移动通信原理实验指导书

1、实验要求实验要求 1.每位学生必须按规定完成实验课，因故不能参加实验者，应课前向指导教师请假（必须 经有关领导批准） 。对所缺实验要在期末考试规定时间内补齐，缺实验者不得参加期末 考试。 2.每次实验课前，必须预习，弄清实验题目、目的、内容、步骤和操作过程，及需记录的 参数等，认真做好预习报告。在实验前，指导教师要检查预习结果并就与本实验有关的 内容进行提问。对不写预习报告，又回答不出问题者，不准做实验。 3.每次实验课前，学生须提前 5 分钟进入实验室，找好座位，检查所需实验设备，做好实 验前的准备工作。 4.做实验前，了解设备的原理和正确使用方法。在没有弄懂仪器设备的使用方法前，不得 贸然

2、使用，否则因使用不当造成仪器设备损坏的，根据大连民族学院仪器设备损坏丢 失处理暂行办法规定进行处理。 5.实验室内设备在实验过程中不准任意搬动和调换，非本次实验所用仪器设备，未经指导 教师允许不得动用。 6.要求每位学生在实验过程中，要具有严谨的学习态度、认真、踏实、一丝不苟的科学作 风。坚持每次实验都要亲自动手，不可“坐车” ，实验小组内要轮流操作和记录等工作， 无特殊原因，中途不得退出实验，否则本次实验无效。 7.实验中若接线、改接、拆线都必须在切断电源的情况下进行（包括安全电压） ，线路连 接完毕再送电。实验中，特别是设备刚投入运行时，要随时注意仪器设备的运行情况， 如发现有超量程、过热

3、、异味、冒烟、火花等，应立即断电，并请指导老师检查、处理。 8.实验过程中，如出现事故，就马上拉开电源开关，然后找指导教师和实验技术人员，如 实反映事故情况，并分析原因和处理事故。如有损坏仪表和设备时，应马上提出，按有 关规定处理。 9.每次实验结束，指导教师要对实验数据和结果进行验收，要经检查并签字，在教师确认 正确无误后，学生方可拆线。整理好实验台和周围卫生，填写实验登记簿后方可离开。 10. 实验课后，每位学生必须按实验指导书的要求，独立完成实验报告，不得抄袭。 11. 实验成绩由实验操作和实验报告组成。 目目 录录 一、移动通信技术实验说明.1 二、移动通信技术实验装置介绍和使用说明.

4、2 2.1 系统组成.2 2.2 调制解调模块.3 2.2.1 调制方式的实现.3 2.2.2 解调方式的实现.6 2.3 无绳电话系统.7 2.3.1 射频部分.8 2.3.2 用户线信令部分.9 2.3.3 双工器部分.11 2.4 cdma 系统 .13 2.4.1 发射机的实现.13 2.4.2 接收机的实现.16 三、实验项目.24 实验一 okumura-hata模型的计算机仿真.24 实验二 qpsk/dqpsk 调制解调实验.27 实验三 信道分配实验.29 实验四 用户信令与无绳电话实验.32 实验五 gold 序列的捕获与跟踪实验 .37 实验六 扩频与解扩实验.40 实验

5、七 载波提取实验.43 实验八 帧同步提取实验.46 实验九 cdma 移动通信系统实验.52 1 一、移动通信技术实验说明一、移动通信技术实验说明 移动通信技术实验指导书是根据课程而编制的。 移动通信技术实验是通信工程 专业的一门专业教育选修课，是移动通信技术课程和扩频通信等课程的实验教学， 是与之相匹配的课外实践环节，总学时为 12 学时。通过实验可以加深对课程内容的理解， 移动通信技术实验不仅与课堂讲授的基本理论、基础知识相结合，而且也是学习后续课 程和进行科研工作的基础，同时又是培养学生独立思考和理论联系实际能力的重要手段。 移动通信技术实验课程的目的是使学生了解移动通信所涉及到的各种

