移动通信实验指导书(MBC_5W++)第71版.pdf

移动通信实验 鲁昆生 郭 鹏 华中科技大学电子与信息工程系 1 第七版前言第七版前言 为实现通信的终极目标五个 W：任何人（whoever）在任何时间（whenever）任何地点(wherever)与任何他人(whomever)进行任何类型(whatever)的信息交换，则至少通信网的最后一段必须是移动通信系统。由此可见移动通信在现在及未来通信中的重要地位。最新开发的 MBC-5W 型移动通信实验系统可开出 15 个实验，覆盖了移动通信原理的主要内容(推荐教材为资料1)，包括以下四大部分：（1）由一个小型 FDMA 移动通信系统和作为测量仪器的双路无线综合测试仪，测量、了解移动通信系统网络组成、基本功能、信令系统及无线信道的共用方式（实验一四）。（2）双路无线综合测试仪可组合成 FH-CDMA、DS-CDMA、TDMA 及 DS/FH、TD/FH、T 十）。（3）在双路无线综合测试仪上，可测量、了解移动通信设备，包括接收机、发射机、锁相频率合成器及双工器的构成、工作原理及性能指标（实验十一十四）。(4)在双路无线综合测试仪上，可测量、了解电波传播损耗及接收机的内部和外部噪声(实验十一)。（5）用二台双路无线综合测试仪，可测量、了解各种组网干扰，包括同道干扰，邻道干扰及互调干扰（实验十五）。通过实验，使学生对移动通信原理有全面直观的认识，加深对书本理论知识的理解和掌握。由于双路无线综合测试仪自带如下多种专用设备：（1）稳压电源；（2）音频信号源（1KHz/600Hz，2 个频率点）；（3）高频信号源（45MHz/48MHz，20 对频率点）；（4）数字频率计；（5）数字存贮示波器功能模块，故仅需一台 20MHz 模拟双踪示波器就可完成绝大部分实验（除了“实验十四 锁相频率合成器”中测量发射环调制频率特性需要一台音频信号发生器或函数信号发生器外），可节省大量实验设备费用。本移动通信教学实验系统是我们在长期从事有关课程教学及科研的基础上开发出来的。我们力图在飞速发展的移动通信技术与移动通信基本原理及用有限经费在实验室内建立能让每个学生动手的实验系统之间找到平衡点。但是，由于我们水平所限，本实验系统及实验指导书中难免有不妥之处，欢迎读者提出宝贵意见。编 著 者 于华中科技大学 2003 年 12 月 2 目目 录录 实验一 移动通信系统组成及功能.1 实验二 无线数字信令.6 实验三 信令系统.13 实验四 多信道共用、空闲信道选取方式.19 实验五 FH-CDMA（跳频码分多址）移动通信.23 实验六 DS-CDMA（直扩码分多址）移动通信.30 实验七 TDMA（时分多址）移动通信.44 实验八 DS/FH（直扩加跳频）混合多址移动通信.46 实验九 TD/FH（时分加跳频）混合多址移动通信.48 实验十 TD/DS（时分加直扩）混合多址移动通信.50 实验十一 接收机、噪声与电波传播损耗.52 实验十二 发射机.62 实验十三 双工器.66 实验十四 锁相频率合成器.70 实验十五 组网干扰.85 附录 1 无绳电话标准、原理及手机使用方法.93 附录 2 双路无线综合测试仪原理及使用方法.96 附图 1(A)BS 测量收发信机(TRX-BS).104 附图 1(B)MS 测量收发信机（TRX-MS）.105 参考文献.106 1 实验一实验一 移动通信系统组成及功能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用双路无线综合测试仪（以下简称综测仪）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)。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。将系统合理简化得到蜂窝移动通信系统 公用电话网（PSTN）MS(Mobile Station):移动台 BS(Base Station):基地台 MSC(Mobile Switch Center):移动交换中心(包括交换机和数据库)EX(Exchanger):公用电话网(PSTN)程控交换机 TEL(Telephone):有线电话 MS MS EX MSC BS BS TEL TEL 2 图 1-2，它将图 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。它与图 1-1 实际系统在系统基本网络结构、网络设备及功能等特征方面是相同的。