2009移动通信实验指导书x

数字移动通信实验指导书

信息技术学院 电子信息工程教研室

二00九年六月

I

目 录

目 录 ....................................................................................................... II 实验系统介绍 ............................................................................................ 1

1.1 系统组成 ............................................................................................................. 1 1.2 调制解调模块 ..................................................................................................... 2 1.3 无绳电话系统 ..................................................................................................... 5 1.4 CDMA系统 ......................................................................................................... 9

实验一 MSK调制解调实验 .................................................................. 18 实验二 GMSK调制解调实验 ............................................................... 24 实验三 信道分配实验 ............................................................................ 27 实验四 用户线信令与无绳电话实验 .................................................... 31 实验五 无绳电话移动通信系统实验 .................................................... 38 实验六 CDMA移动通信系统实验 ....................................................... 46

II

实验系统介绍

1.1 系统组成

本实验系统主要用于高校“移动通信”、“扩频通信”等课程的实验教学，可进行移动通信各种一般性原理的实验，覆盖移动通信课程的主要知识点，同时具有较强的系统性，能够模拟数种具有代表性的移动通信系统。

本实验系统的主要参考教材为西安电子科技大学出版社出版，郭梯云、邬国扬、李建东编著的《移动通信》（修订版）和西安电子科技大学出版社出版，查光明、熊贤祚编著的《扩频通信》。这两本教材被很多高校所采用，具有较强的权威性。

围绕这两本教材，我们的实验系统设计了数字调制解调实验、多址实验、发射机/接收机实验等多种单元实验，同时设计了两个典型的移动通信系统，模拟系统我们采用成熟的无绳电话系统，而数字系统我们选取3G中常用的DS-CDMA系统。其中，DS-CDMA系统的设计我们紧密结合《扩频通信》一书，着重突出教材的重点：PN码的特性、扩频和解扩、同步和捕获等知识点，使用户通过实验进一步理解CDMA的精髓。其中，无绳电话系统不仅包括无绳电话的接收机、发射机、双工器、信道切换等，还具有一定的交换功能，可以与有线电话交互。CDMA系统不仅包含了直接扩频和解扩的功能，还包含码分多址、伪随机序列的捕获和跟踪、位同步、帧同步提取、载波恢复、纠错编解码等众多功能，可以构成一个完整的CDMA移动通信系统。

具体实验内容如下： 1、调制与解调：

1） MSK调制、解调实验 2） GMSK调制、解调实验 3） QPSK调制、解调实验 4） OQPSK调制、解调实验 5） DQPSK调制、解调实验 6） π/4DQPSK调制、解调实验 2、无绳电话系统：

1） 信道分配实验

2） 用户线信令与无绳电话实验 3） 接收机实验 4） 发射机实验

5） 锁相环频率合成器实验 6） 双工器实验

7） 无绳电话移动通信系统实验 3、CDMA系统：

1） GOLD序列特性实验

2） GOLD序列的捕获和跟踪实验 3） 扩频与解扩实验 4） 载波提取实验

5） PSK调制与解调实验 6） 位同步提取实验

1

7） 帧同步提取实验 8） 纠错编码实验

9） CDMA移动通信系统实验

整个实验系统的组成如图1.1-1所示。

无绳电话手机

无绳电话系统有线电话接口无绳电话座机有线信令模块信号音发生模块无绳电话模块电源模块调制部分调制模块有线电话解调模块CDMA接收机载波提取模块CDMA发射机CDMA接收机CDMA系统图1.1-1 移动通信原理实验系统组成

1.2 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、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－Minimum Shift Keying），高斯滤波最小频移键控（GMSK－Gaussian Filtered Minimum Shift Keying），四相相移键控（QPSK－Quadrature Reference Phase Shift Keying），交错正交四相相移键控（OQPSK－Offset Quadrature Reference Phase Shift Keying），四相相对相移键控（DQPSK－Differential Quadrature Reference Phase Shift Keying）和π/4正交相移键控（π/4-DQPSK－Differential Quadrature Reference Phase Shift Keying）,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和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

2

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、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。 1.2.1 各种调制方式的实现：