6、技术的实现方法， 熟悉具有代表性的移动通信系统。要求学生能够独立完成各种技术的调试，并具备独立设计 移动通信系统的综合能力。 本实验具有以下几个主要特点：覆盖的知识点较多；系统性强；技术性实践性强。 本课程的实验是利用实验室所提供的移动通信实验箱来完成的，且大部分为验证性的实 验，通过实验来验证理论课所讲述的知识。另外还安排了几个综合性实验，使学生能够将所 学知识能够融会贯通，使之系统化。 2 二、移动通信技术实验装置介绍和使用说明二、移动通信技术实验装置介绍和使用说明 2.1 系统组成系统组成 本实验系统覆盖移动通信技术和扩频通信课程的主要知识点，包括数字调制实验、多址 实验、发射机/接收机

7、实验，同时设定了两个典型的移动通信系统，模拟通信系统和 ds- cdma 系统，不仅包括了移动通信技术的基本原理，还包括了扩频通信的扩频和解扩，同 步和捕获等关键技术。该实验装置具有较强的系统性，能够模拟多种具有代表性的移动通信 系统。本实验系统包括三个主要部分：调制解调模块；无绳电话系统；cdma 系统。 整个实验系统的组成如图 2-1 所示。 图 2-1 移动通信原理实验系统组成 下面分别对系统的三个模块调制解调模块、无绳电话系统、cdma 系统模块的功能作详 细的介绍。 cdma接收机 cdma接收机载波提取模块调制模块解调模块 电源 模块 有线 电话 接口 无绳电话模块 有线 信令 模

8、块 信号音 发生 模块 cdma发射机 无无绳绳电电话话系系统统 cdma系系统统 调调制制部部分分 无绳电话手机无绳电话座机 有线电话 3 2.2 调制解调模块调制解调模块 随着通信业务量的增加，频谱资源日趋紧张，为了提高系统的容量，信道间隔已由最初 的 100khz 减少到 25khz，并将进一步减少到 12.5khz，甚至更小。同时，由于数字通信具 有建网灵活，容易采用数字差错控制技术和数字加密，便于集成化，并能够进入 isdn 网， 所以目前通信系统都在由模拟制式向数字制式过渡。因此系统中必须采用数字调制技术。 数字信号调制的基本类型分为振幅键控（ask） 、频移键控（fsk）和相移键

9、控（psk） 。 然而一般的数字调制技术因传输效率低而无法满足移动通信的要求，为此，需要专门研究一 些抗干扰性强、误码性能好、频谱利用率高的调制技术，尽可能地提高单位频谱内传输数据 的比特率，以适用于移动通信的窄带数据传输的要求。如最小频移键控（mskminimum shift keying） ，高斯滤波最小频移键控（gmskgaussian filtered minimum shift keying） ， 四相相移键控（qpskquadrature reference phase shift keying） ，交错正交四相相移键控 （oqpskoffset quadrature refere

10、nce phase shift keying） ，四相相对相移键控 （dqpskdifferential quadrature reference phase shift keying）和 /4 正交相移键控 （/4-dqpskdifferential quadrature reference phase shift keying）,已在数字蜂窝移动通 信系统中得到广泛应用。 数字调制技术又可分为两类：一类是线性调制技术，主要包括 psk、qpsk、dqpsk、oqpsk、/4dqpsk 和多电平 psk 等。这一类调制技术要求通 信设备从频率变换到放大和发射过程中保持充分的线性，因此在制造移

11、动设备中会增加难度 和成本，但可以获得较高的频谱利用率。另一类是恒包络调制技术，主要包括 msk、gmsk、gfsk、tfm 等。这类调制技术的优点是已调信号具有相对窄的功率谱，并 对放大设备没有线性要求，不足之处是其频谱利用率通常低于线性调制技术。由于这两类调 制技术各有优势，因此被不同的移动通信系统所采用。如 gsm 系统中采用的就是 gmsk 调 制，而 is-95cdma 系统采用的是 qpsk 和 oqpsk 调制。 为了使用户能够对各种移动通信中常用的数字调制技术的特点、区别和实现方式有清楚 和全面地认识，本实验系统提供了 msk（最小移频键控） 、gmsk（高斯最小移频键控） 、