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。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，采用了一台双路无线综合测试仪（SDT，以下简称综测仪），构成一套完整的移动通信教学实验系统，如图 1-3 所示。图 1-3 移动通信教学实验系统 MS(Mobile Station):移动台 BS(Base Station):基地台 EX(Exchanger):程控交换机 TEL(Telephone):有线电话 MS BS EX TEL TEL MS(Mobile Station):移动台（无绳电话手机）BS(Base Station):基地台（无绳电话座机）EX(Exchanger):程控交换机 TEL(Telephone):有线电话 SDT :双路无线综合测试仪(综测仪)SDT MS BS EX TEL TEL 3 下面对图 1-3 各部分及本实验内容介绍如下：1CT1 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：无绳座机 BS 的天线垂直竖立但不要拉出。综测仪 BS 测量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。无绳手机 MS 的天线不要拉出。将综测仪 MS 测量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 1 拖 4 双绳路小型用户程控交换机，一条外线可接 4部内部电话。本系统中不用其外线端口，只使用内部 4 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 4 门 PSTN 程控交换机。图 1-4 为小型程控交换机的外观图。四个用户线插座可连接四部电话（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 外线（不接）LINE 801 802 803 220VAC 电源指示 LED 灯 用户摘机指示 LED 灯 用户号码 用户线插座 804 4 3双路无线综合测试仪 双路无线综合测试仪（以下简称综测仪）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。在实验一实验四中综测仪作为测量仪器，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，用示波器在综测仪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 70300Hz 范围内，则 Tp=313ms。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 3003400Hz 频率范围内。t(ms)10-100相对声压图1-3 浊音波形TpTp 图 1-5 浊音的准周期波形 相对声压 5 四、实验步骤 1按图 1-3 的布局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 801、802 的用户线插孔；无绳电话座机用户线插入交换机号码 804 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、手机及综测仪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(804)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综测仪 BS 及 MS 测量面板上 AFo输出端口。接通综测仪电源（K5 置 ON），置系统测量自动工作方式(按 K1 至 SYST 灯亮，再按 K2)，综测仪守候在无绳电话控制信道。关发射机（K6 置 OFF），关信令存贮显示模块（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，综测仪检测到摘机信令后自动跟踪扫描，锁定于该通话信道。若综测仪因误码未检测到手机摘机信令仍停在控制信道，则按控制面板扫描（SCAN）键 K3 启动综测仪扫描信道，最后锁定于该通活信道。综测仪锁定于通话信道的标志是：信道扫描仃止并且 BS 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由实验结果回答，有线电话挂机时用户线是处于开路状态吗？