移动通信实验.docx
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移动通信实验
实验一TDMA（时分多址）移动通信
一、实验目的
了解TDMA（时分多址）移动通信原理。
二、实验内容
测量2信道TDMA移动通信实验系统发端及收端波形，了解TDMA通信原理。
三、基本原理
时分多址TDMA（TimeDivisionMultipleAccess）是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TDMA信道，按需要动态分配给用户使用。
在频分双工（FDD）方式中，上行链路（MS→BS）和下行链路（BS→MS）的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（TDD）方式中，上下行帧交错排列在相同载频上。
为保证在不同传播时延情况下，各移动台到达基站的信号不重叠，采取了以下二个措施：
（1）移动台受基站控制，动态调整所占用时隙发送起始时刻，补偿移动台位置变化引起的传播时延变化。
（2）移动台上行时隙起始和结束位置留有保护间隔，在该间隔内不传送信号。
下行时隙由基站统一安排，不会重叠。
图1-1为两信道（两个时隙TS1、TS2）TDMA移动通信实验系统框图。
发端TX-BS为系统基站BS的发射机，两个时隙TS1及TS2的数据d1及d2复接成帧数据D1，
d1=1010…（周期循环），d2=1100…（周期循环），则D1=10101100…（周期循环），码速率fb=1.2kb/s。
D1经FSK载波调制后发送给移动台。
收端RX-MS载波FSK解调后的基带信号经整形、积分/采样，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CLK，取出本移动台给定时隙的数据。
通过切换本地时钟的时隙为TS1或TS2，模拟二个TDMA移动台MS1/MS2的接收机，分别接收TS1的数据d1或TS2的数据d2。
接收端时隙及时钟同步被认为是理想的，不作为本实验的研究内容，实际上收端时钟CLK与发端数据由同一单片机产生。
四、实验步骤
1．设置综测仪为TDMA通信工作方式（按K1至T/CDMA灯亮，再按K2键），打开发射机TX-BS（K6置ON，K7置BS，BS测量面板TX灯亮），置内调制（K9置INT），综测仪内部组合成图1-1所示2信道TDMA通信系统，图中收发端有关点的信号已引到收发信机测量面板上（发端只引出D1，d1及d2未引出）。
2．反复按K2键，系统循环步进处于表1-1所示二种子工作方式之一。
表1-1二信道TDMA通信子工作方式
子方式序号
T/CDMA灯指示
子工作方式
闪速
占空比
1
1Hz
0.1
发D1（TS1+TS2），收d1（TS1）
2
1Hz
0.9
发D1（TS1+TS2），收d2（TS2）
3．双踪示波器二个通道都设置为DC、2V/DIV~5V/DIV；扫描速率1ms/DIV~5ms/DIV；外触发方式，外触发输入接至综测仪MS测量面板TRIA端。
4．顺着信号流向测量并用座标纸记录二种子方式下系统发端D1及收端AFO、DK1、DK2、CLK（上升沿有效）、DK波形，比较发端数据及收端数据，其中收端某时隙的数据DK要对比时钟CLK（上升沿有效）来读取。
由此了解TDMA通信基本原理。
5．关断TX-BS（K6置OFF，BS测量面板TX灯灭），再测量各点信号。
五、实验报告内容
整理实验记录，分别画出系统在二种子工作方式下发端D1及收端AFO、DK1、DK2、CLK（上升沿有效）、DK波形，分析、总结TDMA通信工作原理。
实验二DS-CDMA（直扩码分多址）移动通信
一、实验目的
了解DS-CDMA（直扩码分多址）移动通信原理。
