实验二十直接扩频与CDMA实验

1、 现代通信原理实验指导书实验二十 直接扩频与CDMA实验一、实验目的1、了解扩频通信的基本性质。2、了解CDMA通信系统的主要构成。3、了解Gold序列的特点。4、了解伪随机序列同步的滑动搜索法。5、了解伪随机序列的锁相环跟踪方法。二、实验内容1、m序列和Gold序列的特性。2、Gold序列的自相关和互相关特性的观察。3、延迟滞后锁相环（DLL）的鉴相特性曲线。4、扩频码的捕获与跟踪（无固有频差的情况下）。5、扩频码的捕获与跟踪（有固有频差的情况下）。6、观察基带信号扩频前后的谱变化。7、观察扩频后PSK调制波形。8、扩频、解扩与基带解调。9、码分多址。10、扩频码定时偏移对解扩的影响。三、实

2、验仪器1、信号源模块2、CDMA模块3、数字解调模块4、频谱分析模块5、20M双踪示波器 一台6、频谱分析仪（选用）一台7、连接线 若干四、实验原理1、概述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，

3、所以公认它将作为第三代移动通信的主要技术。码分多址（CDMA）即不同用户传输信息所用的信号不是靠频率不同或时隙不同来区分，而是用不同的编码序列来区分，或者说，它是靠信号的不同波形来区分（用PN码区分用户）。2、m序列和Gold序列的特性和发生器工程上常用二元0，1序列来产生伪噪声码。它具有如下特点：a、每一周期内“0”和“1”出现的次数近似相等。b、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）c、序列具有双值自相关函数，即： （201）在（201）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。（1） m序列二元

4、m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2n1位的m序列可以用n级线性移位寄存器来产生。如图20-1所示：模二加法器图20-1 线性移位寄存器m序列的特性如下:a、在每一周期p= 2n1内，“0”出现2n11次，“1”出现2n1次，“1”比“0”多出现一次。b、在每一周期内共有2n1个元素游程，其中“0”的游程和“1”的游程数目各占一半。并且，对n2，当1kn1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n1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。c、m序列（a

5、k）与其位移序列（）的模二和仍然是m序列的另一位移序列（），即：d、m序列的自相关函数为：（202）图20-2为本实验系统中用于模拟信息码元的m序列波形。图20-2 m序列波形图（2） Gold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小。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

6、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：（203）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2n1比特时，就可得到一族（2n1）个Gold序列。再加上两个m序列，共有（2n1）个Gold序列。由优选对模二和产生的Gold族2n1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

7、序列之间互相关函数都满足（203）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20-3和图20-4分别为n6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，它们产生Gold序列的周期都是。图20-3 串联型Gold序列发生器图20-4 并联型Gold序列发生器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，一位信息码

8、元的长度与一个周期（127）位Gold码元的长度相同，即在一位信息码元中使用一个周期的Gold码元实现直接序列扩频。在实验电路板上有两个8PIN开关，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，8PIN开关只用了7位，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。只有将两个开关拨动到相同位置，才能实现同步解扩，若两个开关拨动到不同位置是不会实现同步解扩的。由此同学可以体会码分多址通信是如何实现的。Gold序列的自相关特性见图20-5。

9、图20-5 Gold序列的自相关特性3、PN码的捕获与跟踪（1） PN码的捕获PN码序列的捕获是指接收机在开始接收发送来的扩频信号时，调整和选择接收机的本地扩频PN序列相位，使它与发送来的扩频PN序列相位基本一致，也就是接收机捕获发送来的扩频PN序列相位的过程，又叫做扩频PN序列的初始同步。在CDMA系统接收端，捕获的实现大多采用滑动相关法。之所以称它为滑动相关法是因为接收系统在搜索同步时，它的码序列发生器以与发射机的码序列发生器不同的速率工作，结果这两个码序列在相位上互相滑动，只有在到达一致点时，才停下来。滑动相关法的原理见图20-6。图20-6 滑动相关捕获原理接收到的信号与本地PN码相乘

