移动通信实验指导书.docx

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移动通信实验指导书

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．用实验箱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相连的数椐库（HLR、VLR等，图中未画出），MSC通过中继线与公用电话网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（或传输数椐等信息）。

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1-2，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实际系统在包含的各种功能设备（交换机、基站、移动台及有线电话）、系统基本网络结构（各设备的连接关系）及系统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

常用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，但它们涉及的基本工作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，目前在一些领域仍在应用。

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。

基于以上原因，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，采用了一台实验箱（SDT），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

下面对图1-3各部分实际采用的设备及本实验内容介绍如下：

1．CT1无绳电话

CT1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，通过用户线接入电话网交换机；可带1-4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。

CT1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，成为常用的四类移动通信系统之一。

我国的CT1无绳电话技术标准、工作原理及手机使用方法见附录1。

通常，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。

实验箱”BS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。

将实验箱”MS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。

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PSTN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220VAC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．实验箱（双路无线综合测试仪）

实验箱包含的电路模块很多，功能齐备，它既是测量仪器，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～实验四中实验箱作为测量仪器，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的布局顺序放置并连接设备，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，用示波器在实验箱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。

浊音对应于声带振动，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。

通常fp在70~300Hz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300~3400Hz频率范围内。

相对声压

图1-5浊音的准周期波形

四、实验步骤

1．按图1-3的布局顺序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（带用户线信号测量板LINE.PCB）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220VAC电源。

无绳电话座机、手机及实验箱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（已摘机），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1，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实验箱”BS测量”及”MS测量”面板上接收机解调输出端AFo。

接通实验箱电源（K5置ON），置系统测量自动AUTO工作方式（按”工作方式”控制面板K1键至SYST灯亮，再按K2键使K2灯亮），实验箱守候在无绳电话控制信道。

关发射机（”发射机控制”面板上的K6置OFF），关信令存储显示模块（”无线信令存储显示”面板上的K10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，实验箱检测到摘机信令后自动跟踪扫描，锁定于该通话信道。

若实验箱因误码未检测到手机摘机信令仍停在控制信道，则按K3键启动实验箱扫描信道（SCAN），最后锁定于该通活信道。

实验箱锁定于通话信道的标志是：

信道扫描仃止并且”BS测量”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用的蜂窝移动通信系统在保持基本特证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．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。

实验二GMSK/GFSK调制解调及眼图

一、实验目的

1.了解GMSK/GFSK调制解调原理。

2.了解用FM调制器（VCO）产生GMSK/GFSK信号的方法及用FM鉴频器对FSK/MSK信号非相干解调的方法

二、实验内容

1.用示波器测量GMSK/GFSK调制器及解调器有关点信号波形，了解GMSK/GFSK调制解调原理及实现方法。

2.用示波器观测GMSK/GFSK信号眼图。

三、基本原理[1、12、13、14、18]

尽管MSK信号已具有较高的频谱利用率，但在移动通信实际应用中还需进一步减小其占用的频带，保证邻道辐射低于主瓣峰值60dB以上。

这就要求对MSK的带外频谱特性加以改进，使其衰减速度加快。

在图16-3的MSK调制器电路中，由于VCO输入数椐NRZ方波脉冲序列具有较宽的频谱，从而导至已调信号的带外衰减较慢。

如果将输入数椐脉冲予先经过低通滤波器滤除高频分量，再送入VCO，必然会减小已调信号的带外辐射。

当低通滤波器为特性如图17-1所示高

斯低通滤波器时，已调信号称为GMSK（GoussionFilteredMSK高斯低通滤波最小移频键

控），其调制解调实验电路见图17-2，其中高斯LPF带宽选择为BtTb=0.5。

GMSK与MSK相

比为频带受限信号，存在固有的码间串扰，故收端最佳检测不能采用积分-采样-清除电路，而应采用LPF滤波后，由本地恢复的位同步时钟在眼图中点采样，以最低的误码率恢复发

DK

D1

端数椐。

收端LPF的带宽Br在（1.5～2）Bt范围内选取，在附加的波形畸变可忽略不计的条件下，Br愈小愈好（滤除噪声效果好）。

本实验箱数椐D1为4阶M序列（在4阶m序列3个连0后再插入1个0所得到），序列长24=16，数码为111101*********0，码速率fb=2kb/s。

发端VCO压控灵敏度及收端鉴频灵敏度已经配合调整到鉴频器输出AFo信号幅度每1Vp_p对应FSK信号频差为1KHz。

则当调整发端电位器使收端解调输出AFo数椐波形最大幅度（连1最大幅度与连0最大幅度之差）为1Vp_p时，频差为1KHz=fb/2，即为GMSK信号；否则为一般相位连续GFSK信号。