二、实验内容
1．测量单信道DS-CDMA通信系统发端及收端波形，了解发端扩频调制及收端相关检测原理，初步了解码分多址逻辑信道形成原理。
2．测量2信道DS-CDMA通信系统发端及收端波形，进一步了解发端扩频调制、收端相关检测及码分多址逻辑信道形成原理。
三、基本原理
在直扩码分多址DS-CDMA（DirectSequence-CodeDivisionMultipleAccess）通信系统中，利用正交码序列（互相关函数值为0或很小，而自相关性能良好的码序列）作为地址码，与用户信息数据相乘（或模2加）得到信息数据的直接序列扩频信号，经过相应的信道传输后，在接收端与本地产生的地址码进行相关运算，从中将地址码与本地地址码一致的用户数据选出，把不一致的用户数据除掉。
码分多址通信系统可完成时域、频域及空间上重叠的多个用户直扩数据的同时传输，或者说，利用正交地址码序列在同一载频上形成了多路逻辑信道，可动态地分配给用户使用。
其工作原理如下[9,10,11]：
1．正交码序列
（1）定义
设ci（t）,i=1,2,…,N是重复周期为T（一周内子码元数为p，子码周期为TP=T/p）的一组码序列。
若它们的互相关函数
（2-1）
即互相关函数值为0，则称为正交码序列组，可作为DS-CDMA系统的地址码。
为便于收端实现地址码的同步，它们应具有尖锐的自相关峰，即满足
（2-2）
实际地址码互相关函数及自相关函数不一定严格满足以上关系。
迄今为上，实际用于DS-CDMA的地址码，按互相关性能可分成二类：
①互相关函数值在任意τ值下，与自相关函数峰值相比都很小，但不一定为0，称为准正交。
②互相关函数值在指定的时刻（例如τ=0）为0，严格正交。
后者只能用于同步组网的DS-CDMA通信系统（例如IS-95标准的Q-CDMA系统，即我国联通公司当前运营的CDMA系统）。
而前者既可用于同步组网又可用于异步组网DS-CDMA系统。
（2）常用正交码序列
常用正交码序列有以下三种：
①Walsh（沃尔什）序列：
在指定时刻（τ=0）严格正交，自相关不好。
②m序列：
准正交，自相关很好。
③Gold序列：
准正交，自相关很好。
表2-1给出8阶Walsh序列[1]。
表示0号8阶Walsh序列，其它依此类推。
表示2-18阶沃尔什序列
（0，1）域
（-1，+1）域
0000，0000
-1-1-1-1，-1-1-1-1
0101，0101
-11-11，-11-11
0011，0011
-1-111，-1-111
0110，0110
-111-1，-111-1
0000，1111
-1-1-1-1，1111
0101，1010
-11-11，1-11-1
0011，1100
-1-111，11-1-1
0110，1001
-111-1，1-1-11
在研究8阶Walsh序列的正交性前，先研究一下如何计算及用什么电路实现式（2-1）、（2-2）所示的相关运算。
二进制数用0，1表示，在常用的正逻辑数字电路里面的形式是低电平（L）、高电平（H）。
两个二进制序列A、B由异或门及模拟乘法器进行处理的电路及输出如图2-1所示。
图中，假定A=010011…，B是长串的连0或连1。
模拟乘法器输入、输出端有自己的正常静态偏置电平，故与前后电路必须通过隔直流电容相联。
输入二进制序列0、1…经过隔直后，以模拟乘法器输入偏置电平为参考，成为负电平、正电平…，归一化后为-1、+1…，即0变成-1，1变成+1。
由图3-1可见，除了倒相之外，两电路的输出完全相同。
而倒相的差别，很容易通过加一级倒相器来消除，可以不予考虑。
将A、B互换或改为其它数椐重画波形，可得到相同结果。
由以上分析可得到以下结论：
（1）（0，1）域上的二进制序列作乘法运算，必须首先转换到（-1，+1）域上（0→-1，1→+1）后再进行。