10、后再积分，即求出它们的互相关值，然后在门限检测器中某一门限值比较，以判断是否已捕获到有用信号。这里是利用PN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PN码发生器产生的PN码的重复频率和相位，使之与收到的信号保持同步。（2）PN码的跟踪PN码的跟踪一般采用延迟锁定环来实现。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

11、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。图20-7 PN码的跟踪原理由图20-7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和包络检波，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。本地PN序列发生器的级数和反馈逻辑与发射方相同。延时锁定环路的鉴别特性曲线，如图20-8所示。图20-8 延迟锁相环的鉴相特性4、扩频与解扩、PSK调制与解调（1）扩频与解扩扩频操作又叫做信道化操作，就是用一个高速数字序列（m

12、序列或者Gold序列）与数字信号相乘，把一个一个的数据符号转换成一系列码片，从而大大提高了数字符号的速率，增加了信号带宽。这一定义包括以下三方面的意思：a、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1001000，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。b、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

13、越宽，即信号的频带宽度和脉冲宽度近似成反比，因此，越窄的脉冲序列被所传信息调制，越可以产生频带很宽的信号。扩频码序列就是很窄的脉冲序列。c、在接收端用与发送端完全相同的扩频码序列来进行解扩。图20-9为直接序列扩频的示意图：图20-9 直接序列扩频直接序列扩频通信的过程是将待传送的信息码元与伪随机序列相乘，在频域上将二者的频谱卷积，将信号的频谱展宽，展宽后的频谱呈窄带高斯特性，经载波调制之后发送出去。在接收端，一般首先恢复同步的伪随机码，将伪随机码与调制信号相乘，这样就得到经过信息码元调制的载波信号，再作载波同步，解调后得到信息码元。（2）PSK调制与解调BPSK即PSK(二相绝对移相键控)，

14、即用二进制基带数字信号来控制载波的相位。载波的相位（通常为00和1800）随调制信号0和1改变，这种调制即为BPSK。BPSK信号是双极性非归零码的双边带调制，因此抑制了载波分量。BPSK调制器可表示为：图20-10 BPSK调制器BPSK的信号解调有两种方法：一种是相干解调，另一种是非相干解调。相干解调性能优于非相干解调，但相干解调要求接收机产生一个与收到的载波信号同频同相的参考载波信号，称为相干载波。5、本模块的实现（1）发射部分图20-11 CDMA模块发射部分原理框图第一路信息码使用信号源模块产生的NRZ码，第二路信息码使用CDMA模块自身产生的31位m序列，如图20-2所示，简称PN

15、31。两路扩频码均为在CDMA模块CPLD中产生的127位Gold序列，其中Gold1受8PIN开关SW02的后7位控制，可以任意改变；Gold2是固定的，其控制开关始终为“0000001”。两路信息码分别与Gold1和Gold2进行扩频后，再进行PSK调制。当用连接线将PSK2与IN2连接起来时，发射部分输出点OUT输出的信号即为这两路信号的叠加。（2）接收部分接收部分又由捕获和跟踪两部分构成，原理与3.1和3.2节所述完全一致。其原理框图如图20-12所示。图20-12 CDMA模块发射部分原理框图为了方便实验，我们在门限判决处加了一个旋转电位器“捕获”（P01），用于改变比较的门限值，以

16、捕获有用信号，同时用发光二极管LED03的亮灭来判断是否已捕获到有用信号。同时，在VCO处加了一个旋转电位器“跟踪”（P02），用来调节VCO的压控信号的直流电平，增大接收端的时钟调节范围，使锁相更容易。接收端的扩频码Gold3受8PIN开关SW01的后7位控制。因此，当SW01的后7位与SW02后7位一致时（非0000001），解调出的信息码为信号源输出的NRZ码；当SW01的后7位为0000001时，解调出的信息码为31位的m序列。五、实验步骤1、将信号源模块、CDMA模块、数字解调模块和频谱分析模块小心地固定在主机箱上，确保电源接触良好。2、插上电源线，打开主机箱右侧的交流开关，再分别按

