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1、扩频通信实验报告中南大学扩频通信实验报告 实验一:扩频与解扩观测实验 时间:4月9号一、实验目的1、了解直截了当序列扩频的原理。2、了解扩频前后信号在时域及频域上的变化、二、实验器材 主控&信号源模块、2号、4号、号模块 各一块双踪示波器 一台 连接线 若干三、实验原理、实验原理框图实验框图、实验框图说明本实验选择【扩频与解扩观测实验】菜单。如框图所示,我们用号模块作为信号源,outMUX输出2K数字信号,送入至4号模块的Z1。14号模块此时完成扩频功能,扩频序列由1号模块内部产生,将开关S1设置为00,开关S2设置为01,即可设置该路扩频序列的码型(测试点为P8序列1)。扩频信号由端口CM1

2、输出。同时,当1号模块的开关设置为1、开关S4设置为000且端口NR2和NRZCL2无信号输入时,端口DMA2输出的伪随机序列与14号模块的扩频序列1相同,本实验中将该序列“CDMA”可作为后续的解扩序列。此时的1号模块完成解扩功能,其中扩频信号从端口“AD输入1”输入,解扩序列从“AD输入2”输入,解扩信号从1号模块的“Dout”输出。该实验【扩频与解扩观测实验】中扩频序列的长度可通过N序列长度设置开关S6进行选择位或16位。当开关S6拨至“127位”时,表示该实验的扩频为15位;当开关6拨至“18位”时,表示该实验的扩频为16位。注:为配合示波器调节,为了较好的对比观测扩频前和扩频后的码元

3、,建议选择16位。四、实验步骤1、按框图所示连线。源端口目标端口连线说明模块:DotX模块:TH3(N1)数据送入扩频单元模块2:BSOU模块1:TH(NZ-CK1)时钟送入扩频单元模块4:TH(CDMA1)模块11:TH2(A输入1)送入解扩单元模块14:H5(DMA2)模块1:TH3(AD输入2)提供解扩序列2、选择主菜单【移动通信】【扩频与解扩观测实验】,此时2号模块DouMUX输出速率为3。3、设置2号模块utMUX的输出码元。可自行设置,比如将号模块的S1设置为1010000,S2、S以及S都设置为0000、用示波器观测DotMUX,即扩频前的波形、4、设置并观察扩频序列。将1号模块

4、的开关6拨至“128位”档位,即选择16位扩频序列、开关S1设置为00,开关S2设置为011,按复位键S7。用示波器观测测试点“TP序列1输出波形、5、用示波器分别接1号模块的Z1 和DMA1,对比观测扩频前和扩频后的输出码元变化。有兴趣的同学能够读出扩频信号中电平扩频输出和电平扩频输出的对应码元。、验证解扩效果、()将开关3设置为0111,开关S4设置为0000,按复位键S7。此时解扩用的序列DM2与扩频序列“TP序列1相同、用示波器分别连接14号模块的NR 和11号模块的Dot,验证波形是否相同,即正常解扩。(2)将开关S和开关S4随意设置为其他码值,按复位键S7、此时解扩用的序列CDM2

5、与扩频序列“TP8序列1”不相同。再用示波器分别连接14号模块的RZ 和11号模块的Do,验证是否还能解扩。五、实验结果及分析 在实验6(1)中解扩前后码型一致,但在实验6(2)中,解扩用的序列和扩频序列不同时,不能正确解扩、扩频通信的实验关键在于相关解扩,伪随机码要保持一致。 实验二:m序列、Gld序列产生及特性分析实验时间:4月9号一、实验目的1、了解m序列、God序列的特性及产生。二、实验器材1、主控信号源模块、1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、m序列实验原理框图m序列相关性实验框图 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

6、应位码元不同的数目。自相关系数为关于m序列,其码长为P=2,在这个地方P也等于码序列中的码元数,即“0”和“”个数的总和、其中“0”的个数因为去掉移位寄存器的全“”状态,因此A值为 “”的个数(即不同位)D为序列的自相关系数为m序列的自相关函数、od序列 实验原理框图Gol序列相关特性实验框图实验框图说明尽管序列有优良的自相关特性,然而使用m序列作CDM(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特别少,关于多址应用来说,可用的地址数太少了、而d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。G