（2）二进制序列在（0，1）域上模二加（异或）运算与其在（-1，+1）域上的乘法运算等效。
进一步分析容易得出，对于两路输入信号为多个数字序列波形线性叠加的情况，只要输入幅度没超过模拟乘法器线性工作范围，上述结论
（1）仍适用；而异或门是非线性器件，上述结论
（2）就不能推广了。
下面就可按式（2-1）以表2-1中的
、
为例来研究沃尔什函数的正交性。
图2-2是用模拟乘法器求
、
互相关函数值R1,7的有关波形，可见R1,7=0。
直接计算的结果与图2-2中一致：
同法可求出其它任意二个序列之间的互相关函数值都为0。
有些资料上的提法“沃尔什序列互相关特性处处为零”是错误的，反例随手可得：
在表2-1中，
循环左移1位（τ=-TP）=
，
循环左移2位（τ=-2TP）=
，互相关值都等于自相关函数的峰值。
提法“沃尔什序列严格正交”是不严格的。
正确的提法应该是“沃尔什序列在指定时刻（τ=0）严格正交”。
2．DS-CDMA移动通信系统
图2-3为DS-CDMA移动通信系统原理框图。
系统中采用包含N个码序列的正交码组C1，C2，…，CN作为地址码，分别与信码d1,d2,…,dN相乘或模2加实现扩频调制。
信码速率fb（单位：
b/s，比特/秒）、周期Tb=1/fb；地址码速率fp（单位：
c/s，子码/秒或码片/秒）、周期Tp=1/fp，地址码序列每周期包含p个子码元，序列周期
。
通常设置
（2-3）
即
（2-4）
式中，K为正整数。
式（2-3）、（2-4）表明，地址码速率fp是信息速率fb的KP整数倍，1个信码周期Tb对应K个地址码序列周期T。
信息码与地址码相乘后占据的频谱宽度扩展了KP倍。
由N个正交地址码在一对双工载频上构成N个逻辑信道，可供N对用户同时通信。
图中画出发端的N个用户及收端第1个用户。
DS-CDMA系统的载波调制方式可采用调频或调相，以调相方式应用最广。
以2PSK调制为例，发端用户1发射的信号为
（2-5a）
上式中，
是（-1，+1）域二元数据，则S1（t）是0/π调相的2PSK信号。
故载波调制器就是模拟乘法器。
式（2-5a）可写成如下形式
（2-5b）
或
（2-5c）
上式表明，发端的DS-CDMA射频信号，可通过先扩频调制再载波调制（式（2-5b））或先载波调制再扩频调制（式（2-5c））得到，二者是等效的。
与此对应，收端也有二种等效的解调方案。
本实验系统采用的方案是：
发端先扩频调制再载波调制，收端先载波解调再扩频解调。
发端N个用户发射在空中的信号在时域、频域完全混叠在一起，收端每一个用户都可收到。
收端第1个用户天线收到的信号
（2-6）
解调后的信号
（2-7）
经过与本地地址码c1（t）相关检测后输出信号
上式中，Tb为信码周期，故积分号中信码di（t）是常数可提出，得
代入式（2-1）地址码的正交性关系可得
（2-8）
上式中
为C1（t）的自相关函数峰值。
经采样后得到方波形式的信码d1（t）。
收端用户1从发端N个用户发射在空中，在时域及频域完全混叠的DS-CDMA信号中，接收到发端用户1的信码。
3．DS-CDMA移动通信的关键技术
（1）正交码序列的研究、选择及配置。
（2）为克服远近效应，要进行精确，快速的发射功率控制。
由前面式（2-6）~式（2-8）的分析可见，如果地址码组严格正交，则不存在多址干扰，即式（2-8）所示相关运算输出只包含有用信息，而不包含其它地址的信息，但实际情况并不是如此理想：
①实际使用的地址码一般都不是严格正交，或者只在指定的相对相位关系下才是严格正交；
②理论上严格正交的地址码经过实际信道传输后波形发生畸变，在收端成为不严格正交。
③收端地址码同步精度不高，地址码正交性恶化。
当地址码组不严格正交时，接收端就存在多址干扰。