4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。6 实验二实验二 无线数字信令无线数字信令 一、实验目的 通过对无绳电话的测量，了解一般移动通信系统无线数字信令的基本概念，包括数字信令调制方式、帧结构及传输协议等概念。二、实验内容 1用双踪示波器通过综测仪观测无绳电话无线数字信令波形，了解数据的副载波调制方式及数字信令帧结构。2用双踪示波器通过综测仪观测无绳电话无线数字信令传输协议。三、基本原理 通信系统中除用户信息（如话音）外的一系列控制信号称为信令。信令系统与用户信息传输系统是二个相伴随的系统，信令系统连接并控制用户信息传输系统的所有网络设备及用户终端设备，共同构成整个通信系统。信令完成呼叫接续的建立、拆除、监控等一系列的操作与控制，保证用户信息传输系统正确且可靠的动作，使用户信息有效传输。因此，信令可以看作是整个通信系统的神经中枢。按信令形式不同，信令分为模拟信令和数字信令两类。模拟信令包括音频信令及其它形式的模拟信号，它应用早，现在仍应用在许多通信系统中，例如 PSTN 模拟用户线信令全为模拟信令。数字信令具有速度快、容量大等一系列明显优点，已成为目前通信系统中采用的主要形式。典型的移动通信系统 BS 至 MS 之间的无线数字信令帧结构如图 2-1 所示，它包括位同步码（又称为前置码）、帧同步（又称为字同步）、有效数据（包括地址、命令和其它数据）及纠错码四部分，分别介绍如下。位同步 帧同步 有效数据 纠错码 图 2-1 典型的数字信令帧结构 （1）位同步：数字通信收端必须从接收的数据流中提取位同步，才能对数据准确进行积分、采样和判决，正确恢复发端数据。位同步建立需要时间，而数字信令是突发的数据串，收端必须在帧同步及有效数据收到之前建立位同步，因此在信令的帧同步前集中加入一段位同步码。（2）帧同步：帧同步位于一个信令帧有效数据的起点，作为帧同步的特殊码组必须具 7 有尖锐峰值的自相关函数，便于与随机的数字信息相区别。常用的有巴克码和 m 序列。位同步及帧同步统称同步码。（3）有效数据：包括地址、命令等数据。信令的控制、操作功能全由有效数据完成。（4）纠错码：对有效数据进行纠（检）错编码后产生的监督位。基于纠（检）错编码的数据传输差错控制方法，常用的有以下二种：前向纠错 FEC(Forward Error Correction)：发端对数据进行纠错编码，收端进行纠错解码，对未超过纠错范围的误码予以纠正。检错重发，常称为自动请求重发 ARQ(Automatic Repeat Request)：发端对数据进行纠、检错编码，收端发现有纠正不了的误码时，自动请求发端重发，直到收到正确数据为止。显然，后一纠错方式的可靠性要高得多，但付出的代价是降低了信息的传输速率。发端在没有收端请求的情况下，按事先规定主动重发多帧信令，收端对其纠检错之后再进行大数判决，亦可提高信令数据传输可靠性。这可认为是对 ARQ 重发次数作硬性规定后与 FEC 组合而成的一种方法。作为构成图 1-3 移动通信教学实验系统无线部分的中国 CT1 无绳电话，相关技术标准只规定了其工作频率、调制方式等射频技术要求（见附录 1 表 1），但对其信令结构、传输协议及多信道共用方式未作规定，由各生产厂家自行定义、开发。因而，各厂家生产的无绳电话这方面技术各不相同，座机与手机一般不能交换配对使用。本实验系统中采用的一种无绳电话的信令结构及多信道共用方式是国内外很多厂家所采用的，十分可靠实用，也比较规范，便于观测。1无绳电话无线数字信令副载频调制方式及帧结构 信令数据先对副载频进行 FSK 调制，即一次调制，如表 2-1 所示。然后再对 45/48MHz的主载频调频（FM），即二次调制。由于每个码元只调制为 1 个周期的副载频，故与经典的 FSK 调制相比有点不同：码元宽度随 0/1 数据而变化。表 2-1 信令数据的 FSK 调制方式 数据 FSK 调制参数 0 周期 2.0ms 的一周方波 1 周期 2.8ms 的一周方波 帧同步 S 周期 4.0ms 的一周方波 数据帧的典型结构以手机拨号码 7 为例，见图 2-2。数据帧各部分的含义见图 2-3，其中有效数据有 12 位，分为三个部分：8 0S100 1 0 0 0 111 0 0 0波形数据图3-1 典型的信令帧结构 图 2-2 典型的信令数据帧结构 0 0 S,1 0 1 0,0 0,1 1 1 0,0 0 图 2-3 信令数据帧各部分的含义 （1）IDH IDH为无绳电话系统 16 位识别码（ID 码）的高 4 位。