移动通信实验.docx
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移动通信实验
移动通信实验
实验一PCM与ADPCM语音压缩编码
一、实验目的
1、了解PCM的基本原理和方法；
2、了解ADPCM的基本原理；
3、了解语音压缩编码的基本原理和过程。
二、预备知识
1、PCM的基本原理和方法；
2、ADPCM的基本原理；
三、实验仪器
1、移动通信实验箱一台；
2、台式计算机一台；
四、实验原理
目前国际上普遍采用容易实现的A律13折线压扩特性和μ律15折线的压扩特性。
我国规定采用A律13折线压扩特性。
本实验中的PCM采用的是A律13折线PCM。
由预备知识可知，A率对数压缩特性定义为：
在CCITT建议中，A=87.56。
在具体实现时压缩曲线c（x）用13段折线来近似，量化电平数L=256，即编码位数R=8。
因为对语音的采样频率为8kHz，这样，A率13折线的PCM输出数据流速率为64kb/s。
下图为A律13折线的压缩示意图：
负电平部分的压扩特性和正电平部分的压扩特性是对称的，所以上图只画出了正电平压扩特性。
这种量化方式相比于线性量化，当信号为小信号时，其信噪比较高（尤其是语音信号）。
从图上可以看到，整个归一化电平区间被分为8个小区间，每个区间的斜率和起点电平如下表：
折线段落
1
2
3
4
5
6
7
8
斜率
16
16
8
4
2
1
1/2
1/4
区间起点
0
1/128
1/64
1/32
1/16
1/8
1/4
1/2
正电平部分的第一段和第二段的斜率都是16，负电平部分的第一段和第二段的斜率也都是16，所以本来划分的16折线段实际为13折线段。
PCM编码对一个采样值量化编码后得到的是8比特的编码，下图是这8比特的码位安排：
可见，编码的第一位C1为极性码，正电平为1，负电平为0。
C2～C4为段落码，表示信号绝对值处在哪个段落，3位码的8种可能状态分别代表8个段落的起点电平
。
C5～C8为段内码，段内码共4位，并且段内采用均匀量化的方式，故共有24＝16个均匀量化级。
但因段落长度不等，故不同段落间的量化级是非均匀的。
小信号时，段落短，量化间隔小；反之，量化间隔大。
13折线中的第一、二段最短，只有归一化的1/128，再将它等分16小段，每一小段长度为
。
这是最小的量化级间隔，它仅有输入信号归一化值的1/2048，记为Δ，代表一个量化单位。
第八段最长，它是归一化值的1/2，将它等分16小段后，每一小段归一化长度为
，相当于64个最小量化间隔，记为64Δ。
其余各段的最小量化间隔的计算以此类推。
下图是13折线PCM的各段落段落内量化间隔，段落起始终点值，量化间隔等参数的表：
段落序号
电平范围
段落码
段落起始
电平
量化间隔
段内码对应权值
8
1024
2048
111
1024
64
512
256
128
64
7
512
1024
110
512
32
256
128
64
32
6
256
512
101
256
16
128
64
32
16
5
128
256
100
128
8
64
32
16
8
4
64
128
011
64
4
32
16
8
4
3
32
64
010
32
2
16
8
4
2
2
16
32
001
16
1
8
4
2
1
1
0
16
000
0
1
8
4
2
1
此外，4位段内编码可以采用自然二进制编码，也可以采用格雷码或折叠二进制码。
ADPCM编码原理参见本章预备知识。
本次实验分为两个部分。
一部分是对一正弦信号进行A律13折线PCM编码的演示，另一部分是通过麦克风录制语音并延时回放，从主观感觉PCM，32kADPCM，16kADPCM的效果。
本实验中，我们采用了Motorola的MC145540芯片来实现64KA律PCM编码、32KADPCM和16KADPCM编码。
在实验箱上，与之相关的硬件测试点包括PCMCLK,PCMFSR,PCMTX,PCMRX，见下图示（右下角）。
与MC145540的工作方式、时序图等相关信息，请参考MC145540的数据手册。
五．实验步骤
1、通过串行口将实验箱和电脑连接，给实验箱上电。
将与实验箱相连的电脑上的学生平台程序打开。