17、下四个模块中的开关POWER1、POWER2，对应的发光二极管发光，各模块开始工作（注意，此处只是验证通电是否成功，在实验中均是先连线，后打开电源做实验，不要带电连线）。3、m序列和Gold序列的特性实验（1）将SW01第一位拨到内，按复位键。（2）用示波器分别观察PN-OUT（m序列）和GD-TX（Gold序列）的波形，用频谱分析模块（或频谱仪）分别观察这两点的频谱。4、观察Gold序列的自相关和互相关特性的实验（1）连接OUT和IN1，将SW01第1位拨到内，将SW02第1位拨到有，SW01第28位为非0000001的任一数，SW02与SW01的第28位相同，按复位键。（2）逆时针将P01

18、旋到底，LED03灭。（3）用示波器测TX3处波形，该波形即为Gold序列的自相关特性。（4）将SW02的第28位拨为与SW01不同，按复位键。用示波器测TX3处波形，该波形即为Gold序列的互相关特性。5、观察延迟滞后锁相环（DLL）的鉴相特性曲线的实验（1）连接OUT和IN1，将SW01第1位拨到内，将SW02第1位拨到有，SW01第28位为非0000001的任一数，SW02与SW01的第28位相同，按复位键。（2）逆时针将P01旋到底，LED03灭。（3）顺时针将P02旋到底。（4）用示波器测VCO-C处波形，该波形即为延迟滞后锁相环（DLL）的鉴相特性曲线。6、扩频码的捕获与跟踪（无固

19、有频差）的实验（1）连接OUT和IN1，NRZ_IN接信号源模块产生的码速率为4KHz的NRZ码。（2）将SW01第1位拨到内，SW02第1位拨到有，SW01第28位为非0000001的任一数，SW02与SW01的第28位相同，按复位键。（3）顺时针慢慢调节捕获旋钮，调到LED03刚好亮。按住复位键，LED03灭，松开复位键，LED03亮，以此来确定接收端捕获到了发送端的Gold序列。（4）示波器通道1接NRZ-KP，通道2接GD-TX，在示波器上可看到两组PN码相同，即接收端捕获到了发送端的Gold序列。（为便于观察，可将NRZ码拨为全1）7、扩频码的捕获与跟踪（有固有频差）的实验（1）连接

20、OUT和IN1，将1M_IN接信号源模块的1024K的方波，NRZ_IN接信号源模块产生的码速率为4KHz的NRZ码。（2）将SW01第1位拨到外，SW02第1位拨到有，SW01第28位为非0000001的任一数，SW02与SW01的第28位相同，按复位键。（3）将捕获电位器P01顺时针旋到底，LED03为亮。示波器通道1接F-IN，通道2接VCO，此时可在示波器上看到两个方波有相对位移，调P02，使滑动速度尽量慢，但仍有滑动。（4）将捕获电位器逆时针旋到底，LED03灭。此时又看到两个方波滑动变快，顺时针慢慢调节捕获旋钮，调到LED03刚好为亮，按住复位键LED03灭，松开复位键LED03亮

21、，以此来确定接收端捕获到了发送端的Gold序列。（5）示波器通道1接NRZ-KP，通道2接GD-TX，在示波器上可看到两组PN码相同，即接收端捕获到了发送端的Gold序列。（为便于观察，可将NRZ码拨为全1）（6）调节跟踪旋钮，使上述两组PN码相位相同，此时接收端完全跟踪到了发送端的Gold序列。8、观察基带信号扩频前后谱变化的实验（1）将1M_IN接信号源模块的1024K的方波，NRZ_IN接信号源模块产生的码速率为4KHz的NRZ码。（2）将SW01第1位拨到外，SW02第1位拨到有，SW01第28位为非0000001的任一数，SW02与SW01的第28位相同，按复位键。（3）用示波器和频

