移动通信 第一次实验.doc

无绳电话系统实验一 信道分配实验一、实验内容1、观察无绳电话在通话时信道切换的规律，以及对话音的影响。2、通过实验箱测量无绳电话通话状态下切换信道操作后通话信道的改变，了解其切换信道的功能。3、通过实验箱观测无绳电话多信道共用、空闲信道选取的方式。二、实验目的1、了解无线信道的概念。2、了解一般移动通信系统的无线多信道共用、空闲信道选取方式。1、 了解移动通信原理实验箱无绳电话部分的基本工作原理。2、 掌握实验箱的基本操作方法。三、实验原理1、无绳电话的空闲信道选取方式多信道共用的移动通信系统，在基站控制的小区内有多个无线信道提供给移动用户共用。那么，在某一用户主呼或被呼时，如何从几个信道中选择一个空闲信道分配给该用户使用呢？空闲信道选取方式以有下四种：（1）专用呼叫信道（专用控制信道）方式；（2）循环定位方式；（3）循环不定位方式；（4）循环分散定位方式。无绳电话的多信道共用是一个小区（所研究的无绳电话电磁波覆盖范围所自然形成的小区域）内所有无绳电话共用20个信道。然而，与蜂窝移动通信系统及集群移动通信系统不同，无绳电话小区内的全体无绳电话无统一的基站控制器，而是由每台无绳电话各自独立地选用空闲信道。若采用循环定位方式及循环分散定位方式，已挂机的无绳电话也要占用一个信道发示闲音，一个小区最多只能容纳20部无绳电话，容量太小，故不能采用。实际能采用的只有专用呼叫信道方式及循环不定位方式或两种方式的变形及组合方式。专用呼叫信道方式呼叫速度快，但在呼叫信道上受干扰的概率较大；循环不定位方式基本不存在互相干扰，但呼叫速度慢。当前国内生产的CT1无绳电话大多采用专用呼叫信道方式。一台无绳电话的手机与座机重新对识别码（ID码）后，由识别码按一定算法确定新的呼叫信道。所有的呼叫都在呼叫信道上进行。因此，同一台无绳电话的“专用”呼叫信道也是可变的。小区内不同无绳电话识别码一般不相同，呼叫信道一般也各不相同。另外，其它无绳电话通话时占用本台无绳电话呼叫信道的概率及占用时间都是有限的。第三，本台无绳电话手机距离座机一般是最近的，收到的信号最强。总之，采用专用呼叫信道方式的无绳电话在呼叫信道受强干扰而不能完成呼叫接续的概率不大。采用专用呼叫信道的无绳电话空闲通话信道是如何确定的呢？采用专用呼叫信道方式的无绳电话系统在挂机状态下座机及手机都守候在自己的专用呼叫信道上，座机还时分扫描其它19个通话信道，检测并记录其中的空闲信道。当手机主呼或被呼时，座机通过呼叫信道给手机指定存贮的一个空闲信道，座机和手机由呼叫信道转移到指定的空闲信道。在后续的拨号（手机主呼时）及通话过程中一直占用该空闲通话信道，直至挂机返回呼叫信道守候。2、无绳电话的信道切换无绳电话在通话过程中可以切换通话信道。若用户感觉当前通话信道上有干扰，可按手机上的“频道”键或“转换”键（不同的无绳电话厂商有不同的功能键）。启动切换信道的信令传输过程，座机给手机重新指定一个空闲信道，双方一起转移到新的空闲信道继续通话。这与蜂窝移动通信系统的越区信道切换相似。区别在于后者由系统与移动台自动测量和切换信道，前者是人工测量（听话音效果）和人工启动然后再自动切换信道。四、实验说明1、无绳电话的使用：将实验箱附带的无绳电话按照说明书介绍的方法组装起来，将手机的电池安装好并充电（第一次充电时间要求至少12个小时），建议做实验时装上电池，实验完后卸下电池，增加电池的寿命。无绳电话在使用前，一定要对码，对码的具体操作与不同的无绳电话厂家有关，本实验箱提供的是侨兴牌无绳电话，对码方式为：先依次按下座机上的对码键和手机1（或者手机2）键，然后按下手机上的对码键，当听到“嘀”的一声响，表明对码成功。2、基本通话试验：（1）将无绳电话座机1及试验箱附带的另外一部座机2的水晶头分别插入试验箱的水晶头插座；（2）试验箱通电，摘机可以听到拨号音；（3）用一部电话拨打另外一部电话（注意号码），双方实现通话；（4）用座机2呼叫无绳电话座机1，试验无绳电话手机在一定的距离范围内可以听到振铃音乐吗?