在初装无绳电话时，座机与手机要统一 ID 码，称为对码。只有 ID 码相同的座机和手机才能建立无线连接，有效防止不同ID 码无绳电话之间的窜扰和盗打。在手机摘机主呼及被呼振铃时，才全部发送及接收 16位 ID 码，在这以后的信令传输过程中为节省传输时间只发送部分 ID 码。为了使综测仪能自动跟踪测量无绳电话工作过程，综测仪也要与无绳电话对码，使综测仪、无绳电话座机及手机三者的 ID 码及呼叫信道保持一致(对码方法见实验四的实验步骤1。实验前教师己对好了码，实验一、二、三中同学不必对码)。综测仪内的无绳电话系统 ID码及控制信道号都存在 E2PROM 中，掉电不会丢失。要查看系统 ID 码只需点动综测仪对码（CODE）键，即可在频率显示 LED 数码管上显示 ID 码 4 秒钟。16 位二进制码以 8 位四进制码形式显示，高位在左，低位在右，例如 01，23，32，10（四进制）=0001，1011，1110，0100（B）。（2）手机号代码 本无绳电话一台座机最多可带 4 部手机（任一时间只能有一部手机占用座机通话）。在对码时，按手机对码的先后顺序，座机顺次指定手机号码为 1、2、3、4。信令中手机号代码含义见表 2-2，2 位代码倒序看为自然二进制码，与手机号码直接对应。表 2-2 手机号码 手机号码 1 2 3 4 代码 00 10 01 11 倒序代码 00 01 10 11 （3）命令(消息)命令(消息)为 6 位，亦应倒序读取，图 2-3 中命令倒序码为 00,0111B=07H，表示消息”拨号码 7”。常用命令(消息)见表 2-3。同步码 IDH 手机号代码 命令(消息)波形：数据：0 0 S 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 9 表 2-3 无绳电话常用命令 命令名 命令码（倒序读出）拨号码 0-9、*、#01-09H、0EH、0FH 闪断（Flash）10H 挂机 12H 2无线数字信令传输协议 无绳电话呼叫接续有不同状态，包括手机被呼振铃，手机主呼/被呼摘机，手机拨号，进入通话后手机进行“闪断”、“换频”、“挂机”等操作。在呼叫接续的不同状态下，信令传输协议各不相同，下面仅介绍手机拨号、闪断（Flash）及通话结束后挂机的信令传输协议。（1）手机拨号（号码 7）图 2-4 手机拨号（号码 7）信令传输过程 图 2-4 为手机拨号（号码 7）信令传输过程。图中，命令(消息)帧各部分含义见前节；应答帧中 IDL为 ID 码低 4 位，LID为 IDL的反码。由图可见，无绳电话信令收发是全双工工作方式，座机及手机可同时收发信令。为保证信令数据传输可靠性，必须采用差错控制。本无绳电话采用检错重发即自动请求重发 ARQ 方式实现差错控制。但与一般 ARQ 方式不同，数据中的检错功能不是由纠检错编码而是由以下手段实现：如表 2-1 所示，每位数据都是特定周期的一周方波，收端微处理器采用脉宽检测方式检测其半周期及周期，超过表中数值（有一定允许误差）就判定为误码。只要有 1 位误码就确定数据帧出错。另外，噪声及干扰引起前一码元脉宽变化会传递到下一码元，若前一码元刚好错成另一码元，则下一码元脉冲半周期或周期一般都会出错。总之，脉冲半周期及周期宽度检测是一种极严格的检测方式，在相同信噪比条件下，它的误码率比常用的最佳检测方式相关检测或匹配滤波的误码率要高得多。更重要的是，最佳检测对每个码元的检测结果只给出是 0 还是 1，但这个码元的对错它一无所知，只能通过纠错解码来判定；而脉宽检测根据每个码元的参数就可检测出误码，等效为每个码MS 发：0 0 S,0 1 0 0,0 0,1 1 1 0,0 0;S,0 1 0 0,0 0,1 1 1 0,0 0;0 0 S,0 1 0 0;S 0 1 0 0;S 0 1 0 0.BS 发：0 0 S,1 0 1 1;S 1 0 1 1;S 1 0 1 1.同步 IDH 命令(拨号码 7)重发命令 应答确认(IDL)重发 应答确认 同步 应答(IDL)重发 应答 手机号 代码 10 元自带检错信息。命令帧中的 IDH及应答/应答确认帧中的LID、IDL分别为无绳电话系统 16 位 ID码的高 4 位、低 4 位的反码及低 4 位，是座机及手机双方都确知的数据，收端可检出这些数据的错误。