扩频通信实验指导书样本.doc

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《扩频通信》
实验指导书
王玮
中南大学信息科学与工程学院电子与通信工程系
二〇一五年四月
目 录
实验基本操作规范 1
主控&信号源模块说明 2
扩展频谱技术 8
m序列、 Gold序列产生及特性分析实验 8
直接序列扩频实验 11
综合实验
CDMA扩频通信系统实验 13
FH-CDMA( 跳频码分多址) 通信系统实验
《扩频通信》实验报告

实验基本操作规范
为做好本实验, 这里为实验者提出了一定的操作参考方法, 请按本说明做好实验前期模块准备、 参数设置、 波形观测等一系列基本操作:
⒈ 实验前先检查所需模块是否固定好, 供电是否良好。在未连线的情况下打开实验箱总电源开关及各模块电源开关, 模块右边电源指示灯应全亮; 若不亮, 请关电后拧紧模块四角的螺丝再检查。
⒉ 准备工作做完后, 请在断电情况下根据实验指导书步骤进行连线。
⒊ 打开电源开关后需要先进行菜单设置再进行实验。通电后, 首先弹出的是公司LOGO界面, 然后自动进入到主菜单界面, 旋转控制旋钮选择所需实验课程, 按下旋钮进入实验课程, 再在实验课程中选择所需实验。选择所需实验时会弹出响应的实验信息提示, 按下确定键, 提示框即消失, 进入所选实验界面。
⒋ 实验观测前, 需要调节信号源输出信号相关参数。用示波器探头夹夹住导线的金属头, 将导线另一头连接待测信号源输出端口, 再调节相应旋钮和按键开关。
⒌ 观测实验波形时, 有三种基本测试方法。
⑴ 对于测试勾, 可直接用示波器探头夹夹住测试勾后并确定夹紧即可;
⑵ 或将示波器探头夹取下来, 直接用探头夹接触测试点, 观察波形时需要注意固定好示波器探头;
⑶ 对于台阶插座, 可用导线连接台阶座与示波器探头夹子, 连接方法与上面第⒋点中的叙述相同。
⒍ 本实验指导书中实验步骤基本分为四点:
⑴ 连线;
⑵ 实验初始状态设置, 此设置中包含菜单设置, 实验前模块拨码开关设置以及信号源输出设置等;
⑶ 实验初始状态说明, 统一说明了实验中各信号源初始状态及实验环境;
⑷ 观测, 针对各实验项目要求, 用示波器等辅助仪器观测并记录实验结果。
主控&信号源模块说明
一、 按键及接口说明

图1 主控&信号源按键及接口说明
二、 功能说明
该模块能够完成如下五种功能的设置, 具体设置方法如下:
1、 模拟信号源功能
模拟信号源菜单由”信号源”按键进入, 该菜单下按”选择/确定”键能够依次设置: ”输出波形”→”输出频率”→”调节步进”→”音乐输出”→”占空比”( 只有在输出方波模式下才出现) 。在设置状态下, 选择”选择/确定”就能够设置参数了。菜单如下图所示:

( a) 输出正弦波时没有占空比选项 ( b) 输出方波时有占空比选项
图2 模拟信号源菜单示意图
注意: 上述设置是有顺序的。例如, 从”输出波形”设置切换到”音乐输出”需要按3次”选择/确定”键。
下面对每一种设置进行详细说明:
a. ”输出波形”设置
一共有6种波形能够选择:
正弦波: 输出频率 10Hz~2MHz
方波: 输出频率 10Hz~200KHz
三角波: 输出频率 10Hz~200KHz
DSBFC( 全载波双边带调幅) :
由正弦波作为载波, 音乐信号作为调制信号。输出全载波双边带调幅。
DSBSC( 抑制载波双边带调幅) :
由正弦波作为载波, 音乐信号作为调制信号。输出抑制载波双边带调幅。
FM: 载波固定为20KHz, 音乐信号作为调制信号。
b. ”输出频率”设置
”选择/确定”顺时针旋转能够增大频率, 逆时针旋转减小频率。频率增大或减小的步进值根据”调节步进”参数来。
在”输出波形”DSBFC和DSBSC时, 设置的是调幅信号载波的频率;
在”输出波形”FM时, 设置频率对输出信号无影响。
c. ”调节步进”设置
”选择/确定”顺时针旋转能够增大步进, 逆时针旋转减小步进。步进分为: ”10Hz”、 ”100Hz”、 ”1KHz”、 ”10KHz”、 ”100KHz”五档。
d. ”音乐输出”设置
设置”MUSIC”端口输出信号的类型。有三种信号输出”音乐1”、 ”音乐2”、 ”3K+1K正弦波”三种。
e. ”占空比”设置
”选择/确定”顺时针旋转能够增大占空比, 逆时针旋转减小占空比。占空比调节范围10%~90%, 以10%为步进调节。
2、 数字信号源功能
数字信号源菜单由”功能1”按键进入, 该菜单下按”选择/确定”键能够设置: ”PN输出频率”和”FS输出”。菜单如下图所示:

图3 数字信号源菜单
a. ”PN输出频率”设置
设置”CLK”端口的频率及”PN15”端口的码速率。频率范围: 1KHz~2048KHz。
b. ”PN输出码型”设置
c. ”FS输出”设置
设置”FS”端口输出帧同步信号的模式:
模式1: 帧同步信号保持8KHz的周期不变, 帧同步的脉宽为CLK的一个时钟周期。( 要求”PN输出频率”不小于16K, 主要用于PCM、 ADPCM编译码帧同步及时分复用实验)
模式2: 帧同步的周期为8个CLK时钟周期, 帧同步的脉宽为CLK的一个时钟周期。( 主要用于汉明码编译码实验)
模式3: 帧同步的周期为15个CLK时钟周期, 帧同步的脉宽为CLK的一个时钟周期。( 主要用于BCH编译码实验)
3、 移动通信实验菜单功能
按”主菜单”按键后的第一个选项”移动通信”, 再确定进入各实验菜单。
进入”移动通信”菜单后, 逆时针旋转光标会向下走, 顺时针旋转光标会向上走。按下”选择/确认”时, 会设置光标所在实验的功能。有的实验有会跳转到下级菜单, 有的则没有下级菜单, 没有下级菜单的会在实验名称前标记”√”符号。
在选中某个实验时, 主控模块会向实验所涉及到的模块发命令。因此, 需要这些模块电源开启, 否则, 设置会失败。实验具体需要哪些模块, 在实验步骤中均由说明, 详见具体实验。
4、 模块设置功能*( 该功能只在自行设计实验时用到)
按”主菜单”按键后的第二个选项”模块设置”, 再确定进入模块设置菜单。在”模块设置”菜单中能够对各个模块的参数分别进行设置。如下图所示:

图4”模块设置”菜单
a. 1号 语音终端&用户接口
设置该模块两路PCM编译码模块的编译码规则是A律还是μ律。
b. 2号 数字终端&时分多址
设置该模块BSOUT的时钟频率。
c. 3号 信源编译码
可设置该模块FPGA工作于”PCM编译码”、 ”ADPCM编译码”、 ”LDM编译码”、 ”CVSD编译码”、 ”FIR滤波器”、 ”IIR滤波器”、 ”反SINC滤波器”等功能( 测试功能是生产中使用的) 。由于模块的端口会在不同功能下有不同用途, 下面对每一种功能进行说明:
i. PCM编译码
FPGA完成PCM编译码功能, 同时完成PCM编码A/μ律或μ/A律转换的功能。其子菜单还能够设置PCM编译码A/μ律及A/μ律转换的方式。端口功能如下:
编码时钟: 输入编码时钟。
编码帧同步: 输入编码帧同步。
编码输入: 输入编码的音频信号。
编码输出: 输出编码信号。
译码时钟: 输入译码时钟。
译码帧同步: 输入译码帧同步。
译码输入: 输入译码的PCM信号。
译码输出: 输出译码的音频信号。
A/μ-In: A/μ律转换输入端口。
A/μ-Out: A/μ律转换输出端口。
ii. ADPCM编译码
FPGA完成ADPCM编译码功能, 端口功能和PCM编译码一样。
iii. LDM编译码
FPGA完成简单增量调制编译码功能, 端口除了”编码帧同步”和”译码帧同步”是没用到的( LDM编译码不需要帧同步) , 其它端口功能与PCM编译码一样。
iv. CVSD编译码
FPGA完成CVSD编译码功能, 端口除了”编码帧同步”和”译码帧同步”是没用到的( CVSD编译码不需要帧同步) , 其它端口功能与PCM编译码一样。
v. FIR滤波器
FPGA完成FIR数字低通滤波器功能( 采用100阶汉明窗设计, 截止频率为3KHz) 。该功能主要用于抽样信号的恢复。端口说明如下:
编码输入: FIR滤波器输入口。
译码输出: FIR滤波器输出口。
vi. IIR滤波器
FPGA完成IIR数字低通滤波器功能( 采用8阶椭圆滤波器设计, 截止频率为3KHz) 。该功能主要用于抽样信号的恢复。端口与FIR滤波器相同。
vii. 反SINC滤波器
FPGA完成反SINC数字低通滤波器。该功能主要用于消除抽样的孔径效应。端口与FIR滤波器相同。
d. 7号 时分复用&时分交换
功能一是设置时分复用的速率256Kbps/2048Kbps。功能二是当复用速率为2048Kbps时, 调整DIN4时隙。
e. 8号 基带编译码
设置该模块FPGA工作在”AMI”、 ”HDB3”、 ”CMI”、 ”BPH”编译码模式。
f. 10号 软件无线电调制
设置该模块的BPSK的具体参数。具体参数有:
是否差分: 设置输入信号是否进行差分, 即是BPSK还是DBPSK调制。
PSK调制方式选择: 设置BPSK调制是否经过成形滤波。
输出波形设置: 设置”I-Out”端口输出成形滤波后的波形或调制信号。
匹配滤波器设置: 设置成形滤波为升余弦滤波器或根升余弦滤波器。
基带速率选择: 设置基带速率为16Kbps、 32Kbps、 56Kbps。
g. 11号 软件无线电解调
设置该模块的两个参数, BPSK解调是否需要逆差分变换和解调速率。
5、 系统升级
此选项用于模块内部程序升级时使用。
三、 注意事项
1、 实验开始时要将所需模块固定在实验箱上, 并确定接触良好, 否则菜单无法设置成功。
2、 信号源设置中, 模拟信号源输出步进可调节, 便于不同频率变化调节。
m序列、 Gold序列产生及特性分析实验
一、 实验目的
1、 了解m序列、 Gold序列的特性及产生。
二、 实验器材
1、 主控&信号源模块、 14号模块 各一块
2、 双踪示波器 一台
3、 连接线 若干
三、 实验原理
1、 m序列
⑴ 实验原理框图