调制的实现框图如图1.2-1所示。 CPLDCOS低通滤波器时序电路（TLC14） EEPROM（AT2864） DII路调制乘法器波形选择地址D/A转换器I路成形（MC1496）生成器（DAC0832） 差分调制输出加法器串/并（运放）转换 编码DQQ路调制乘法器波形选择地址D/A转换器Q路成形 （MC1496）生成器（DAC0832） EEPROM（AT2864） SIN低通滤波器时序电路（TLC14） 图1.2-1 调制实现框图

首先在CPLD中产生一组码字为10001100 01111000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受到的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。然后和正交载波调制、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1.2-1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16，码字为10001100 01111000，码速率受拨码开关SW602控制，关系如表1.2-2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32，码字为01011101 00000101 10100010 11111010，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1.2-2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1.2-2所示。

DI：I路数据信号输出点；输出为NRZ码，码速率是基带信号码速率的1/2；在MSK、

3

1.3.3 双工器部分

天线 座机双工器 1RX_BSRX ANT_BS3 ANTDUP1 5TXTX_BS

接收

发射

RELAY1

1RX RX_HSRELAY2

ANT_FS3 ANTDUP2

5TX_HSTX 手机双工器

控制

ANTGNDGNDGNDGND图1.3-3 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1.3-3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 RX_BS：座机双工器接收端 TX_BS：座机双工器发射端

ANT_FS：手机双工器天线测试端 RX_FS：手机双工器接收端

TX_FS：手机双工器发射端

1.4CDMA系统

现代通信技术取得的突出成就之一就是CDMA（Code Division Multiple Access 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（Time Division Multiple Access 时分多址）、FDMA （Frequency Division Multiple Access 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。

9

4242CDMA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，我们的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。 1.4.1 发射机的实现

其发射机实现框图如图1.4-1所示：

SIGN1S1-KPPSK1 SIGN1信号PSK扩频1发生器1调制器1第一路 置位 GOLD1 TXGOLD1GOLD序列TX-CW功放加法器置位发生器1(10.7M)

S2-KPPSK2SIGN2SIGN2信号PSK扩频2 置位发生器2调制器2第二路

GOLD2

GOLD2GOLD序列 置位发生器2

图1.4-1 CDMA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1K/2K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100K/200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”拨上时对SIGN1进行编码，拨下时不编码。8位拨码开关“误码“的作用是对编码后的信号人为设置误码，以检验汉明编码的纠错效果。

10

其中，发射机信息码和扩频码的产生、扩频均在CPLD中实现，CPLD使用EPM7128（U301）；PSK调制使用模拟乘法器MC1496（U303、U304）；加法器使用运算放大器AD8055（U305）；功放采用UPC1676（U306）。

该部分各测试点的位置如图1.4-1所示，在图中标明及未标明的测试点分别表示： SIGN1：第一路信息码输出点；输出8位NRZ码，码字与拨码开关“SIGN1置位”的设置一致，码速率受拨位开关“信码速率”控制，拨位开关拨上时码速率为2K，拨下时为1K。

SIGN2：第二路信息码输出点；输出8位NRZ码，码字与拨码开关“SIGN2置位”的设置一致，码速率受拨位开关“信码速率”控制，拨位开关拨上时码速率为2K，拨下时为1K。

GOLD1：第一路扩频码输出点；输出127位的GOLD序列，码型为NRZ码，码速率受拨位开关“扩频码速率”控制，拨位开关拨上时码速率为200K，拨下时为100K。

GOLD2：第二路扩频码输出点；输出127位的GOLD序列，码型为NRZ码，码速率受拨位开关“扩频码速率”控制，拨位开关拨上时码速率为200K，拨下时为100K。

S1-KP：当拨位开关“扩频”拨下时为SIGN1与GOLD1扩频后的输出点，输出NRZ码，码速率由扩频码速率决定，拨位开关“扩频码速率”拨上时码速率为200K，拨下时为100K；当拨位开关“扩频”拨上时为SIGN1信号输出点（不扩频），输出与“SIGN1”一致。

