移动通信原理实验指导书09Word文件下载.docx

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2.4.2接收机的实现16

三、实验项目24

实验一Okumura-Hata模型的计算机仿真24

实验二QPSK/DQPSK调制解调实验27

实验三信道分配实验29

实验四用户信令与无绳电话实验32

实验五GOLD序列的捕获与跟踪实验37

实验六扩频与解扩实验40

实验七载波提取实验43

实验八帧同步提取实验46

实验九CDMA移动通信系统实验52

一、移动通信技术实验说明

《移动通信技术实验指导书》是根据课程而编制的。

《移动通信技术实验》是通信工程专业的一门专业教育选修课，是《移动通信技术》课程和《扩频通信》等课程的实验教学，是与之相匹配的课外实践环节，总学时为12学时。

通过实验可以加深对课程内容的理解，《移动通信技术实验》不仅与课堂讲授的基本理论、基础知识相结合，而且也是学习后续课程和进行科研工作的基础，同时又是培养学生独立思考和理论联系实际能力的重要手段。

移动通信技术实验课程的目的是使学生了解移动通信所涉及到的各种技术的实现方法，熟悉具有代表性的移动通信系统。

要求学生能够独立完成各种技术的调试，并具备独立设计移动通信系统的综合能力。

本实验具有以下几个主要特点：

⑴覆盖的知识点较多；

⑵系统性强；

⑶技术性实践性强。

本课程的实验是利用实验室所提供的移动通信实验箱来完成的，且大部分为验证性的实验，通过实验来验证理论课所讲述的知识。

另外还安排了几个综合性实验，使学生能够将所学知识能够融会贯通，使之系统化。

二、移动通信技术实验装置介绍和使用说明

2.1系统组成

本实验系统覆盖移动通信技术和扩频通信课程的主要知识点，包括数字调制实验、多址实验、发射机/接收机实验，同时设定了两个典型的移动通信系统，模拟通信系统和DS-CDMA系统，不仅包括了移动通信技术的基本原理，还包括了扩频通信的扩频和解扩，同步和捕获等关键技术。

该实验装置具有较强的系统性，能够模拟多种具有代表性的移动通信系统。

本实验系统包括三个主要部分：

调制解调模块；

无绳电话系统；

CDMA系统。

整个实验系统的组成如图2-1所示。

图2-1移动通信原理实验系统组成

下面分别对系统的三个模块调制解调模块、无绳电话系统、CDMA系统模块的功能作详细的介绍。

2.2调制解调模块

随着通信业务量的增加，频谱资源日趋紧张，为了提高系统的容量，信道间隔已由最初的100kHz减少到25kHz，并将进一步减少到12.5kHz，甚至更小。

同时，由于数字通信具有建网灵活，容易采用数字差错控制技术和数字加密，便于集成化，并能够进入ISDN网，所以目前通信系统都在由模拟制式向数字制式过渡。

因此系统中必须采用数字调制技术。

数字信号调制的基本类型分为振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。

然而一般的数字调制技术因传输效率低而无法满足移动通信的要求，为此，需要专门研究一些抗干扰性强、误码性能好、频谱利用率高的调制技术，尽可能地提高单位频谱内传输数据的比特率，以适用于移动通信的窄带数据传输的要求。

如最小频移键控（MSK－MinimumShiftKeying），高斯滤波最小频移键控（GMSK－GaussianFilteredMinimumShiftKeying），四相相移键控（QPSK－QuadratureReferencePhaseShiftKeying），交错正交四相相移键控（OQPSK－OffsetQuadratureReferencePhaseShiftKeying），四相相对相移键控（DQPSK－DifferentialQuadratureReferencePhaseShiftKeying）和π/4正交相移键控（π/4-DQPSK－DifferentialQuadratureReferencePhaseShiftKeying）,已在数字蜂窝移动通信系统中得到广泛应用。

