移动通信原理实验指导书解析.pdf

目 录 第二章 调制解调实验-2-实验一 MSK 调制解调实验 -2-第四章 CDMA 实验-7-实验一 GOLD 序列特性实验 -7-实验二 GOLD 序列的捕获与跟踪实验 -11-实验三 扩频与解扩实验 -15-实验四 位同步提取实验 -19-实验五 帧同步提取实验 -24-移动通信原理实验指导书-33-第一章 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）/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 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。移动通信原理实验指导书-33-图 1.1-1 移动通信原理实验系统组成 CDMA接收机CDMA接收机载波提取模块调制模块解调模块电源模块有线电话接口无绳电话模块有线信令模块信号音发生模块CDMA发射机无绳电话系统CDMA 系统调制部分无绳电话手机 无绳电话座机有线电话 移动通信原理实验指导书-33-第二章 调制解调实验 实验一 MSK 调制解调实验 一、实验目的 1、掌握 MSK 调制和解调的原理。2、理解 MSK 的优缺点。二、实验内容 1、观察 MSK 调制过程中各信号的波形。2、观察 MSK 解调过程中各信号的波形。三、预备知识 1、MSK 调制和解调的基本原理。2、MSK 调制和解调部分的工作原理及电路说明。四、实验器材 1、移动通信原理实验箱 一台 2、20M 双踪示波器 一台 五、实验原理 1、MSK 调制原理 MSK 称为最小移频键控，是移频键控（FSK）的一种改进型。这里“最小”指的是能以最小的调制指数（即 0.5）获得正交信号，它能比 PSK 传送更高的比特速率。二进制 MSK 信号的表达式可写为：costSMSKkkctTsat2 kTstTsk)1(c载波角频率；Ts码元宽度；ka第 k 个码元中的信息，其取值为1；k第 k 个码元的相位常数，它在时间kTstTsk)1(中保持不变；当ka1 时，信号的频率为：2fcfTs41 当ka1 时，信号的频率为：1fcfTs41 由此可得频率之差为：f2f1fTs21 移动通信原理实验指导书-33-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=1k（1kaka）2（1k）即：当ka1ka时，k=1k；当ka1ka时，k=1k（1k）；若令00，则k0 或，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。costSMSKkkctTsat2=kcos）（tTs2costccoskakcos）（tTs2sintcsin kTstTsk)1(令kcoskI，kakcoskQ 则：tSMSKkI）（tTs2costccoskQ）（tTs2sintcsin kTstTsk)1(为了便于理解如图 2.1-2 所示：移动通信原理实验指导书-33-12345678910 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 240+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+1kakkdkcoskkacos)2sin(cosTstakk000 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)2cos(cosTstkk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：差分编码串/并转换波形选择地址生成器CosctSinctMSK信号波形选择地址生成器EEPROMEEPROMD/A转换器乘法器乘法器加法器（运放）D/A转换器CPLD时序电路低通滤波器时序电路低通滤波器IkQk延时TsNRZ 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 DA 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：移动通信原理实验指导书-33-波形1波形2 