S2-KP：当拨位开关“扩频”拨下时为SIGN2与GOLD2扩频后的输出点，输出NRZ码，码速率由扩频码速率决定，拨位开关“扩频码速率”拨上时码速率为200K，拨下时为100K。当拨位开关“扩频”拨上时为SIGN2信号输出点（不扩频），输出与“SIGN2”一致。

TX-CW：发射机10.7M载波信号输出点；输出10.7MHz的正弦波，峰峰值超过1V。 PSK1：“S1-KP”信号经过PSK调制后的输出点；输出载波为10.7M的PSK信号。 PSK2：“S2-KP”信号经过PSK调制后的输出点；输出载波为10.7M的PSK信号。 TX：发射机发射信号输出点；当拨位开关“第一路”拨上、“第二路”拨下时，输出经过功率放大后的PSK1信号；当拨位开关“第一路”拨下、“第二路”拨上时，输出经过功率放大后的PSK2信号；两个拨位开关同时拨上时，输出为PSK1和PSK2叠加、放大后的信号；两个拨位开关同时拨下时，输出为空。

S1-BS：SIGN1和SIGN2位同步信号输出点；输出为方波，频率受拨位开关“信码速率”控制，拨位开关拨上时频率为2KHz，拨下时为1KHz。

S1-FS：当拨位开关“编码”拨上时为SIGN1和SIGN2帧同步信号输出点，输出为脉冲波，频率受拨位开关“信码速率”控制，拨位开关拨上时频率为2/21KHz，拨下时为1/21KHz；当拨位开关“编码”拨下时输出为空。

S1-CODE：当拨位开关“编码”拨上时为SIGN1汉明编码信号输出点，输出为SIGN1汉明编码并加入帧同步码（1110010）后的NRZ码，周期为21位，第一个7位为巴克码（1110010），第二个7位为SIGN1高四位经7.4汉明码编码后的数据，第三个7位为SIGN1低四位经7.4汉明码编码后的数据。同时，后两个7位的数据还受拨码开关“误码”的控制，当“误码”开关的2～8位中的某一位置高时，后两个7位的数据相应位取反。码速率受拨位开关“信码速率”控制，拨位开关拨上时码速率为2K，拨下时为1K；当拨位开关“编码”拨下时输出与“SIGN1”一致。

G1-BS：GOLD1和GOLD2位同步信号输出点；输出为方波，频率受拨位开关“扩频码速率”控制，拨位开关拨上时频率为200K，拨下时为100K。 1.4.2 接收机的实现

接收机实现框图如图1.4-2所示：

11

载波提取PSK解调高放RX乘法器1GD-TX乘法器2超前1/2位GD-CQZH1ZH2CQ1BPF2CQ2包络检波2CQ3TX1BPF1包络检波1TX3汉明解码门限判决TX2减法器BPF3包络检波3ZH3VCO-C乘法器3滞后1/2位GD-ZHVCOGOLD序列发生器3扣码电路判断是否停止扣码GOLD3置位图1.4-2 CDMA系统接收机实现框图

接收机按电路实现的功能可分为四部分：扩频码的捕获和跟踪、载波提取、PSK解调和汉明解码。

1、扩频码的捕获和跟踪

在扩展频谱系统中，为了使接收端能够正确恢复信码，必须使接收端产生的解扩用的伪随机码和发送端的伪随机码同步。伪随机码的同步一般分两步进行。第一步是搜索和捕获伪随机码的初始相位，使与发端的码相位误差小于1bit，这就可保证解扩后的信号通过相关器后面的窄带中频滤波器，通常称这一步为初始同步或捕获；第二步是在初始同步的基础上，使码相位误差进一步减小，使所建立的同步保持下去，通常称这一步为跟踪。

常用的捕获方法有滑动相关法、前置同步码法、发射参考信号法、突发同步法和匹配滤波器同步法。在CDMA系统接收端，捕获的实现大多采用滑动相关法。本接收机也是采用滑动相关法，由图1.4-2中的TX（同相）支路和CPLD（U402）构成滑动相关捕获电路，如图1.4-3所示。