近地发射机来的无用的强信号对远地发射机来的有用的弱信号会产生严重多址干扰。
另一方面，由于接收机前端电路的线性动态范围有限，近地强干扰信号会造成接收机的阻塞，亦会抑制远地有用弱信号的接收。
以上二个原因造成的近地强信号对远地弱信号接收的抑制现象称为“远近效应”。
克服远近效应的方法是对移动台和基站发射功率进行精确、快速的控制，使任一移动台无论处于什么位置，其发射信号到达基站的接收机时，都具有相同的电平，而且刚刚达到要求的信干比门限；而收到基站发射来的信号亦刚刚达到要求的信干比门限。
各移动台的发射机是物理上独立的发射机，可按需要独立进行功率控制。
基站发射机及功率控制由于下述原因而大为简化。
原则上，基站需为每条DS-CDMA逻辑信道配置一台发射机，但由于这些发射机处于同一基站，所以发射载频是相干的（同频、同相），故基站总的发射信号可表示为
（2-9）
由式（2-9）可见，基站各信道发射的射频信号，可先在中频IF实现扩频调制及载波调制，经线性叠后由1台发射机上变频到射频再功率放大后发射出去。
调整各信道中频信号幅度，就调整了各信道射频信号幅度（功率）。
基站发射的多路射频信号另外一种形式为
（2-10）
即，可先将各信道扩频调制后的基带信号线性叠加，再对同一载波进行调制后发射出去。
调整各信道扩频基带信号的幅度，就调整了各信道射频信号幅度。
（3）地址码同步
由图2-3可见，DS-CDMA收端同步除了有一般数字通信系统的载波同步、时钟同步（位同步）及帧同步以外，地址码同步是它所特有的，它包括捕获及跟踪二部分。
常用的地址码捕获方法为滑动相关法。
参考图2-3接收端。
根据地址码的自相关峰值特性确定一个检测门限。
逐步滑动接收机本地地址码相位，检测相关器的输出，在输出超过检测门限时停止滑动相位，完成捕捉，然后转入跟踪。
以上几方面详细内容及DS-CDMA的处理增益、抗多径衰落等性能请参考有关资料。
4．实验系统原理
根据上述DS-CDMA移动通信原理介绍及双路踪测仪中已有的二套调频收发信机平台，实际DS-CDMA实验系统框图如图2-4所示。
系统采用二个正交地址码C1及C2，形成两
个DS-CDMA信道。
TX-BS为系统基站BS的发射机，其中的二个扩频调制器采用异或门。
二个信道的扩频调制基带信号DEX1、DEX2线性叠加为DEX后对载波FSK调制,再发射出去。
收端RX-MS载波FSK解调输出扩频基带信号DEX。
通过切换本地地址码Ci为C1/C2再经过相关检测得到信码D1/D2，模拟二个移动台MS1/MS2的接收机。
二路信码D1=10101100…（周期循环），D2=01010011…（周期循环），码速率为fb=300b/s。
地址码C1=
=01010101,C2=
=01101001，子码速率为fp=8fb=2.4kc/s（2.4千子码/秒）。
接收端地址码同步及时钟同步电路都认为是理想的，不作为本实验的研究内容，收端地址码Ci及时钟CLK实际上与发端D1、D2、C1、C2一起由同一单片机产生。
需要指出，2个用户各自的扩频基带信号DEX1及DEX2是二值信号+1/-1，它们线性叠加为DEX后就成为三值信号：
0[（+1）+（-1）]、+2[（+1）+（+1）]及-2[（-1）+（-1）]，归一化值为0、+1、-1。
更多个用户扩频基带信号线性叠加成的DEX为多值信号[9]。
实验系统有如下几种子工作方式
（1）单信道DS-CDMA通信
①发端发D1（C1），收端收D1（C1）；
②发端发D2（C2），收端收D2（C2）；
③发端发D2（C2），收端收D1（C1）。
（2）2信道DS-CDMA通信
①发端发D1（C1）+D2（C2），收端收D1（C1）；
②发端发D1（C1）+D2（C2），收端收D2（C2）。
