MBC6A移动通信实验指导书.docx

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MBC6A移动通信实验指导书

MBC-6A

移动通信实验指导书

实验一移动通信系统组成及功能1

实验二DS-CDMA（直扩码分多址）移动通信31

实验三TD/FH（时分加跳频）混合多址移动通信49

实验四组网干扰88

参考文献108

附录1无绳电话标准、原理及手机使用方法109

附录2实验箱工作原理及使用方法112

附图1（a）BS测量收发信机（TRX-BS）121

附图1（b）MS测量收发信机（TRX-MS）122

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）。

TEL

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。

我们想将系统合理简化到可以放到实验桌上，简化的原则是：

（1）.应包含图1-1实际系统的所有功能部件；

（2）.应保持图1-1实际系统各功能部件的基本连接关系（系统基本网络结构）。

按以上简化原则，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，再按图1-1关系连接各功能部件就得到图1-2所示简化移动通信系统。

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相同的。

TEL

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三类：

蜂窝移动通信系统、集群移动通信系统及无绳电话系统，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。

TEL

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：

1．CT1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，必须加强无线设备间的无线耦合：

①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。

②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2拖8小型用户程控交换机，2条外线可接8部内部电话。

本系统中不用其外线端口，只使用内部8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8门PSTN程控交换机。

图1-4为小型程控交换机的外观图。

8个用户线插座可连接8部电话（包括无绳电话座机），插座下方号码为对应电话的号码。

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。

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70~300Hz范围内，则Tp=3~13ms。

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300~3400Hz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81、82的用户线插孔；无绳电话座机用户线（带用户线信号测量板LINE.PCB）插入交换机号码88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、手机及实验箱使用上次实验已经对好码的同一套系统或由教师实验前完成对码，使三者识别码及呼叫信道一致（对码步骤详见实验四的实验步骤1）。

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”键或将手机放回充电器则挂机）。

5．有线电话摘机拨号（88）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，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。

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，初步了解直扩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

图2-1为直扩码分多址DS-CDMA（DirectSequenceSpreadSpectrum-CodeDivisionMultipleAccess）通信系统原理框图。

DS-CDMA利用高速率的正交码序列ci（互相关函数值为0或很小的码序列）作为地址码，与用户信息数据di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检测，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、频域及空间上混叠的多个用户数据的同时传输，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是序列周期为T的一组码序列（一序列周期内子码元数为p，子码周期为TP=T/p）。

若它们的互相关函数为0，即

（2-1）

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。

迄今为止，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）才为0，才是正交的；而在其它时刻互相关函数值可能很大。

地址码按自相关性能可分为以下二类：

①自相关峰很尖锐且在一序列周期内（τ变化T）只有一个自相关峰，与白噪声的自相关函数相近，称为PN序列（PseudoNoisesequence伪噪声序列）。

②自相关峰不尖锐或在一序列周期内有多个自相关峰，自相关特性不好，不属于PN序列。

（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）正交，自相关特性不好（不属于PN序列）。

②m序列：

准正交，自相关特性很好（属于PN序列）。

③Gold序列：

准正交，自相关特性很好（属于PN序列）。

下面通过一个例子来了解正交码序列。

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。

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。

表2-18阶沃尔什（Walsh）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

注：

表中规定二元数椐（0,1）域与（-1,+1）对应转换关系为：

0→-1，1→+1，与一般资料上的规定（0→+1，1→-1）相反。

这样规定物理概念清晰，结果亦不失一般性,见以下分析。

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波形如图2-2所示。

图2－2两个二进制序列通过（a）异或门及（b）模拟乘法器

图中，假定A=010011…，B是长串的连0及连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→-1，1→+1。

由图2-2可见，除了倒相之外，两电路的输出波形完全相同。

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。

如果加一级倒相器在模拟乘法器的二个输入端则两个电路的输出相同，这就是一般资料上规定的二元数椐在（0,1）域与（-1,+1）域的对应转换关系：

0→+1，1→-1，与前述转换关系没有本质区别，为使物理概念清楚些我们采用前者。

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）然后再相乘。

（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。

即对二进制序列可以用模二加代替乘法运算。

当然，对于两路输入为多个数字序列波形线性叠加成的多电平信号时，就不能用模二加代替乘法运算了。

下面就可按式（2-1）以表2-1中的

、

为例来研究沃尔什序列的正交性。

图2-3是用模拟乘法器求

、

互相关函数值R1,7的有关波形。

由图可见，在求互相关函数值积分过程中，积分值在t=0时刻为0，然后围绕0起伏变化，在t=T的最后时刻得互相关函数值R1,7=0。

R1,7=∫0TW18·W78dt=0

直接计算的结果与图2-3中一致：

由上式也可见，求数字序列相关函数Rij（τ=nTp），即τ为码周期Tp整数倍时，只需将两序列（-1,+1）域对应位相乘再求和（再乘以码周期）即可得到。

或者Rij（nTp）=（A-D）Tp，式中，A为两序列对应位相同的个数，D为两序列对应位不同的个数。

相关系数ρij（nTp）=（A-D）/P，式中P=A+D等于序列包含的码元数。

当然，以上讨论对求自相关函数/系数同样有效。

同法可求出其它任意二个序列之间的互相关函数都为0。

Walsh序列的正交性在τ≠0时急剧恶化。

例如：

由表2-1，

循环左移1位（τ=-TP）等于

，

循环左移2位（τ=-2TP）等于

，互相关函数值都等于自相关函数的峰值。

2．DS-CDMA移动通信系统

图2-1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模2加或相乘实现扩频调制。

信码速率Rb（单位：

b/s，比特/秒）、周期Tb=1/Rb；地址码速率Rp（单位：

c/s，码片/秒或子码/秒）、周期Tp=1/Rp，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）

地址码速率Rp是信息速率Rb的p整数倍，1个信码周期Tb对应一个地址码序列周期T。

信息码与地址码相乘后占据的频谱宽度扩展了p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，d1（t）.c1（t）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）

载波解调后的信号

（2-7）

经过与本地地址码c1（t）相关检测后输出信号

上式中，T为地址码序列周期，等于信码周期Tb，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）~（2-8）的分析可见，如果地址码组严格正交，并且收端对接收信号采用相关检测（与地址码相乘再积分），则式（2-8）所示收端输出只包含有用信息，而不包含其它地址的信息，即不存在多址干扰。

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传输引起信号波形畸变及收端地址码同步精度不高，使地址码正交性恶化。

在上述两种实际应用情况下，接收端就存在多址干扰。

这样一来，接收机收到的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”。

同一小区内各移动台与基站距离不同，各移动台发射信号到达基站接收机的传输距离不同，存在远近效应；而基站发射的多路信号到达某一移动台接收机的传输距离相同，不存在远近效应。

克服远近效应的方法是对移动台发射功率进行精确、快速及大幅度的控制，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；基站发射信号虽不存在远近效应，但仍进行慢速及小幅度的控制，使移动台接收机收到基站发射来的信号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2-1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2-1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实验箱中已有的二套调频收发信机平台，由实验箱电路组合成的DS-CDMA实验系统框图如图2-4所示。

发端采用二个正交地址码C1及C2，通过异或门分别对两路信码D1及D2实现扩频调制，得到两路信码各自的扩频（调制）