数字调制技术又可分为两类：

一类是线性调制技术，主要包括PSK、QPSK、DQPSK、OQPSK、π/4－DQPSK和多电平PSK等。

这一类调制技术要求通信设备从频率变换到放大和发射过程中保持充分的线性，因此在制造移动设备中会增加难度和成本，但可以获得较高的频谱利用率。

另一类是恒包络调制技术，主要包括MSK、GMSK、GFSK、TFM等。

这类调制技术的优点是已调信号具有相对窄的功率谱，并对放大设备没有线性要求，不足之处是其频谱利用率通常低于线性调制技术。

由于这两类调制技术各有优势，因此被不同的移动通信系统所采用。

如GSM系统中采用的就是GMSK调制，而IS-95CDMA系统采用的是QPSK和OQPSK调制。

为了使用户能够对各种移动通信中常用的数字调制技术的特点、区别和实现方式有清楚和全面地认识，本实验系统提供了MSK（最小移频键控）、GMSK（高斯最小移频键控）、QPSK（四相绝对移相键控）、OQPSK（交错正交四相相移键控）、DQPSK（四相相对移相键控）、π/4-DQPSK（π/4正交相移键控）的调制与解调。

2.2.1调制方式的实现

调制的实现框图如图2-2所示。

图2-2调制实现框图

首先在CPLD中产生一组码字为101001101110000的NRZ码，经过差分编码及串/并转换，得到Ik、Qk两路数据。

波形选择地址生成器根据接收到的Ik和Qk数据选择相应的地址。

EEPROM主要完成波形表的存储，根据CPLD输出的地址来输出相应的波形数据。

这些数据经过D／A转换后即可得到Ik和Qk支路的基带波形。

然后与正交载波调制相加即可得到调制后的信号。

各种调制方式的区别仅在于基带波形的不同。

其中，CPLD使用EPM7128（U601）；

EEPROM选择的型号为AT28C64（U602、U603）；

D／A转换器主要完成数模转换的功能，选择型号为DAC0832（U604、U605）；

低通滤波器采用开关电容滤波器，选择型号为TLC14（U610、U611）；

乘法器采用MC1496（U608、U609）来完成；

加法器采用运算放大器TL084（U607）来完成。

该部分各测试点的位置如图2-2所示，在图中标明及未标明的测试点分别表示：

NRZ：

调制器基带信号输出点；

输出为NRZ码，周期为15，码速率受拨码开关SW602控制，关系如表2.2所示。

/NRZ：

基带信号的差分编码信号输出点（仅在MSK、GMSK调制时有效）；

输出为NRZ码，周期为15，相位比“NRZ”输出延迟一个码元，码速率受拨码开关SW602控制，关系如表2.2所示。

BS：

基带信号的位同步信号；

输出为方波，频率受拨码开关SW602控制，关系如表2.2所示。

DI：

I路数据信号输出点；

输出为NRZ码；

在MSK、GMKS调制方式时NRZ码的周期为15。

DQ：

Q路数据信号输出点；

I路成形：

“DI”信号经基带成形后信号输出点。

Q路成形：

“DQ”信号经基带成形后信号输出点。

I路调制：

“I路成形”经11.71875KHz载波调制后信号输出点。

Q路调制：

“Q路成形”经11.71875KHz载波调制后信号输出点。

调制输出：

各调制方式的调制信号输出。

“调制类型选择”共12位拨码开关（SW601、SW602），其中SW601用来选择调制的类型，如表2.1所示；

SW602用来选择基带信号的码速率，如表2.2所示。

表2.1调制类型选择

SW601

调制类型

10000000

MSK调制

01000000

BbTs=0.3的GMSK调制

00100000

BbTs=0.5的GMSK调制

00010000

A方式的QPSK调制

00010001

B方式的QPSK调制

00001000

A方式的OQPSK调制

00001001

B方式的OQPSK调制

00000100

