《移动通信》实验指导书

1、北方民族大学Beifang University of Nationalities移动通信实验指导书主编 王金山校对 王金山北方民族大学电气信息工程学院二0一五年八月 目 录实验一 移动通信系统组成及功能1实验二 无线数字信令7实验三 接收机、噪声与电波传播损耗14实验四 发射机24实验五 GPRS模块用AT指令以文本和PDU格式发送短消息2936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

2、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 (

3、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

4、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

5、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

6、（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

7、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，

8、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

9、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

10、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

11、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LIN

12、E.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、手机及实验箱完成对码，使三者识别码及呼叫信道一致。重新设置无绳电话及实验箱识别码（ID码）及专用呼叫信道（1）仍按图1-3的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K1键至SYST灯亮）。（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CH7准备接收无绳座机发送的新ID码，信道号LED数码管显示CH7。然后释放”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

13、新的ID码，在CH7信道上发射出去。实验箱正确收到ID码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ID码后，发出蜂鸣声指示，新ID码设置完毕。无绳电话座机、手机及实验箱三者的ID码一致了，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LED数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。（

14、5）按实验箱K3键，实验箱存储新ID码及新呼叫信道号于E2PROM后返回系统测量工作方式，SYST灯亮。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

15、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

16、，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。

17、4. 简述对码过程及对码时的注意事项。实验四 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

18、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

19、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

20、/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

21、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

22、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）IDHID

23、H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

24、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

25、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

26、 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

27、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，

28、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

29、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;

30、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”

31、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

32、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，”

33、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

34、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

35、”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

36、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。（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

37、断”操作；（5）手机挂机。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。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 接收机、噪声与电波传播损耗一、实验目的1 了解超外差接收机电路及特点。2 了解接收机内部及外部噪声。3 了解电波传播损耗。4了解接收机灵敏度。5了解接收机大信号信噪比。二、实验内容 1用示波器测量接收机输出噪声。2用示波器测量接收机输出S/N。3用示波器测量接收机灵敏度。4用示波器测量接收机大信号信噪比。三、基本原理FM、PM与AM相比具有以下二个优点：（1）

38、移动信道因多径效应的影响为衰落信道，移动台收到的高频信号严重起伏，衰落深度可达1030dB。由于FM和PM信号在振幅上不载有信息，接收机中可采用限幅器来消除衰落的影响而不影响载波频率、相位调制信息的接收。（2）FM和PM发射高频信号幅度不变，发射功率恒定，接收信号强度中值恒定，有利于信号接收。因此，大多数模拟移动通信系统都采用FM或PM方式，其中，以FM最为普遍；而数字移动通信系统一般也采用数字FM (FSK、MSK、GMSK) 或 数字PM ( BPSK、QPSK、/4QPSK) 方式。本实验研究接收机电路、接收机内部噪声及外部噪声。测量接收机输出噪声及其特性，了解电波传播损耗与传播距离的关

39、系，测量接收机灵敏度及大信号信噪比二个性能指标。3.1 超外差接收机接收机有直接放大式及外差式两类。外差式接收机通过混频将接收频率降低为固定的中频，由中放及中频滤波器提供稳定的高增益和良好的选择性，使接收机具有优良性能，因而在各种模拟及数字移动通信系统(例如，模拟FM移动通信系统、数字GSM及N-CDMA移动通信系统等)的接收机中广泛应用。带中放的外差接收机又称为超外差接收机。外差接收机存在一种特殊的干扰镜频干扰。为抑制镜频干扰必须提高中频频率，通过高放级选频特性滤除镜象频率干扰信号。但在较高的中频上获得稳定的高增益、良好的选择性及进行解调是困难的。因此，提出二次混频超外差方案。第一中频采用高

40、中频，例如10.7MHz、21.4MHz或更高，第二中频采用455KHz等，然后根椐实际采用的载波调制方式对二中频进行解调。较高的一中频可保证镜频选择性，由较低的二中频提供稳定的高增益、良好的选择性及容易解调。FM及GSM接收机一般都采用二次混频超外差电路15。当然，随着技术的进步，在较高的中频上实现解调也不是难事，故在CDMA接收机中一般都采用一次混频超外差电路16。图3-1是二次混频超外差FM接收机方框图，一个具体电路见附图1(a)、(b)实验箱收发信机电路图，以附图1(a)为例详细说明。fIF2fIF1锁相频合第二本振载波检测AFo高频放大第一混频一中频放 大第二混频二中频放 大限幅 鉴