12、 qpsk（四相绝对移相键控） 、oqpsk（交错正交四相相移键控） 、dqpsk（四相相对移相键 控） 、/4-dqpsk（/4 正交相移键控）的调制与解调。 4 2.2.1 调制方式的实现调制方式的实现 调制的实现框图如图 2-2 所示。 图 2-2 调制实现框图 首先在 cpld 中产生一组码字为 10100110 1110000 的 nrz 码，经过差分编码及串/并转 换，得到 ik、qk两路数据。波形选择地址生成器根据接收到的 ik和 qk数据选择相应的地址。 eeprom 主要完成波形表的存储，根据 cpld 输出的地址来输出相应的波形数据。这些数 据经过 da 转换后即可得到 i

13、k和 qk支路的基带波形。然后与正交载波调制相加即可得到 调制后的信号。各种调制方式的区别仅在于基带波形的不同。 其中，cpld 使用 epm7128（u601） ；eeprom 选择的型号为 at28c64（u602、u603） ； da 转换器主要完成数模转换的功能，选择型号为 dac0832（u604、u605） ；低通滤波器采用开关电容滤波器，选择型号为 tlc14（u610、u611） ；乘法器采用 mc1496（u608、u609）来完成；加法器采用运算放大 器 tl084（u607）来完成。 该部分各测试点的位置如图 2-2 所示，在图中标明及未标明的测试点分别表示： nrz：调

14、制器基带信号输出点；输出为 nrz 码，周期为 15，码速率受拨码开关 sw602 控制，关系如表 2.2 所示。 /nrz：基带信号的差分编码信号输出点（仅在 msk、gmsk 调制时有效）；输出为 差分 编码 串/并 转换 波形选择地址 生成器 cos 调制输出 波形选择地址 生成器 eeprom （at2864） eeprom （at2864） d/a转换器 （dac0832） 乘法器 （mc1496） 乘法器 （mc1496） 加法器 （运放） d/a转换器 （dac0832） cpld 时序电路 低通滤波器 （tlc14） 时序电路 低通滤波器 （tlc14） sin i路成形 q路

15、成形 i路调制 q路调制 di dq 5 nrz 码，周期为 15，相位比“nrz”输出延迟一个码元，码速率受拨码开关 sw602 控制， 关系如表 2.2 所示。 bs：基带信号的位同步信号；输出为方波，频率受拨码开关 sw602 控制，关系如表 2.2 所示。 di：i 路数据信号输出点；输出为 nrz 码；在 msk、gmks 调制方式时 nrz 码的周期 为 15。 dq：q 路数据信号输出点；输出为 nrz 码；在 msk、gmks 调制方式时 nrz 码的周 期为 15。 i 路成形：路成形：“di”信号经基带成形后信号输出点。 q 路成形：路成形：“dq”信号经基带成形后信号输出

16、点。 i 路调制：路调制：“i 路成形”经 11.71875khz 载波调制后信号输出点。 q 路调制：路调制：“q 路成形”经 11.71875khz 载波调制后信号输出点。 调制输出：调制输出：各调制方式的调制信号输出。 “调制类型选择”共 12 位拨码开关（sw601、sw602） ，其中 sw601 用来选择调制的 类型，如表 2.1 所示；sw602 用来选择基带信号的码速率，如表 2.2 所示。 表 2.1 调制类型选择 sw601调制类型 10000000msk 调制 01000000bbts=0.3 的 gmsk 调制 00100000bbts=0.5 的 gmsk 调制 00

17、010000a 方式的 qpsk 调制 00010001b 方式的 qpsk 调制 00001000a 方式的 oqpsk 调制 00001001b 方式的 oqpsk 调制 00000100a 方式的 dqpsk 调制 00000101b 方式的 dqpsk 调制 00000010/4dqpsk 调制 表 2.2 基带码速率选择 sw602码速率 10000.75khz 6 01001.5khz 00103khz 000112khz 注意：由于时钟信号的频率为 24mhz，所以通过调制类型选择开关选择 nrz 码速率只 是约数，实际值如下： 0.75kb/s： 24m327680.73242

