无线移动通信实验报告.docx
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无线移动通信实验报告
无线移动通信实验报告
实验项目
蜂窝移动通信实验
学生姓名
指导教师
专业班级
完成日期
移动通信实验
信道编码实验
分组交织码
一、实验目的
1、了解分组码的编码原理和利用伴随式译码的基本方法；
2、掌握简单的交织和解交织的基本原理和方法；
3、了解利用交织和编码结合的方法纠突发差错的原理。
二、预备知识
1、分组码的编码原理和译码的基本方法；
2、交织和解交织的基本原理和方法；
三、实验仪器
1、移动通信实验箱一台；
2、台式计算机一台；
四、实验步骤
1、将实验箱和计算机通过串行口连接好，为实验箱上电。
2、将与实验箱相连的电脑上的学生平台程序打开。
在“实验选择”栏中选择“分组码＋交织”实验，点击确认键。
从而进入此实验界面。
3、在实验界面点右下方“操作”一栏中的“生成数据”，让系统自动生成待编码的随机比特。
也可在界面上直接双击所显示的bit，修改其值。
（信息的显示为图形显示＋比特显示）。
4、在界面上点击下发“原始数据”，该数据将被送入单片机（或CPLD）进行分组码编码和7×8交织，然后经过编码和交织后的数据被送回学生平台并显示在“编码数据”栏。
5、学生可以在噪声图样一栏加入一个突发差错，然后点击“加噪声”，再点击下发“加噪数据”，将加入噪声的信息比特送到单片机（或CPLD）进行分组码解码和解交织。
6、解码和解交织以后的数据被回显在解码数据一栏，同时，不能纠正的误码比特在“错误统计”显示。
五、实验结果
1、突发差错为8位以上的序列
2、突发差错为8位以下的序列
1交织在纠突发差错中的原理
数字信号在传输过程中，会受到各种噪声和干扰的影响，使接收端产生错误判决，造成误码（差错）。
差错的类型主要有二种。
1）.随机差错
信道中各码元是否出现差错，与其前、后码元是否差错无关，每个码元独立地按一定的概率产生差错。
从统计规律看，可以认为这种随机差错是由加性高斯白噪声AWGN引起的，主要的描述参数是误码率。
2）.突发差错
差错成片出现，一个差错片称为一个突发差错。
突发差错总是以差错码元开头、以差错码元结尾，头尾之间并不是每个码元都错，而是码元差错概率大到超过了某个标准值。
通信系统中的突发差错是由突发噪声引起的，比如雷电、强脉冲、时变信道的衰落等。
存储系统中，磁带磁盘物理介质的缺陷、读写头的接触不良等造成的差错均为突发差错。
对突发差错，本身有多种纠突发差错的编码方式，如GSM移动通信中所用FIRE码。
也可以简单地利用交织的方式打乱成片的突发差错，与一般的纠错编码相结合，也能达到很好的纠突发差错的效果。
2利用交织与分组编码结合纠突发差错的实验
我们首先设计能纠一位差错的（7，4）系统线性分组码。
输入信息bit为：
[u3,u2,u1,u0]。
（7，4）线性分组码，其生成矩阵是：
G=
编码后数据为[c6,c5,c4,c3,c2,c1,c0],该编码是系统编码，所以，其中[c3,c2,c1,c0]=[u3,u2,u1,u0]
其编码电路设计如图3.2：
图3.2
该线性分组码在无交织时，一个7比特收码中如果错2位比特将不能正确译码。
然后，我们设计一个8×7交织器以后，让八个（7，4）分组码经过交织器后输出到信道，进行传输。
在信道传输的过程中，如果发生一个长度小于8bit的突发差错，在接收端解交织以后，错误比特将分摊在多个码字上，每码字仅一个差错，在分组码的纠错范围以内，突发差错可以完全纠正过来。
交织器（行入列出）去交织器（列入行出）
图3.3交织与解交织原理示意图
扰码与解扰
一、实验目的
1．了解扰码的目的和基本原理；
2．掌握伪随机序列m序列的实现方法；
二、预备知识
1、扰码的基本原理和用途；