（5）用无绳电话座机1呼叫座机2，按下手机的通话键可以听到拨号音吗？试试拨打座机2；3、信道的切换。（1）在基本通话试验的基础上，注意观察无绳电话的手机和座机上此时的通话信道是什么？（如01，02，03，18，19，20等）；（2）用手机呼叫座机（有的厂家称为对讲，即按手机的“对讲“键），这时听见座机发出响声指示，拿起座机的话筒，实现通话），观察并记录手机和座机的液晶屏上显示的此时通话的信道（本移动通信原理实验箱在“对讲”模式下，是不能进行信道的切换的）；（3）如果以上通话效果不佳，可以按下手机的“信道”键（不同品牌的无绳电话可能有不同的称呼），来实现信道的切换，观察并记录手机和座机的液晶屏信道的变化。（但是在有的情况下，空闲信道受到较强的干扰，则座机寻找空闲信道失败，双方均会发出相应的响声提示，这时就不能实现信道的切换）；4、通过实验箱观测信道的切换。本移动通信原理实验箱的无绳电话部分集成了一个无绳电话的接收机和一个发射机，相当于实现了一部无绳电话的功能。因此我们可以利用实验箱所配无绳电话和实验箱进行通信。（1）将实验箱无绳电话部分的SW101（模式选择）开关拨到“座机（灯亮）”模式，此时LED101指示灯亮，表明是接收无绳电话手机发射的信号；（2）按下“复位”键，信道号的数码管显示01信道，即此时接收的是1信道的信号。我们可以通过“信道加”，“信道减”键来实现信道的加减切换。将扬声器的“音量调节”调节旋钮VR201调到合适的位置，此时可以听见扬声器中发出的沙沙的声音；注意：为了避免相互之间的干扰，做实验时请将“发射选择”开关拨到“不发射”位置，将手机紧挨实验箱“天线”且手机不抽出天线，以避免同一个实验室里多台实验箱之间的相互干扰；(3) 按照实验步骤2和3的方法实现手机与座机的对讲(为了使接收的声音听得更真切，不要使用座机的免提键，即摘机通话),对讲成功后查看并记录此时通话的信道；（4）通过“信道加”，“信道减”键将实验箱的信道切换到步骤（3）的信道。（注意这是人工的切换方式来跟踪无绳电话的通话信道，目的是更容易理解信道切换的原理和切换的方法）；（5）用手机与实验箱进行通信，扬声器中可以听见话音；注意：在实验步骤3中提到在对讲模式下是不能进行信道的切换的，此时可以让无绳电话座机和手机只通电，不接入水晶头插座，按下手机上的“通话”键，用同样的方法跟踪该通话信道（通过“信道加”，“信道减”键将实验箱的信道切换到该信道），在此信道上监听话音；在通话的过程中无绳电话的手机与座机是没有信令交互的，因此一旦切换到了某个通话信道，实际上可以将座机断电，此时手机仍然可以与实验箱进行通话，但是不能切换信道。五、实验思考题1、请上网或查找相关资料，了解无绳电话的发展阶段及未来的发展趋势及相关的技术等。2、中国的模拟无绳电话系统与美国和欧洲的有区别吗？区别在什么地方？3、移动通信原理中FDMA、TDMA、CDMA有何本质区别？请用形象的坐标形式表示。4、无绳电话信道切换的原理是什么，它与我们所用GSM手机的越区切换有何相似之处，又有何不同？实验二 无绳电话移动通信系统实验一、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。二、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。三、实验原理1、多址技术1.1 频分多址（FDMA）   在频分多址系统中，把可以使用的总频段划分为若干占用较小带宽的频道，这些频道在频域上互不重叠，每个频道就是一个通信信道，分配给一个用户。在接收设备中使用带通滤波器允许指定频道里的能量通过，但滤除其它频率的信号，从而限制临近信道之间的相互干扰。FDMA通信系统的基站必须同时发射和接收多个不同频率的信号；任意两个移动用户之间进行通信都必须经过基站的中转，因而必须占用4个频道才能实现双工通信。不过，移动台在通信时所占用的频道并不是固定指配的，它通常是在通信建立阶段由系统控制中心临时分配的，通信结束后，移动台将退出它占用的频道，这些频道又可以重新分配给别的用户使用。 