移动通信实验指导书g样本.doc

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实验一 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 相连的数据库似压、 VLR 等, 图中未画出) , MSC 经过与公用电话网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( 或传输数据等信息) .
MS ( Mobile Station ) : 移动台
BS ( Basc 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 ) : 公用电话网程控交换机

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图l-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
MS( Mobne station ) : 移动台
BS ( Base Station ) : 基地台
EX ( Exchanger ) : 程控交换机
TEL (Telphone ) : 有线电话
常见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, 当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。
墓于以上原因, 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( Mobne station ) : 移动台
BS ( Base Station ) : 基地台
EX ( Exchanger ) : 程控交换机
TEL (Telphone ) : 有线电话
SDT: 双路无线综合测试仪( 综测仪)
下面对图1-3 各部分及本实验内容介绍如下:
1、 CTI 无绳电话
CTI 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, 经过用户线接入电话网交换机; 可带1 一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。CTI 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, 成为常见的四类移动通信系统之一。
中国的CTI 无绳电话技术标准、 工作原理及手机仲用方法见附录1 。

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PSIN 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220V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
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, 它既是铡量仪器, 又可作为被测量对象, 其电路原理及使用方法详见附录2 。
在实验一至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。浊音对应子声带振动, 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。一般fp在70～30oHz 范围内, 则Tp=3 ~13ms 。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300 弓400HZ 频率范围内。

图1- 5浊音的准周期波形
5、 二类移动通信教学实验系统
移动通信教学实验系统分为学生实验型及教师演示型二类。
5.1 学生实验型移动通信教学实验系统
学生做实验时, 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:
① 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。
② 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。

5.2 教师演示型移动通信教学实验系统
教师演示型的无绳电话发射功率及接收灵敏度保持生产厂家出厂值不变。做实验时, 无绳手机可在距无绳座机及综测仪1～3 米范围内自由移动, 方便教师演示。
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220伏 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( 己摘机) , 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l , 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A 玩输出端口。接通综测仪电源( K5 置ON ) , 置系统测量自动工作方式滋心至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( K6 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: 信道扫描停止而且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见的蜂窝移动通信系统在保持基本特征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。