18、1875khz0.75khz。 1.5kb/s： 24m163841.46484375khz1.5khz。 3kb/s： 24m81922.9296875khz3khz。 12kb/s： 24m204811.71875khz12khz。 2.2.2 解调方式的实现解调方式的实现 解调的实现框图如图 2-3 所示。 图 2-3 解调实现框图 将已调信号送入正交调制器中进行正交解调，然后进行成形滤波，再进行电压判决，最 后将所得到的信号送入 cpld 中进行不同类型的解调处理。对于各种不同调制方式只是在 cpld 中的电路不同，其它外围电路都一样。其中，cpld 使用 epm7128（u708）

19、；正交解 调制信号 乘法器 （mc1496） 乘法器 （mc1496） 时序电路 低通滤波器 （tlc14） 低通滤波器 （tlc14） 滞回 比较器 滞回 比较器 抽样 判决 抽样 判决 数据 还原 数据 还原 时序电路 并/串 转换 差分 译码 cos nrz cpld clk bs sin i路解调 q路解调 i路滤波 q路滤波 di dq 7 调器采用 mc1496（u702、u703）来完成；低通滤波器采用 tlc14（u704、u705）来完成； 用滞回比较器对模拟信号数字化，比较器选用 lm339（u706、u707） 。 该部分各测试点的位置如图 2-3 所示，在图中标明及未标

20、明的测试点分别说明如下： i 路解调：路解调：i 路信号解调后信号输出点。 q 路解调：路解调：q 路信号解调后信号输出点。 i 路滤波：路滤波：“i 路解调”信号经低通滤波后的信号输出点。 q 路滤波：路滤波：“q 路解调”信号经低通滤波后的信号输出点。 di：i 路数据信号输出点。 dq：q 路数据信号输出点。 /nrz： nrz 码的差分编码信号输出点（仅在 msk、gmsk 调制时有效）。 nrz：nrz 码输出点。 “解调类型选择”共 12 位拨码开关（sw701、sw702）用来选择解调的类型，其应用 与“调制类型选择”一致。 2.3 无绳电话系统无绳电话系统 无绳电话机俗称子母机

21、，七十年代问世之后，无绳电话以其独特的功能及优越性而深受 广大用户的喜爱，所以发展较为迅速。早期生产的无绳电话机大多属于普通型，通常主机不 设有线电话机及免提电话机功能，易受串扰及同频机干扰。随着电子科技的迅速发展，各种 专用集成电路和先进元器件的不断涌现，无绳电话机在性能、结构及功能等方面都有了很大 的改进和提高。根据不同的要求，无绳电话机已普遍采用了导频或编码控制电路，多频道选 择和空闲信道自动搜索等电路，有效地提高了无绳电话机的通信保密性和抗同频干扰能力； 采用无线调频和抗干扰检测电路，既保证了通信质量，又提高了发射效率；采用射频功率专 用放大器，能进一步提高发射功率，增加通信距离。近年

22、来，相继出现了一大批性能好、体 积小、效率高、成本低、功能多的无绳电话机。 我们通常所说的无绳电话机均属于第一代模拟无绳电话系统，即 ct-1 系统，它只是固 定电话机的无线局部延伸，仅限于家庭或办公室等室内电话用户使用，也是目前正在大量使 用的无绳电话机，自从 1997 年我国颁布无绳电话系统设备总规范 （gb/t16891-1997）以 来，无绳电话产业得到了快速的发展，无绳电话销量近几年也逐年上升，如 93 年无绳电话 机销量仅占电话机销量的 1%左右，而从近几年市场的基本情况来看，无绳电话机的销量至 少占到 10%，有一些地方更达到 15%或以上。我国目前无绳电话机已经初步形成了一批具

23、有 8 一定市场认同度的品牌，如步步高、高科、侨兴、tcl、夏新等。 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； 可带多部移动台，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