这种方式的特点是技术成熟，易于与模拟系统兼容，对信号功率控制要求不严格。但是在系统设计中需要周密的频率规划，基站需要多部不同载波频率发射机同时工作，设备多且容易产生信道间的互调干扰。1.2时分多址（TDMA） 在时分多址系统中，把时间分成周期性的帧，每一帧再分割成若干时隙(无论帧或时隙都是互不重叠的)，每一个时隙就是一个通信信道，分配给一个用户。然后根据一定的时隙分配原则，使各个移动台在每帧内只能按指定的时隙向基站发射信号，满足定时和同步的条件下，基站可以在各时隙中接收到各移动台的信号而互不干扰。同时，基站发向各个移动台的信号都按顺序安排在预定的时隙中传输，各移动台只要在指定的时隙内接收，就能在合路的信号中把发给它的信号区分出来。 FDMA通信系统比较，TDMA通信系统的特点如下： TDMA系统的基站只需要一部发射机，可以避免像FDMA系统那样因多部不同频率的发射机同时工作而产生的互调干扰； 频率规划简单。TDMA系统不存在频率分配问题，对时隙的管理和分配通常要比对频率的管理与分配容易而经济，便于动态分配信道；如果采用话音检查技术，实现有话音时分配时隙，无话音时不分配时隙，有利于提高系统容量； 因为移动台只在指定的时隙中接收基站发给它的信号，因而在一帧的其他时隙中，可以测量其他基站发射的信号强度，或检测网络系统发射的广播信息和控制信息，这对于加强通信网络的控制功能和保证移动台的越区切换都是有利的； TDMA系统设备必须有精确的定时和同步，保证各移动台发送的信号不会在基站发生重叠或混淆，并且能准确地在指定的时隙中接收基站发给它的信号。同步技术是TDMA系统正常工作的重要保证，往往也是比较复杂的技术难题。 1.3码分多址(CDMA)   在CDMA通信系统中，不同用户传输信息所用的信号不是靠频率不同或时隙不同来区分，而是用各自不同的编码序列来区分，或者说，靠信号的不同波形来区分。如果从频域或时域来观察，多个CDMA信号是互相重叠的。接收机的相关器可以在多个CDMA信号选出使用的预定码型的信号。其它使用不同码型的信号因为和接收机本地产生的码型不同而不能被解调。它们的存在类似于在信道中引入了噪声或干扰，通常称之为多址干扰。 在CDMA蜂窝通信系统中，用户之间的信息传输也是由基站进行转发和控制的。为了实现双工通信，正向传输和反向传输各使用一个频率，即通常所谓的频分双工。无论正向传输或反向传输，除去传输业务信息外，还必须传送相应的控制信息。为了传送不同的信息，需要设置相应的信道。但是，CDMA通信系统既不分频道又不分时隙，无论传送何种信息的信道都靠采用不同的码型来区分。类似的信道属于逻辑信道。这些逻辑信道无论从频域或者时域来看都市相互重叠的，或者说它们均占用相同的频段和时间。 CDMA蜂窝移动通信系统与FDMA模拟蜂窝通信系统或TDMA数字蜂窝移动通信系统相比具有更大的系统容量、更高的话音质量以及抗干扰、保密等优点，因而近年来得到各个国家的普遍重视和关注，并作为第三代数字蜂窝移动通信系统的首选方案。1.4移动通信系统图3.7-2是与公用电话网（PSTN）相连的移动电话网方框图。各模块之间的信道，包括MSBS的无线信道，到BSMSC、MSCEX、EXTEL的有线信道都包含信令通道及话音通道。各段信令通道互连，逐段传输、转发信令，才能完成一次呼叫接续，最后在主、被呼用户间分配、建立一条逐段互连而成的话务信道，实现双方通话（以传输话音为例，亦可传数据等信息）。 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 ( Exchage ) ： 公用电话网(PSTN)程控交换机 TEL (Telephone ) ： 有线电话图3.7-2 移动通信系统方框图为了能够说明移动通信系统的组成及原理，在本实验箱中采用的是如图3.7-3的方式，其工作原理与上图没有本质区别。需要说明的是在本实验箱中EX即程控交换机是已在实验箱中实现，无需另配程控交换机。