在主界面上双击“传统语音压缩信源编码”实验图标，进入此实验界面。
2、正弦信号通过A律13折线PCM编码的演示实验：
首先在信源编码试验界面的左边选中量化方法为“A率”，然后点击“正弦信号量化演示”。
试验界面的右边将会出现正弦通过A律13折线PCM编码的波形示意。
信号第一路是原始输入模拟正弦信号，第二路是PCM编码以后的正弦信号的量化值，第三路是量化过程中因量化而造成的量化值和真实值的误差的波形图。
界面的中间为A律13折线的正电平部分的压扩示意图。
将鼠标放在右边第一路输入模拟正弦信号的曲线上，13折线图示意图上会即时给出鼠标所在位置的正弦信号的输入未量化电平值，量化电平值，量化误差值，以及去掉极性的7位量化编码；同时折线上的圆形标点会随之移动，指示当前量化电平在13折线上的位置。
试验时请注意：
点击波形窗口的“all”按钮，将波形显示方式切换到用带圆圈的竖直线的显示方式，才能正确直观地观察到试验结果。
同时可以点击波形图右边的“＋”，“－”扩展或压缩波形；点击“←”“→”向左或向右移动波形。
然后，改变量化方式为“均匀”，然后点击“正弦信号量化演示”。
再次观察界面右边的三个波形，比较均匀量化和前面A率13折线PCM量化方式得到的量化信号以及量化误差的不同。
3．64KPCM、32KADPCM、16KADPCM语音主观听觉感受实验：
实验界面左半部通过移动通信实验箱上Motorola的MC145540芯片从主观听觉方面来感受的64KA律PCM编码、32KADPCM和16KADPCM编码的语音质量。
在界面左边最上部可以选择外部输入信号的来源，包括“直流”和语音两种方式，本处请选择“语音”。
然后可以分别选择三种语音编码方式中的任一种：
64KA律PCM编码、32KADPCM编码、16KADPCM编码。
最后在实验箱上相应的音频接口接上耳机和麦克风。
用户此时可以讲话，麦克风录取实时语音，该语音通过不同方式的语音编码，然后环回进行语音解码，用户可以听到语音的延时几秒的回放。
此处可以由两个同学一起进行，一人用麦克风在一端讲话，另一人用耳机在另一端收听语音。
在此实验中注意对比三种不同速率语音质量。
64KA律PCM编码
32KADPCM编码
16KADPCM编码
结论：
通过对比64KA律PCM编码、32KADPCM和16KADPCM编码的语音，发现64KA律PCM编码的语音质量最好无杂音，32KADPCM次之，16KADPCM编码的语音质量最差可听到杂音。
4.时序波形观察
在A率64KPCM、32KADPCM、16KADPCM三种工作方式下，用示波器观察MC145540上的帧同步信号（MPCMFSX），时钟信号（（MPCMCLK），接收和发送数据信号（（MPCMTX,MPCMRX）的时序波形。
可以由时序波形判断出下列三组（每组两幅图片）波形分别属于哪种工作方式。
我们以第一组两幅信号波形为例，该组信号是64KPCM的时序波形。
用示波器的两个探针分别测试试验箱上的MPCMFSX和其中MPCMCLK两个探测点，锁定波形得到第一组第一幅波形。
其中，帧同步信号（MPCMFSX，示波器CH1）和时钟信号（MPCMCLK，示波器CH2）。
锁定示波器上的波形，可以观察到，MPCMFSX高电平期间，PCM信号每一个CLK发送或接受一比特的信息，此处MPCMFSX高电平期间共有8个CLK周期，而帧同步信号MPCMFSX的频率是8KHz，因此该PCM信号的发送和接收信号速率是64Kbit/s。
MPCMFSX与MPCMCLK时序图
第一组第二幅波形是帧同步信号（MPCMFSX，示波器CH1）和发送或接收数据信号（MPCMTX或MPCMRX）。
用第一路示波器观察MPCMFSX，第二路观察发送或接收数据信号（（MPCMTX或MPCMRX）。
锁定波形，然后大家可以观察在一个帧同步信号高电平期间（CH1），发送或接受数据信号（（MPCMTX或MPCMRX）是否传送了8bit信息，并可以读取该八比特信息。
MPCMFSX与MPCMRX/MPCMTX时序图
同理，可以观察第二组，第三组信号波形，并得到该组信号的数据速率，由此判断该组信号波形是32KADPCM还是16KADPCM的信号波形。
以下是第二组信号波形，请确定为何种编码方式。
MPCMFSX与MPCMCLK时序图