单信道DS-CDMA通信系统各点波形的一个例子见图2-5。
由单信道DS-CDMA通信实验可初步了解DS-CDMA通信原理，观察地址码C1、C2各自的自相关检测及互相关检测波形，为2信道DS-CDMA通信实验做准备。
2信道DS-CDMA通信实验可深入观测、了解DS-CDMA通信原理，了解时域、频域完全混叠的DS-CDMA多用户信号如何被分离，DS-CDMA系统的多路逻辑信道是如何形成的。
四、实验步骤
（一）单信道DS-CDMA通信
1．设置综测仪为单信道DS-CDMA通信工作方式（按K1至T/CDMA灯亮，再按K3键），打开发射机TX-BS（K6置ON，K7置BS，BS测量面板TX灯亮），置内调制（K9置INT），综测仪内部组合成图2-4所示DS-CDMA通信系统，图中收发两端有关信号都已引到收发信机测试面板上，便于用示波器观测。
2．反复按K3键，系统循环步进处于表2-2所示三种子工作方式之一。
表2-2单信道DS-CDMA通信子方式
子方式序号
T/CDMA灯指示
子工作方式
闪速
占空比
1
2Hz
0.1
发D1（C1），收D1（C1）
2
2Hz
0.5
发D2（C2），收D2（C2）
3
2Hz
0.9
发D2（C2），收D1（C1）
在子方式1、2中，收端地址码与发端地址码相同，则接收到发端数据；在子方式3中，收端地址码与发端不同，则接收不到发端数据。
3．双踪示波器二个通道都设置为DC、2V/DIV~5V/DIV；扫描速率1ms/DIV~5ms/DIV；置外触发方式，外触发输入接至综测仪MS测量面板TRIA端。
4．从发端至收端顺着信号流向，测得三种子方式下系统各点信号波形分别见图2-6、2-7、2-8（见本实验最后三页）。
注意收端相关检测（相乘-积分）输出信号DK2：
子方式1、2情况下，DK2分别为C1、C2的自相关运算波形乘以数椐D1、D2（+1/-1），为正/负极性锯齿波；子方式3情况下，DK2为C1、C2的互相关运算波形乘以数椐D1、D2（+1/-1），在地址码序列周期即一个信码周期内，DK2开始为0电平（+2V），然后上下起伏，最后时刻的相关运算值仍为0电平（+2V），又参见图2-2。
由此初步分析了解DS-CDMA通信原理。
5．关断TX-BS（K6置OFF，BS测量面板TX灯灭），再测量各点信号。
（二）2信道DS-CDMA通信
1．设置综测仪为2信道DS-CDMA通信工作方式（按K1至T/CDMA灯亮，再按K4键），打开发射机TX-BS（K6置ON，K7置BS，BS测量面板TX灯亮），置内调制（K9置INT），综测仪内部组合成图3-4所示DS-CDMA通信系统。
2．反复按K4键，系统循环步进处于表2-3所示二种子工作方式这一。
表2-32信道DS-CDMA通信子方式
子方式序号
T/CDMA灯指示
子工作方式
闪速
占空比
1
4Hz
0.1
发D1（C1）+D2（C2），收D1（C1）
2
4Hz
0.9
发D1（C1）+D2（C2），收D2（C2）
二种子方式中，发端都是发送时域、频域混叠在一起的二路DS-CDMA数据。
子方式1中，收端地址码为C1，经相关检测从混叠的扩频信码中分离出本地址的信码D1；子方式2中，收端地址码为C2，则收到信码D2。
3．双踪示波器的设置同
（一）3。
4．顺着信号流向测量并用座标纸记录二种子方式下系统发端D1、C1、DEX1、D2、C2、DEX2、DEX至收端AFO、DK1、DK2、CLK（上升沿有效）、DK各点信号波形，注意比较发端扩频调制（异或）、收端解扩（相乘）及相关检测（相乘-积分）输入/输出波形，比较发端及收端数据。
特别注意收端相关检测输出信号DK2是本实验步骤四
（一）中1个地址码自相关运算及2个地址码互相关运算波形的线性叠加。
进一步分析了解DS-CDMA通信原理。