图3.7-3 简化的移动通信系统方框图2、无绳电话的工作原理无绳电话是模拟话音调频移动通信系统，有单信道系统和多信道系统两类。早期的单信道系统固定工作于某一信道，没采用微处理器及锁相频率合成技术，很容易发生相邻无绳电话之间串扰或盗打。多信道系统采用微处理器及锁相频率合成技术，共用20个信道，自动选取空闲信道通话，无线信令为数字信令，其中包含16位以上识别码（ID码），各无绳电话各不相同，只有ID码相同的座机与手机才能建立无线信道。以上两项技术可有效消除单信道系统的串扰及盗打问题。目前，单信道无绳电话已退出市场，10信道无绳电话已不再生产，20信道多功能无绳电话成为市场主流产品。无绳电话限制了发射功率，即限制了覆盖范围。在覆盖范围外频率可再用，有效增大了用户容量，这与蜂窝网的频率再用原理相同。移动通信系统常用的多信道共用、空闲信道选取方式有以下四种：专用控制信道方式（专用呼叫信道方式）；循环定位方式；循环不定位方式；循环分散定位方式。无绳电话的多信道是一个小区（所研究的无绳电话发射信号覆盖范围所自然形成的小区域）内所有无绳电话共用。然而，与其它移动通信系统不同，CT1无绳电话小区内无统一的基站，采用循环定位方式及循环分散定位方式时，已挂机的无绳电话也要占用一个信道发示闲音，一个小区最多只能容纳20部无绳电话，容量太小，不能采用。实际能采用的只有上述、两种方式。专用控制信道方式虽然呼叫接续可靠性（不受干扰）不及循环不定位方式，但由于它接续速度快，所以在无绳电话系统中应用更多一些。专用控制信道方式无绳电话系统在挂机状态下座机及手机都守候在自己的专用控制信道上，座机还时分扫描其它19个信道，检测并记录其中的空闲信道。当手机主呼或被呼时，座机通过控制信道给手机指定一个空闲信道，然后座机和手机由控制信道转移到指定的空闲信道。在后续的拨号（手机主呼时）及通话过程中一直占用该空闲信道（又称为通话信道），直至挂机返回控制信道守候。3.7-4 多信道共用无绳电话系统3. 移动通信中的干扰3.1 同频道干扰设接收机工作频率为f0，B为接收机带宽，则所有处于频率范围f0±B/2内的输入射频信号都会对有用输入信号产生同频道干扰。同频道干扰包括两种情况：（1）小区制蜂窝网，在相隔一定距离后可同频率再用，因而可极大的提高频率利用率。在系统频道数不变时，极大提高系统容量，并且可以通过小区分裂进一步扩容。但是同频率再用会带来同频道干扰。（2）任何处于接收机通带内的其它干扰信号都能产生同频道干扰。为减小同频道干扰的影响，保证接收信号的质量，必须使接收机输入有用信号电平与同频道干扰电平之比信干比S/I大于某值，该信干比数值称为门限信干比(S/I)S或射频防护比。同频道干扰影响与调制制度有关。对于要求中等话音质量（3级），在有用信号及无用信号均为调频电话（F3E）时，射频防护比为8dB。接收话音的主观评定五级标准如下：5级（优）：话音完全可懂，噪声完全可以忽略。4级（良）：话音很易听懂，略有噪声。3级（中）：话音可懂，需稍加注意，个别需重复，以便听清。2级（差）：话音听起来相当吃力，经常需重复才能听懂。1级（劣）：话音无法听懂。统计表明：90%用户认为³3级的话音，对应C/N³12dB；90%用户认为³4级的话音，对应C/N³18dB；3级话音对应于(S/N)out=12+10=22dB；4级话音对应于(S/N)out=10+10=28dB。3.2、邻道干扰邻道干扰是相邻或邻近信道的信号相互干扰。目前常用的VHF、UHF调频电台及CT1无绳电话，频道间隔是25KHz。然而，调频信号的频谱是很宽的，理论上，调频信号含有无穷多个边频分量，当其中某些幅度较大的边频分量落入邻道接收机通道内，就造成邻道干扰，使接收机输出信噪比恶化。减小邻道干扰，即减小落入邻道的边频分量，主要措施是防止发射机的瞬时频偏超过最大允许值。为此，在调制信号送入VCO前加入一瞬时频偏控制电路（IDC），它由放大、限幅和滤波三部分组成，它限制了调制信号的最大幅度，从而限制了最大调制频偏。对数字调制信号而言，其频谱与模拟调频一样也是很宽的。