22、谱分析模块观测比较信号源输入的NRZ码和NRZ-KP的波形和频谱，比较NRZ码与其扩频后的区别。9、观察扩频后PSK调制波形的实验（1）将1M_IN接信号源模块的1024K的方波，NRZ_IN接信号源模块产生的码速率为4KHz的NRZ码。（2）将SW01第1位拨到外，SW02第1位拨到有，SW01第28位为非0000001的任一数，SW02与SW01的第28位相同，按复位键。（3）用示波器观测比较NRZ-KP和PSK1的波形，比较扩频NRZ码与其调制后的区别。10、观察两路扩频信号叠加后波形的实验（1）将1M_IN接信号源模块的1024K的方波，NRZ_IN接信号源模块产生的码速率为4KHz的

23、NRZ码。连接IN2和PSK2，将两路扩频、调制后的信号在同一信道中传输。（2）将SW01第1位拨到外，SW02第1位拨到有，SW01第28位为非0000001的任一数，SW02与SW01的第28位相同，按复位键。（3）用示波器观测OUT的波形，该点即为两路扩频信号叠加后的输出点。11、扩频、解扩与基带解调。（1）连接OUT和IN1，1M_IN接信号源模块的1M的方波，NRZ_IN接信号源模块产生的码速率为4KHz的NRZ码，TX2连接数字解调模块的PSK输入口，455K连接数字解调模块的载波输入口，信号源模块的BS信号连接数字解调模块的PSK-BS。（2）将SW01的第一位拨为外，第2位到第

24、8位拨为非0000001，SW02的第一位拨为有，第28位与SW01的第28位相同，按复位键。（3）调节数字解调模块的PSK判决电压调节旋钮，使PSK-OUT输出点的信号与NRZ码一致。该信号即为解扩、解调后得到的NRZ码。（4）用示波器观测NRZ-IN、NRZ-KP、PSK1、TX2、PSK-OUT的波形和频谱。12、码分多址的实验（1）连接IN2和PSK2、OUT和IN1，1M_IN接信号源模块的1M的方波，NRZ_IN接信号源模块产生的码速率为4KHz的NRZ码，TX2连接数字解调模块的PSK输入口，455K连接数字解调模块的载波输入口，信号源模块的BS信号连接数字解调模块的PSK-BS

25、。（2）将SW01的第一位拨为外，第2位到第8位拨为非0000001，SW02的第一位拨为有，第28位与SW01的第28位相同，按复位键。（3）调节数字解调模块的PSK判决电压调节旋钮，使PSK-OUT输出点的信号与NRZ码一致。该信号即为解扩、解调后得到的NRZ码。（4）将SW01第2位到第8位拨为0000001，SW02的第28位拨为非0000001，按复位键。（5）此时测PSK-OUT输出点和PN-OUT输出点，调节数字解调模块的PSK判决电压调节旋钮，使两者码元相同。该信号即为解扩、解调后得到的PN码。13、扩频码定时偏移对解扩的影响实验（1）连接IN2和PSK2，OUT和IN1，1M

26、_IN接信号源模块的1M的方波，NRZ_IN接信号源模块产生的码速率为4KHz的NRZ码，TX2连接数字解调模块的PSK输入口，455K连接数字解调模块的载波输入口，信号源模块的BS信号连接数字解调模块的PSK-BS。（2）将SW01的第一位拨为外，第2位到第8位拨为非0000001，SW02的第一位拨为有，第28位与SW01的第28位相同，按复位键。（3）将捕获电位器顺时针旋到底，LED03为亮。示波器通道1接F-IN，通道2接VCO，此时可在示波器上看到两个方波有相对位移，调P02，使滑动速度尽量慢，但仍有滑动。（4）将捕获电位器逆时针旋到底，LED03灭。此时又看到两个方波滑动变快，顺时针慢慢调节捕获旋钮，调到LED03刚好为亮，按住复位键LED03灭，松开复位键LED03亮，以此来确定接收端捕获到了发送端的Gold序列。（5）示波器通道1接NRZ-KP，通道2接GD-TX，在示波器上可看到两组PN码相同，即接收端捕获到了发送端的Gold序列。（为便于观察，可将NRZ码拨