MPCMFSR与MPCMRX/MPCMTX时序图
以下是第三组信号波形，请确定为何种编码方式？
MPCMFSX与MPCMCLK时序图
MPCMFSR与MPCMRX/MPCMTX时序图
实验二AMBE语音压缩编码
一、实验目的
1、了解参数编码的基本原理和方法；
2、了解MBE语音压缩编码的基本原理；
3、了解语音压缩编码的分类。
二、预备知识
1、参数编码的基本原理；
2、MBE语音压缩编码的基本原理；
三、实验仪器
1、移动通信实验箱一台；
2、台式计算机一台；
四、实验原理
本实验主要是从主观听觉来感受不同速率下现代语音通信常用的使用参数编码技术和波形编码技术混合编码的效果。
AMBE语音压缩算法，在2．0kb／s～4.8kb／s这样的低速率内能够合成质量比传统声码器好得多的语音，并且具有较好的自然度和容忍环境噪声的能力，因此在现代通信系统中得到了广泛的应用，尤其是在VOIP中的应用。
AMBE算法的具体原理参见本章预备知识。
与本实验相关的测试点有MCHFSX（发送帧同步信号）MCHFSR（接收帧同步信号）,MCHCK（时钟信号）,MCHRX（接收信号）,MCHTX（发送信号），见上图示。
五、实验步骤
1．通过串行口将实验箱和电脑连接，给实验箱上电。
将与实验箱相连的电脑上的学生平台程序打开。
在主界面上双击“现代语音压缩信源编码”实验图标，进入此实验界面。
2．AMBE语音压缩编码9.6kb/s~2.4kb/s不同速率主观听觉感受实验：
在实验箱上相应的音频接口接上耳麦，然后在实验界面上选择不同的编码速率，就可以录制语音然后听到语音的延时回放。
在此实验中注意对比不同速率语音质量。
实验界面的右侧是MBE语音压缩算法基本原理的简要说明，可以通过上翻、下翻键来滚动显示。
结论：
随着语音压缩编码速率越来越大，语音的质量也越好，语音失真越少，杂音也少，对原语音还原的更好。
3．不同语音压缩率下的波形观察
在成帧工作模式下，AMBE-2000的数据帧在不同速率下的帧长度是不一样。
一个数据全帧包含24个字（每个字包含16比特），其中前12个字代表格式，后12个字为数据段代表压缩后的数据。
后12个代表压缩数据的数据段在9600bps速率下，用到全部12个字；4800bps速率下，数据段有6个字；2400bps速率下，数据段有3个字。
三种速率下，帧同步信号（MCHFSR或MCHFSX）与收发数据信号（MCHRX或MCHTX）之间的时序关系见下图示。
在下面每幅时序图中，示波器CH1为（MCHFSR或MCHFSX），示波器CH2为（MCHRX或MCHTX）。
大家可以注意到，在不同的速率下，每一帧代表压缩数据的数据段确实长度是不一样的。
注意，这里的帧同步信号（MCHFSR或MCHFSX）为高电平并持续一个MCHCLK时钟周期代表一个字的起始，后续的16个MCHCLK时钟周期传输一个字共16比特。
9600bps
4800bps
2400bps
其中，数据帧（共24个字）的第一个字为0x13EC（二进制为0001,0011,1110,1100），见下图示（最高位在前）。
每个帧代表20ms内的语音信息。
当需要传输时，可以去掉帧的前12个字，只传输后面的字节；到接收端再还原。
实验三CDMA扩频调制实验
一、实验目的
1.了解扩频调制的基本概念；
2.掌握PN码的概念以及m序列的生成方法；
3.掌握扩频调制过程中信号频谱的变化规律。
二、预备知识
1.不同多址接入方式（TDMA、FDMA、CDMA）的区别；
2.扩频码的种类与应用；
3.扩频码的基本性质。
三、实验仪器
1、移动通信实验箱一台；
2、台式计算机一台；
四、实验原理
m序列是最长线性反馈移位寄存器序列的简称，它是由带线性反馈的移位器产生的周期最长的一种序列。
如果把两个m序列发生器产生的优选对序列模二相加，则产生一个新的码序列，即Gold码序列。
实验中三种可选的扩频序列分别是长度为15的m序列、长度为31的m序列以及长度为31的Gold序列。
1.长度为15的m序列由4级移存器产生，反馈电路如图4.2.14所示。
初始状态1000
1100
1110
1111
0111
1011
0101
1010
1101
0110
0011
1001
0100
0010
0001
……………………………….