2、m序列的产生方法。
三、实验仪器
1、移动通信实验箱一台；
2、台式计算机一台；
四、实验步骤
1、将实验箱和计算机通过串行口连接好，为实验箱上电。
2、将与实验箱相连的电脑上的学生平台程序打开。
在“实验选择”栏中选择“扰码”实验，点击确认键。
从而进入此实验界面。
3、在实验界面上点“生成数据”，让系统生成待编码的随机比特。
也可在界面上直接双击所显示的bit，修改其值。
4、在界面上点击下发“原始数据”，该数据将被送入单片机（或CPLD）进行扰码然后经过扰码的数据被送回学生平台并显示在“编码数据”栏。
5、点击“编码数据”，将经过扰码的信息比特送到单片机（或CPLD）进行解扰码。
6、解扰后的数据送回后，显示在解码数据一栏。
五、实验结果
1.原始数据有长连零的实验数据。
2.原始数据有长连1的实验数据。
扰码不属于信道编码的范畴，起不到纠错的功能，但是，扰码也是通信中经常采取的一种重要手段，扰码的作用主要有：
第一，进行基带信号传输的缺点是其频谱会因数据出现连“1”和连“0”而包含大的低频成分，不适应信道的传输特性。
解决办法之一是采用扰码技术,使信号受到随机化处理，变为伪随机序列，又称为“数据随机化”和“能量扩散”处理。
第二，扰码还能改善位定时的恢复质量，可以使信号频谱平滑，使帧同步和自适应同步和自适应时域均衡等系统的性能得到改善。
第三，利用伪随机序列进行扰码也是实现数字信号高保密性传输的重要手段之一。
一般将信源产生的二进制数字信息和一个周期很长的伪随机序列模2相加，就可将原信息变成不可理解的另一序列。
这种信号在信道中传输自然具有高度保密性。
在接收端将接收信号再加上（模2和）同样的伪随机序列，就恢复为原来发送的信息。
实现加扰和解扰，需要产生伪随机二进制序列（PRBS），再与输入数据逐个比特作模2加运算。
PRBS也称为m序列，这种m序列与数据码流进行模2加运算后，数据流中的“1”和“0”的连续游程都很短，且出现的概率基本相同。
扰码虽然“扰乱”了原有数据的本来规律，但因为是人为的“扰乱”，在接收端很容易去扰，恢复成原数据流。
本次实验所用的m序列是由8位线性移位寄存器实现的，扰码和解扰所用的m序列是相同的。
m序列的反馈多项式为：
调制解调实验
GMSK调制解调
一、实验目的
1.了解GMSK技术在移动通信系统中的应用
2.掌握GMSK调制解调数据传输过程；
3.掌握GMSK解调数据传输过程；
4.掌握高斯成形滤波器的实现原理
二、预备知识
1.数字信号传输的工作方式与工作过程
2.GMSK调制的基本工作原理
3.高斯低通滤波器
4.QPSK解调的基本工作原理
三、实验仪器
1.移动通信实验箱一台；
2.台式计算机一台；
3.示波器一台；
四、实验步骤
1.启动实验箱，在主界面上选择实验“GMSK调制”，进入“GMSK调制”界面。
2.点击“系统模型”按钮，弹出“GMSK调制原理框图”窗口，熟悉GMSK调制原理；关闭该窗口。
3.输入原始数据。
原始数据产生方式有两种：
自动和手动。
选中“自动”方式时，原始数据由系统自动生成；未选中“自动”方式时，将会出现数据输入窗口，根据窗口提示输入16进制原始数据，点击“返回”按钮完成输入。
4.点击“初始化”按钮，调制过程开始；
5.根据系统模型，在画面右上方选择需要观察的信号点对应的字母（如要观察发送数据的波形，点击字母“A”），观察调制过程中信号点的波形；可通过页面下方按钮选择“放大”、“缩小”或“移动”观察波形。
6.也可以选择通过示波器观察各信号点。
先将示波器的输入端与实验板上“观察端M”（在实验箱最右边偏上的位置，为D/A转换器的输出口）连接，根据系统模型，在画面右上方选择需要观察的信号点对应的字母（如要观察发送数据的波形，点击字母“A”），在示波器上观察调制过程中信号点的波形。
五、实验结果
实验采用调相法。
