MBC-8A移动通信实验移动通信课程设计

1 目录 第一部分 1 动通信系统组成及功能 . 、 移动通信实验系统 . . 1 有线电话与有线电话呼叫接续过程 . 2 手机与有线电话呼叫接续过程 . 3 话音波形 . 3 无线数字信令 4 数字信令帧结构 . 4 无绳电话无线无线数字信令副载频调制方式及帧结构 . 4 双综示波器存储观测无线数字信令 . 4 信令系统 6 程控交换机用户线信令 . 6 观测程控交换机用户信令 . 6 无绳电话及实验箱识别码 8 设置无绳电话及实验箱识别 码（ ） 8 无绳电话各个频道的频率 . 8 分多址）移动通信 9 动通信实验系统 9 各点信号的测量 . 9 第二部分 动通信实验 11 2.1 m 序列相关特性 11 本原理 . 11 m 序列自相关特性 . 12 序列相关特性 13 阶 M 序列 13 阶 M 序列自相关 13 道编码：交织编码 15 本原理 . 15 点信号 . 16 合地址码 扩频调制 20 本原理 . 20 量各点信号的波形 . 20 第三部分 课程设计总结 . 21 2 第一部分 移动通信系统组成及功能 动通信实验系统 下图 是与公用电话网（ 连的蜂窝移动通信系统方框图。系统包括大量移动台多基站 干移动交换中心 若干 与 连的数椐库 (，图中未画出 )， 过中继线与公用电话网 交换机 连，接入公用电话网。 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下图 ，它将 上图 实际系统全部交换机 并成一部交换机；基站 移动台 线电话采用二部。 它与 上图 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。 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 上图 中， 际选用基于 术、采用数字信令的中国 绳电话，用小型程控交换机， 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（ 构成一套完整的移动通信教学实验系统，如 下图 所示。 下面对 上图 各部分实际采用的设备及本实验内容介绍如下： 1 绳电话 绳电话属于 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， 3 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。 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。 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 天线垂直竖立但不要拉出。实验箱 ”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 天线不要拉出。将实验箱 ”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 控交换机相同，相当于 4 门 控交换机。 下图 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 220电供电，通电后电源指示 户电话摘机后对应的 示灯亮。 线电话与有线电话呼叫接续 按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 81、 82 的用户线插孔，无绳电话座机用户线 (带用户 线信号测量板 入交换机号码 84 的用户线插孔，三个有线电话的号码分别为 81、 82、 84。有线电话之间通信，其接续过程如下图所示： 4 机与有线电话呼叫接续过程 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。其接续过程如下所示： 音 波形 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。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。如下图： （每格为 2以 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 下图 所示。图中 基音周期，则基音频率 。通常 0300围内，则 13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 3003400率范围内。 t ( m s )10 声 压图 1 - 3 浊 音 波 形T p T p 5 无线数字信令 字信令帧结构 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 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 间的无线数字信令帧结构如图 2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。 