7、old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 设置主控菜单,选择【移动通信】【序列产生及特性分析】。 将14号模块的拨码开关S1、S2、S3、S4全拨为“000 (设置完各个开关按下7,使模块工作于设置功能)。将开关S6拨至“27位”,设置PN序列长度为127位。 观测测试点G1或2,了解m序列波形。 观测T9(相关函数值)测试点,了解m序列自相关特性。 2、Gold序列 设置主控菜单,选择【移动通信】【Gld序列产生及特

8、性分析】、将14号模块的拨码开关S1、S4全拨为“000。将开关S6拨至“12位,设置序列长度为27位。 设置S2为01,使G1输出一种Gl序列;设置3为000,使G2输出ld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)。 观测测试点G1及G2,了解GOLD序列波形;观测H9(相关函数值)测试点,了解GOLD序列自相关特性、 设置S2为001,使G1输出一种Gl序列。设置S3为01,使G输出Gold序列与G不相同(设置完各个开关按下S,使模块工作于设置功能)。 观测测试点G1及2,了解GOL序列波形;观测TH9(相关函数值)测试点,了解GLD序列互相关特性。五、实验结果及分析

9、通过实验结果能够看到m序列和Gold序列具有良好的自相关特性,然而m序列的地址数太少;old序列集成了良好的自、互相关特性和特别多的地址数,因而得到更广泛的应用。 实验三:综合实验DMA扩频通信系统实验时间:月23号一、实验目的1、了解CDMA通信系统架构及特性。二、实验器材 主控&信号源、2、12、10、1、4、号模块 各一块双踪示波器 一台 连接线 若干三、实验原理1、扩频实验原理框图14号模块框图2、14号模块框图说明信号源序列经过14号模块扩频处理,再加到号模块的调制端,形成扩频调制信号发送出去。其中,从4号模块能够看到扩频码能够通过拨码开关设置为m序列、old序列。将“序列”或“序列

10、2”设置为m序列、Gold序列的方法是:(1)设置为m序列:将拨码开关S、S2、S3、S4都设置成0000,则测试点“序列1”与G1、PN1一致,测试点“序列2”与G2、P3一致,都为m序列输出。(2)设置为Gol序列:将拨码开关S、S4都设置成0000,将拨码开关S、S3拨为非全0即可,则测试点“序列1”与G1一致是由P1和P2合成而得,测试点“序列与2一致是由PN4和PN3合成而得,“序列1”和“序列2”此时为GD序列输出。3、5号模块框图15号模块框图、解扩实验框图说明CMA接收模块用于扩频通信系统的接收端。处于接收部分的最前端,其解扩的信号会送到解调模块进行解调。DMA接收模块主要是解

11、决两个问题、第一是序列的同步问题,由于扩频序列的自相关性,当序列在非同步情况下是无法获取有用信息的、第二是时钟同步问题,由于接收端产生解扩序列的时钟与发送端是非同步的。因此,当序列同步,假如时钟不同步,序列会逐渐产生偏差,最终失步。只有序列和时钟都达到同步,才能完成解扩。模块包含如下4大功能:()捕获支路:用来捕获扩频序列,达到序列同步的状态。(2)跟踪支路:用来进行时钟同步。(3)序列产生单元:产生解扩序列,序列产生可受滑动控制单元控制,是序列相位滑动。(4)滑动控制单元:产生序列的滑动控制脉冲信号、该脉冲信号由前面的门限判决信号控制,当门限判决输出为高时,说明序列差不多捕获,滑动控制单元停