A方式的DQPSK调制

00000101

B方式的DQPSK调制

00000010

π/4－DQPSK调制

表2.2基带码速率选择

SW602

码速率

1000

0.75KHz

0100

1.5KHz

0010

3KHz

0001

12KHz

注意：

由于时钟信号的频率为24MHz，所以通过调制类型选择开关选择NRZ码速率只是约数，实际值如下：

0.75Kb/s：

24M／32768＝0.732421875KHz≈0.75KHz。

1.5Kb/s：

24M／16384＝1.46484375KHz≈1.5KHz。

3Kb/s：

24M／8192＝2.9296875KHz≈3KHz。

12Kb/s：

24M／2048＝11.71875KHz≈12KHz。

2.2.2解调方式的实现

解调的实现框图如图2-3所示。

图2-3解调实现框图

将已调信号送入正交调制器中进行正交解调，然后进行成形滤波，再进行电压判决，最后将所得到的信号送入CPLD中进行不同类型的解调处理。

对于各种不同调制方式只是在CPLD中的电路不同，其它外围电路都一样。

其中，CPLD使用EPM7128（U708）；

正交解调器采用MC1496（U702、U703）来完成；

低通滤波器采用TLC14（U704、U705）来完成；

用滞回比较器对模拟信号数字化，比较器选用LM339（U706、U707）。

该部分各测试点的位置如图2-3所示，在图中标明及未标明的测试点分别说明如下：

I路解调：

I路信号解调后信号输出点。

Q路解调：

Q路信号解调后信号输出点。

I路滤波：

“I路解调”信号经低通滤波后的信号输出点。

Q路滤波：

“Q路解调”信号经低通滤波后的信号输出点。

I路数据信号输出点。

Q路数据信号输出点。

NRZ码的差分编码信号输出点（仅在MSK、GMSK调制时有效）。

NRZ码输出点。

“解调类型选择”共12位拨码开关（SW701、SW702）用来选择解调的类型，其应用与“调制类型选择”一致。

2.3无绳电话系统

无绳电话机俗称子母机，七十年代问世之后，无绳电话以其独特的功能及优越性而深受广大用户的喜爱，所以发展较为迅速。

早期生产的无绳电话机大多属于普通型，通常主机不设有线电话机及免提电话机功能，易受串扰及同频机干扰。

随着电子科技的迅速发展，各种专用集成电路和先进元器件的不断涌现，无绳电话机在性能、结构及功能等方面都有了很大的改进和提高。

根据不同的要求，无绳电话机已普遍采用了导频或编码控制电路，多频道选择和空闲信道自动搜索等电路，有效地提高了无绳电话机的通信保密性和抗同频干扰能力；

采用无线调频和抗干扰检测电路，既保证了通信质量，又提高了发射效率；

采用射频功率专用放大器，能进一步提高发射功率，增加通信距离。

近年来，相继出现了一大批性能好、体积小、效率高、成本低、功能多的无绳电话机。

我们通常所说的无绳电话机均属于第一代模拟无绳电话系统，即CT-1系统，它只是固定电话机的无线局部延伸，仅限于家庭或办公室等室内电话用户使用，也是目前正在大量使用的无绳电话机，自从1997年我国颁布《无绳电话系统设备总规范》（GB/T16891-1997）以来，无绳电话产业得到了快速的发展，无绳电话销量近几年也逐年上升，如93年无绳电话机销量仅占电话机销量的1%左右，而从近几年市场的基本情况来看，无绳电话机的销量至少占到10%，有一些地方更达到15%或以上。

我国目前无绳电话机已经初步形成了一批具有一定市场认同度的品牌，如步步高、高科、侨兴、TCL、夏新等。

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；

可带多部移动台，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无绳电话大家族，成为常用的四类移动通信系统之一。