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：tSMSKkI）（tTs2costccoskQ）（tTs2sintcsin 把该信号进行正交解调可得到：Ik路 kI）（tTs2costccoskQ）（tTs2sintcsintccos=21kI）（tTs2cos+41kItTsc）（22cos+41kItTsc）（22cos 41kQtTsc）（22cos+41kQtTsc）（22cos Qk路 kI）（tTs2costccoskQ）（tTs2sintcsintcsin=21kQ）（tTs2sin+41kItTsc）（22sin+41kItTsc）（22sin 41kQtTsc）（22sin+41kQtTsc）（22sin 我们需要的是21kI）（tTs2cos、21kQ）（tTs2sin两路信号，所以必须将其它频率成份）（Tsc22、）（Tsc22通 过 低 通 滤 波 器 滤 除 掉，然 后 对21kI）（tTs2cos、21kQ）（tTs2sin采样即可还原成kI、kQ两路信号。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：移动通信原理实验指导书-33-MSK信号乘法器乘法器时序电路低通滤波器低通滤波器电平比较器电平比较器抽样判决抽样判决数据还原数据还原时序电路并/串转换差分译码SinctCosctNRZCPLDCLKBSIkQk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 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 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。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、中发现波形不正确，请按“调制复位”键后继续观察。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 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。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路滤波”信号波形。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 移动通信原理实验指导书-33-“NRZ”波形，并观察解调输出的波形。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、什么是最小移频键控？2、MSK 信号具有哪些特点？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 分别在调制和解调中的各测量点的波形图。3、画出 MSK 在调制和解调中的 X-Y 波形图（即星座图）。4、对实验思考题加以分析，并画出原理图。移动通信原理实验指导书-33-第四章 CDMA 实验 实验一 GOLD 序列特性实验 一、实验目的 1、掌握 GOLD 序列的特点。2、了解 GOLD 序列在直接扩频通信中所起的作用。二、实验内容 1、观察 GOLD 序列的波形（频谱）。2、观察 GOLD 序列的自相关和互相关特性。三、预备知识 1、GOLD 序列的产生方法。2、伪随机序列的特点。四、实验器材 1、移动通信原理实验箱 一台 2、20M 双踪示波器 一台 3、频谱分析仪或带 FFT 功能的数字示波器（选配）一台 五、实验原理 1、伪随机序列 工程上常用二元0，1序列来产生伪噪声码。它具有如下特点：（1）每一周期内“0”和“1”出现的次数近似相等。（2）每一周期内，长度为n比特的游程出现的次数比长度为n+1比特的游程出现的次数多一倍。（游程是指相同码元的码元串）（3）序列具有双值自相关函数，即：11k01)(ppR当当 （4.1-1）在（4.1-1）式中，p为二元序列周期，又称码长，k为小于p的整数，为码元延时。2、m序列 二元m序列是一种基本的伪随机序列，有优良的自相关函数，易于产生和复制，在扩频技术中得到了广泛的应用。