12、止产生滑动控制脉冲信号;当门限判决输出为低时,说明序列未捕获,滑动控制单元产生滑动控制脉冲信号、模块端口名称、可调参数及说明如下所述:模块端口名称端口说明捕获支路同步序列输出解扩序列解扩输出输出解扩信号,是BK的数字调制信号相关1同步序列与扩频信号相关计算输出512解扩序列的时钟信号跟踪支路接收天线解扩天线接收端口扩频信号输入解扩同轴电缆输入端口超前序列与同步序列相比相位超前12码元滞后序列与同步序列相比相位滞后/2码元相关超前序列与扩频信号相关计算输出相关3滞后序列与扩频信号相关计算输出压控电压控制压控晶振频率变化的信号()增益调节:调节天线接收小信号放大的增益。(2)判决门限调节:调节相关

13、峰的判决门限(由于接收信号幅度不同,相关峰的幅值也有所不同)。()压控偏置调节:调节压控晶振的中心频率。(4)P序列长度设置:设置P序列长度为27或128位。(5)PN初始状态设置:设置PN序列初始状态、5、实验系统框图CDMA发射系统框图CDMA接收系统框图注:DMA扩频通信系统中,接收端依照不同扩频序列,来捕获跟踪不同码道上的信息。、实验系统框图说明我们扩频通信的实现机理为:CDMA扩频通信发送端是将模拟音频源先通过12号模块压缩成数字信号,再将数字信源与高速率扩频码(比如Gold序列或m序列)相乘,经过调制电路将扩频后的信号搬移到一个适当的频段进行传输,然后功放电路无线发射出去;CDA扩

14、频通信接收端是将天线接收的信号先经过小信号放大处理,再通过捕获、跟踪扩频码来进行同步解扩,并提取解调所需同步载波,最后经过解调以及码元再生电路,还原输出原始信源的数字码型,最后通过号模块的语音解压缩功能还原出原始的模拟信号。关于数字信源的传输,则CDM接收系统框图中略去发送前端的语音压缩和接收后端的语音解压缩即可。这个地方,我们以传输模拟信号和数字信号两路信号为例,搭建扩频通信系统。四、实验步骤概述:该项目主要是通过自行搭建CDMA扩频通信系统,认识和掌握CDMA通信系统的框架以及相关原理知识点。(一)搭建CDA发射系统、该系统中有两路信号源,一路是主控信号源模块提供的PN数字序列,另一路是1

15、号模块的麦克输入的音频模拟信号。音频信号经1号模块的编码压缩处理后输出K数字信号。PN序列此时的速率也是8K。、关电,按表格所示,完成CDMA通信系统发送端的连线。先将话筒接入到1号模块的话筒接口,作为模拟源、源端口目的端口连线说明模块12:TH(编码时钟)模块14:H1(NRZCLK1)提供第一路时钟模块12:H5(编码输出)模块1:H3(R1)提供第一路数据信号源:CK模块14:T6(RZCL2)提供第二路时钟信号源:N模块4:TH(RZ)提供第二路数字数据模块14:T4(CDMA1)模块10:TH3(DIN1)送入PSK成形滤波模块1:TH5(CDMA)模块1:TH(DIN2)送入DBP

16、K成形滤波模块1:TH7(IUT)模块1:TH6(-IN)I路成形信号送入调制模块10:TH(QT)模块1:H8(IN)Q路成形信号送入调制2、设置14号模块上两路信号的不同扩频码序列:拨码开关2为001,拨码开关3为10,拨码开关和4全置为0,序列长度设置开关设置为127位、此时第一路扩频信号CDMA1则对应开关1为01的扩频码序列,第二路扩频信号CMA2则对应开关2为0010的扩频码序列。(注:待系统开电后需按复位键S7,以便系统加载14号模块的拨码开关的对应码值功能、)注:有兴趣的同学能够设置1号CMA发送模块上两路不同扩频序列,保证二者不同即可,同时在后面的接收端也应注意接收不同码道信