在本移动通信原理实验系统中，实现了一个完整的无绳电话系统，既有无绳电话手机和座机的功能实验，信道实验，更有与有线信令结合的系统实验。

本移动通信原理实验系统的无绳电话部分，就相当于集成了一个无绳电话的手机和座机，能更直观、更形象地解剖整个无绳电话系统。

2.3.1射频部分

射频部分原理框图如图2-4所示。

无绳电话手机或座机发射的信号通过天线进入，经双工器选频后进行两次混频，采用这种两次混频的方式可以有效的抑制镜像干扰。

通过两次混频后得到455KHz中频信号。

中频信号再经限幅放大，这样就可以去除因幅度变化带进的干扰，经过这样一系列处理后，再由正交鉴频器解调出无绳电话发出的音频或数字信号。

图2-4无绳电话系统射频部分原理框图

本移动通信原理实验箱所发射的射频信号由压控振荡器产生，该射频信号产生之后输入到高频放大器进行放大，然后经过双工器的发射通道馈送到天线发射出去。

在此部分电路中，调制信号输入采用的是音乐信号和直接变容二极管直接调频的方式。

控制器实现了接收及发射电路与单片机之间的接口，通过控制器电路可以改变收发信号频率以适应不同信道的实验，本实验箱频率范围覆盖了中国无绳电话标准的20个信道。

本实验箱无绳电话部分的射频部分采用单片集成无绳电话KB8528，它的片内包括八个功能模块：

双变频FM接收机、FSK数据比较器、受话音频通道、送话音频通道、串行数据接口、接收锁相环和发射锁相环、接收信号强度指示和低电池检测电路。

这些功能模块的管理、信道选择等都由来自单片机的串行数据进行控制。

该部分各测试点的位置如图2-4所示，在图中标明及未标明的测试点分别表示：

第一本振：

第一本振信号测试点。

它的频率与通话信道有关，每个信道的间隔为25KHz，接收手机信号时，第一信道的频率为48M-10.7M=37.3M，以后每间隔一个信道频率加25KHz，20信道后重新切换到第一信道。