位同步 帧同步 有效数据 纠 /检错码 图 2典型的数字信令帧结构 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 制，即一次调制，如表 2示。然后再对 45/48即二次调制。由于每个码元只调制为 1 个周期的副载频，故与经典的制相比有点不同：码元宽度随 0/1 数据而变化。 表 2信令数据的 制方式 数据 制参数 0 周期 一周方波 1 周期 一周方波 帧同步 S 周期 一周方波 踪数字存储示波器观测无线数字信令 数据帧的典型结构以手机拨号码 7 为例，见下图。 数据帧为 00部分的含义见下图，其中有效数据有 12 位，分为三个部分： 0 0 S, 0 0 1 1, 0 0, 1 1 1 0, 0 0 同步码 机号 代码消息 (消息 ) 6 （ 1） 无绳 电话系统 16 位识别码（ ）的高 4 位。在初装无绳电话时，座机与手机要统一 ，称为对码。只有 相同的座机和手机才能建立无线连接，有效防止不同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，在这以后的信令传输过程中为节省传输时间只发送部分 。由于实验前已经进行了对码， 为 03210300（四进制），所以 0011（二进制）。 （ 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 22 位代码倒序看为自然二进制码，与手机号码直接对应。 表 2手机号码 手机号码 1 2 3 4 代码 00 10 01 11 倒序代码 00 01 10 11 由于本次实验只使用一个手机，所以手机号代码为 00B （ 3）消息 常用消息见表 2 表 2无绳电话常用消息 消息 代码（倒序读出） 拨号码 0*、 # 0100断（ 10H 挂机 12H 同时测得其他数字信令如下图所 示： （ 1）手机拨号码 6（ 00； （ 2）手机拨号码 7（ 00； （ 3） “闪断”操作 （ 00； （ 4）手机挂机 （ 00 7 信令系统 控交换机用户线信令 国家标准规定的 控交换机用户线信令如下所示。 （ 1）监视信令 馈电电压为 户环路电阻（包括话机摘机电阻）小于 2000，交换机向电话机直流馈电电流（环路电流） 18话机摘机门限电流约 10 铃流： 253弦波，有效值 9015 拨号音： 45025续信号，电平为 忙音： 45025断续（ 送、 断）信号，电平为 回铃音： 45055 秒断续（ 1 秒送、 4 秒断）信号，电平为 （ 2）地址信令（拨号信令） 直流脉冲信号（已不常用，略） 双音多频（ 号，如表 3示。 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（ 25450 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 24 换机的 48。这是因为其用户线短，线路压降小， 24压已足够使用。 发出的 450号音为方波。由于 450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 50效值 70于用户线不长，电话能正常振铃。 观测程控交换机用户线信令 8 1座机手柄挂机，无环流。示波器测量通道 置为 20V/量用户线a、 b 端电压。测量结果为 2 一些模拟信令如下图： （拨号音） （ 码） （回铃信号） （忙音） （回铃音） 9 无绳电话及实验箱识别码 新设置无绳电话及实验箱识别码（ ）及专用呼叫信道 （ 1）仍按图 1布局放置设备并连接成系统。设置实验箱为系统测量方式（按 亮）。 （ 2）连续按住实验箱 ”对码 ”键超过 4 秒，实验箱进入对码及搜索专用呼叫信道状态，守候在 备接收无绳座机发送的新 ，信道号 码管显示 后释放 ”对码 ”键。 （ 3）在挂机状态下，按住无绳座机“对码”键，座机进入对码状态，随机产生 16 位新的 ，在 道上发射出去。实验箱正确收到 后发出一长声 蜂鸣声指示。仍按住座机“对码”键不放，再按住手机“对码”键，手机正确收到座机发射的新 后，发出蜂鸣声指示，新 设置完毕。无绳电话座机、手机及实验箱三者的 一致了，并且无绳电话座机及手机的新呼叫信道也确定了。释放座机及手机“对码”键，双方返回正常工作的挂机状态。几秒钟后实验箱进入搜索专用呼叫信道状态，循环搜索 20 个信道，信道号 码管循环显示对应的信道号。 （ 4）有线电话拨号呼叫无绳电话，无绳手机振铃，无绳座机在新的专用呼叫信道上向无绳手机发振铃信令。实验箱循环搜索到专用呼叫信道，就停留在该信 道并发出连续蜂鸣声。 （ 5）按实验箱 ，实验箱存储新 及新呼叫信道号于 返回系统测量工作方式， 亮。 绳电话 各个 频道的频率 观察各个频道的频率 ，可以得到二十个信道的频率如下： 分多址）移动通信 动通信实验系统 10 时分多址 把时间分割成周期性的帧，每一帧再分割成若干个时隙， 1 个时隙就是一个 道，按需要动态分配给用户使用。在频分双工（ 式中 ，上行链路（ 下行链路（ 帧分别占用具有足够间隔（双工频率间隔）的不同频率。在时分双工（ 式中，上下行帧交错排列在相同载频上。 下图 是实验箱电路组合成的两信道（两个时隙 动通信实验系统。