实验四 多信道共用、 空闲信道选取方式
一、 实验目的
经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无线多信道共用、 空闲信道选取方式。
二、 实验内容
1 ．用综测仪自动跟踪测量无绳电话呼叫接续各阶段的工作信道, 了解其多信道共用、 空闲信道选取方式。
2 ．用综测仪自动跟踪测量无绳电话通话状态下切换频道操作后通话信道的改变, 了解其切换频道功能。
三、 基本原理
1 ．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。所有的初始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。小区的不同无绳电话识别码一般都不相同, 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, 座机经过呼叫信道给手机指定存贮的一个空闲信道作为通话信道, 座机和手机的收发信机由呼叫信道转移到该通话信道。在后续的拨号( 手机主呼时) 及通话过程中一直占用该通话信道, 直至挂机返回呼叫信道守候。
2 ．无绳电话在通话过程中能够切换通话信道。若用户感觉当前通话信道上有干扰, 可按手机”频道”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、 实验步骤
1．重新设置无绳电话及综测仪识别码( lD 码) 及专用呼叫信道
( 1 ) 仍按图1-3 的布局放置设备并连接成系统。设置综测仪为系统测量方式( 按心至SYST 灯亮) 。
( 2 ) 连续按住综测仪对码( CODE ) 键超过4 秒, 综测仪进入对码及搜索专用呼叫信道状态, 守候在CH7 准备接收无绳座机发送的新ID 码, 信道号LED 数码管显示CH7 。然后释放对码键。
( 3 ) 在挂机状态下, 按住无绳座机”对码”键, 座机进入对码状态, 随机产生16 位新的ID 码, 在CH7 信道上发射出去。综测仪正确收到ID 码后发出一长声蜂鸣声指示。仍按住座机”对码”键不放, 再按住手机”对码”键, 手机正确收到座机发射的新ID 码后, 发出蜂鸣声指示, ID码设置完毕。无绳电话座机、 手机及综测仪三者的ID 码一致了, 而且无绳电话座机及手机的新呼叫信道也确定了。释放座机及手机”对码”键, 双方返回正常工作的挂机状态。几秒钟后综测仪进入搜索专用呼叫信道状态, 循环搜索20 个信道, 信道号LED 数码管循环显示对应的信道号。
( 4 ) 有线电话拨号呼叫无绳电话, 无绳手机振铃, 无绳座机在新的专用呼叫信道上向无绳手机发振铃信令。综测仪循环搜索到专用呼叫信道, 就停留在该信道并发出连续蜂鸣声。
( 5 ) 按综测仪控制面板扫描( SCAN ) 键K3 , 综测仪存贮新ID 码及新呼叫信道号于护PROM 后返回系统测量工作方式, SYST 灯亮。
2 ．观测无绳电话系统空闲信道选取方式
( 1 ) 综测仪设置为自动( AUTO ) 工作方式( 按粗至SYST 灯亮, 再按K2 , K2 灯常亮) , 守候在无绳电话呼叫信道, 示波器二个通道的探头分别接在综测仪BS 及MS 测量面板的八几端。
( 2 ) 手机按”通话”键摘机, 座机及手机一起转移到座机指定的空闲通话信道。综测仪检测到手机摘机信令( 示波器可观测到) 则自动跟踪扫描而且最后锁定于该通话信道, 显示该信道号码及无绳电话BS 及MS 发射频率。手机拨号呼叫有线电话, 示波器观测到手机拨号等操作的信令波形或通话双方话音波形。
综测仪若因接收信令误码未能检测到手机的摘机信令, 仍停留在呼叫信道, 则可按扫描( SCAN ) 键K3 启动搜索, K3 灯闪烁 最后锁定于无绳电话的通话信道, 综测仪返回自动( AUTO ) 工作方式, K3 灯灭, K2 灯常亮。
( 3 ) 通话完毕, 手机按”通话”键挂机, 座机及手机一起返回呼叫信道守候。综测仪检测到手机挂机信令, 亦返回呼叫信道守候。
综测仪若因接收信令误码未能检测到手机的挂机信令, 仍停留在通话信道, 则可按自动( AUTO ) 键K2 返回呼叫信道守候。
( 4 ) 多次重复( 1 ) ～( 4 ) , 观测、 记录无绳电话每次选取的通话信道。某些生产批次的无绳电话, 若上次的通话信道仍空闲, 则这次仍选取上次通话信道; 而另一些生产批次的无绳电话, 每次都随机选取不同的空闲信道作为通话信道。
3 ．观测无绳电话在通话状态下切换通话信道
( 1 ) 重复2 ( 1 ) 、 ( 2 ) , 无绳电话占用一空闲通话信道, 综测仪锁定于该信道, 显示该信道的信道号及无绳电话BS 和MS 发射频率, 示波器观测到通话双方的话音波形。( 2 ) 手机按”频道”键切换通话信道至一新的空闲信道。综测仪检测到手机频道切换信令, 自动跟踪扫描并锁定于新的信道, 显示该信道的信道号及无绳电话BS 和MS 发射频率; 无绳电话保持通话未中断, 示波器仍可观测到通话双方的话音波形。
( 3 ) 多次重复( 2 ) , 重复观测无绳电话切换通话信道, 总结信道改变规律。
( 4 ) 按 3 ) 中总结的信道切换改变规律, 估计下一次切换信道将占用的新空闲信道。按步进( STOP ) 键K4 设置工作信道为估计的新空闲信道, 然后打开综测仪BS 测量发射机( K6 置ON , K7 置BS ) 。手机按”频道”键再次切换频道。关断综测仪发射机, 按扫描( SCAN ) 键K3 启动扫描并锁定无绳电话占用的新空闲信道, 与估计的信道比较。
五、 实验报告内容
1 ．总结本实验系统的无绳电话空闲信道选取方式。
2 ．总结本实验系统的无绳电话在通话状态下信道切换的变化规律, 并回答当下一个信道已被其它电台占用成为忙信道时还会切换到该信道吗?