长度为2n-1位的m序列可以用n级线性移位寄存器来产生。如图4.1-1所示：模二加法器 移动通信原理实验指导书-33-图4.1-1 线性移位寄存器 m序列的特性如下（1）在每一周期p=2n-1内，“0”出现2n1-1次，“1”出现2n1次，“1”比“0”多出现一次。（2）在每一周期内共有2n1个元属游程，其中“0”的游程和“1”的游程数目各占一半。并且，对n2，当1kn-1时，长为k的游程占游程总数的1/2 k，其中“0”的游程和“1”的游程各占一半。长为n1的游程只有一个，为“0”的游程；长为n的游程也只有一个，为“1”的游程。（3）m序列（a k）与其位移序列（ka）的模二和仍然是m序列的另一位移序列（ka），即：kkkaaa（4）m序列的自相关函数为：pppRmod01mod01)(当当 （4.1-2）3、Gold序列 虽然m序列有优良的自相关特性，但是使用m序列作CDMA（码分多址）通信的地址码时，其主要问题是由m序列组成的互相关特性好的互为优选的序列集很少，对于多址应用来说，可用的地址数太少了。而Gold序列具有良好的自、互相关特性，且地址数远远大于m序列的地址数，结构简单，易于实现，在工程上得到了广泛的应用。Gold序列是m序列的复合码，它是由两个码长相等、码时钟速率相同的m序列优选对模二和构成的。其中m序列优选对是指在m序列集中，其互相关函数最大值的绝对值最接近或达到互相关值下限（最小值）的一对m序列。这里我们定义优选对为：设A是对应于n级本原多项式f（x）所产生的m序列，B是对应于n级本原多项式g（x）所产生的m序列，当他们的互相关函数满足：的整数倍数不是为偶数，为奇数4n1212)(2221,nnkRnnba（4.1-3）则f（x）和g（x）产生的m序列A和B构成一对优选对。在Gold序列的构造中，每改变两个m序列相对位移就可得到一个新的Gold序列。当相对位移2n1比特时，就可得到一族（2n1）个Gold序列。再加上两个m序列，共有（2n1）个Gold序列。由优选对模二和产生的Gold族2n1个序列已不再是m序列，也不具有m序列的游程特性。但Gold码族中任意两序列之间互相关函数都满足（4.1-3）式。由于Gold码的这一特性，使得码族中任一码序列都可作为地址码，其地址数大大超过了用m序列作地址码的数量。所以Gold序列在多址技术中得到了广泛的应用。产生Gold序列的结构形式有两种，一种是串联成级数为2n级的线性移位寄存器；另一种是两个n级并联而成。图4.1-2和图4.1-3分别为n6级的串联型和并联型结构图。其本原多项式分别为：1,12566xxxxxgxxxf。这两种结构是完全等效的，它们产生Gold序列的周期都是12 np。移动通信原理实验指导书-33-x1x3x2x4x6x5x7x9x8x10 x12x11 图4.1-2 串联型Gold序列发生器 x1x3x2x4x6x5x1x3x2x4x6x5f（x）=1+x+x6g（x）=1+x+x2+x5+x6 图4.1-3 并联型Gold序列发生器 Gold序列的自相关特性见图4.1-4。图4.1-4 Gold序列的自相关特性 4、实验系统 在本实验系统中使用Gold序列作为实现扩频的伪随机码，在发送端将信息序列与Gold序列相乘。在实验箱中有三个8位拨码开关“GOLD1置位”、“GOLD2置位”和“GOLD3置位”，他们分别用来设置发送和接收端产生的Gold序列是同一个Gold序列族中的哪一个。上面已经提到Gold序列是由两个互为优选对的m序列相异或产生的，8位拨码开关用于设定其中一个m序列的相位，通过拨动开关设定m序列的不同相位，两个m序列相异或所产生的Gold序列将不同。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。由此同学可以体会码分多址通信是如何实现的。移动通信原理实验指导书-33-六、实验步骤 1、安装好发射天线和接收天线。2、插上电源线，打开主机箱右侧的交流开关，再按下开关 POWER301、POWER302、POWER401 和 POWER402，对应的发光二极管 LED301、LED302、LED401 和 LED402 发光，CDMA 系统的发射机和接收机均开始工作。