m序列相关性实验框图
⑵ 实验框图说明
m序列的自相关函数为

式中, A为对应位码元相同的数目; D为对应位码元不同的数目。
自相关系数为

对于m序列, 其码长为P=2n－1, 在这里P也等于码序列中的码元数, 即”0”和”1”个数的总和。其中”0”的个数因为去掉移位寄存器的全”0”状态, 因此A值为

”1”的个数( 即不同位) D为

m序列的自相关系数为

m序列的自相关函数
2、 Gold序列
⑴ 实验原理框图

Gold序列相关特性实验框图
⑵ 实验框图说明
虽然m序列有优良的自相关特性, 可是使用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序列优选对模二加构成的。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。
四、 实验步骤
1、 m序列
⑴ 设置主控菜单, 选择【移动通信】→【m序列产生及特性分析】。
⑵ 将14号模块的拨码开关S1、 S2、 S3、 S4全拨为”0000” (设置完各个开关按下S7,使模块工作于设置功能)。将开关S6拨至”127位”, 设置PN序列长度为127位。
⑶ 观测测试点G1或G2, 了解m序列波形。
⑷ 观测TH9( 相关函数值) 测试点, 了解m序列自相关特性。
2、 Gold序列
⑴ 设置主控菜单, 选择【移动通信】→【Gold序列产生及特性分析】。
⑵ 将14号模块的拨码开关S1、 S4全拨为”0000”。将开关S6拨至”127位”, 设置PN序列长度为127位。
⑶ 设置S2为0001, 使G1输出一种Gold序列; 设置S3为0001, 使G2输出Gold序列与G1相同(设置完各个开关按下S7,使模块工作于设置功能)。
⑷ 观测测试点G1及G2, 了解GOLD序列波形; 观测TH9( 相关函数值) 测试点, 了解GOLD序列自相关特性。
⑸ 设置S2为0001, 使G1输出一种Gold序列。设置S3为0010, 使G2输出Gold序列与G1不相同(设置完各个开关按下S7,使模块工作于设置功能)。
⑹ 观测测试点G1及G2, 了解GOLD序列波形; 观测TH9( 相关函数值) 测试点, 了解GOLD序列互相关特性。
五、 实验报告
1、 分析实验电路的工作原理, 简述其工作过程。
2、 观测并分析实验过程中的实验现象。
直接序列扩频实验
一、 实验目的
1、 了解直接序列扩频原理和方法。
2、 了解扩频前后信号在时域及频域上的变化。
二、 实验器材
1、 主控&信号源模块、 10号、 14号模块( 、 2号模块) 各一块
2、 双踪示波器 一台
3、 连接线 若干
三、 实验原理
1、 实验原理框图

14号模块框图

直接序列扩频实验框图
2、 实验框图说明
信号源PN序列经过14号模块扩频处理, 再加到10号模块的调制端, 形成扩频调制信号发送出去。能够看到扩频码能够从14号模块经过拨码开关设置为m序列或Gold序列。
将”序列1”或”序列2”设置为m序列或Gold序列, 方法见”m序列、 Gold序列产生及特性分析实验”。
四、 实验步骤
1、 按框图所示连线。
源端口
目标端口
连线说明
信号源: PN15
模块14: TH3(NRZ1)
数据送入扩频单元
信号源: CLK
模块14: TH1(NRZ-CLK1)
时钟送入扩频单元
模块14: TH4(CDMA1)
模块10: TH3(DIN1)
扩频后加调制
模块10: TH7(I-Out)
模块10: TH5(I-In)
I路成形信号加载频
模块10: TH9(Q-Out)
模块10: TH8(Q-In)
Q路成形信号加载频
2、 选择主菜单【移动通信】→【直接序列扩频】, 再根据实验框图说明, 分别设置不同的扩频码, 对比观测NRZ1和CDMA1, 从时域和频域上观测扩频前后波形变换情况。(设置完各个开关按下S7,使模块工作于设置功能)
3、 观测14模块TH3、 G1、 TH4, 10模块”调制输出”TP1, 对比扩频前后调制信号变化情况。
五、 实验报告
1、 分析实验电路的工作原理, 简述其工作过程。
2、 观测并分析实验过程中的实验现象。