解调 解扩BPF门限判决 包络检波 时钟 PN码发生器 扣码

图1.4-3 滑动相关捕获电路

12

接收到的信号与本地伪随机码相乘后再积分，即求出它们的互相关值，然后在门限检测器中某一门限值比较，以判断是否已捕获到有用信号。这里是利用伪随机码的相关特性，当两个相同的码序列相位上一致时，其相关值有最大的输出。一旦确认捕获完成，则捕获指示信号的同步脉冲控制搜索控制钟，调整伪随机码发生器产生的伪随机码的重复频率和相位，使之与收到的信号保持同步。

实现跟踪也是利用伪随机间的相关特性实现的。一般采用延迟锁定环来实现。本接收机用图1.4-2中的CQ（超前）支路、ZH（滞后）支路、VCO和CPLD（U402）构成延迟锁定环，如图1.4-4所示。

??(t)

BPF包络检波＋

∑??(t)

－BPF包络检波

环路滤波

PN码压控 发生器

时钟图1.4-4 延迟锁定环跟踪电路

输入信号与本地PN序列的超前和滞后序列作互相关运算，然后分别进行带通滤波，包

络检波，最后相减，得到误差函数。误差电压经过环路滤波，送到压控振荡器控制时钟频率的变化。这个时钟再推动本地PN序列发生器，产生本地PN序列的超前和滞后序列。

为了方便实验，我们在捕获电路的门限判决处加了一个旋转电位器“捕获”，用于改变比较的门限值，以捕捉有用信号，同时用发光二极管“捕获指示”的亮灭来判断是否已捕捉到有用信号。同时，在跟踪电路VCO处加了一个旋转电位器“跟踪”，用来调节VCO的压控信号的直流电平，增大接收机的时钟调节范围，使锁相更容易。

接收机的扩频码GOLD3受8位拨码开关“GOLD3置位”控制。因此，当“GOLD3置位”与“GOLD1置位”一致而与“GOLD2置位”不一致时，解调出的信息码SIGN1；当“GOLD3置位”与“GOLD2置位”一致而与“GOLD1置位”不一致时，解调出的信息码SIGN2。拨位开关“信码速率”、“扩频码速率”、”解码”分别对应发射机的拨位开关“信码速率”、“扩频码速率”、“编码”。

其中，接收机扣码电路、GOLD序列发生器及超前、滞后电路均在CPLD中实现，CPLD使用EPM7128（U402）；高放使用单片集成中频放大器MC1350（U401）；乘法器使用模拟乘法器MC1496（U403、U406、U407）；带通滤波器使用10.7M的晶体滤波器（CFT400、CFT401、CFT402），通带为10.7M±3.75KHz；包络检波用检波二极管1N60（D401、D402、D403）完成；减法器由运算放大器TLE2084（U404）构成；VCO使用晶体压控振荡器（CRY400）。

该部分各测试点的位置如图1.4-1所示，在图中标明及未标明的测试点分别表示： RX：接收机接收到的经过滤波放大后的信号。

GD-TX：接收机同相支路同相GOLD序列输出点；当接收机完成捕获和跟踪后，该点输出的GOLD序列应与发射机的GOLD序列同频同相。

TX1：接收机同相支路解扩后、滤波前信号输出点；当接收机完成捕获和跟踪后，该点输出为解扩后的PSK信号。

TX2：接收机同相支路滤波后、检波前信号输出点。

13

那么MSK信号波形如图2.1-1所示：

＋－－＋＋＋－－图2.1-1 MSK信号波形

为了保持相位的连续，在t=kTs时间内应有下式成立：

?k=?k?1＋（ak?1－ak）?即：当ak＝ak?1时，?k=?k?1；

?（k?1）2?

当ak≠ak?1时，?k=?k?1±（k?1）π；

若令?0＝0，则?k＝0或±π，此式说明本比特内的相位常数不仅与本比特区间的输入有关，还与前一个比特区间内的输入及相位常数有关。

?a??SMSK?t??cos??ct?kt??k?