3、发射机拨位开关“信码速率”、“扩频码速率”、“扩频”、“编码”均拨下，接收机拨位开关“信码速率”、“扩频码速率”、“跟踪”、“解码”均拨下。此时系统的信码速率为 1Kbit/s，扩频码速率为 100Kbit/s。4、观察 Gold 序列 拨动拨码开关“GOLD1 置位”，设置 GOLD1 序列的初始相位，按“发射机复位”键。用示波器观察测试点“GOLD1”处的波形。改变拨位开关“扩频码速率”的设置，按“发射机复位”键，再观察“GOLD1”处的波形。（选做）用带 FFT 功能的数字或虚拟示波器观察“GOLD1”处的频谱。改变拨位开关“扩频码速率”的设置，按“发射机复位”键，再观察“GOLD1”处的频谱。（选做）将拨码开关“SIGN1 置位”设置为全 1，用频谱仪（或带 FFT 功能的数字或虚拟示波器）观察“PSK1”处的频谱。将拨位开关“扩频码速率”拨下，改变拨位开关“扩频码速率”的设置，按“发射机复位”键，再观察“PSK1”处的频谱。说明 1：将“SIGN1 置位”设置为全 1 时，“S1-KP”处输出的信号即为 GOLD1，则“PSK1”处的频谱即为 GOLD1 进行 PSK 调制后的频谱，它与 GOLD1 的频谱形状一致，只是频谱向上搬移了 10.7M（PSK 载波频率）。由于一般的频谱仪无法观察频率较低的信号，为观察完整的 GOLD1 的波形，须将其搬移到较高的频段。如果使用带 FFT 的功能的数字或虚拟示波器则 可直接观察“GOLD1”处的频谱。说明 2：用频谱仪观察“PSK1”处的频谱，应将频谱仪的中心频率设置为 10.7M，扫描带宽设置为 1M。5、观察 Gold 序列的自相关和互相关特性 将拨位开关恢复到实验步骤 3 要求的设置，按“发射机复位”键。将拨位开关“第一路”连接，拨位开关“第二路”断开，此时发射机输出 GOLD1为扩频码的第一路扩频信号。将拨码开关“GOLD3 置位”拨为与“GOLD1 置位”一致，按“接收机复位”键。逆时针将“捕获”电位器旋到底，“捕获指示”灯灭。用示波器测“TX3”处波形，该波形即为 Gold 序列的自相关特性。将“GOLD3 置位”拨为与“GOLD1 置位”不同，按“接收机复位”键。用示波器测“TX3”处波形，该波形即为 Gold 序列的互相关特性。说明 3：用示波器观察 Gold 序列的自相关波形时，为观察到稳定的信号，应以 Gold 序列自相关特性波形的上半部分触发，如下图所示：另外，由于该波形频率很低，在示波器上观察可能存在闪烁，此为正常现象。七、实验思考题 1、扩频通信利用了 Gold 序列的自相关和互相关性的什么特点？触发电平 移动通信原理实验指导书-33-2、（选做）实验步骤 4-可以观察到什么现象，这种现象说明了什么问题？3、扩频通信中除了 m 序列和 GOLD 序列外，还有哪些伪随机序列？八、实验报告要求 1、分析 m 序列和 GOLD 序列的产生方法，找出二者的关系。2、根据实验记录，画出 GOLD 序列的自相关和互相关特性曲线，并做具体分析。3、对实验思考题加以分析，并给出相应答案。移动通信原理实验指导书-33-实验二 GOLD 序列的捕获与跟踪实验 一、实验目的 1、了解滑动相关捕获的原理。2、了解延迟锁定同步法的原理。3、了解扩频码的捕获和跟踪的原理。二、实验内容 1、观察滑动相关电路各点的波形（频谱），理解滑动相关电路的工作原理。2、观察延迟锁定电路各点的波形（频谱），理解延迟锁定电路的工作原理。3、观察扩频码的捕获和跟踪过程。三、预备知识 1、同步的基本概念。2、滑动相关的基本原理。3、延迟锁定的基本原理。四、实验器材 1、移动通信原理实验箱 一台 2、20M 双踪示波器 一台 五、实验原理 1、同步的基本概念 同步是通信系统中一个重要的实际问题。当采用同步解调或相干解调时，接收端需要一个与发射端调制载波同频同相的相干载波。这个相干载波的获取就称为载波同步。数字通信中，除了有载波同步的问题外，还有位同步的问题。因为信息是一串相继的信号码元的序列，解调时常需知道每个码元的起止时刻。抽样判决的时刻应位于码元的终止时刻。因此接收端必须产生一个用作抽样判决的定时脉冲序列，它和接收码元的终止时刻应对齐。我们把在接收端产生与接收码元的重复频率和相位一致的定时脉冲序列的过程称为码元同步或位同步。数字通信中的信息数字流总是用若干码元组成一个“字”，又用若干个“字”组成一“句”。