用高斯滤波器作为MSK的前置滤波器，原理框图如图4.1所示。
图4.1GMSK调制解调原理框图
1.试说明MSK调制信号的基本特点；
答：
MSK调制信号相位连续变化，恒定包络，信号的功率谱在主瓣以外衰减较快。
但MSK信号相位变化时折线，在码元转换时刻会产生尖角，从而使其频谱特性的旁瓣滚降缓慢，带外辐射还相对较大。
2.试说明高斯低通滤波器的作用和实现方法；
答：
高斯低通滤波器的作用：
限制信号带外辐射功率，抑制高频成分，防止过量的瞬时频率偏移，可以进行相干检测。
实现方法：
作为MSK调制的前置滤波器，且必须满足下列要求：
（1）带宽窄，且是锐截止的；
（2）具有较低的过脉冲响应;（3）能保持输出脉冲的面积不变；
其单位冲激响应为：
传递函数为：
a是与高斯滤波器的dB带宽Bb有关的参数。
a*Bb=0.5887
3.理解附加相位的基本含义，及其在解调中的作用；
答：
附加相位是MSK信号的总相位减去随时间线性增长的载波相位而得到的剩余相位。
解调中的作用：
根据相位变化的关系可进行信号判决。
QPSK调制解调
一、实验目的
1.了解QPSK技术在移动通信系统中的应用
2.掌握QPSK调制解调数据传输过程；
3.了解QPSK的载波恢复和位定时恢复的基本方法
4.掌握QPSK解调数据传输过程；
5.掌握升余弦成形滤波原理
二、预备知识
1.数字信号传输的工作方式与工作过程
2.QPSK的基本工作原理
3.升余弦成形滤波软件
4.QPSK解调的基本工作原理
5.载波同步和位同步的基本方法
三、实验仪器
1、移动通信实验箱一台；
2、台式计算机一台；
3、示波器一台
四、实验步骤
1.启动实验箱，在主界面上选择实验“QPSK调制”，进入“QPSK调制”界面。
2.点击“系统模型”按钮，弹出“QPSK调制原理框图”窗口，熟悉QPSK调制原理；关闭该窗口。
3.输入原始数据。
原始数据产生方式有两种：
自动和手动。
选中“自动”方式时，原始数据由系统自动生成；未选中“自动”方式时，将会出现数据输入窗口，根据窗口提示输入16进制原始数据，点击“返回”按钮完成输入。
4.点击“初始化”按钮，调制过程开始；
5..根据系统模型，在画面右上方选择需要观察的信号点对应的字母（如要观察发送数据的波形，点击字母“A”），观察调制过程中信号点的波形；可通过页面下方按钮选择“放大”、“缩小”或“移动”观察波形。
6..也可以选择通过示波器观察各信号点。
先将示波器的输入端与实验板上“观察端M”（在实验箱最右边偏上的位置，为D/A转换器的输出口）连接，根据系统模型，在画面右上方选择需要观察的信号点对应的字母（如要观察发送数据的波形，点击字母“A”），在示波器上观察调制过程中信号点的波形。
五、实验结果
QPSK调制解调的实现原理框图如图4.3所示。
图4.3QPSK调制解调原理框图
1.试说明BPSK、QPSK和
QPSK之间的区别。
BPSK是二进制相移键控，发出的是0和PI两种相位。
QPSK是四进制相移键控。
使用0、PI/4、PI、3/4PI。
即使用QPSK接收到了0和PI这两个相位也会恢复成2个bit，不是BPSK要求的一个bit，除非你自己用软件修改，把每两个bit修改成一个bit，这么做可以，相当于你自己实现了一部分解码。
CDMA扩频调制
一、实验目的
1.了解扩频调制的基本概念；
2.掌握PN码的概念以及m序列的生成方法；
3.掌握扩频调制过程中信号频谱的变化规律。
二、预备知识
1.不同多址接入方式（TDMA、FDMA、CDMA）的区别；
2.扩频码的种类与应用；
3.扩频码的基本性质。
三、实验仪器
1、移动通信实验箱一台；
2、台式计算机一台；
四、实验步骤
1．在主界面上选择实验“扩频调制”实验；
2．.选择“手动输入”或“随即生成”产生原始数据；
3．可选择“长度为15的m序列”，或者“长度为31的m序列”，或者“长度为31的gold序列”;