座机及手机依据以上信令数据的可靠检错功能，以自动请求重发 ARQ 方式保证信令数据传输的可靠性：如图 2-4 所示，若座机 BS 收到第 1 个命令帧检测无误码，则连续发多个应答帧表示收到正确的命令。MS 只要正确收到其中一个应答帧就确认 BS 已收到正确命令帧，于是在发完当前的命令帧后就停止发命令帧，然后发多个应答确认帧通知 BS，让 BS 仃发应答帧，完成 1 次手机拨号命令的传送过程。若 BS 未收到正确的命令帧，则不发应答，等效为发送请求重发信息，MS 就连续重发第 3 个、第 4 个命令帧，直至收到 BS 的应答为止（或MS 因发送超时，放弃这次信令传输）。MS 至少发送 2 个命令帧的原因是，BS 在收完第 1 个命令帧检测无误码直到发完第 1个应答帧并被 MS 正确接收后，MS 已经将第 2 个命令帧发送了一部分，因而发完算了。由于重发的最后一帧命令帧是多余的，生产厂家开发者对这一段手机程序没有准确设计及仔细调试，命令帧后几位可能有错误。（2）手机挂机 图 2-5 手机挂机信令传输过程 图 2-5 为手机挂机信令传输过程。由图可见，其过程与手机拨号完全相同，唯一的区别是命令内容不同。四、实验步骤（一）用普通双踪示波器观测无线数字信令 1将普通双踪示波器的两个测量探头分别接在综测仪 BS 及 MS 测量面板上存贮信令的输出端 SIG；示波器外触发输入端接至综测仪 BS 测量面板的触发信号输出端 TRIS。示波器设置为上升沿外触发，水平分度 2ms/DIV，垂直为 DC、2V/DIV。设置综测仪为自动跟踪测量方式（按工作方式控制面板上 K1 至 SYST 灯亮，再按 K2使 K2 灯常亮），综测仪守候于无绳电话系统的控制信道；接通综测仪信令存贮显示（SAVE）电路模块电源(K10 置 ON，顶部 LED 指示灯亮)，按运行（RUN）键使停止存贮（STOP）MS 发：0 0 S,0 1 0 0,0 0,0 1 0 0,1 0;S 0 1 0 0,0 0,0 1 0 0,1 0;0 0 S,0 1 0 0;S 0 1 0 0;S 0 1 0 0.BS 发：0 0 S,1 0 1 1;S 1 0 1 1;S 1 0 1 1.同步 IDH 挂机命令 手机号 代码 11 指示灯灭，模块处于等待触发存贮状态；关发射机电源(TX 控制板上 K6 置 OFF，其上方电源指示灯灭)。为了避免交换机信号音及 2/4 转换反射信号干扰信令波形观测，本实验中将无绳座机用户线从交换机上拔下。2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，综测仪检测到摘机信令后自动跟踪扫描，锁定于该通话信道，并发出一声蜂鸣声指示。信令存贮显示控制面板停止（STOP）灯亮，表示手机摘机信令过程已存贮完毕。若综测仪因误码未检测到手机摘机信令仍停在控制信道，则按控制面板扫描（SCAN）键 K3 启动综测仪扫描，最后锁定于该通活信道。综测仪锁定于通话信道的标志是：信道扫描仃止并且 BS 及 MS 测量面板同时显示接收频率。3按综测仪信令存贮显示面板上运行（RUN）键，停止（STOP）指示灯灭，综测仪处等待触发存贮状态。4手机用户按键进行“拨号”、“闪断”等操作，综测仪以单次触发方式存贮记录下这一次信令传输过程，存贮显示控制面板上停止（STOP）指示灯亮，示波器可观察到存贮的数字信令。调节示波器触发电平旋钮使波形稳定，旋转综测仪信令存贮显示控制面板上波形位置（POSITION）旋钮左右移动显示波形，或按复位（RST）键使显示波形回到信令传输过程的起点。反复按同步（SYNC）键分五步循环步进调节波形的闪烁及亮度，在波形由严重闪烁刚好调节到不闪烁时，亮度最高，波形最清晰，在以后的测量中再不必调整。如此仔细观测并记录信令帧结构及信令传输过程。5重复 3、4，观测并记录另 1 次信令传输过程。6通话完毕，重复 3，使综测仪准备存贮信令，按手机“通话”键挂机，用示波器观察并记录手机挂机信令传输过程。7.拉开手机与座机之间的距离(对学生实验型教学实验系统，应拉开综测仪 BS 测量收发信机天线与座机天线距离及 MS 测量收发信机天线与手机天线距离)，降低座机的接收机输入 C/N，增大接收信令误码率。手机重复按某数字键拨号，观测信令传输过程中命令帧重发 2 次以上的现象。（二）用 TDS210 双踪数字存贮示波器观测无线数字信令 1将 TDS210 双踪数字存贮示波器的两个测量探头分别接至综测仪 BS 及 MS 测量面板上 AFo端；示波器外触发输入端接至综测仪 MS 测量面板上 TRIA触发输出端。