因此，在接收这些数字流时，同样也必须知道这些“字”、“句”的起止时刻。在接收端产生与“字”、“句”起止时刻相一致的定时脉冲序列，称为“字”同步和“句”同步，统称为群同步或帧同步。同步系统性能的降低，会直接导致通信系统性能的降低，甚至使通信系统不能工作。在扩展频谱通信系统中，接收端一般有两类不确定的因素，就是码相位和载波频率的不确定性，扩频接收机要能够正常工作，这两个问题都必须解决。码相位的分辨力必须远小于1bit；载波中心频率的分辨能力必须使解扩后的信号落在相关滤波器的频率范围内，并且本地载波频率需始终对准输入信号载波频率，以便使解调器能正常工作。若发射机和接收机中均使用精确的频率源，可以消除大部分码时钟相位和载波频率的不确定性，但不能完全克服由于多普勒频率引起的载波和码速率的偏移。收发信机相对移动时，也会引起相对码相位的变化。固定位置的收发信机也会由于电波传播中的多径效应而引起码相位、载波中心频率相位的延迟造成同步的不确定性。同时，由于一般通信系统中的频率源并不像我们所希望的那样稳定，频率源的不稳定对 移动通信原理实验指导书-33-接收系统正常工作的影响亦不可忽略。在扩展频谱系统中频率源不稳定引起时钟速率的偏移要积累在码相位偏移上。对于码速率为 1Mb/s 的码发生器，当时钟稳定度为 10-5时，将产生10bit/s 的累积码元偏差，一小时就会引起码元漂移 36000bit。2、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。2.1 捕获 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。若使接收端伪随机序列发生器以不同于发送端的码速率工作，这就相当于两个码组间相对滑动，一旦发现两个码组相位符合（即同步）时，立即使滑动停止。在实际系统中，两码组间的相对滑动并不是使两码组的码速率不同而获得，而是通过使接收机时钟周期性地移动一个相位增量而实现的。对于伪随机码组，由于它具有良好的相关性能，当相对滑动的结果使两码组的相位符合时，相关器的输出有尖峰值出现。此时就判断捕获完成。滑动相关法的原理见图 4.2-1。包络检波解扩时钟PN码发生器扣码BPF门限判决解调 图 4.2-1 滑动相关捕获原理 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，然后与门限检测器中的某一门限值比较，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。2.2 跟踪 实现跟踪也是利用伪随机码的相关特性实现的。一般采用延迟锁相环来实现。当接收到的信号和本地的 PN 序列达到同步以后，我们就说时间参考已经建立。延迟锁定环是通过一非线性的反馈环路来实现输出信号对输入信号的跟踪和同步作用。延迟锁定技术是使本地PN 序列发生器跟踪或锁定于外来的 PN 序列。两个 PN 序列在时延上的差别需要通过相关运算来监视：如果两个 PN 序列的相位相同，则有最大的相关输出；反之如果相位不同，则输出很小。移动通信原理实验指导书-33-包络检波BPF包络检波BPF环路滤波压控时钟PN码发生器)(t)(t 图4.2-2 PN码的跟踪原理 由图 4.2-2 可见，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。本地 PN 序列发生器的级数和反馈逻辑与发射方相同。延时锁定环路的鉴相特性曲线，如图 4.2-3 所示。图 4.2-3 延迟锁相环的鉴相特性 六、实验步骤 1、安装好发射天线和接收天线。2、插上电源线，打开主机箱右侧的交流开关，再按下开关 POWER301、POWER302、POWER401 和 POWER402，对应的发光二极管 LED301、LED302、LED401 和 LED402 发光，CDMA 系统的发射机和接收机均开始工作。3、发射机拨位开关“信码速率”、“扩频码速率”、“扩频”、“编码”均拨下，接收机拨位开关“信码速率”、“扩频码速率”、“跟踪”、“解码”均拨下。此时系统的信码速率为 1Kbit/s，扩频码速率为 100Kbit/s。4、将拨位开关“第一路”连接，拨位开关“第二路”断开，此时发射机输出 GOLD1为扩频码的第一路扩频信号。