24、 无绳电话及在其后发展起来的各种数字无绳电话组成无绳电 话大家族，成为常用的四类移动通信系统之一。 在本移动通信原理实验系统中，实现了一个完整的无绳电话系统，既有无绳电话手机和 座机的功能实验，信道实验，更有与有线信令结合的系统实验。本移动通信原理实验系统的 无绳电话部分，就相当于集成了一个无绳电话的手机和座机，能更直观、更形象地解剖整个 无绳电话系统。 2.3.1 射频部分射频部分 射频部分原理框图如图 2-4 所示。无绳电话手机或座机发射的信号通过天线进入，经双 工器选频后进行两次混频，采用这种两次混频的方式可以有效的抑制镜像干扰。通过两次混 频后得到 455khz 中频信号。中频信号再经

25、限幅放大，这样就可以去除因幅度变化带进的干 扰，经过这样一系列处理后，再由正交鉴频器解调出无绳电话发出的音频或数字信号。 data en 调制信号 无 音乐 发射 不发射 模式选择 手机座机 发射选择 接收 发射 天线 第二本振 第一本振 扬声器 手机双工器 座机双工器 clk u_rx 混频1混频2鉴频 本振1本振2 接收 鉴相器 发射 鉴相器 控 制 lpf m c u 10.7mhz455khz低放 第一中频第二中频 lpf vco调频 45m 48m 45m 48m u_tx kb8528 9 图 2-4 无绳电话系统射频部分原理框图 本移动通信原理实验箱所发射的射频信号由压控振荡器产

26、生，该射频信号产生之后输入 到高频放大器进行放大，然后经过双工器的发射通道馈送到天线发射出去。在此部分电路中， 调制信号输入采用的是音乐信号和直接变容二极管直接调频的方式。 控制器实现了接收及发射电路与单片机之间的接口，通过控制器电路可以改变收发信号 频率以适应不同信道的实验，本实验箱频率范围覆盖了中国无绳电话标准的 20 个信道。本 实验箱无绳电话部分的射频部分采用单片集成无绳电话 kb8528，它的片内包括八个功能模 块：双变频 fm 接收机、fsk 数据比较器、受话音频通道、送话音频通道、串行数据接口、 接收锁相环和发射锁相环、接收信号强度指示和低电池检测电路。这些功能模块的管理、信 道

27、选择等都由来自单片机的串行数据进行控制。 该部分各测试点的位置如图 2-4 所示，在图中标明及未标明的测试点分别表示： 第一本振：第一本振：第一本振信号测试点。它的频率与通话信道有关，每个信道的间隔为 25khz，接收手机信号时，第一信道的频率为 48m-10.7m=37.3m，以后每间隔一个信道频率 加 25khz，20 信道后重新切换到第一信道。接收座机信号时，第一信道的频率为 45m- 10.7m34.3m，以后每间隔一个信道频率加 25khz，20 信道后重新切换到第一信道。第一 本振信号是由压控振荡器产生的。 第一中频：第一中频：固定为 10.7m 的中频信号。 第二本振：第二本振：

28、固定为 10.245m 的第二本振信号，是由晶体产生的。 第二中频：第二中频：固定为 455k 的中频信号，是由 10.7m 的第一中频信号和 10.245m 的第二本 振信号混频产生的。 u_tx：发射锁相环的控制电压测试点。 u_rx：接收锁相环的控制电压测试点。 2.3.2 用户线信令部分用户线信令部分 用户线信令部分原理框图如图 2-5 所示： 10 图 2-5 无绳电话系统用户线信令部分原理框图 我们知道，在用户话机与电信局的交换机之间的线路上，要沿两个方向传递语言信息。 但是，为了接通一个电话，除了上述情况外，还必须沿两个方向传送所需的控制信号。比如， 当用户想要通话时，必须首先向