发端 系统基站 发射机，两个时隙 数据 接成帧数据 010（每时隙 4期循环）， 100 (每时隙 4期循环 )，则 0101100（每帧 82 个时隙，周期循环），码速率 s。 波调制后发送给移动台。收端 波 调后的基带信号经整形、积分 /采样 /保持，以最低误码率恢复发端数据。时隙及时钟同步电路送出某个时隙的同步时钟 出本移动台给定时隙的数据。通过切换本地时钟的时隙为 拟二个 动台 接收机，分别接收 数据 数据 各点信号的测量 1按 ，选择工作方式之一。 升沿有效 )、 形 11 （ （ （ （ （ 形） 升沿有效 )、 形 （ （ 12 （ （ （ 形） 第二部分 动通信实验 m 序列相关特性 本原理 设 ci(t), i=1,2, ,N 是序列周期为 T 的一组序列，序列长 P 位码片（子码），码片周期。它们的互相关函数为 , 0( ) ( ) ( ) ,Ti j i jR c t c t d t i j （ 2 式中， ()为 ()移位序列。自相关函数为 0( ) ( ) ( )Ti i iR c t c t d t （ 2 式中， ()为 ()关函数描述了二个序列或波形的相似程度。 如图 3示。用示波器观测各点波形即可了解它们的相关特性。 13 图 3序列相关特性测量电路 下面是本实验待测量的 m 序列。 （ 1） 5 阶 m 序列（序列长 251 位） （ 2） 交码同步信号。 （ 3） t)：求相关函数的码序列之一。 （ 4） 求相关函数的码序列之二。其中 是延时。 （ 5） t) （ 6） )=0 ( ) ( )T P N i t P N j t d t ，为相关函数， )= ( ) , ;( ) , ;R i i jR i j i j自相关函数互相关函数（ 7） )的 重复周期同步信号。 m 序列自相关特性 （ 1）用示波器 量 表 3 3对应的测量项目表比较是否相同。 （上面信号为 面信号为 从上图可以看出 一样的。 （ 2）示波器设置：外触发，直流耦合，外触发信号接自 使 择“手动延时”。示波器二个通道同时测量 测 时延 。 Ni(t)t ) t) t ) 的直流分量 0,1( ) ( )1() t P N t d 14 （延时 （延时 （ 3）示波器一个通道测量 一个通道顺次测量 t) )及 j( )。反复按 ，观察 延变化及 t) )和 j( )的相应变化。 （延时 Ni(t) ) ） （延时 （ 4）按着 放至 常亮，进入“自动延时”方式， )自动步进延时，延时增量为 码管显示时延值 。示波器改为 2S/扫描，一个通道（置为 1V/量 j( )，另一个通道测量 j( )重复周期指示信号 录二者波形。其中， j( )记录大致波形，但要准确测量记录 j( )正负峰值。 j( )波形中的小毛刺、小起伏不要理睬，这是步进延时跳变瞬间 型的短暂混乱所造成。 M 序列自相关特性 5 阶 M 序列 在 实验一 表 3表 3 5 阶 m 序列 4 个连 0 后插入 1 个 0 所构成，如表 3示 (插入的 1 个 0 加黑了 ) ，表中 f(x)为对应的 m 序列生成多项式。 15 5 阶 M 序列自相关 （ 1）示波器 量 表 3 3对应的测量项目表比较是否相同。 （ 2）示波器设置：外 触发，直流耦合，外触发信号接自 使 择“手动延时”。示波器二个通道同时测量 测 时延 。每按 次 闪亮一下，并且 码管显示时延 增加 （延时 （延时 （ 3）示波器一个通道测量 一个通道顺次测量 t) )及 j( )。反复按 ，观察 延变化及 t) )和 j( )的相应变化。 （延时 0， （延时 0， 16 （延时 （延时 （ 4）按着 放至 常亮，进入“自动延时”方式， )自动步进延时，延时增量为 码管显示时延值 。示波器改为 2S/扫描，用一个通道（置为 1V/量 j( )，另一个通道测量 j( )重复周期指示信号 录二者波形。其中， j( )记录大致波形，但要准确测量记录 j( )正负峰值。 j( )波形中的小毛刺、小起伏不要理睬，这是步进延时跳变瞬间 型的短暂混乱所造成。 信道编码 ：交织编码 本原理 分组码只能纠正 随机分散 的误码 。 卷积码能纠 正随机分散的误码 ， 并且在约束长度 足够大时，也能纠正短突发误码。对付突发误码的 最 有效编码是交织编码，它将信道传输造成的长串的突发误码分散成为随机分散误码，再由分组码或卷积码予以纠正。交织编码本身并不具有纠检错能力，只是将突发信道改造成一个随机独立差错信道，如 下图 所示。 交织编码有多种，下面只介绍最简单、最常用的分组交织编码。 本 验系统中，将一帧已卷积编码的 16 位信码 为一组进行分组交织编码。发端交织编码器是一个 44 的存储器矩阵， 16 位信码按行写入、按列读出，置乱后送入信道传 输，如图（ a）所示。收端的去交织器是与发端交织器相同的 44 存储器矩阵，不同的是按相反的方法写 /读：按列写入、按行读出，则输出信码顺序还原。若在信道传输中受到突发干扰，发生成片的 4 位连续误码（图中加黑点的信码），在收端去交织后误码被分散，可被其后的卷积纠错解码器纠正。 17 （ 1） /串变换及加尾比特后用户 1 信码 0（最后 1 位 0为尾比特）， 每帧共 8 位， 码速率 =s，已放在一帧的规定时段。 （ 2） 卷积编码后的 帧共 16 位，码速率 =s。 （ 3） 已插入 8 位 帧同步码（ 01110010）的用户 1 的成帧信码，每帧共24 位，码速率 =s。 （ 4） 织后的 未加入交织，则 （ 5） 加入人为误码的 未加入人为误码，则 1x。 （ 6） 样、保持输出信码，在接收 可能有交织及人为误码。码速率=s。 （ 7） 去交织（如果有）的信码。对于无交织的 速率 =s。 （ 8） 卷积纠错解 码后 的接收数据，码速率 =s。 各点信号 1关断 声源。设置 “人为误码 ”、 “突发误码 ”及 “交织 /去交织 ”。其它设置同前。 2信码 置为 7 位全 0。 3用示波器二个通道同时观测发端 较在无交织时二处信码是否相同。 18 分析： 由于信码 置为全 0，再加上 最后 1 位 0 尾比特 ，则 8过卷积编码后为 样为 16 0， 在 已插入 8 位 帧同步码（ 01110010）的用户 1 的成帧信码，每帧共 24 位 ，所以 据为 01110010 00000000 00000000，由于设置无交织，所以 1为 01110010 00000000 00000000。 4用示波器二个通道同时观测发端 反复切换“ 为误码”无/有， 测量 突发误码后 片误码的位置及位数。 分析： 从上面两个图可以看出，第一个图是没有加入人为误码 11110010 00000000 00000000，第二个图加入人为误码 等于 据为 01110010 11110000 00000000，可以看出误码的位置是信码的开始四个 比特 。 5用示波器二个通道同时观测发端 收端 比较二者是否 一样，发端模拟的信道传输造成的突发误码 是否 传输到了收端。 分析： 由于 经发生连续突发误码，在接收端 1明 发端模拟的信道传输造成的突发误码传输到了收端 。 6用示波器二个通道同时观测发端 收端 直接看 r 的 示， 观测 否 有差别， 是否 存在卷积纠错解码纠正不了的误码。 19 分析： 在接受端，经过 卷积纠错解码 后的数据 为 0000001，而原先发端的数据 000000，这从试验箱上的 可以看到，发端 7 个 暗，而接收端得 一个是亮的，说明经过信道传输后数据发生误码了， 存在卷积纠错解码纠正不了的误码。 7. 设置 “交织 /去交织 ”。 8用示波器二个通道同时观测发端 测 码位置是否被置乱（交织 ）。 分析： 从上图中看不出 信码位置 已经 被置乱 ，即已经进行 交织 处理了，这是由于信码数据全为 0 的缘故，在示波器上看出交织效果而已，实际上已经进行交织处理了，这从后面 有人为误码可以看出。 9. 同时观测 测 加入的成片误码位置及位数。 分析： 这以前面的情况是一样的，加入人为误码的位置是交织后信码的前面四个比特。 10用示波器二个通道同时观测发端 收端 反复切换“ /有，比较 二处信码 是否 一样，发端模拟的信道传输造成的突发误码 是否 传 到了收端。 20 分析： 与前面一样，有人为误码时，由于 经发生连续突发误码，在接收端1明 发端模拟的信道传输造成的突发误码传输到了收端 。 11用示波器二个通道同时观测 收 端 去交织但还未纠错的成帧信码）， 反复切换“ 为误码”无 /有，观测 误码是否 已分散。 分析： 由于 过去交织后的数据，而 到的是有突发误码的数据，数据为 01110010 11110000 00000000， 经过去交织后的 01110010 10001000 1000 1000，可以看出 误码已经 分散 了。 12用示波器二个通道同时观测发端 收端 者直接看 示及 示， 反复切换“ 为误码”无 /有， 观测存在突发误码时，系统采用了交织 /去交织及经卷积纠错后 接收信码 有无误码。 分析： 在接受端，不管是否有无人为误码，经过 卷积纠错解码 后的数据 为为0000000，原先发端的数据 0000000，这从试验箱上的 可以看到，发端 7 个 接收端得 是全暗的，说明 存在突发误码时，系统采用交织 /去交织及经卷积纠错后 接收信码 经没有 误码。 21 合地址码扩频调制 本原理 本实验要研究内容收发二端有关电路如图 3示。 图 3复合地址码扩频调制及 解扩（去扰）原理框图 由图可见，发端 频信道扩频基带信号 N1(t) （ 2 同步信道扩频基带 信号 （ 2 用户 1 由信道地址码 独扩频的扩频基带信号 （ 2 用户 1 由信道地址码 基站地址码 合扩频的扩频基带信号 （ 2 则 的扩频基带信号 经 制后输出 1 （ 2 量各点信号的波形 依次测量 号如下图所示： 导频信道信码 (全 0) 0 (全 0) 户 1 信码 i rw N(0) S 5 同步信道信码 8 22 （ （ （ （ 频调制过程 码波形 片序号 1 32 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 1 码片数据 2 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 片数据 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0