4．观察扩频后的数据，并可用频谱分析仪器观察频谱变化；红色曲线表示原始信号，绿色曲线表示扩频信号。
我们可以发现，扩频后，频谱展宽。
五、实验结果
1.试说明扩频码在移动通信中的应用。
答：
扩频可以用来减小干扰对接收性能的影响，实现抑制窄带干扰的目的，扩频越窄带干扰的抑制能力就越强。
2.扩频码的种类有哪些？
有何特点？
如何产生
答：
扩频码的种类有：
m序列，Gold码，Walsh码。
OVSF码。
具有异域产生，具有随机性，周期长的特点。
m序列由线性反馈移存器产生，Gold码是用一对优选的周期和速率均相同的m序列模二加后得到的。
Walsh码是完全正交的码集合，在同步情况下，任何两个不同序列号的Walsh码的相关性为零，由Walsh函数产生。
3.扩频后信号频谱发生怎样的变化？
答：
频谱展宽。
CDMA解扩
一、实验目的
1.了解CDMA解扩的基本概念；
2.掌握解扩的基本方法；
3.掌握解扩过程中信号频谱的变化规律。
二、预备知识
1.扩频的基本原理；
2.扩频过程中信号频谱的变化；
3.解扩过程中信号频谱的变化。
三、实验仪器
1、移动通信实验箱一台；
2、台式计算机一台；
四、实验步骤
1.在主界面上选择“解扩”实验；
2.选择“手动输入”或“随机生成”产生原始数据；
3.可选择“长度为15的m序列”，或者“长度为31的m序列”，或者“长度为31的gold序列”;
4.设定解扩码相位，比较相位同步、不同步时解扩的结果。
5.设定解扩码相位，观察“频谱分析仪”上信号频谱的变化。
红色曲线表示原始信号的频谱，绿色曲线表示扩频信号的频谱，蓝色曲线表示解扩信号的频谱。
五、实验结果
试说明解扩的基本原理；
答：
m序列解扩的是在接收到的RF信号上进行。
解扩的原理就是用一个与发送端完全相同的m序列与接收到的信号直接相乘就可以完成信号的解扩，当然，这里所指的与发送端完全相同，除了序列必须一致以外，更重要的是两个m序列的相位必须一致，也就是接收端产生的m序列必须进行捕获和跟踪，以使其速率和相位与发送端m序列保持一致。
为什么接收机中的扩频码需要准确同步？
答：
CDMA系统要求接收机的本地扩频码与接收到的扩频码在结构、频率和相位上完全一致，否则就不能正常接收所发送的信息，接收到的只是一片噪声。
若实现了收发同步但不能保持同步，也无法准确可靠地获取所发送的信息数据。
正确解扩和不正确解扩后，信号的频谱有何变化？
请画图示意。
答：
15的倍数才能正确解扩，其他不可以。
正确解扩频谱图如图1，不正确解扩频谱如图2
系统实验
GSM移动台开机登陆和关机
一、实验目的
1、了解GSM移动终端开机后接入网络进入工作状态的全过程；
2、掌握GSM移动终端开机入网位置登记的信令过程；
3、掌握GSM移动终端关机离开网络的信令过程。
二、预备知识
1、GSM移动终端开机搜索网络的过程；
2、GSM移动终端同基站建立RR连接的信令过程；
3、GSM移动终端开机入网时IMSI附着的信令；
4、GSM移动终端关机时IMSI分离涉及到的信令。
三、实验仪器
1、移动通信实验箱一台；
2、台式计算机一台；
四、实验步骤
1、通过串行口将实验箱和电脑连接，给实验箱上电。
将与实验箱相连的电脑上的学生平台程序打开。
在主界面上双击“开机登陆”实验图标，进入此实验界面。
2、点击界面上的“初始化”键。
看到消息框中出现“初始化”完成。
3、点击界面上“查看参数列表”键，观察MS参数列表，可以查看到本MS对应的IMSI。
再根据此IMSI去观察MSC/VLR中同本MS的IMSI相同的那条记录，可以看到在“是否附着”一栏中，目前的状态为“未附着”。
4、点击界面上的“开机”开机键，观察消息框中显示的开机的信令过程。
开机信令过程若正常结束，会弹出对话框“开机过程完成，已经完成IMSI附着，手机处于空闲状态”。