收发二端有关点信号波形见图17-3，为便于比较收发二端波形对应关系忽略了发端至收端传输时延。

收端DK2理想的眼图见图17-4，实际眼图存在除发端高斯低通滤波器之外的电路引起的波形畸变及迭加有信道噪声（收发信机内部噪声及外部噪声）。

图17-4眼图

GMSK调制解调另一种常用方法是正交调制解调，它可以保证频差为fb/2的准确性及稳定性，详见资料[1]。

四、实验步骤

1.设置实验箱为GMSK/GFSK调制解调工作方式（按”工作方式”控制面板上K1键至”MODEM”灯亮，再按K3健使K3灯亮），打开BS发射机（“发射机控制”面板上K6开关置ON，K7开关置BS），实验箱内部电路组合成图17-2所示电路。

2.双踪示波器的触发方式设置为：

外触发、DC。

外触发信号接自实验箱”BS测量”或”MS测量”面板触发信号输出端TRI。

双踪示波器二个通道设置为DC、1V/DIV。

3.调整发端送入VCO的数字信号幅度（调整”发射机控制”面板上”幅度”电位器），使收端解调输出信号AFo幅度足够大（1～3Vp_p），以便观测。

按对应时间关系测量并记录发端D1、um及收端AFo、DK1、DK2、CLK、DK波形，测量码速率fb。

4.调整发端”幅度”电位器，使收端解调输出信号AFo数椐波形最大幅度（连1最大幅度与连0最大幅度之差）为1Vp_p时，频差为fb/2，即为GMSK信号；否则为一般相位连续GFSK信号。

5.观测GMSK/GFSK信号眼图。

（1）.双踪示波器二个通道同时观测收端DK2及CLK，由CLK内触发同步。

（2）.调整示波器时基，显示2～3个CLK波形，观测DK2波形的眼图，记录DK2及CLK波形。

五、实验报告要求

1.根椐实验结果，说明GMSK及GFSK调制解调原理。

2.整理眼图波形，说明位同步时钟CLK要对准眼图中点的原因。

实验三接收机、噪声与电波传播损耗

一、实验目的

1．了解超外差接收机电路及特点。

2．了解接收机内部及外部噪声。

3．了解电波传播损耗。

4．了解接收机灵敏度。

5．了解接收机大信号信噪比。

二、实验内容

1．用示波器测量接收机输出噪声。

2．用示波器测量接收机输出S/N。

3．用示波器测量接收机灵敏度。

4．用示波器测量接收机大信号信噪比。

三、基本原理

FM、PM与AM相比具有以下二个优点：

（1）移动信道因多径效应的影响为衰落信道，移动台收到的高频信号严重起伏，衰落深度可达10~30dB。

由于FM和PM信号在振幅上不载有信息，接收机中可采用限幅器来消除衰落的影响而不影响载波频率、相位调制信息的接收。

（2）FM和PM发射高频信号幅度不变，发射功率恒定，接收信号强度中值恒定，有利于信号接收。

因此，大多数模拟移动通信系统都采用FM或PM方式，其中，以FM最为普遍；而数字移动通信系统一般也采用数字FM（FSK、MSK、GMSK）或数字PM（BPSK、QPSK、π/4QPSK）方式。

本实验研究接收机电路、接收机内部噪声及外部噪声。

测量接收机输出噪声及其特性，了解电波传播损耗与传播距离的关系，测量接收机灵敏度及大信号信噪比二个性能指标。

3.1超外差接收机

接收机有直接放大式及外差式两类。

外差式接收机通过混频将接收频率降低为固定的中频，由中放及中频滤波器提供稳定的高增益和良好的选择性，使接收机具有优良性能，因而在各种模拟及数字移动通信系统（例如，模拟FM移动通信系统、数字GSM及N-CDMA移动通信系统等）的接收机中广泛应用。