接收座机信号时，第一信道的频率为45M-10.7M＝34.3M，以后每间隔一个信道频率加25KHz，20信道后重新切换到第一信道。

第一本振信号是由压控振荡器产生的。

第一中频：

固定为10.7M的中频信号。

第二本振：

固定为10.245M的第二本振信号，是由晶体产生的。

第二中频：

固定为455K的中频信号，是由10.7M的第一中频信号和10.245M的第二本振信号混频产生的。

U_TX：

发射锁相环的控制电压测试点。

U_RX：

接收锁相环的控制电压测试点。

2.3.2用户线信令部分

用户线信令部分原理框图如图2-5所示：

图2-5无绳电话系统用户线信令部分原理框图

我们知道，在用户话机与电信局的交换机之间的线路上，要沿两个方向传递语言信息。

但是，为了接通一个电话，除了上述情况外，还必须沿两个方向传送所需的控制信号。

比如，当用户想要通话时，必须首先向程控机提供一个信号，能让交换机识别并使之准备好有关设备，此外，还要把指明呼叫的目的地的信号（被叫）发往交换机。

当用户想要结束通话时，也必须向电信局交换机提供一个信号，以释放通话期间所使用的设备。

除了用户要向交换机传送信号之外，还需要传送相反方向的信号，如交换机要向用户传送关于交换机设备状况，以及被叫用户状态的信号。

由此可见，一个完整的电话通信系统，除了交换系统和传输系统外，还应有信令系统。

普通电话信号是目前各种终端信令中最为简单的一种，话机发出的信令以直流电流的通断表示，交换机产生的则主要是各种音频频率的正弦波。

在本实验箱中，将交换机的功能做了进去，以便用户能直观的观察各种信号音以及控制信号的变化情况。

1、信令定义

摘机：

话机发出的请求通信的命令。

挂机：

由话机发出，表示话机已结束或放弃通信。

拨号音：

由交换机发出，促请话机用户输入被叫话机的号码。

忙音：

由交换机发出，通知主叫用户通信网络或被叫话机目前正忙。

拨号：

话机发出的被叫话机的号码，供通信网接续话路时使用。

回铃音：

由交换机发出，提示主叫用户被叫话机正处于振铃状态。

振铃：

由交换机发出，供被叫话机发出铃声，促请用户应答。

2、信令编码

摘机：

环线直流电流由开路变为导通。

挂机：

环线直流电流由导通变为开路。

拨号音：

持续的450Hz的正弦波。

忙音：

450Hz的正弦波，每导通0.35秒后间断0.35秒。

拨号：

采用双音多频拨号方式，即DTMF=（DualToneMultifrequency）。

回铃音：

450Hz的正弦波，每导通1秒后间断4秒。

25Hz的正弦波，每导通1秒后间断4秒。

3、测试点定义

该部分各测试点的位置如图2-5所示，在图中标明及未标明的测试点分别表示：

TIP1：

用户电话1的TIP端。

RING1：

用户电话1的RING端。

TX1：

电话1四线输出端。

RX1：

电话1四线输入端。

TIP2：

用户电话2的TIP端。

RING2：

用户电话2的RING端。

TX2：

电话2四线输出端。

RX2：

电话2四线输入端。

2.3.3双工器部分

图2-6无绳电话系统双工器部分原理框图

该部分各测试点的位置如图2-6所示，在图中标明及未标明的测试点分别表示：

ANT_BS：

座机双工器天线测试端（实验指导书中ANT_BS或ANT（BS）对应测试点ANTBS）

RX_BS：

座机双工器接收端（实验指导书中RX_BS或RX（BS）对应测试点RXBS）

TX_BS：

座机双工器发射端（实验指导书中TX_BS或TX（BS）对应测试点TXBS）

ANT_HS：

手机双工器天线测试端（实验指导书中ANT_HS或ANT（HS）对应测试点ANTHS）

RX_HS：

手机双工器接收端（实验指导书中RX_HS或RX（HS）对应测试点RXHS）

TX_HS：

手机双工器发射端（实验指导书中TX_HS或TX（HS）对应测试点TXHS）

2.4CDMA系统

现代通信技术取得的突出成就之一就是CDMA（CodeDivisionMultipleAccess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（TimeDivisionMultipleAccess时分多址）、FDMA（FrequencyDivisionMultipleAccess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，所以公认它将作为第三代移动通信的主要技术。

CDMA系统按照扩张频谱方式的不同可分为：

1、直接序列扩频CDMA（DS-CDMA）：

用待传信息信号与高速率的伪随机码序列相乘后，去控制射频信号的某个参量而扩展频谱。

2、跳频扩频CDMA（FH-CDMA）：

数字信息与二进制伪随机码序列模二相加后，去离散地控制射频载波振荡器的输出频率，使发射信号的频率随伪随机码的变化而跳变。

3、跳时扩频CDMA（TH-CDMA）：

跳时是用伪随机码序列来启闭信号的发射时刻和持续时间。

发射信号的“有”、“无”同伪随机序列一样是伪随机的。

4、混合式：

由以上三种基本扩频方式中的两种或多种结合起来，便构成了一些混合扩频体制，如FH/DS，DS/TH，FH/TH等。

其中，DS-CDMA系统是目前应用最广泛的一种扩频CDMA系统，被CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA等第三代移动通信系统采用，本实验系统就设计了一个完整的DS-CDMA系统，重点放在PN码的特性、扩频和解扩、同步和捕获等知识点上，同时也具备码分多址、位同步、帧同步提取、载波恢复、纠错编解码等众多功能。

2.4.1发射机的实现

其发射机实现框图如图2-7所示：

图2-7CDMA系统发射机实现框图

两路信息码均在发射机的CPLD中产生，周期为8，分别由两个8位拨码开关“SIGN1置位”和“SIGN2置位”进行置位。

码速率可变，由拨位开关“信码速率”控制，拨码开关拨上时码速率为2K，拨下时为1K。

两路扩频码为在CPLD中产生的127位Gold序列，分别受两个8位开关“GOLD1置位”和“GOLD2置位”控制，可以任意改变。

码速率可变，由拨位开关“扩频码速率”控制，拨位开关拨上时码速率为200K，拨下时为100K。

两路信息码分别与Gold1和Gold2进行扩频后，再进行PSK调制。

当拨位开关“第一路”拨上、“第二路”拨下时，发射机输出点TX输出的信号为SIGN1与GOLD1扩频调制后的信号。

当拨位开关“第一路”拨下、“第二路”拨上时，发射机输出点TX输出的信号为SIGN2与GOLD2扩频调制后的信号。

当两个拨位开关均拨上时，发射机输出点TX输出的信号为两路信号的叠加。

拨位开关“扩频”可对是否扩频进行选择，当拨码开关拨上时表示不对信息码进行扩频，拨下时扩频，这样便于对比观察是否扩频的PSK信号的频谱。

另外，在发射机还可对SIGN1进行汉明编码，当拨位开关“编码”拨上时