这时，再次观察MSC/VLR列表，可以看到同本MS的IMSI相同的那条记录中“是否附着”一栏，目前的状态变为“已附着”。
5、到目前为止，正常的开机过程结束，紧接着点击界面上的“关机”键，观察消息框中显示的关机信令过程。
关机信令过程若正常结束，会弹出对话框“关机结束”。
这时，点击界面上“查看参数列表”键，再次观察MSC/VLR列表，可以看到同本MS的IMSI相同的那条记录中“是否附着”一栏，目前的状态变为“未附着”。
6、由于从MS到达MSC/VLR的信令通过了MS和BS之间的无线信道、BS和MSC/VLR之间的有线信道，因此LOCATIONUPDATINGREQUEST消息出错的情况会偶尔出现，若出现这种情况，IMSI附着会失败，信令会显示“LOCATIONUPDATINGREJECT”；IMSI附着失败的信令结束后，会弹出对话框：
IMSI附着失败，可按“开机”键重新开始。
这时，可按动“开机”键重新进行IMSI附着过程。
7、以上所有的信令过程我们都是在正常模式下进行的，这时信令交互的速度比较快。
为了更清晰的掌握信令的交互过程，我们可以选择界面上的“单步”键。
然后按动“初始化”键。
这样实验就进入单步执行状态。
这时候，需要按动“下一步”按键，相应的信令交互才会出现。
这时信令交互的进行由此键控制。
从而使学生有充分的时间一边学习实验报告中关于信令交互过程的介绍，一边进行实验。
以上正常IMSI附着、关机和的信令过程都可以在单步的情况下再次进行。
五、实验结果
初始化和开机过程
关机过程
图5.1是MS进行IMSI附着的信令过程。
由于IMSI附着是一个由MM层完成的特定程序。
MM层消息交互的建立是以RR层连接建立为前提的。
信令过程中，首先是MS收到来自基站（BS）的系统消息，其中包含了基站广播的本小区的LAI号，由于这个LAI号同MS中先前存储的LAI号相同。
即表示MS上次关机时所处的位置区同现在开机时所处的位置区相同。
从而MS开始IMSI附着的信令过程。
图5.1MS进行IMSI附着的信令过程
MS关机的信令过程介绍
图5.2是关机的信令过程。
关机的过程同其他的过程相同，开始是MS和BS之间进行RR连接的建立过程。
之后在MS发向MSC/VLR的SABM帧中就包含消息IMSIDETACHINDICATION。
收到这条消息以后，MSC/VLR就将与此MS对应的记录改为“未附着”状态。
图5.2MS关机的信令过程
MSC/VLR维护IMSI的附着与否，作用在于当别的MS呼叫此MS时，MSC/VLR对此MS寻呼之前，先查看是否附着这一位，若已附着则进行正常的寻呼，否则就不进行寻呼，直接告诉对方的MSC/VLR此MS未开机或者不在服务区。
移动台主叫
一、实验目的
1、掌握移动台主叫正常接续时的信令流程。
2、了解移动台主叫时被叫号码为空号时的信令流程。
3、了解移动台主叫时被叫用户关机或处于忙状态时的信令流程。
4、了解移动台主叫时被叫用户振铃后长时间不接听的信令流程。
二、预备知识
1、移动台同MSC之间的信令链路建立过程。
2、移动台主叫的呼叫建立过程。
3、与通话连接相关的七号信令消息。
三、实验仪器
1、移动通信实验箱一台；
2、台式计算机一台；
3、小交换机一台；
四、实验步骤
1、通过串行口将实验箱和电脑连接，给实验箱上电。
将与实验箱相连的电脑上的学生平台程序打开。
在主界面上双击“主叫实验”图标，进入此实验界面。
2、点击“初始化”键，看到消息框中出现“初始化”完成。
再点击“开机”键，从而使移动台处于开机状态。
3、移动台主叫实验需要某一个被叫移动台的配合，在教师的协调下，选择一个作为被叫的实验箱，并了解此被叫的电话号码。
4、下面进行呼叫建立正常的实验。
（1）提示被叫通过点击学生平台上的“初始化”、“开机”键，使被叫处于开机空闲状态。