带中放的外差接收机又称为超外差接收机。

外差接收机存在一种特殊的干扰—镜频干扰。

为抑制镜频干扰必须提高中频频率，通过高放级选频特性滤除镜象频率干扰信号。

但在较高的中频上获得稳定的高增益、良好的选择性及进行解调是困难的。

因此，提出二次混频超外差方案。

第一中频采用高中频，例如10.7MHz、21.4MHz或更高，第二中频采用455KHz等，然后根椐实际采用的载波调制方式对二中频进行解调。

较高的一中频可保证镜频选择性，由较低的二中频提供稳定的高增益、良好的选择性及容易解调。

FM及GSM接收机一般都采用二次混频超外差电路[15]。

当然，随着技术的进步，在较高的中频上实现解调也不是难事，故在CDMA接收机中一般都采用一次混频超外差电路[16]。

图11-1是二次混频超外差FM接收机方框图，一个具体电路见附图1（a）、（b）实验箱收发信机电路图，以附图1（a）为例详细说明。

图11-1二次混频超外差调频接收机方框图

天线A101接收的高频信号经天线底部加感电感L101和双工器DPX101到达接收机高放级。

加感电感L101的作用如下：

天线等效电路为终端开路的l/4传输线，其始端（底部）处于串联谐振。

45/48MHz信号的l/4约为1.6米，实际天线长度远小于l/4，处于容性失谐，故需串联加感电感使天线串联谐振，改善收发效果。

高放级由低噪声结型场效应管Q101及其谐振负载T101、C102等组成。

Q101的低噪声有利于提高整机的灵敏度，其平方律特性可防止产生组合频率干扰，谐振负载的选频特性可抑制镜象频率干扰及中频干扰。

高放后的信号送入Q102等组成的混频级与来自接收机一本振锁相频合VCO（Q103等构成）输出的一本振信号混频，在Q102谐振负载T102次级得到10.7MHz的一中频信号，再经过三端陶瓷滤波器CF101（中心频率10.7MHz，带宽约180KHz）滤除带外干扰及噪声后送至调频中放及解调集成电路MC3361（U102）。

MC3361包括二本振、二混频、二中频限幅放大器、正交相位鉴频器及载波检测等电路。

由16脚输入的一中频信号与1脚输入的10.24MHz二本振信号在二混频器混频得到455KHz二中频信号由3脚输出，经片外455KHz五端陶瓷滤波器CF102滤波后由5脚送入，由二中频放大器限幅放大，然后由正交相位鉴频器解调得到音频信号由9脚输出。

接收机的选择性主要由二中频五端陶瓷滤波器CF102决定，其主要参数如下：

·中心频率：

455KHz

·3dB带宽：

±7KHz

·带外（³±12.5KHz）衰减：

大于45dB

正交相位鉴频器的核心电路是模拟乘法器构成的鉴相器。

限幅放大后的二中频信号分成二路，一路直接送入鉴相器；另一路经8脚外部T103并联谐振电路实现频率/相位变换后作为鉴相器的另一路输入信号。

二路信号鉴相后输出调频解调音频信号。

9脚输出的音频信号分成二路，一路经R125、C127低通滤波器滤除二中频及其谐波分量，得到干净的音频信号送音频放大器U103（LM324）；另一路经R126、R127及C128送至MC3361的10脚。

10脚至11脚之间内部运放与外部元件R124、C125、C126等构成中心频率5~6KHz的有源带通滤波放大器，将9脚输出音频信号带外噪声（大于3.4KHz最高话音频率）放大，经D102、E105等整流滤波后送入12脚进行电压比较，由13脚输出比较结果高/低电平。

当接收机输入C/N高时，MC3361的9脚解调输出音频S/N高，11脚输出带外噪声小，12脚直流电平升高，则13脚输出低电平，指示有载波；反之，13脚输出高电平，指示无载波。

电位器V101用来调节载波检测门限。

送至U103（LM324）的音频信号分成二路，一路经U103B放大后送至接收机测量面板上解调音频输出端AFo，供测量用；另一路由U103A放大后送U103D构成的斯密特触发器整形后送CPU检测接收信令，同时送信令存储显示电路存储（如果该电路打开）。

3.2接收机内部噪声

发射信号经过移动信道传输到达接收机，其质量要受到以下四种因素的影响：

①传输损耗、②衰落、③噪声及④干扰的影响。

噪声分为接收机内部噪声和外部噪声，在衡量接收机本身的噪声性能时，只考虑测量信号源内阻热噪声及接收机内部噪声，而不考虑其它外部噪声。

用接收机灵敏度及大信号信噪比等性能指标来描述。

构成接收机的所有有源及无源元件都会产生噪声（电阻的热噪声，晶体管的散弹噪声等），其中前端电路的噪声要经过后级电路的放大，在输出噪声中占的比重最大，因而前端电路要采用低噪元器件，例如高放及一混频器都应采用低噪声场效应管，以尽量减小接收机内部噪声。