实验六 DS-CDMA( 直扩码分多址) 移动通信
一、 实验目的
了解DS-CDMA( 直扩码分多址) 移动通信原理。
二、 实验内容
1 ．测量单信道DS-CDMA通信系统发端及收端波形, 了解发端扩频调制及收端相关检测原理, 初步了解直扩码分多址逻辑信道形成原理。
2 ．测量2 信道DS-CDMA通信系统发端及收端波形, 进一步了解发端扩频调制、 收端相关检测及码分多址逻辑信道形成原理。
三、 基本原理

图6-1为直扩码分多址DS-CDMA ( Direct Seqenee Spread Spectrum-Code Division MultiPle Access ) 通信系统原理框图。DS-CDMA 利用高速率的正交码序列ci ( 互相关函数值为0或很小的码序列) 作为地址码, 与用户信息数据di 相乘( 或模2 加) 得到信息数据的直接序列扩频信号, 经过相应的信道传输后, 在接收端与本地产生的地址码进行相关检测, 从中将地址码与本地地址码一致的用户数据选出, 把不一致的用户数据除掉。码分多址通信系统可完成时域、 频域及空间上混叠的多个用户数据的同时传输, 或者说, 利用正交地址码序列在同一载频上形成了多路逻辑信道, 可动态地分配给用户使用。
其工作原理如下:
1．正交码序列
(1) 定义
设ci(t) ,i=1,2, …, N是序列周期为T( 一序列周期内子码元数为p, 子码周期为Tp＝T/P的一组码序列。若它们的互相关函数为0, 即

则称为正交码序列组, 可作为DS-CDMA 系统的地址码。
为便于收端实现地址码的同步, 它们应具有尖锐的自相关峰, 即满足

实际地址码互相关函数及自相关函数不一定严格满足以上关系。迄今为止, 实际用于DS-CDMA的地址码, 按互相关性能可分成二类:
①互相关函数值在任意值下, 与自相关函数峰值相比都很小, 但不一定为0, 称为准正交。
②互相关函数值在指定的时刻( 例如) 才为0, 才是正交的; 而在其它时刻互相关函数值可能很大。
地址码按自相关性能可分为以下二类:
①自相关峰很尖锐且在一序列周期内只有一个自相关峰, 与白噪声的自相关函数相近, 称为PN序列( PseudoNoise sequence——伪噪声序列) 。
②自相关峰不尖锐或在一序列周期内有多个自相关峰, 不属于PN序列。
(2) 常见正交码序列
常见正交码序列有以下三种:
①Walsh( 沃尔什) 序列: 在指定时刻( ) 正交, 自相关特性不好( 不属于即序列) 。
②m序列: 准正交, 自相关特性很好( 属于PN序列) 。
③Gold序列: 准正交, 自相关特性很好( 属于PN序列) 。
表6-1给出8阶Walsh序列．衅表示0号8阶Walsh序列, 其它依此类推。在研究8阶Walsh序列的正交性前, 先研究一下如何计算及用什么电路实现式( 6-1) 、 (6-2) 所示的相关运算。

二进制数用0 , 1 表示, 在常见的正逻辑数字电路里面的形式是低电平( L) 、 高电平( H) 。两个二进制序列A、 B 由异或门及模拟乘法器进行处理的电路及输出如图6-2 所示。

图中, 假定A=0100116……, B是长串的连O或连1。模拟乘法器输入、 输出端有自己的正常静态偏置电平, 故与前后电路必须经过隔直流电容相联。输入二进制序列O、 1……经过隔直后, 以模拟乘法器输入偏置电平为参考, 成为负电平、 正电平…, 归一化后为-1、 ＋1……, 即O变成-1,1变成＋1。由图6-2可见, 除了倒相之外, 两电路的输出完全相同。而倒相的差别, 很容易经过加一级倒相器来消除, 能够不予考虑。将A、 B互换或改为其它数据重画波形, 可得到相同结果。
由以上分析可得到以下结论:
(1)(0,l) 域上的二进制序列作乘法运算, 必须首先转换到( -1,+1) 域上( O～-1,1→＋1) 然后再相乘。
(2) 二进制序列在( 0,1) 域上模二加( 异或) 运算与其在( -1,+1) 域上的乘法算等效。
进一步分析容易得出, 对于两路输入信号为多个数字序列波形线性叠加的情况, 只要输入幅度没超过模拟乘法器线性工作范围上述结论( 2) 就不能推广了。
下面就可按式( 6-1) 以表6-1中的W18、 W78为例为例来研究沃尔什序列的正交性。
图6-3是用模拟乘法器求W18、 W78互相关函数值Rl7的有关波形, 可见Rl,7=0。直接计算的结果与图6-3中一致:

由上式可见, 求数字序列相关函数, 只需将其( -1,+1) 域对应位相乘再求和( 再乘以码元周期) 即可得到。
同法可求出其它任意二个序列之间的互相关函数值都为O。
Walsh序列的正交性在时急剧恶化。例如: 由表6-1, W28循环左移1 位( ) 等于W38, W48循环左移2 位( ) 等于W86,互相关值函数的峰值。

2、 DS-CDMA移动通信系统
图6-1为DS-CDMA移动通信系统原理框图。系统中采用包含N个码序列的正交码组C1,C2,……CN作为地址码, 分别与信码d1,d2…dN, 模2或相乘实现调制。信码速率( 单位: b/s, 比特/秒) 、 周期＝1/。地址码速率( 单位: c/s,码片/秒或子码/秒) , 周期地址码序列每周期包含p个子码元, 序列周期。一般设置
(6-3)
即
(6-4)
式( 6-3) 、 ( 6-4) 表明, 地址码速率是信息速率凡的p整数倍, 1个信码周期几对应一个地址码序列周期T。信息码与地址码相乘后占据的频谱宽度扩展了p倍。由N个正交地址码在一对双工载频上构成N个逻辑信道, 可供N对用户同时通信。图中画出发端的N个用户及收端第1个用户。
DS-CDMA系统的载波调制方式可采用调频或调相, 以调相方式应用最广。以2PSK调制为例, 发端用户1发射的信号为

上式中, 成c1( t).cl(t) 是( -1,+1) 域二元数据, 则是0/π调相的ZPSK信号。故载波调制器就是模拟乘法器。式( 6-5a) 可写成如下形式

( 6-5b)
或(6-5c)
上式表明, 发端的DS-CDMA射频信号, 可经过先扩频调制再载波调制( 式( 6-5b)) 或先载波调制再扩频调制( 式( 6-5c)) 得到, 二者是等效的。与此对应, 收端也有二种等效的解调方案．本实验系统采用的方案是: 发端先扩频调制再载波调制, 收端先载波解调再扩频解调．
发端N个用户发射在空中的信号在时域、 频域完全混叠在一起, 收端每一个用户都可收到．收端第1个用户天线收到的信号
(6.6)
解调后的信号
(6.7)
经过与本地地址码ci(t) 相关检测后输出信号

代入式( 6-1) 地址码的正交性关系可得

上式中为的自相关函数峰值。经采样后得到方波形式的信码。收端用户1从发端N个用户发射在空中, 在时域及频域完全混叠的DS一CDMA信号中, 接收到发端用户1的信码。
3.DS-CDMA移动通信的关键技术
(1) 正交码序列的研究、 选择及配置。
2) 为克服远近效应, 要进行精确, 快速的发射功率控制。
由前面式( 6-6) ～( 6-8) 的分析可见, 如果地址码组严格正交, 而且收端对接收信号采用相关检测( 与地址码相乘再积分) , 则式( 6-8) 所示收端输出只包含有用信息, 而不包含其它地址的信息, 即不存在多址干扰。但实际情况并不是如此理想:
(l) 地址码不严格正交
①实际使用的地址码一般都不是严格正交, 或者只在指定的相对相位关系下才是严格正交;
②传输引起信号波形畸变及收端地址码同步精度不高, 使地址码正交性恶化．
(2) 收端对地址码没采用或无法采用相关检测
①为了接收机电路容易实现, 收端先对地址码解扩( 相乘) , 得到窄带载波调制信号, 然后再载波解调, 没有对地址码进行相关检测( 相乘再积分) 。
②地址码序列周期大于信码周期( 例如IS-95/N-CDMA系统上行地址码) , 则收端无法对地址码采用相关检测, 而只能采用解扩( 相乘) 。
在上述两种实际应用情况下, 接收端就存在多址干扰。近地发射机来的无用的强信号对远地发射机来的有用的弱信号会产生严重多址干扰。另一方面, 由于接收机前端电路的线性动态范围有限, 近地强干扰信号会造成接收机的阻塞, 亦会抑制远地有用弱信号的接收．以上二个原因造成的近地强信号对远地弱信号接收的抑制现象称为”远近效应’, 。同一小区内各移动台与基站距离不同, 各移动台发射信号到达基站接收机的传输距离不同, 存在远近效应; 而基站发射的多路信号到达某一移动台接收机的传输距离相同, 不存在远近效应。
克服远近效应的方法是对移动台发射功率进行精确、 快速及大幅度的控制, 使任一移动台无论处于什么位置, 其发射信号到达基站接收机时, 都具有相同的电平, 而且刚刚达到要求的信干比门限; 基站发射信号虽不存在远近效应, 但仍进行慢速及小幅度的控制, 使移动台接收机收到基站发射来的信号刚刚达到要求的信干比门限。
各移动台的发射机是物理上独立的发射机, 可按需要独立进行功率控制。基站发射机及功率控制由于下述原因而大为简化。
原则上, 基站需为每条DS-CDMA逻辑信道配置一台发射机, 但由于这些发射机处于同一基站, 因此发射载频是相干的( 同频、 同相) , 故基站总的发射信号可表示为