17、息而对应设置不同的扩频码、此时DMA发射系统的信号输出端口为:10号模块的(调制输出),以及经过功放后的P2(发射天线)。(二)搭建CMA接收系统并联调。本实验中可依照所需接收的信号搭建接收系统。用于接收PN序列的系统和用于接收麦克音频信号的系统在实验连线上有些许联系和区别。(注:为方便系统的调试,建议先搭建用于接收P序列的CDMA接收系统。)1、搭建用于接收P序列的接收系统并联调、(1)按下面表格所示,完成用于接收PN数字信号的DM接收系统的连线。依照发送端的拨码情况,设置接收端1号CDMA接收模块中拨码开关=00,拨码开关S=0。(注:待系统开电后需按复位键,以便系统加载5号模块的拨码开关

18、的对应码值功能。)源端口目的端口连线说明模块10:P1(调制输出)模块1:J4(扩频信号输入)将扩频信号送入解扩单元模块15:J3(解扩输出)模块11:1(解调输入)送入解调单元()开电,设置主控菜单,选择【移动通信】【CDMA扩频通信系统实验】。按14号模块和1号模块的复位开关。此时信号源的N序列和12号模块的编码输出都为8K数字信号,作为扩频前的信号源、系统接收端用于恢复序列、()联调系统,直至11号模块的out与信号源的码型一致。联调操作说明:用示波器探头分别接信号源P和11号模块的Dout,并以连接P序列的探头作为触发源。联调过程中应注意对比观测Du和PN的码元。先慢慢调节号模块的判决

19、门限调节旋钮2,注意捕获指示灯LED1的变化,捕获指示灯应从灭、到闪、然后保持长亮即可、(有兴趣的同学此时能够观察一下测试点“相关1”的变化情况。当指示灯灭时,“相关1”有相关峰出现,表明此时解扩码的码型与扩频码相同然而相对滑动的,相对滑动的序列无法用于后续解扩。当接着调节W至指示灯长亮时,“相关”的相关峰消失,表明此时解扩码与扩频码同步了,此时关于码型相同且同步的解扩码则可用于后续解扩、)然后缓慢调节11号模块的W,1主要用于相干解调时所需载波的相位调整,微调W时应关注Dout输出码元的变化,并和N序列比较;调节过程中可配合按一下复位开关S3让系统重新识别载波相位、最后直到11号模块的out

20、与信号源PN的码型一致。2、搭建用于接收音频信号的接收系统并联调。在用于接收P序列的接收系统的基础上增加若干连线,即可搭建成用于接收音频信号的接收系统、并按下表所示增加的实验连线:(1)依照发送端的拨码情况,先设置接收端5号CA接收模块中拨码开关1=001,拨码开关4=000。(注:待系统开电后需按复位键S,以便系统加载1号模块的拨码开关的对应码值功能。)并按下表所示,增加实验连线:源端口目的端口连线说明模块11:TH5(BSut)模块12:T4(译码时钟)提供译码时钟信号模块1:TH4(Dout)模块12:3(译码输入)送入信源译码单元将耳机插入接收端的号模块的耳机接口。()参考用于接收PN

21、序列的接收系统的操作步骤和联调方法,完成音频信号传输,用耳机感受话音效果。注意,2号模块的复位键S用于处理语音压缩编码和译码时序,在系统开电联调过程中需按一下复位键S1、建议:可先用PN序列作为信源,将本路扩频与解扩系统调通,再用12号模块的编码输出信号替换数字信号。(三)搭建无线收发系统、(选做)步骤(一)(二)完成的是DA有线通信系统。若想搭建CDA无线通信系统,只需做如下调整。()除去以下连线:源端口目的端口连线说明模块10:P1(调制输出)模块15:J4(扩频信号输入)将扩频信号送入解扩单元()分别将10号模块的P2(发射天线)和15号模块的J(接收天线)接拉杆天线。注:系统联调时,建

22、议先以有线通信系统进行联调,再转为无线收发。适当顺时针调节15号模块的增益调节旋钮W1(用于接收信号的前级放大),再参考步骤(一)(二)中操作说明和联调方法,尝试调通整个无线收发系统、注:本实验中虽没有涉及2号模块的连线,但应将2号模块也开电。2号模块的DoutMUX和BOUT也可作为扩频输入端的数字信号和时钟信号,替代PN序列或替代12号模块的编码输出。五、实验结果及分析 经过调试,确实能够通过耳机听到在麦克风中输入的声音,而且较为清楚,这说明CDMA扩频通信系统能够较好地实现信息的传输。该实验的难点在与联调系统中调节11号模块的Dout与信号源P的码型一致,只要联调系统调试成功,语音信号的