1000
图4.2.14长度为15的m序列的生成
2.长度为31的m序列由5级移存器产生，反馈电路如图4.2.15所示。
图4.2.15长度为31的m序列的生成
需要说明的是：
反馈电路如何连接由m序列生成多项式确定，生成多项式不同，反馈电路的连接方式也不同。
图4.2.15仅为可产生长度为31的m序列的反馈电路连接方式之一。
m序列发生器
n级
m序列发生器
n级
初态设置
时钟
Gold码
3.长度为31的Gold序列:
图4.2.16Gold码发生器
Gold序列是Gold于1967年提出的，它是用一对优选的周期和速率均相同的m序列模二加后得到的。
其构成原理如图4.2.16所示。
两个m序列发生器的级数相同，即
。
如果两个m序列相对相移不同，所得到的是不同的Gold码序列。
对n级m序列，共有
个不同相位，所以通过模二加后可得到
个Gold码序列，这些码序列的周期均为
。
以长度为31的Gold序列为例，其生成器如图4.2.17所示，其中
和
为m序列的生成多项式。
图4.2.17长度为31的Gold序列生成器
产生的两组m序列为：
1000010000
0100001000
0010000100
1001000010
0100100001
1010011101
1101010011
0110110100
0011001010
1001100101
1100111111
1110010010
1111001001
1111111001
0111110001
0011110101
0001110111
1000110110
1100001011
0110011000
1011001100
1101100110
1110100011
0111011100
1011101110
0101100111
1010111110
0101001111
0010111010
0001001101
0000111011
……………………………………………………………………………….
所以生成长度为31的Gold序列为：
{0,0,0,0,0,1,1,1,0,0,0,0,1,0,0,0,0,1,1,0,0,1,0,0,1,0,1,1,1,1,0}
五、实验步骤
1.在主界面上选择实验“扩频调制”实验；
2.选择“手动输入”或“随即生成”产生原始数据；
3.可选择“长度为15的m序列”，或者“长度为31的m序列”，或者“长度为31的gold序列”;
4.观察扩频后的数据，并可用频谱分析仪器观察频谱变化；红色曲线表示原始信号，绿色曲线表示扩频信号。
我们可以发现，扩频后，频谱展宽。
六、实验图
1．第一组
15m序列
31Gold序列
2．第二组
15m序列
31Gold序列
3．第三组
15m序列
31Gold序列
七、问答题
1.试说明扩频码在移动通信中的应用；
对于移动通信系统而言，带宽是有限的资源。
扩频技术允许多个用户无相互干扰地同时使用相同的带宽，从而有效的提高了带宽的利用率采用扩频技术，发射的调制信号在发射到信道之前，通过与扩频码相乘，频带被扩大若干倍；而在接收端，接收信号与发送端相同的码字进行互相关，频带则被缩小相同倍数。
并且如果通信信道不存在窄带干扰，并且扩频和解扩的带宽相同，那么解扩之后，接收信号将完全等同于扩频之前的被发射信号。
2.扩频码的种类有哪些？
有何特点？
如何产生？
m序列：
利用它的不同相位来区分不同用户
Walsh函数：
在CDMA系统中，每个前向码分信道用1.2288Mbit/s比特率的64阶Walsh函数进行扩频，以使各前向码分信道间相互正交。
OVSF码：
正交可变扩谱因子（OVSF）编码是短扩谱码,用于确保具有不同扩谱因子和扩谱率的信道之间的正交性。
3.扩频后信号频谱发生怎样的变化？
观察扩频后的数据，并可用频谱分析仪器观察频谱变化；红色曲线表示原始信号，绿色曲线表示扩频信号。
我们可以发现，扩频后，频谱展宽。
实验四CDMA解扩实验
八、实验目的
4.了解CDMA解扩的基本概念；
5.掌握解扩的基本方法；
6.掌握解扩过程中信号频谱的变化规律。
九、预备知识
4.扩频的基本原理；
5.扩频过程中信号频谱的变化；
6.解扩过程中信号频谱的变化。
一十、实验仪器
1、移动通信实验箱一台；
2、台式计算机一台；
一十一、实验原理
扩频码序列同步是扩频系统特有的，也是扩频技术中的难点。