示波器设置为上升沿外触发，单次触发方式，触发电平 11.6V；水平分度 25ms/DIV；垂直为直流、2V/DIV。关断综测仪发射机及信令存贮显示电路（TX 控制面板上 K6 置 OFF，SAVE 控制面板上 K10 置 OFF，电源指示灯灭）；置综测仪为自动测量方式（按控制面板 K1 至 SYST 灯亮，再按 K2，K2 灯常亮），综测仪守候于无绳电话系统的控制信道。12 2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，综测仪检测到摘机信令后自动跟踪扫描，锁定于该通话信道，并发出一声蜂鸣声指示。按示波器运行（RUN）键使示波器处于等待触发扫描状态，示波器显示屏上方状态栏中停止（STOP）字符变为运行（RUN）字符。3手机用户按键进行“拨号”、“闪断”等操作，TDS210 数字存贮示波器以单次触发方式存贮显示这一次信令传输过程，示波器显示屏上方状态栏中显示停止（STOP）字符。调节示波器水平分度至 2.55ms/DIV，展开波形，仔细观测并记录信令传输过程。4调节示波器水平分度返回 25ms/DIV，按运行（RUN）键使示波器处于等待触发扫描状态，示波器显示屏上方状态栏中停止（STOP）字符变为运行（RUN）字符。重复 3，观测并记录另一次信令传输过程。5通话完毕，按运行（RUN）键使示波器处于等待触发扫描状态，示波器显示屏上方状态栏中停止（STOP）字符变为运行（RUN）字符。按手机“通话”键挂机，示波器存贮显示挂机信令传输过程，仔细观测并记录。6.拉开手机与座机之间的距离(对学生实验型教学实验系统，应拉开综测仪 BS 测量收发信机天线与座机天线距离及 MS 测量收发信机天与手机天线距离)，降低座机的接收机输入 C/N，增大接收信令误码率。手机重复按某数字键拨号，观测信令传输过程中命令帧重发2 次以上的现象。五、实验报告内容 1给出以下几种操作的无线数字信令传输过程图，并注明在综测仪上查到的无绳电话系统 16 位 ID 码，与图中 IDH、IDL及LID比较。最后总结出数字信令典型帧结构和信令传输过程。（1）手机拨号码 1；（2）手机拨号码 3；（3）手机拨号码 9；（4）手机进行“闪断”操作；（5）手机挂机。2根椐信令传输过程中，因接收误码导至命令帧重发 2 次以上的现象，回答数字信令传输采用何种差错控制方式。六、思考题 测量并记录手机主呼摘机信令传输过程，试分析信令帧结构及传输协议。（注：研究性题目，无现成答案）13 实验三实验三 信令系统信令系统 一、实验目的 通过对移动通信教学实验系统的测量，了解一般移动通信系统的信令系统的基本概念。二、实验内容 1用示波器观测无绳座机用户线信令。2用示波器观测手机操作时座机对手机座机之间无线数字信令与座机交换机之间用户线信令的转换、转发。3用示波器观测手机主呼有线电话的呼叫接续信令传输全过程。三、基本原理 通信系统中除用户信息（如话音）外的一系列控制信号称为信令。信令系统与用户信息传输系统是二个相伴随的系统，信令系统连接并控制用户信息传输系统的所有网络设备及用户终端设备，共同构成整个通信系统。信令完成呼叫接续的建立、拆除、监控等一系列的操作与控制，保证用户信息传输系统正确且可靠的动作，使用户信息有效传输。因此，信令系统可以看作是整个通信系统的神经中枢。信令在信令系统中传输、转发、交互及实施控制。用户信息对于电路交换通信系统而言，是在呼叫接续完成后建立的逐段连接的信息通道中传输。按信令通道与用户信息通道在物理上是否独立，信令分为共路信令及随路信令。共路信令集中在独立的信令通道中传输。随路信令在用户信息通道中采用时分、频分等方式随同用户信息一起在信息通道中传输。本移动通信实验系统在研究其信令系统及用户信息传输系统时的原理框图如图 3-1 所示，它涉及到无线信道及程控交换机用户线信道两类信道。无线信道包括 1 个专用呼叫信道及 19 个通话信道（详见实验四）。专用呼叫信道上传送的是共路信令。无线通话信道及有线用户线信道上，信令与用户信息以时分方式在同一信道上传输，都属于随路信令。图 3-1 移动通信实验系统的信道连接 无线数字信令在实验二中已详细研究，下面首先介绍程控交换机用户线信令，然后介绍无绳座机 BS 对 BSMS 之间的无线数字信令及 EXBS 之间的用户线信令的转换、转发，最后来研究手机 MS 主呼有线电话 TEL 的完整的呼叫接续信令传输过程，建立信令系统的概念。用户线 信 道 用户线 信 道 无线 信道 TEL EX BS MS 14 1程控交换机用户线信令 国家标准规定的 PSTN 程控交换机用户线信令如下所示。