29、程控机提供一个信号，能让交换机识别并使之准备好有关设 备，此外，还要把指明呼叫的目的地的信号（被叫）发往交换机。当用户想要结束通话时， 也必须向电信局交换机提供一个信号，以释放通话期间所使用的设备。除了用户要向交换机 传送信号之外，还需要传送相反方向的信号，如交换机要向用户传送关于交换机设备状况， 以及被叫用户状态的信号。由此可见，一个完整的电话通信系统，除了交换系统和传输系统 外，还应有信令系统。普通电话信号是目前各种终端信令中最为简单的一种，话机发出的信 电 话 接 口 用户接口电路 （pbl387 10/1） m c u 用户接口电路 （pbl387 10/1） 电 话 接 口 控 制

30、电 路 各种 信号音 产生 电路 摘机状态 检测 摘机状态 检测 tiptip ring ring 话音入 话音出 话音入 话音出 拨号音 忙音 回铃音 帧铃音 拨号音 忙音 回铃音 帧铃音 tx1 rx1 tip1 ring1tip2 ring2 tx2 rx2 11 令以直流电流的通断表示，交换机产生的则主要是各种音频频率的正弦波。在本实验箱中， 将交换机的功能做了进去，以便用户能直观的观察各种信号音以及控制信号的变化情况。 1、信令定义 摘机：话机发出的请求通信的命令。 挂机：由话机发出，表示话机已结束或放弃通信。 拨号音：由交换机发出，促请话机用户输入被叫话机的号码。 忙音：由交换机发

31、出，通知主叫用户通信网络或被叫话机目前正忙。 拨号：话机发出的被叫话机的号码，供通信网接续话路时使用。 回铃音：由交换机发出，提示主叫用户被叫话机正处于振铃状态。 振铃：由交换机发出，供被叫话机发出铃声，促请用户应答。 2、信令编码 摘机：环线直流电流由开路变为导通。 挂机：环线直流电流由导通变为开路。 拨号音：持续的 450hz 的正弦波。 忙音：450hz 的正弦波，每导通 0.35 秒后间断 0.35 秒。 拨号：采用双音多频拨号方式，即 dtmf=（dual tone multifrequency） 。 回铃音：450hz 的正弦波，每导通 1 秒后间断 4 秒。 振铃：25hz 的正

32、弦波，每导通 1 秒后间断 4 秒。 3、测试点定义 该部分各测试点的位置如图 2-5 所示，在图中标明及未标明的测试点分别表示： tip1：用户电话 1 的 tip 端。 ring1：用户电话 1 的 ring 端。 tx1：电话 1 四线输出端。 rx1：电话 1 四线输入端。 tip2：用户电话 2 的 tip 端。 ring2：用户电话 2 的 ring 端。 tx2：电话 2 四线输出端。 rx2：电话 2 四线输入端。 12 2.3.3 双工器部分双工器部分 ant rel ay2 rel ay1 ant 3 rx 1 tx 5 gnd 4 gnd 2 dup1 ant 3 rx

33、1 tx 5 gnd 4 gnd 2 dup2 ant_bs ant_fs rx_h s tx_hs tx_bs rx_bs 制制 制制 制制 制制 制制制制制 制制制制制 13 图 2-6 无绳电话系统双工器部分原理框图 该部分各测试点的位置如图 2-6 所示，在图中标明及未标明的测试点分别表示： ant_bs：座机双工器天线测试端（实验指导书中 ant_bs 或 ant（bs）对应测试点 antbs） rx_bs：座机双工器接收端（实验指导书中 rx_bs 或 rx（bs）对应测试点 rxbs） tx_bs：座机双工器发射端（实验指导书中 tx_bs 或 tx（bs）对应测试点 txbs）

34、 ant_hs：手机双工器天线测试端（实验指导书中 ant_hs 或 ant（hs）对应测试点 anths） rx_hs：手机双工器接收端（实验指导书中 rx_hs 或 rx（hs）对应测试点 rxhs） tx_hs：手机双工器发射端（实验指导书中 tx_hs 或 tx（hs）对应测试点 txhs） 2.4 cdma 系统系统 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 acc

35、ess 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-

36、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 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，本实验系统就设计了一 14 个完整的 ds-cdma 系统，重点放在 pn 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。