CDMA系统要求接收机的本地扩频码与接收到的扩频码在结构、频率和相位上完全一致，否则就不能正常接收所发送的信息，接收到的只是一片噪声。
若实现了收发同步但不能保持同步，也无法准确可靠地获取所发送的信息数据。
因此，扩频码序列的同步是CDMA扩频通信的关键技术。
实验中，解扩码相位可以改变。
当解扩码相位为“0”时表示解扩码和扩频码同步，无相位差，这时候观察到正确的解扩结果，且频谱恢复到原始信号的较窄的频谱；当解扩码相位不为“0”时，观察到解扩的结果不正确，频谱也不能正确恢复。
一十二、实验步骤
1、在主界面上选择“解扩”实验；
2、选择“手动输入”或“随机生成”产生原始数据；
可选择“长度为15的m序列”，或者“长度为31的m序列”，或者“长度为31的gold序列”；
3、设定解扩码相位，比较相位同步、不同步时解扩的结果。
4、设定解扩码相位，观察“频谱分析仪”上信号频谱的变化。
红色曲线表示原始信号的频谱，绿色曲线表示扩频信号的频谱，蓝色曲线表示解扩信号的频谱。
一十三、实验图
1、第一组
15m序列解扩码相位0
15m序列解扩码相位100
31Gold序列解扩码相位0
31Gold序列解扩码相位100
2、第二组
15m序列解扩码相位0
15m序列解扩码相位100
31Gold序列解扩码相位0
31Gold序列解扩码相位100
一十四、问答题
1、试说明解扩的基本原理；
m序列解扩的是在接收到的RF信号上进行。
解扩的原理就是用一个与发送端完全相同的m序列与接收到的信号直接相乘就可以完成信号的解扩，当然，这里所指的与发送端完全相同，除了序列必须一致以外，更重要的是两个m序列的相位必须一致，也就是接收端产生的m序列必须进行捕获和跟踪，以使其速率和相位与发送端m序列保持一致。
2、为什么接收机中的扩频码需要进行准确同步？
CDMA系统要求接收机的本地扩频码与接收到的扩频码在结构、频率和相位上完全一致，否则就不能正常接收所发送的信息，接收到的只是一片噪声。
若实现了收发同步但不能保持同步，也无法准确可靠地获取所发送的信息数据。
3、正确解扩和不正确解扩后，信号的频谱有何变化？
请画图示意。
15的倍数才能正确解扩，其他不可以。
正确解扩不正确解扩
实验五信道复用
一、实验目的
1、了解通信系统信道复用的基本概念。
2、掌握三种基本信道复用的基本方法。
3、了解三种基本信道复用在不同通信系统中的应用。
二、预备知识
1、通信系统需要信道复用的原因；
2、通信系统中三种基本信道复用的原理。
三、实验仪器
1、移动通信实验箱一台；
2、台式计算机一台；
四、实验原理
a）时分复用（TDM）
在本实验中，信道被分为8个时隙，每个时隙传送一个采样值。
实验中可以显示的是其中两路，可以分别选择两路信号所在的时隙数。
点击实验界面上的按键，可以观察TDM复用前的两个信号波形（两个不同频率的正弦波），以及复用后的合路信号波形（请仔细观察两个正弦信号所处的8个时隙中的具体时隙数是否随着界面上的输入时隙数而改变）。
b）频分复用（FDM）
本实验中频分复用的子信道数是两路，下图为系统框图：
本实验可以看成为一个数字信号处理系统，整个系统的采样频率为48kHz。
输入信号来源于实验箱上采样频率为8kHz的语音信号，因为与整个系统的采样频率不相等，所以，要对输入的采样频率为8kHz的语音信号进行插值，使之成为48kHZ采样率的语音信号。
发送端：
框图中的第一路和第二路信号分别是插值后的15ms语音信号（8kHz采样率15ms语音120个样值经插值后成为48kHz采样率15ms720样值）。
实验中的第一路信号保留在基带，第二路信号被调制到fc=10kHz的频带上，两路信号相加，得到两路子信道的FDM合路信号，也即待发送信号。
接收端：
首先将接收的FDM信号通过低通滤波器得到保留在基带的第一路信号。
解调第二路信号的时候，首先将接收的FDM信号再一次乘以fc=10kHz的载波，然后再经过低通滤波器即可恢复出第二路语音信号。
c）码分复用（CDM）
本CDM码分复用采用的PN序列为n＝4，长度为24－1＝15的m序列。
该m序列的生成框图如下：
该实验的CDM系统共有两个子信道，下图为整个实验系统框图：
五、实验步骤
1、通过串行口将实验箱和电脑连接，给实验箱上电。
将与实验箱相连的电脑上的学
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