?2Ts?=cos?kcos（?2Tst）cos?ct－akcos?ksin（?2Tst）sin?ct

(k?1)Ts?t?kTs

令cos?k＝Ik， －akcos?k＝Qk 则：SMSK?t?＝Ikcos（?2Tst）cos?ct＋Qksin（?2Tst）sin?ct

(k?1)Ts?t?kTs

为了便于理解如图2.1-2所示：

19

kakdk0123456789101112131415161718192021222324-1-1+1-1+1+1+1-1+1+1+1-1-1-1+1+1+1-1+1+1-1-1+1+1-1-1+1+1-1-1-1-1+1+1+1+1-1+1-1-1-1-1+1+1+1-1+1+1+1-1000?kcos?kakcos?kcos?kcos(????0000??????00000000+1+1+1-1-1-1-1+1+1+1+1-1-1-1-1-1-1+1+1+1+1+1+1+1+1-1-1+1+1-1-1-1-1+1+1+1+1+1+1-1-1-1-1+1+1-1-1+1+1-1?t2Ts)akcos?ksin(?t2Ts)图2.1-2 码元变换及成形信号波形图

根据上面描述可构成一种MSK调制器，其方框图如图2.1-3所示：

Cosωct时序电路低通滤波器CPLDEEPROMIkNRZ差分编码串/并转换延时Ts波形选择地址生成器D/A转换器乘法器加法器（运放）MSK信号Qk波形选择地址生成器D/A转换器乘法器EEPROMSinωct时序电路低通滤波器图2.1-3 MSK调制原理框图

输入数据NRZ，然后通过CPLD电路实现差分编码及串/并转换，得到Ik、Qk两路数据。波形选择地址生成器是根据接受到的数据（Ik或Qk）输出波形选择的地址。EEPROM（各种波形数据存储在其中）根据CPLD输出的地址来输出相应的数据，然后通过D／A转换器得到我们需要的基带波形，最后通过乘法器调制，运放求和就得到了我们需要的MSK调制信号。

MSK基带波形只有两种波形组成，见图2.1-4所示：

20

波形2波形1 图2.1-4 MSK成形信号

在MSK调制中，成形信号取出原理为：由于成形信号只有两种波形选择，因此当前数据取出的成形信号只与它的前一位数据有关。如果当前数据与前一位数据相同，输出的成形信号就相反（如果前一数据对应波形1，那么当前数据对应波形2）；如果当前数据与前一位数据相反，输出的成形信号就相同（如果前一数据对应波形1，那么当前数据仍对应波形1）。

2. MSK解调原理

MSK信号的解调与FSK信号相似，可以采用相干解调，也可以采用非相干解调方式。本实验模块中采用一种相干解调的方式。

已知：SMSK?t?＝Ikcos（?2Tst）cos?ct＋Qksin（?2Tst）sin?ct

把该信号进行正交解调可得到： Ik路 [Ikcos（=12?2Tst）cos?ct＋Qksin（?2Tst）sin?ct]cos?ct

Ikcos（??1??）t?+Ikcos（2?－）tc?? 42Ts2Ts2Ts????1????1??－Qkcos（+Qkcos2??）t（2?c?）t? c???42Ts?42Ts????+t）14?Ikcos（?2?c??

Qk路 [Ikcos（=12?2Tst）cos?ct＋Qksin（?2Tst）sin?ct]sin?ct

Qksin（?2Ts+t）14????1??+ 2??）tsin（2?－）tIksin（Icck????42Ts?2Ts??????1???+2??）tQksin（Qsin（2??）t? cck???2Ts?2Ts?4??、t）12－

1214我们需要的是

Ikcos（?2TsQksin（?2Ts两路信号，所以必须将其它频率成份t）12（2?c??2Ts）、（2?c??2Ts）通过低通滤波器滤除掉，然后对

Ikcos（?2Tst）、

1?采样即可还原成Ik、Qk两路信号。 （t）Qksin22Ts根据上面描述可构成一种MSK解调器，其方框图如图2.1-5所示：

21

CLKCPLDCosωct时序电路乘法器MSK信号乘法器低通滤波器电平比较器抽样判决数据还原Ik并/串转换差分译码NRZ低通滤波器电平比较器抽样判决数据还原QkSinωct时序电路BS图2.1-5 MSK解调原理框图

将得到的MSK调制信号正交解调，通过低通滤波器得到基带成形信号，并对由此得到的基带信号的波形进行电平比较得到数据，再将此数据经过CPLD的数字处理，就可解调得到NRZ码。