由式( 6-9) 可见, 基站各信道发射的射频信号, 可先在中频实现扩频调制及载波调制, 经线性叠后由1台发射机上变频到射频再功率放大后发射出去。调整各信道中频信号幅度就调整了各信道射频信号幅度( 功率) 。
基站发射的多路射频信号另外一种形式为

即, 可先将各信道扩频调制后的基带信号线性叠加, 再对同一载波进行调制后发射出去。调整各信道扩频基带信号的幅度, 就调整了各信道射频信号幅度．
(3) 地址码同步
由图6-1可见 DS-CDMA收端同步除了有一般数字通信系统的载波同步、 时钟同步( 位同步) 及帧同步以外, 地址码同步是它所特有的, 它包括捕获及跟踪二部分。常见的地址码捕获方法为滑动相关法。参考图6-1接收端。根据地址码的自相关峰值特性确定一个检测门限。逐步滑动接收机本地地址码相位, 检测相关器的输出, 在输出超过检测门限时停止滑动相位, 完成捕捉, 然后转入跟踪。
以上几方面详细内容及DS-CDMA的处理增益、 抗多径衰落等性能请参考有关资料。
4、 实验系统原理
根据上述DS－CDMA移动通信原理介绍及双路踪测仪中已有的二套调频收发信机平台实际DS-CDMA实验系统框图如图6－4所示。发端采用二个正交地址码, 及, 经过异图6-4 DS-CDMA移动通信实验系统或门分别对两路信码, 及: 实现扩频调制, 得到两路信码各自的扩频( 调制) 基带信号DEl、 DE2, 它们线性叠加为两路信码的扩频基带信号DEx。TX－BS作为系统基站BS的发射机, DEX对载波FSK调制, 再发射出去。收端RX-MS载波FSK解调输出扩频基带信号DEX．经过切换本地地址码为Cl/C2, 再经过相关检测得到信码Dl/D2, 模拟二个移动台MS1/MS2的接收机。实验系统采用二个正交地址码, 在同一载频上形成二个DS-CDMA逻揖信道。信码D1＝10101100…( 周期循环) 。,D2=01010Oll……( 周期循环) , 码速率为Rb=300b/s。地址码, , 子码速率为(2.4千子码／秒) , 则有。接收端地址码同步及时钟同步电路都认为是理想的, 不作为本实验的研究内容, 收端地址码及时钟CLK实际上与发端、 、 、 一起由同一单片机产生。