（2）主叫在学生平台上选择或输入被叫移动台的电话号码，并按动对话框边的“OK”按钮。
点击界面上的“呼叫”按钮，主叫学生戴上实验箱上配备的耳机，充当话机。
主叫移动台开机拨叫被叫号码。
主叫学生平台上将显示移动台主叫的信令过程。
（3）由于被叫处于开机空闲状态，很快被叫学生平台的电话将振铃，主叫学生平台上将会显示从被叫学生平台发送来的ISUPADRRESSCOMPLETE（ACM）消息。
主叫MSC将想MS发送ALERTING信令。
（4）被叫振铃后，控制被叫学生平台的学生按动被叫实验界面上的“摘机”键，被叫学生戴上实验箱上配备的耳机。
被叫学生平台上将显示被叫MS将向被叫MSC发送CONNECT消息。
这时，被叫MSC向主叫MSC发送ISUPANSWER消息，主叫MSC收到此消息后，将向主叫MS发送CONNECT消息，MS回送CONNECTACKNOWLEDGE消息。
此后，主被叫之间的通话链路完全建立，能够进行通话。
主叫学生平台上会提示“进入通话中”。
（5）通话结束，主叫主动挂断电话。
主叫学生按动学生平台界面上的“挂机”，并放下实验箱上的电话。
主叫学生平台会显示通话链路释放。
5、被叫无应答的情况下的信令流程
（1）提示被叫通过点击学生平台上的“初始化”、“开机”键，使被叫处于开机空闲状态。
（2）主叫在学生平台上选择或输入被叫移动台的电话号码，并按动对话框边的“OK”按钮。
点击界面上的“呼叫”按钮，主叫移动台开机拨叫被叫号码。
主叫学生平台上将显示移动台主叫的信令过程。
（3）由于被叫处于开机空闲状态，很快被叫学生平台的电话将振铃，主叫学生平台上将会显示从被叫学生平台发送来的ISUPADRRESSCOMPLETE（ACM）消息。
主叫MSC将想MS发送ALERTING信令。
（4）被叫振铃后，让被叫学生不按动“摘机”键。
等待1分钟后，被叫MSC释放链路的信令显示在被叫学生平台上。
并且被叫MSC向主叫MSC发送ISUPRELEASE消息，主叫MSC收到此消息后，将进行主叫链路的释放，所有的释放链路的信令将依次显示在主叫学生平台的界面上。
6、进行被叫未开机时的信令流程实验。
（1）让被叫学生按动被叫学生平台上的“关机”键，使被叫移动台处于关机状态。
（2）主叫在学生平台上选择或输入被叫移动台的电话号码，并按动对话框边的“OK”按钮。
点击界面上的“呼叫”按钮，主叫学生拿起实验箱上的话筒。
主叫移动台开机拨叫被叫号码。
主叫学生平台上将显示移动台主叫的信令过程。
（3）由于被叫移动台处于关机状态，主叫MSC将从被叫MSC收到ISUPRELEASE消息。
主叫学生平台上会显示从被叫MSC收到此消息，紧接着是主叫MSC释放链路的信令过程。
7、被叫号码无效时的信令流程。
（1）主叫在学生平台上输入教师规定的一个号码（此号码不对应任何实验箱，因此可认为是个不合法的号码），并按动对话框边的“OK”按钮。
点击界面上的“呼叫”按钮。
（2）学生平台上会显示紧接着的所有的信令过程。
最后会弹出对话框提示“本号码是空号，请挂机”。
学生放下电话。
8、进行以上4种情况的实验时，每一实验结束后，结合实验原理中的信令流程图认真分析信令流程并做相应的记录。
9、以上实验时主被叫学生平台均不需要选择“单步”按钮。
如果需要选择“单步”按钮，主叫学生平台和被叫学生平台要密切配合，否则会由于一方不按动“下一步”键，整个实验无法继续，导致移动台或者基站的定时器超时，导致异常。
五、实验结果
（1）正常呼叫过程中，移动台主叫部分信令流程如下：
（2）被叫关机时，移动台主叫部分信令流程如下：
（3）被叫振铃后无应答时，移动台主叫部分信令流程如下：
（4）被叫号码无效时，移动台主叫部分信令流程如下：
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