开双方话路，向另一方发忙音。另一方挂机，交换机停发忙音。完成一次呼叫接续。 TEL2EXTEL1通 话、挂 机（无环流）挂 机（无环流）忙 音摘 机（有环流）拨 号 音拨 号（DTMF）回 铃摘 机（有环流）用户线2用户线1振 铃图3-2 TEL1TEL2呼叫接续过程3座机BS对两侧有线/无线信令的转换、转发在一个复杂的通信系统中，信令要经过同样复杂的信令系统逐段传输、转换、转发、交互，才能完成呼叫接续，实现用户信息通道的连接及用户信息的传送。例如，本实验通信系统的无绳座机BS，就担负其一侧BS-MS无线数字信令与另一侧EX-BS用户线信令转换、转发作用。以手机MS主呼为例，呼叫接续过程中BS对信令的转换、转发如图3-3所示。通 话挂 机（数字）摘 机（数字）摘 机（有环流）拨 号（数字）拨 号 音拨 号（DTMF）、用户线无线信道（无线数字信令）（用户线信令）挂 机（无环流）回 铃EXBSMS呼叫信道通话信道呼叫信道图3-3 无线/有线信令的转换、转发4实验系统呼叫接续全过程实验系统呼叫接续全过程以手机主呼有线电话为例如图3-4所示。通话信道、摘 机（数字）摘 机（有环流）拨 号（数字）拨 号 音拨 号（DTMF）回 铃挂 机挂 机（数字）挂 机（无环流）忙 音摘 机振 铃用户线用户线无线信道、TELEXBSMS呼叫信道呼叫信道通 话图3-4 手机主呼有线电话呼叫接续过程四、实验步骤（一）观测程控交换机用户线信令CH2SDTabCH1LINE.PCB AFo - MSGND示波器MS示波器TELBSEX图3-5 实验系统呼叫接续过程测量方框图1 按图3-5连接系统，其中，用户线测量板LINE.PCB插接在无绳座机BS的用户线上，将2线制用户线引出2个测量端a、b。用座机BS所带的有线电话手柄及拨号盘等进行呼叫接续操作，用示波器在用户线引出端a、b上测量用户线信令并记录。2座机手柄挂机，无环流。示波器测量通道CH1设置为DC、20V/DIV，测量用户线a、b端电压。3座机手柄摘机，有环流，测量用户线a、b端电压。摘机电压：（V）13挂机电压：（V）294 重新设置示波器CH1为AC、0.2V/DIV，观测交换机发出的拨号音。5重新设置示波器CH1为AC、1V/DIV，座机拨号，观测座机发出的DTMF号码。6拨号呼通有线电话后，有线电话振铃，观测回铃信号。7 有线电话摘机通话，观测双方话音波形。8 有线电话挂机，观测忙音。9重新设置示波器CH1为DC、20V/DIV。座机BS挂机，观测用户线a、b端电压。10重新设置示波器CH1为DC、50V/DIV。有线电话呼叫无绳电话，有线电话听见回铃音，观测无绳座机用户线a、b端铃流（座机内部振铃扬声器线已断开，听不到振铃声）。（二）观测无线/有线信令的转换1仍按图3-5连接系统。示波器通道CH1设置为DC、20V/DIV；通道CH2设