虽然其大部分能量落在规定频带内，但总有一部分能量落在邻频道。因此，无论是模拟调制还是数字调制，同一小区内尽量避免采用相邻频道。3.3、互调干扰互调干扰是二个或多个不同频率干扰信号在经过传输通道的非线性电路时，会产生许多谐波和组合频率分量，其中与有用信号频率f0相同的或相近的组合频率分量会顺利通过接收机通带而形成干扰。设wA、wB为二个干扰信号频率，wC为有用信号频率，它们处于同一频段内。分析表明，非线性电路的三阶非线性所产生的落在同一频段内的三阶组合频率分量为（2wA-wB）及（2wB-wA），它们与落在同一频段内的五阶、七阶等组合频率分量相比幅度最大，最容易对有用信号wC形成干扰，称为三阶互调干扰。三阶互调干扰的条件是2wA-wB=wC，即wA-wB=wC-wA=±Dw （3.7-1）或2wB-wA=wC，即wB-wA=wC-wB=±Dw （3.7-2）其频率关系如图3.7-5所示，由图可见，等频率间隔的信号，可形成三阶互调干扰。(A)(B)CBA( a )(B)(A)( b )BAC图3.7-5 三阶互调干扰频率关系五阶互调干扰的条件是3wA-2wB=wC，即wC-wA=2(wA-wB)=±2Dw （3.7-3）或3wB-2wA=wC，即wC-wB=2(wB-wA)=±2Dw （3.7-4）(B)(A)CAB2( a )2(B)(A)( b )BAC其频率关系如图3.7-6所示。必须强调一下，由于非线性电路的五阶及更高阶的非线性项系数比三阶的小得多，所以五阶及更高阶互调干扰信号幅度比三阶的小得多，故在实际组网时一般只考虑三阶互调干扰。图3.7-6 五阶互调干扰频率关系4、系统实验连接框图 4.1、两台实验箱之间双工通信座机（手机）手机（座机）4.2、与有线电话组成系统实验手机 5877图3.7-7 系统实验连接框图四、实验步骤1、将一台实验箱（称为实验箱1）的模式选择设置为“座机”模式，按下复位键，从01信道开始，发射选择设置为“不发射”，调制信号选择“音乐”。将另外一台实验箱（实验箱2）的模式选择设置为“手机”模式，按下复位键，从01信道开始，发射选择设置为“不发射”，调制信号选择“无”，这时打开实验箱1的发射选择开关，即拨成“发射”，在实验箱2中监听实验箱1在01信道发出的音乐。改变双方的通话信道，只有当信道一致时通话效果最好，反之则否。2、将实验箱所配无绳电话和一部电话单机插入A101和A102两个水晶头插座。用电话单机拨打无绳电话（注意双方的号码），此时无绳电话的手机和座机均振铃，将手机摘机，此时可以观察到通话信道。将实验箱的模式选择设置为“手机”模式，发射选择设置为“不发射”，调制信号选择“无”。此时实验箱作为一个移动台使用，对着电话单机讲话，聆听通话的效果（实验箱喇叭和无绳电话手机）。在此通话信道的基础上，在上下间隔一个信道的范围内聆听通话效果（如通话信道为10，则在09和11信道聆听通信的效果，即手机的接收效果和实验箱扬声器的接收效果）。改变通话信道，重新跟踪，观测效果。将实验箱发射选择设置为“发射”，调制信号选择“音乐”，观测双工通信的效果。五、思考题1、移动通信原理实验箱中的无绳电话部分是如何构成系统的？画出它的连接示意框图。答：有线电话通过用户线信道接入交换机，无绳电话座机通过用户线信道接入交换机，而无绳电话手机通过无线信道与无绳电话座机建立通信，连接示意框图如下所示：用户线信 道用户线信 道无线信道TELEXBSMS2、根据实验原理中介绍的干扰部分，思考实验箱中出现了干扰吗？如果有则其是什么类型的干扰，采用什么方法可以消除？答：本移动通信原理实验箱可能会出现邻道干扰，也就是与通话信道相邻的信道的干扰，减小邻道干扰，即减小落入邻道的边频分量，主要措施是防止发射机的瞬时频偏超过最大允许值。为此，在调制信号送入VCO前加入一瞬时频偏控制电路，它由放大、限幅和滤波三部分组成，它限制了调制信号的最大幅度，从而限制了最大调制频偏。3、画出实验步骤四中无绳电话手机、座机，电话单机、实验箱之间通信的示意图。