在实际系统中，相干载波是通过载波同步获取的，相干载波的频率和相位只有和调制端载波相同时，才能完成相干解调。由于载波同步不是本实验的研究内容，因此在本模块中的相干载波是直接从调制端引入，因此解调器中的载波与调制器中的载波同频同相。载波同步的实验可在本实验箱的CDMA系统中实现。

六、实验步骤

1. MSK调制实验

① 将“调制类型选择”拨码开关拨为10000000 、0001，则调制类型选择为MSK调

制。

说明1：为了能用示波器观察调制输出信号波形的相位关系，所以NRZ的码速率采用与载波相当的速率，由于本系统的载波频率为12KHz，所以做调制实验时选择NRZ码速率为12Kb/s

② 分别观察差分编码后的“／NRZ”处波形，并由此串并转换得到的“DI”、“DQ”

两路数据波形。

③ 分别观察“I路成形”信号波形、“Q路成形”信号波形、“I路调制”同相调制信号

波形、“Q路调制”正交调制信号波形、“调制输出”波形。

说明2：如果在步骤②、③中发现波形不正确，请按“调制复位”键后继续观察。 ④ 用示波器观察“I路成形”信号、“Q路成形”信号的X-Y波形

说明3：此波形即为MSK调制的星座图。用示波器的双踪分别接“I路成形”和“Q路成形”，并选择示波器的“X-Y”模式。

2. MSK解调实验

① 将“调制类型选择”拨码开关拨为10000000、0100，“解调类型选择”拨码开关拨

为10000000、0100，则解调类型选择为MSK解调。

说明4：为了能在解调端滤波时能得到与调制端成形信号一致的波形，须加大载波信号与NRZ码速率之间的频率差值，所以NRZ的码速率采用比载波频率小得多的码速率，由于本系统的载波频率为12KHz，所以做解凋实验时选择NRZ码速率为1.5Kb/s。

② 分别观察“I路解调”信号波形、“Q路解调”信号波形、“I路滤波”信号波形、“Q

22

路滤波”信号波形。 ③ 分别观察解调的“DI”、“DQ”两路数据波形，由此并/串转换得到的差分编码

“／NRZ”波形，并观察解调输出的波形。

④ 最后比较调制端“NRZ”波形和解调端“NRZ”波形，看解调是否正确。 说明5：如果发现解调输出波形不正确，请按下“解调复位”键后继续观察。

七、实验思考题

1． 分析MSK调制解调原理。

2． 观察MSK调制解调中的X-Y波形（即星座图），并分析其意义。

八、实验报告要求

1． 分析实验电路的工作原理，叙述其工作过程。

2． 根据实验测试记录，在坐标纸上画出MSK分别在调制解调中的各测量点的波形图。 3． 画出MSK在调制解调中的X-Y波形图（即星座图）。 4． 对实验讨论思考题加以分析，并画出原理图。

23

①有线电话1未摘机，用户线环路断开，环路电流为0，用户线电话机端电压等于交换机馈电电压。

②有线电话1摘机，用户线环路通，环路电流为18~50mA，大于摘机环流门限10mA，交换机据此判定有线电话机1摘机，向其发拨号音。此时电话机端电压下降到6-10V。

③有线电话1用户按数字键拨号，通过用户线向交换机发DTMF号码。

④交换机收齐号码后，检查电话机2空闲（环流为0），则向它发铃流，并向电话机1发回铃；若电话机2忙，则向电话机1发忙音。

⑤电话机2用户摘机（环流大于摘机门限），交换机停止发铃流，接通双方话路（交换连接），双方通话。

⑥一方挂机（环流为0），交换机断开双方话路，向另一方发忙音。 ⑦另一方挂机，交换机停发忙音，完成一次呼叫接续。

以上呼叫接续（包括信令传输及话音传输）过程如图3.2-3所示。

振 铃 摘 机（有环流） 电话2 用户线2 EX 用户线1 摘 机（有环流） 拨 号 音 拨 号（DTMF） 电话1 通 话 、、、回 铃 挂 机（无环流）

、、、忙 音 挂 机（无环流） 图3.2-3 电话1?电话2呼叫接续过程

2.6 座机对有线/无线信令的转换、转发

EX 用户线 （用户线信令） 摘 机 拨 号 音 拨 号（DTMF） 座机 无线信道 （无线数字信令） 摘 机（数字） 手机 呼叫 信道 拨 号（数字） 回 铃 、、、、、、通话 信道 挂 机 通 话 挂 机（数字） 呼叫 信道 图3.2-4 无线/有线信令的转换、转发