5．关断TX-BS（K6置OFF，BS测量面板TX灯灭），再测量各点信号。
五、实验报告内容
1．整理实验记录，在座标纸上画出2信道DS-CDMA通信系统二种子工作方式下发端D1、C1、DEX1、D2、C2、DEX2、DEX及收端AFO、DK1、DK2、CLK（上升沿有效）、DK各点波形，分析、总结DS-CDMA通信工作原理。
2．比较单信道DS-CDMA通信系统及2信道DS-CDMA通信系统收端相关运算输出波形，对照式（2-6）~（2-10），回答2信道DS-CDMA通信系统收端线性模拟乘法器能用非线性的异和门代替吗？
3．回答关断发射机后，收端还能收到信号吗？
实验三TD/DS（时分加直扩）混合多址移动通信
一、实验目的
了解TD/DS（时分加直扩）混合多址移动通信原理。
二、实验内容
测量TD/DS混合多址移动通信实验系统收发两端各点信号波形及数据，分析、了解TD/DS混合多址移动通信原理。
三、基本原理
若TDMA方式具有M个时隙（信道），在每个TDMA时隙中，使用N个正交地址码同时传送N路信息数据；或者将DS-CDMA系统N个正交地址码组成的N个逻辑信道上的信息数据按TDMA方式划分为M个TDMA时隙，则构成共有M×N个信道的TD/DS混合多址通信系统。
TDMA及DS-CDMA各自的工作原理已分别在实验七及实验六中介绍，不再重述。
采用一个载频，包含2个TDMA时隙和2个DS-CDMA地址码，具有2×2=4个信道的TD/DS混合多址移动通信实验系统的框图如图3-1所示。
TX-BS为系统基站BS的发射机，4个TD/DS信道传送的信息数据为d1、d2、d3、d4，d1（TS1）与d2（TS1）复接为D1后采用地址码C1扩频调制为DE1，d3（TS1）与d4（TS2）复接为D2后采用地址码C2扩频调制为DE2，DE1与DE2线性叠加为DEX后经载波FSK调制发射出去。
收端RX-MS通过切换本地址码Ci为C1/C2，及时钟CLK切换为TS1/TS2可分别接收4个信道的信息d1/d2/d3/d4，模拟4个TD/DS混合多址移动台接收机。
D1、D2、C1、C2的设置同实验六及实验七，即d1=1010…（每时隙4bit，周期循环）,d2=1100…（每时隙4bit，周期循环）,D1=10101100…（每帧8bit，2个时隙，周期循环），C1=W18=01010101；d3=0101…（每时隙4bit，周期循环），d4=0011…（每时隙4bit，周期循环），D2=01010011…（每帧8bit，2个时隙，周期循环），C2=W78=01101001。
四、实验步骤
1．设置综测仪为TD/DS混合多址工作方式（按K1至HYMA灯亮，再按K2键），打开发射机TX-BS（K6置ON，K7置BS，BS测量面板TX灯亮），置内部调制（K9置INT），综测仪内部组合成图3-1所示TD/DS混合多址移动通信实验系统。
2．反复按K2键，系统循环步进处于表3-1所示四种子工作方式之一。
表3-1TD/DS混合多址移动通信子方式
子方式序号
HYMA灯指示
子工作方式
闪速
占空比
1
1Hz
0.1
发D1（C1）+D2（C2），收D1（C1）的TS1（d1）
2
1Hz
0.3
发D1（C1）+D2（C2），收D1（C1）的TS2（d2）
3
1Hz
0.6
发D1（C1）+D2（C2），收D2（C2）的TS1（d3）
4
1Hz
0.9
发D1（C1）+D2（C2），收D2（C2）的TS2（d4）
3．双踪示波器二个通道都设置为DC、2V/DIV~5V/DIV；扫描速率2ms/DIV~5ms/DIV；外触发方式，外触发输入接至综测仪MS测量面
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