需要指出, 2个用户各自的扩频基带信号DE1及DE2是二值信号＋1/-1, 它们线性叠加为以后就成为三值信号: 0[(+1)+( -1)］、 ＋2[(+1)+(+1)］及-2[(-1)+(-1)], 归一化值为0、 ＋1、 -1。更多个用户扩频基带信号线性叠加成的为多值信号l0］。
实验系统有如下几种子工作方式
(1) 单信道DS-CDMA通信
①发端发, 收端收;
②发端发, 收端收;
③发端发, 收端地址码为C1; , 收不到发端。
(2)2信道DS－CDMA通信
①发端发+, 收端收;
②发端发+, 收端收。
由单信道DS－CDMA通信实验可初步了解DS－CDMA通信原理, 观察地址码C1、 C2各自的自相关检测及互相关检测波形, 为研究2信道DS－CDMA通信实验做难备。2信道DS-CDMA通信实验可深入观测、 了解DS-CDMA通信原理, 了解时域、 频域完全混叠的DS-CDMA多用户信号如何被分离, DS-CDMA系统的多路逻辑信道是如何形成的。
四、 实验步骤
( 一) 单信道DS-CDMA通信
1．设置综测仪为单信道DS-CDMA通信工作方式( 按K1至T/CDMA灯亮, 再按K3使K3灯亮) , 打开发射机TX-BS(K6置ON,K7置BS,BS测量面板IX灯亮) , 置内调制( K9置INT), 综测仪内部组合成图网所示DS-CDMA通信系统, 图中收发两端有关信号都己引到收发信机测试面板上, 便于用示波器观测。
2．重复按K3键, 系统循环步进处于表6-2所示三种子工作方式之一。
表6-2 单信道DS-CDMA 通信子工作方式( T/CDMA灯常亮)
子方式序号
K3灯指示
子工作方式
闪速
占空比
1
1Hz
0.1
发, 收
2
1Hz
0.5
发, 收
3
1Hz
0.9
发, 收
在子方式1、 2中, 收端地址码与发端地址码相同, 则收到发端数据; 在子方式3中, 收端地址码与发端不同, 则接收不到发端数据。
3．双踪示波器二个通道都设置为DC、 2V/DIV～5V/DIV; 扫描速率lms/DIV～5ms/DIV置外触发方式, 外触发输入接至综测仪MS测量面板TRIA端。
4．从发端至收端顺着信号流向, 测得三种子方式下系统各点信号波形分别见图6-5、 6-6、 6-7( 见本实验最后三页) 。注意收端相关检测( 相乘-积分) 输出信号DK2: 1、 2子工作方式下, DK2分别为C1、 C2的自相关运算波形乘以对应的数据D1, 、 D2(+1/-1), 为正／负极性齿波; 子工作方式3下, DK2为C1、 C2的互相关运算波形乘以数据D2(+1/-1), 在地址码列周期即一个信码周期内进行相关运算, DK2开始为0电平( +2V), 然后上下起伏, 最后刻的相关运算值( 即互相关函数值) 仍为0电平( ＋2V) , 又参见图6一3o由此初步分析了DS-CDMA通信原理。
5．关断TX-BS(K6置O可, BS测量面板TX灯灭) , 再测量收端各点信号。
( 二) 2信道DS-CDMA通信
1．设置综测仪为2信道DS-CDMA通信工作方式( 按K1至T/CDMA灯亮, 再按使K4灯亮) , 打开发射机TX-BS(K6置ON,K7置BS,BS测量面板TX灯亮) , 置内制( K9置州T), 综测仪内部组合成图6-4所示DS-CDMA通信系统。
2．重复按K4键, 系统循环步进处于表6-3所示二种子工作方式这一。

表6-32信道DS-CDMA通信子工作方式( T/CDMA灯常亮)
子方式序号
K4灯指示
子工作方式
闪速
占空比
1
1Hz
0.1
发+, 收
2
1Hz
0.9
发+, 收
二种子工作方式中, 发端都是发送时域、 频域混叠在一起的二路DS-CDMA数据。子工作
方式1中, 收端地址码Ci为C1, 经相关检测从混叠的扩频信码中分离出本地址的信码D1; 子方式2中, 收端地址码Ci为C2, 则收到信码D2。
3．双踪示波器的设置同( 一) 3。
4．顺着信号流向测量并用座标纸记录二种子方式下系统发端D1、 C1、 DE1、 D2、 C2、 DE2、 DEX至收端AFO、 DK1、 DK2、 CLK( 上升沿有效) 、 DK各点信号波形, 注意比较发端扩频调制( 异或门) 、 收端解扩( 相乘器) 及相关检测( 相乘-积分) 输入输出波形, 比较发端及收端数据。特别注意收端相关检测输出信号DK2是本实验步骤四( 一) 中1个地址码自相关运算波形(回绕着上升／下降的锯齿波形) 及2个地址码互相关运算波形( 围绕着参考电平上下起伏的波形) 的线性叠加。由于采样时刻互相关函数值为0, 因而对采样值没有影响, 不存在多址干扰。由2信道DS－CDMA通信进一步分析了解DS－CDMA通信原理。
5．关断TX-BS(K6置O即, BS测量面板饮灯灭) , 再测量收端各点信号。
五、 实验报告内容
1．整理实验记录, 在座标纸上画出2信道DS－CDMA通信系统二种子工作方式下发端D1、 C1、 DE1、 D2、 C2、 DE2、 DEX以及收端AFO、 DK1、 DK2、 CLK( 上升沿有效) 、 DK各点波形, 分析同一载频上的二个DS－CDMA逻辑信道是如何形成的, 总结DS－CDMA通信工作原