34

在一个复杂的通信系统中，信令要经过同样复杂的信令系统逐段传输、转换、转发，才能完成呼叫接续，实现用户信息通道的连接及用户信息的传送。在移动通信原理系统的无绳座机，就担负其一侧无线数字信令与另一侧用户线信令转换、转发作用。图3.2-4以无绳电话手机主呼为例，绘出了整个呼叫接续过程中无绳电话座机对信令的转换、转发的示意图。

TX1 RX1 电 TIP1 RING1 拨号音忙音回铃音帧铃音话音入话音出TX2 RX2话用户接口电路摘机状态检测接（PBL387 10/1）Ring 口TipMCU电话摘机状态用户接口电路检测（PBL387 10/1）接Ring口Tip控制电路TIP2 RING2话音入话音出各种信号音产生电路拨号音忙音回铃音帧铃音 3.2-5 原理框图

需要说明的是，在本移动通信原理实验箱中，程控交换机的功能已经集成进去，主要是由MCU和控制电路来实现的，这样就能很方便的观察各种用户线信令，无需外接程控交换机。

2.8各测试点的波形

拨号音 f=400~450Hz，VPP≈1.0V

回铃音 1S 4S 35

忙音

0.35S 0.35S

原始振铃音

f=22~28Hz，VPP≈2.5V 铃流信号（必须在振铃时测）

f=22~28Hz，VPP≈48V

图3.2-6 各测量点的波形图

六、实验步骤

1、观测用户线信令

①将实验箱所配的无绳电话座机与一部普通电话单机插入A101、A102水晶头插座。 ②用示波器观测各种信号音：“拨号音”、“忙音”、“回铃音”、“振铃音”，并在条件允许的情况下用频率计测量拨号音和振铃音的频率，或者用示波器大致测量其频率。在观测忙音与回铃音时请注意通断时间及比例。 ③无绳电话座机或电话单机（以下简称电话）挂机，无环流。用示波器的直流档（CH1或CH2）测得测试点“TIP1”、“RING1”或“TIP2”、“RING2”的电压为馈电电压。 ④电话摘机，有环流，此时可以听到拨号音。重新测量TIP1、RING1或TIP2、RING2端电压，观察TIP1、RING1或TIP2、RING2的波形。 说明1：用户1的电话处于挂机状态，“RING1”为-48V，“TIP1”为-1.8V，它们之间电压差为46V (此值只是作为参考，以实验为准) 。用户1的电话处于摘机状态，“RING1”为-28V，“TIP1”为-19V。（测得的电压与电话的内阻抗有关，所以每部电话的测量值不一定相同, 此处只是作为参考）

⑤将电话机摘机，示波器设置为AC、1V/DIV，在“RX1”或“RX2”观测450Hz拨号音，若超过8秒不拨号，则显示忙音。

⑥拨一个号码，用示波器在“TX1”或“TX2”观测发出的DTMF号码,为了看的更清楚，可以长按某个键，然后观察DTMF波形。LED209－LED212四个发光二极管指示拨号

36

的状态，为8421码组合。从左向右分别表示1、2、4、8。

⑦移动通信原理实验箱中实现了两部电话的交换功能，它们的号码分别为77、58，用其中一部电话（主叫）拨叫另外一部电话（被叫），注意只有77、58这两个号码有效，其它号码均无效。以用户1（号码58）呼叫用户2（号码77）为例，用示波器双踪分别观察“TX1”和“TX2”。记录下主叫摘机、拨号、被叫摘机、主叫挂机、被叫挂机过程“TX1”和“TX2”处信号的变化。