41、频音频放大一本振fL1fL2图3-1 二次混频超外差调频接收机方框图天线A101接收的高频信号经天线底部加感电感L101和双工器DPX101到达接收机高放级。加感电感L101的作用如下：天线等效电路为终端开路的l/4传输线，其始端（底部）处于串联谐振。45/48MHz信号的l/4约为1.6米，实际天线长度远小于l/4，处于容性失谐，故需串联加感电感使天线串联谐振，改善收发效果。高放级由低噪声结型场效应管Q101及其谐振负载T101、C102等组成。Q101的低噪声有利于提高整机的灵敏度，其平方律特性可防止产生组合频率干扰，谐振负载的选频特性可抑制镜象频率干扰及中频干扰。高放后的信号送入Q102

42、等组成的混频级与来自接收机一本振锁相频合VCO（Q103等构成）输出的一本振信号混频，在Q102谐振负载T102次级得到10.7MHz的一中频信号，再经过三端陶瓷滤波器CF101（中心频率10.7MHz，带宽约180KHz）滤除带外干扰及噪声后送至调频中放及解调集成电路MC3361（U102）。MC3361包括二本振、二混频、二中频限幅放大器、正交相位鉴频器及载波检测等电路。由16脚输入的一中频信号与1脚输入的10.24MHz二本振信号在二混频器混频得到455KHz二中频信号由3脚输出，经片外455KHz五端陶瓷滤波器CF102滤波后由5脚送入，由二中频放大器限幅放大，然后由正交相位鉴频器解调

43、得到音频信号由9脚输出。接收机的选择性主要由二中频五端陶瓷滤波器CF102决定，其主要参数如下：·中心频率：455KHz·3dB带宽：±7KHz·带外（³±12.5KHz）衰减：大于45dB正交相位鉴频器的核心电路是模拟乘法器构成的鉴相器。限幅放大后的二中频信号分成二路，一路直接送入鉴相器；另一路经8脚外部T103并联谐振电路实现频率/相位变换后作为鉴相器的另一路输入信号。二路信号鉴相后输出调频解调音频信号。9脚输出的音频信号分成二路，一路经R125、C127低通滤波器滤除二中频及其谐波分量，得到干净的音频信号送音频放大器U103（L

44、M324）；另一路经R126、R127及C128送至MC3361的10脚。10脚至11脚之间内部运放与外部元件R124、C125、C126等构成中心频率56KHz的有源带通滤波放大器，将9脚输出音频信号带外噪声(大于3.4KHz最高话音频率)放大，经D102、E105等整流滤波后送入12脚进行电压比较，由13脚输出比较结果高/低电平。当接收机输入C/N高时，MC3361的9脚解调输出音频S/N高，11脚输出带外噪声小，12脚直流电平升高，则13脚输出低电平，指示有载波；反之，13脚输出高电平，指示无载波。电位器V101用来调节载波检测门限。送至U103（LM324）的音频信号分成二路，一路经U

45、103B放大后送至接收机测量面板上解调音频输出端AFo，供测量用；另一路由U103A放大后送U103D构成的斯密特触发器整形后送CPU检测接收信令，同时送信令存储显示电路存储（如果该电路打开）。3.2 接收机内部噪声发射信号经过移动信道传输到达接收机，其质量要受到以下四种因素的影响：传输损耗、衰落、噪声及干扰的影响。噪声分为接收机内部噪声和外部噪声，在衡量接收机本身的噪声性能时，只考虑测量信号源内阻热噪声及接收机内部噪声，而不考虑其它外部噪声。用接收机灵敏度及大信号信噪比等性能指标来描述。构成接收机的所有有源及无源元件都会产生噪声(电阻的热噪声，晶体管的散弹噪声等)，其中前端电路的噪声要经过后

46、级电路的放大，在输出噪声中占的比重最大，因而前端电路要采用低噪元器件，例如高放及一混频器都应采用低噪声场效应管，以尽量减小接收机内部噪声。分析接收机的噪声性能，将其划分为解调器及解调器前的接收机前级电路两段来计算。接收机前级电路是线性的，噪声性能与调制方式无关；而不同调制方式的解调器噪声性能各不相同。按以上方式，调频接收机噪声性能分为接收机(RX)前级电路及限幅鉴频器两段来计算，如图3-2所示，前者在本小节研究，后者放在3.4节研究。Cin/Nin图3-2 分析调频接收机噪声性能的方框图Co/No=Sin/NinRX前级电路限幅鉴频器ReSo/No测量信号源 图3-2中，e为测量射频信号源电动

47、势；R为信号源内阻，与接收机输入阻抗相等(匹配)，一般为50，其热噪声电压均方值为 式中，k为波尔兹曼常数(1.38×10-23焦耳/K)；TO为电阻工作温度，通常为室温290K(17OC)；BN为接收机噪声带宽，近似等于接收机中频带宽。则接收机输入(载波)信号功率Cin及输入噪声功率Nin为Cin=(e/2R)2R=e2/4R (3-1a) (3-1b)输入信噪比(载噪比)为 Cin/Nin=(e2/4R)/kToBN (3-1c)设前级电路功率放大倍数为KP，出现在输出端的内部噪声功率为NA。则接收机输出信号功率Co及输出噪声功率No为 Co=KP Cin (3-2a)No= K