37、2.4.1 发射机的实现发射机的实现 其发射机实现框图如图 2-7 所示： 图 2-7 cdma 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

38、进行psk调制。当拨位开关“第一路” 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 15 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

39、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。 其中，发射机信息码和扩频码的产生、扩频均在cpld中实现，cpld使用 epm7128（u301）；psk调制使用模拟乘法器mc1496（u303、u304）；加法器使用运算放 大器ad8

40、055（u305）；功放采用upc1676（u306）。 该部分各测试点的位置如图 2-7 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 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

41、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 28 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

42、，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 16 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

43、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。

44、 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

45、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。 2.4.2 接收机的实现接收机的实现 接收机实现框图如图 2-8 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

46、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 17 图 2-8 cdma 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 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

47、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 2-8 中的 tx（同相）支路和 cpld（u402）构成滑动相关捕获电路，如 图 2-9 所示。 包络检波解扩 时钟 pn码发

48、生器扣码 bpf门限判决 解调 18 图 2-9 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码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 2-8 中的 cq（超前）支路、zh（滞后）支路、vco 和 cpld（u402）构成延迟锁

49、定 环，如图 2-10 所示。 图2-10 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

50、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” 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 19 与“gold1置位”一致而与“gold2置位”不一致时，解调出信息码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。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”。 其中，接收机扣码电路、gold序列发生器及超前、滞后电路均在cpld中实现，cpld 使用epm

51、7128（u402）；高放使用单片集成宽带放大器upc1676（u400、u401）；乘法器 使用模拟乘法器mc1496（u403、u406、u407）；带通滤波器使用10.7m的晶体滤波器 （cft400、cft401、cft402），通带为10.7m7.5khz；包络检波用检波二极管 1n60（d401、d402、d403）完成；减法器由运算放大器tl084（u404）构成；vco使用晶 体压控振荡器（cry400）。 该部分各测试点的位置如图 2-8 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

52、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

53、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。 20 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

54、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 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 2-11 所示。 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

55、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。 图 2-11 科斯塔斯环原理框图 接收机载波提取电路的实现如图 2-12 所示： 环路 滤波器 低通2 压控 振荡器 低通1 90相移 tx2 u500 cos 相乘1 相乘2 vco相乘3 乘法器1 乘法器2 乘法器3 vco-c1 10.7m 滤波器 cos 调制信号 输入 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 21 图 2-12 接收机载波提取电路实现框图 接收机接收到的扩频

56、 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。其中，乘法器 1、2，低通滤波器 1、2 和 90相移集成在集成芯片 u500 中，乘法器 3 使用模拟乘法器 mc1496（u501）；低通滤 波器由运算放大器 tl082（u502）构成；环路滤波器是由分立元器件 r521、r522 和 e500 构成的无源比例积分滤波器；vco 使用由 10.7m 晶体振荡器（cry500）和变容二极管 （d501）为主构成的压控晶体振荡器；10.7m 滤波器使用 10.7m 的陶瓷滤波器（cft500）， 通带为 10.7m1

57、40khz。 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 2-12 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

58、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-c1：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。 vco：环路中压控振荡器的输出点；当环路锁定后该点输出频率与 psk 载波频率一致。 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 22 输出频率与 psk 的载波频率、相位一致。 3、psk 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 2-13 所示： 图 2-13 psk 解调实现框图 psk 调制信号先经过带通滤波器，

59、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。 图 2-14 接收机 psk 解调电路实现框图 接收机 psk 解调电路实现框图如图 2-14 所示。 其中，带通滤波器使用 10.7m 的晶体滤波器（cft400），通带为 10.7m7.5khz；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，均集成 在集成芯片 u500 中；整形用比较器 lm339（u405）完成，整形（比较）电平可通过旋转电 位器“整形”改变；位同步提取用单

60、片机 at89c2051（u410）实现；抽样判决、差分译码 在 cpld（u402）中完成。 该部分各测试点的位置如图 2-14 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” 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