5、将拨码开关“GOLD3 置位”拨为与“GOLD1 置位”一致，按“发射机复位”键和“接收机复位”键。6、逆时针将“捕获”电位器旋到底，“捕获指示”灯灭。7、顺时针将“跟踪”电位器旋到底，用示波器测“VCO-C”处波形，该波形即为延迟锁相环的鉴相特性曲线。说明 1：用示波器观察“VCO-C”处的波形时，为观察到稳定的信号，应将示波器的触 移动通信原理实验指导书-33-发电平设置在波形的上半部分或下半部分触发，如下图所示：另外，由于该波形频率很低，在示波器上观察可能存在闪烁，此为正常现象。8、顺时针将“捕获”电位器旋到底，“捕获指示”灯亮。用示波器双踪分别观察“G1-BS”和“G3-BS”处的波形，调节“跟踪”电位器，使两者波形相对移动尽可能缓慢或静止。9、逆时针将“捕获”电位器旋到底，再顺时针缓慢旋转，直到“捕获指示”灯刚好变亮，按下“接收机复位”键时“捕获指示”灯灭，松开“接收机复位”键时“捕获指示”灯亮，则“捕获”电位器调节正确。10、用示波器双踪分别观察“G1-BS”和“G3-BS”处的波形，调节“跟踪”旋钮，直到二个波形完全一致，没有相差为止。此时表明接收机的 Gold 序列和发射机的 Gold 序列在相位与码速率上都一致。说明 2：由于 CDMA 接收机对接收到的信号有一定的延迟，Gold 码的同步应是接收机从发射机接收到的 Gold 同接收机产生的 Gold 序列相位与码速率一致，即用示波器双踪分别观察“TX1”和“G3-BS”处的波形，调节“跟踪”旋钮使“TX1”的包络过零点同“G3-BS”的边沿对齐直至锁定。另外需要说明的是此延迟是固定的因此相对于采用速率为 100K 的扩频码来说延迟不是很大可以采用步骤 10 进行锁定，但相对于采用速率 200K 的扩频码来说延迟增加了一倍，因此采用说明 2 的方法锁定。11、用示波器双踪分别观察“GOLD1”和“GD-TX”处的波形，二者的波形应完全一致。说明 3：由于本系统的 Gold 序列频率较高，且周期很长，模拟双踪示波器应在“断续（CHOP）”模式下比较“GOLD1”和“GD-TX”处的波形，如果在“交替（ALT）”模式下即使两者输出波形一致，观察结果也可能不一致。数字示波器则不存在该问题。七、实验思考题 1、延迟锁相环在扩频通信中的主要作用是什么？2、捕获与跟踪各自的作用是什么？它们有先后顺序吗？捕获与跟踪的具体步骤是什么？3、在接收机尚未完成捕获和跟踪时，观察“ZH3”和“CQ3”处的波形，并结合图 4-2-3分析延迟锁相环的鉴相特性是如何产生的？八、实验报告要求 1、分析捕获与跟踪的工作原理，画出各自的实现框图。2、根据实验测试记录，画出相关峰和延迟锁相环鉴相特性的波形图。3、对实验思考题加以分析，给出相应答案。触发电平或 移动通信原理实验指导书-33-实验三 扩频与解扩实验 一、实验目的 1、掌握扩频的基本原理。2、理解扩频增益的概念。二、实验内容 1、观察基带信号扩频前后波形（频谱）。2、观察扩频前后 PSK 调制的波形（频谱）。三、预备知识 1、了解扩频的基本原理。2、了解扩频的基本实现方法。3、了解扩频增益的概念。四、实验器材 1、移动通信原理实验箱 一台 2、20M 双踪示波器 一台 3、频谱分析仪或带 FFT 功能的数字示波器（选用）一台 五、实验原理 扩展频谱通信系统是指将待传输信息的频谱用某个特定的扩频函数扩展成为宽频带信号后送入信道中传输，在接收端利用相应手段将信号解压缩，从而获取传输信息的通信系统。也就是说在传输同样信息时所需的射频带宽，远比我们已熟知的各种调制方式要求的带宽要宽得多。扩频带宽至少是信息带宽的几十倍甚至几万倍。信息不再是决定调制信号带宽的一个重要因素，其调制信号的带宽主要由扩频函数来决定。这一定义包括以下三方面的意思：1、信号频谱被展宽了。在常规通信中，为了提高频率利用率，通常都是采用大体相当带宽的信号来传输信息，即在无线电通信中射频信号的带宽和所传信息的带宽是属于同一个数量级的，但扩频通信的信号带宽与信息带宽之比则高达1001000，属于宽带通信，原因是为了提高通信的抗干扰能力，这是扩频通信的基本思想和理论依据。扩频通信系统扩展的频谱越宽，处理增益越高，抗干扰能力就越强。2、采用扩频码序列调制的方式来展宽信号频谱。