48、PNin+NA (3-2b)输出信噪比(载噪比)为Co/No=KPCin/( KPNin+ NA)= Cin/(Nin+ NA/KP) (3-2c)接收机噪声系数F定义为F=(Cin/Nin)/(Co/No) (3-3a)由以上各式可得噪声系数F的另外二种定义式F=1+ NA/KP Nin (3-3b)No=FKP Nin (3-3c)由式(3-3b)可见，由于接收机内部存在噪声NA，所以F1；若无内部噪声，NA=0，则F=1。由式(3-3c)可见，由于接收机内部存在噪声，所以输出噪声No为放大后的输入噪声KPNin再乘上大于1的噪声系数F。总之，噪声系数反映了内部噪声的大小。由式(3-3b)

49、等容易导出，接收机内部噪声NA折算到输入端为 NA= NA/KP =(F-1) Nin=(F-1) kToBN (3-4a)接收机噪声系数的典型值为8F=310(dB)=210(倍)代入式 (3-4a)得NA=(19) kToBN (3-4b)即接收机折算到输入端的内部噪声NA与kToBN 同数量级，一些资料将kToBN作为接收机(折算到输入端的)内部噪声的典型值。 3.3 接收机外部噪声式(3-1b)是室温下测量信号源内阻对接收机的额定输入热噪声功率，也近似等于接收机折算到输入端的内部噪声的典型值，称为基准噪声功率。接收机实际工作时存在许多外部噪声，包括人为噪声(电火花设备等产生)及自然噪声

50、(大气噪声、太阳噪声等)两大类。外部噪声功率都以基准噪声功率为参考，以等效噪声系数Fa或噪声温度Ta表示，见式(3-5)，有实测的曲线可查1。 Fa(dB)=10lg(kTaBN/kToBN)=10lg(Ta/To) (3-5)3.4 接收机灵敏度与大信号信噪比图3-2所示限幅鉴频器输入信噪比Sin/Nin(等于接收机前级电路输出载噪比Co/No)与解调后的输出信噪比So/No的关系为1 (3-6)式中，G为制度增益；mf=Dfm/Fm为调制指数，等于调制频偏Dfm与调制频率Fm之比。对于常用的话音FM接收机，mf=Dfm/Fm=5KHz/3KHz=1.67，代入式（3-6）得 G=14.9(

51、倍)=11.7(dB) (3-7)由于信号还未解调，故限幅鉴频器输入信噪比常称为载噪比C/N8，即 Sin/Nin=C/N(=前端电路的输出载噪比Co/No)则由式(3-6)、(3-7)可得 So/No(dB)=G(dB)+C/N(dB) =C/N(dB)+11.7(dB) (3-8)可见限幅鉴频器的So/No得到很大改善。So/No大信号So/No（3-6）式线性关系Sin/Nin门限由式（3-6）可见，So/No与Sin/Nin成线性关系。然而实际鉴频器特性在下述二个区域偏离以上线性关系：、在Sin/Nin下降到某个门限值后，So/No急剧恶化，这就是所谓的鉴频器门限效应。、在Sin/Ni

52、n很高时，由于鉴频器之前接收机电路的不理想，包括一、二本振信号存在寄生调频及相位噪声，使得鉴频器输入信号Sin存在寄生调频及相位噪声，故So/No 不再随Sin/Nin的上升而改善，基本上保持常数。考虑到上述二种情况后的实际鉴频器特性如图3-3实线所示。图3-3 鉴频器特性将式(3-3a)代入式（3-6）得So/No=G(Sin/Nin) =G(Co/No)=G(Cin/Nin)/F (3-9)式(3-9)右边G、Nin、F都是常数，调整测量信号源电动势e就改变接收机输入信号功率Cin ，从而改变了解调输出信噪比So/No。基于这种关系及图3-3，就很容易理解接收机灵敏度及大信号信噪比两个性能指标的含义及测量方法。3.4.1 接收机灵敏度（1）定义灵敏度是指接收机输入高频信号为标准调制（调制信号频率Fm=1KHz，调制频偏Dfm=3KHz）时，在接收机解调输出端得到规定的信纳比(S+N+D)/(N+D)或信噪比(S+N+D)/N (式中，S为信号功率，D为信号失真分量功率，N为噪声功率)时，接收机输入射频信号电动势(以mv或dBmV为单位)。 (2) 物理含义灵敏度是衡量接收机对微弱信号接收能力的指标。在接收机解调输出信号的质量达到规定值时，接收机输入射频信号电平愈小则灵敏度愈高。（3）测量方法信纳比要用专门的信纳计来测