分析接收机的噪声性能，将其划分为解调器及解调器前的接收机前级电路两段来计算。

接收机前级电路是线性的，噪声性能与调制方式无关；而不同调制方式的解调器噪声性能各不相同。

按以上方式，调频接收机噪声性能分为接收机（RX）前级电路及限幅鉴频器两段来计算，如图11-2所示，前者在本小节研究，后者放在3.4节研究。

图11-2中，e为测量射频信号源电动势；R为信号源内阻，与接收机输入阻抗相等（匹配），一般为50Ω，其热噪声电压均方值为

式中，k为波尔兹曼常数（1.38×10-23焦耳/K）；TO为电阻工作温度，通常为室温290K（17OC）；

BN为接收机噪声带宽，近似等于接收机中频带宽。

则接收机输入（载波）信号功率Cin及输入噪声功率Nin为

Cin=（e/2R）2R=e2/4R（11-1a）

（11-1b）

输入信噪比（载噪比）为

Cin/Nin=（e2/4R）/kToBN（11-1c）

设前级电路功率放大倍数为KP，出现在输出端的内部噪声功率为NA。

则接收机输出信号功率Co及输出噪声功率No为

Co=KPCin（11-2a）

No=KPNin+NA（11-2b）

输出信噪比（载噪比）为

Co/No=KPCin/（KPNin+NA）=Cin/（Nin+NA/KP）（11-2c）

接收机噪声系数F定义为

F=（Cin/Nin）/（Co/No）（11-3a）

由以上各式可得噪声系数F的另外二种定义式

F=1+NA/KPNin（11-3b）

No=FKPNin（11-3c）

由式（11-3b）可见，由于接收机内部存在噪声NA，所以F＞1；若无内部噪声，NA=0，则F=1。

由式（11-3c）可见，由于接收机内部存在噪声，所以输出噪声No为放大后的输入噪声KPNin再乘上大于1的噪声系数F。

总之，噪声系数反映了内部噪声的大小。

由式（11-3b）等容易导出，接收机内部噪声NA折算到输入端为

NA＇=NA/KP=（F-1）Nin=（F-1）kToBN（11-4a）

接收机噪声系数的典型值为[8]

F=3～10（dB）=2～10（倍）

代入式（11-4a）得

NA＇=（1～9）kToBN（11-4b）

即接收机折算到输入端的内部噪声NA＇与kToBN同数量级，一些资料[1]将kToBN作为接收机（折算到输入端的）内部噪声的典型值。

3.3接收机外部噪声

式（11-1b）是室温下测量信号源内阻对接收机的额定输入热噪声功率，也近似等于接收机折算到输入端的内部噪声的典型值，称为基准噪声功率。

接收机实际工作时存在许多外部噪声，包括人为噪声（电火花设备等产生）及自然噪声（大气噪声、太阳噪声等）两大类。

外部噪声功率都以基准噪声功率为参考，以等效噪声系数Fa或噪声温度Ta表示，见式（11-5），有实测的曲线可查[1]。

Fa（dB）=10•lg（kTaBN/kToBN）=10•lg（Ta/To）（11-5）

3.4接收机灵敏度与大信号信噪比

图11-2所示限幅鉴频器输入信噪比Sin/Nin（等于接收机前级电路输出载噪比Co/No）与解调后的输出信噪比So/No的关系为[1]

（11-6）

式中，G为制度增益；mf=fm/Fm为调制指数，等于调制频偏fm与调制频率Fm之比。

对于常用的话音FM接收机，mf=fm/Fm=5KHz/3KHz=1.67，代入式（11-6）得

G=14.9（倍）=11.7（dB）（11-7）

由于信号还未解调，故限幅鉴频器输入信噪比常称为载噪比C/N[8]，即

Sin/Nin=C/N（=前端电路的输出载噪比Co/No）

则由式（11-6）、（11-7）可得

So/No（dB）=G（dB）+C/N（dB）

=C/N（dB）+11.7（dB）（11-8）

可见限幅鉴频器的So/No得到很大改善。

由式（11-6）可见，So/No与Sin/Nin成线性关系。

然而实际鉴频器特性在下述二个区域偏离以上线性关系：

、在Sin/Nin下降到某个门限值后，So/No急剧恶化，这就是所谓的鉴频器门限效应。

‚、在Sin/Nin很高时，由于鉴频器之前接收机电路的