由信号理论知道，脉冲信号宽度越窄，其频谱就越宽，信号的频带宽度和脉冲宽度近似成反比，因此，所传信息被越窄的脉冲序列调制，则可产生很宽频带的信号。扩频码序列就是很窄的脉冲序列。3、在接收端用与发送端完全相同的扩频码序列来进行解扩。扩频技术的理论依据定性的讨论有以下几点：首先，扩频技术的理论基础可用香农信道容量公式来描述：)/1(log2NSWC 式中：C 为信道容量；移动通信原理实验指导书-33-W 为系统传输带宽；S/N 为传输系统的信噪比。该公式表明，在高斯信道中当传输系统的信噪比 S/N 下降时，可用增加系统传输带宽W 的办法来保持信道容量 C 不变。对于任意给定的信噪比可以用增大传输带宽来获得较低 的信息差错率。扩频技术正是利用这一原理，用高速率的扩频码来达到扩展待传输的数字 信息带宽的目的。故在相同的信噪比条件下，具有较强的抗噪声干扰的能力。香农指出：在高斯噪声干扰下，在限平均功率的信道上，实现有效和可靠通信的最佳信号是具有白噪声统计特性的信号。目前人们找到的一些伪随机序列的统计特性逼近于高斯白噪声的统计特性。使用于扩频系统中，可以使得所传输信号的统计特性逼近于高斯信道要求的最佳信号形式。早在 50 年代，哈尔凯维奇就从理论上证明：要克服多径衰落干扰的影响，信道中传输的最佳信号形式也应该是具有白噪声统计特性的信号形式。由于扩频函数逼近白噪声的统计特性，因此扩频通信又具有抗多径干扰的能力。常用的扩展频谱方式可分为：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。在本实验中我们采用的是直接序列扩频。图 4.3-1 和 4.3-2 分别是扩频前后 PSK 信号的频谱。移动通信原理实验指导书-33-图4.3-1 扩频前PSK信号的频谱 图4.3-2 扩频后PSK信号的频谱 通过对比可以发现 PSK 信号的频谱大大展宽了。图4.3-3为直接序列扩频的示意图：信道相乘解调调制相乘本振PN码PN码相干载波信息码元信息码元图4.3-3 直接序列扩频 直接序列扩频通信的过程是将待传送的信息码元与伪随机序列相乘，在频域上将二者的频谱卷积，将信号的频谱展宽，展宽后的频谱呈窄带高斯特性，经载波调制之后发送出去。在接收端，一般首先恢复同步的伪随机码，将伪随机码与调制信号相乘，这样就得到经过信息码元调制的载波信号，再作载波同步，解调后得到信息码元。我们采用“扩频增益”GP的概念来描述扩频系统抗干扰能力的优劣，其定义为解扩接收机输出信噪比与其输入信噪比的比值，即：输入信噪比输出信噪比PG 它表示经扩频接收处理之后，使信号增强的同时抑制输入到接收机的干扰信号能力的大小，越大，则抗干扰能力愈强。在直接序列扩频通信系统中，扩频增益 GP为：信息码速率扩频码速率lg10GP 从上式中可以看到，提高扩频码速率或者降低信息码速率都可以提高扩频增益。移动通信原理实验指导书-33-六、实验步骤 1、安装好发射天线和接收天线。2、插上电源线，打开主机箱右侧的交流开关，再按下开关 POWER301、POWER302、POWER401 和 POWER402，对应的发光二极管 LED301、LED302、LED401 和 LED402 发光，CDMA 系统的发射机和接收机均开始工作。3、发射机拨位开关“信码速率”、“扩频码速率”、“扩频”、“编码”均拨下，接收机拨位开关“信码速率”、“扩频码速率”、“跟踪”、“解码”均拨下。此时系统的信码速率为 1Kbit/s，扩频码速率为 100Kbit/s。4、观察基带信号扩频前后波形（频谱）变化的实验 将“SIGN1 置位”设置成不为全 0 或全 1 的码字，设置“GOLD1 置位”。用示波器分别观察“SIGN1”和“S1-KP”的波形，并做对比。（选做）用带 FFT 功能的数字示波器分别观察“SIGN1”和“S1-KP”的频谱，并做对比。分别改变发射机的信码速率和扩频码速率，重复上一步骤。5、（选做）观察扩频前后 PSK 调制频谱的实验 码字设置不变，将“扩频”开关拨下，用频谱仪观察“PSK1”的频谱。将“扩频”开关拨上，观察“PSK1”的频谱，并与实验步骤 5-中的结果比较。分别改变发射机的信码速率和扩频码速率，重复上述步骤。说明：改变拨位开关后，应按复位键。6、解扩实验 将拨位开关恢复到实验步骤 3 要求的设置，按“发射机复位”键。将拨位开关“第一路”连接，拨位开关“第二路”断开，此时发射机