⑧记录下主叫摘机、拨号、被叫摘机、被叫挂机、主叫挂机过程“TX1”和“TX2”处信号的变化。

⑨记录下主叫摘机、拨号、被叫不摘机过程“TX1”和“TX2”处信号的变化。

⑩记录下被叫摘机、主叫摘机、主叫拨号过程“TX1”和“TX2”处信号的变化。 说明2：步骤⑦和⑧表示正常呼叫时的两种过程，步骤⑨表示被叫不接电话时呼叫的过程，步骤⑩表示被叫忙时呼叫的过程。注意，在步骤⑦和⑧主叫拨号应在主叫摘机8秒内完成，被叫摘机应在被叫振铃两声内完成。 2、观测无绳电话手机呼叫有线电话的接续过程

①将实验箱所配的无绳电话座机与一部普通电话单机插入A101、A102水晶头插座。 ②按下手机上的“通话”键，用示波器观测对应座机的（“TIP1”、“RING1”或“TIP2”、“RING2”）电压变化情况和此时听到的拨号音。拨任意一个号码，观察四个发光二极管的指示情况（注意在拨号音未停止之前，拨号才会被识别并显示，超过了时间即变成了忙音信号，此时拨的号码不会被识别显示。）拨打77或58，在主叫电话的测试点（“RX1”、“TIP1”、“RING1”或“RX2”、“TIP2”、“RING2”）用示波器观测波形，这时观测到的将是回铃音。被呼电话振铃后，在被叫电话的测试点（“RING2”或“RING1”）用示波器观测波形，此时观测到的将是振铃音。被叫应答后，用同样的方法观测话音信号，无论是主叫还是被叫先挂机，后挂机的一方会听到忙音，用同样的方法观测之（手机的挂机一般是按下“通话”键）。

七、实验思考题

1、移动通信原理实验箱中实现了两部电话的交换功能，更多的电话之间的交换以及中继等与此类似，同学们可以以此为参考，想想四部电话之间如何实现信令的交换，如何实现控制？

2、实验中两部电话实现交换，可实验箱并没有配交换机，那么类似于交换机功能的电路是什么？请仔细观察硬件电路和框图，找出它的组成部分以及各个部分所起的作用。

八、实验报告要求

1、根据测量结果，画出各种信号音的波形，并标出通断时间以及比例。

2、以一次通话的全过程为例，详细观测RX1、RX2 、TX1、TX2、TIP1、RING1、TIP2、RING2波形及电压的变化情况，并记录下来。

3、根据实验结果，画出无绳电话手机呼叫有线电话的呼叫接续过程图，并说明无绳电话座机对无线/有线信令的转换、转发作用。

37

实验五 无绳电话移动通信系统实验

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、了解移动通信原理实验箱无绳电话部分的功能及框架。

二、实验内容

1、用两台移动通信原理实验箱进行单工和双工通信，观察通话效果和干扰情况。 2、观察不同信道通信时的通话效果，并观察干扰情况。

三、预备知识

1、本移动通信原理实验箱的基本构成及使用方法。 2、同频干扰，领道干扰，互调干扰的基本概念。

四、实验器材

1、移动通信原理实验箱 2、CT1无绳电话（带手动选频功能） 3、电话单机 4、双踪示波器（60M或以上） 5、频谱仪（选用）

一台 一部 一部 一台 一台

五、实验原理

1、移动通信系统

常用的移动通信系统主要有四类：蜂窝移动通信系统、集群移动通信系统、无绳电话系统及无线寻呼系统，它们的功能及应用场合各不相同，但它们的基本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广泛应用。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。 在无线通信环境的电波覆盖区内，如何建立用户之间的无线信道的连接，是多址接入方式内问题。因为无线通信具有大面积无线电波覆盖和广播信道的特点，网内一个用户发射的信号其他用户均可接收，所以网内用户如何能从播发的信号中识别出发送给本用户地址的信号就成为建立连接的首要问题。

多址接入方式的数学基础是信号的正交分割原理。无线电信号可以表达为时间、频率和码型的函数，即可写作：

s(c,f,t)=c(t)s(f,t)

其中c(t)是码型函数，s(f,t)为时间(t)和频率(f)的函数。

当以传输信号的载波频率的不同划分来建立多址接人时，称为频分多址方式(FDMA)；

38

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/s6jg.html