（1）监视信令 馈电电压为-48VDC，用户环路电阻（包括话机摘机电阻）小于 2000，交换机向电话机直流馈电电流（环路电流）18-50mA（电话机摘机门限电流约 10mA）。铃流：253Hz 正弦波，有效值 9015VAC。拨号音：45025Hz 连续信号，电平为-103dBm。忙音：45025Hz、0.7 秒断续（0.35 秒送、0.35 秒断）信号，电平为-103dBm。回铃音：450Hz25Hz、5 秒断续（1 秒送、4 秒断）信号，电平为-103dBm。（2）地址信令（拨号信令）直流脉冲信号（已不常用，略）双音多频（DTMF：Dual Tone Multi-Frequency）信号，如表 3-1 所示。表 3-1 DTMF 信号的频率及表示的数字、符号 高频群(Hz)数字 低频群(Hz)1209 1336 1477 1633 697 1 2 3 A 770 4 5 6 B 852 7 8 9 C 941*(E)0#(F)D 由以上用户线信令技术标准可见，它是包括直流（环流）和音频（25Hz、450Hz 及 DTMF）的模拟信令。本实验系统中采用的小型用户程控交换机用户线信令总体上符合以上标准，只在以下细节上有差别，但是它的使用完全正常。馈电电压约为 24VDC，比 PSTN 交换机的 48VDC低。这是因为其用户线短，线路压降小，24VDC电压已足够使用。发出的 450Hz 信号音为方波。由于 450Hz 信号音（包括拨号音，回铃音及忙音）是发给用户听的指示音，其波形不理想不影响用户听觉对其含义的判断。铃流为 50Hz，有效值 70VAC。由于用户线不长，电话能正常振铃。2用户线信令过程 以有线电话 1 呼叫有线电话 2 为例介绍如下：有线电话 1 未摘机，用户线环路断开，环路电流为 0，电话机端电压等于交换机馈电电压。有线电话 1 摘机，用户线环路通，环路电流为 1850mA，大于摘机环流门限 10mA，15 交换机据此判定有线电话机 1 摘机，向其发拨号音。此时由于有环路电流，电话机端电压下降到 6-10V。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。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。电话机 2 用户摘机（环流大于摘机门限 10mA），交换机停止发铃流，接通双方话路（交换连接），双方通话。一方挂机（环流为 0），交换机断开双方话路，向另一方发忙音。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 所示。图 3-2 TEL1TEL2 呼叫接续过程 3座机 BS 对两侧有线/无线信令的转换、转发 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、交互，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。例如，本实验通信系统的无绳座机 BS，就担负其一侧 BS-MS 无线数字信令与另一侧 EX-BS 用户线信令转换、转发作用。以手机 MS 主呼为例，呼叫接续过程中 BS 对信令的转换、转发如图 3-3 所示。TEL2 EX TEL1 通 话、挂 机（无环流）挂 机（无环流）忙 音 摘 机（有环流）拨 号 音 拨 号（DTMF）回 铃 摘 机（有环流）用户线 2 用户线 1 振 铃 16 图 3-3 无线/有线信令的转换、转发 4实验系统呼叫接续全过程 实验系统呼叫接续全过程以手机主呼有线电话为例如图 3-4 所示。图 3-4 手机主呼有线电话呼叫接续过程 通 话 挂 机（数字）摘 机（数字）摘 机（有环流）拨 号（数字）拨 号 音 拨 号（DTMF）、用户线 无线信道（无线数字信令）（用户线信令）挂 机（无环流）回 铃 EX BS MS 呼叫 信道 通话 信道 呼叫 信道 通话 信道、摘 机（数字）摘 机（有环流）拨 号（数字）拨 号 音 拨 号（DTMF）回 铃 挂 机 挂 机（数字）挂 机（无环流）忙 音 摘 机 振 铃 用户线 用户线 无线信道、TEL EX BS MS 呼叫 信道 呼叫 信道 通 话 17 四、实验步骤（一）观测程控交换机用户线信令 图 3-5 实验系统呼叫接续过程测量方框图 1按图 3-5 连接系统，其中，用户线测量板 LINE.PCB 插接在无绳座机 BS 的用户线上，将 2 线制用户线引出 2 个测量端 a、b。用座机