23、传输会进行地比较顺利。实验四:FHCDMA(跳频码分多址)通信系统实验时间:4月23号一、实验目的1、了解跳频(FH)通信系统架构及特性、二、实验器材1、主控信号源、1、0、1、16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、实验原理框图跳频通信系统实验原理框图2、实验框图说明跳频通信系统发送端是将模拟信号源经过12号模块语音压缩转换成数字信号,然后通过1号模块的调制功能,将信号搬移到高频上进行传输,再与跳频信号发生器的信号进行混频,形成跳频信号输出;跳频的方法是把一个宽频段分成若干个频率间隔(称为频道或频隙),发信机在某一特定的事件间隔中,用哪一个频道发信号,是由一个伪

24、随机序列控制的。跳频通信系统接收端是将跳频信号送入解跳频单元,收信机的本地振荡信号频率假如能与输入信号的频率按同一规律同步地跳变,那么,经过变频以后,得到的中频信号将把原来的频率跳变解除,也称解跳或去跳。解调后的信号再经过1号模块的解调功能,完成数字信号的解调输出,最后通过12号模块的语音解压缩功能,将原始模拟信号还原出来、3、模块原理框图跳频模块原理框图4、模块框图说明模块中按键开关S2能够切换设置跳频序列,不同的跳频序列表示不同的频点变化情况;开关1能够选择频点的跳变速度,可分为1跳和跳/S两种、跳频模块发射部分:10。7M已调信号,送入跳频模块中与跳频载波进行混频,由带通滤波器选出跳频信

25、号,放大后输出。跳频模块接收部分:跳频信号送入跳频模块中与跳频载波进行混频,由带通滤波器选出10、M固定频率已调信号,放大后输出,完成解跳频、跳频本振源部分:由单片机控制PL(锁相环电路)的分频器,由PLL电路输出跳频载波。可输出7个频率点,频率分别为:1、3231M、21、692、。4154M、2、4615、2。077、21。8M、1、600M。由按键控制频点跳变顺序。中心频率为1、7M的已调信号与跳频本振源混频后,选出差频信号,中心频率分别为:0。62M、。669M、10。154M、1、7615M、10、8077、10。58M、0。9000M,对应信道号分别为7,信道间隔约为4KHz、跳频

26、相关知识扩频信号是一种经过伪随机码序列调制的宽带信号,其带宽通常比原始信号的带宽高几个量级、常用的扩频信号有两类:跳频信号和直截了当序列扩频信号(简称直扩信号)。跳频的方法是把一个宽频段分成若干个频率间隔(称为频道或频隙),发信机在某一特定的事件间隔中,用哪一个频道发信号,是由一个伪随机序列控制的。收信机的本地振荡信号频率假如能与输入信号的频率按同一规律同步地跳变,那么,经过变频以后,得到的中频信号将把原来的频率跳变解除,也称解跳或去跳、下图是跳频通信系统的原理框图、图()为跳频发射系统,图(b)为跳频接收系统。跳频系统原理框图跳频系统主要是由码产生器和频率合成器两部分组成。快速响应的频率合成

27、器是跳频系统的关键部件。跳频系统有慢跳和快跳两种,简述如下:假设数据调制采纳频移键控调制,是一个信息比特宽度,每秒数据调制器输出频率中的一个。每隔秒跳频调制器把数据调制器输出的频率变换到一个新的频率。若,则此跳频系统称为慢跳系统。在慢跳频系统中,跳频速度比数据调制器输出符号变化速度慢。假如在每个符号中频率跳变多次,如此的跳频系统称为快跳系统。在跳频系统中,频率跳变数和跳变率主要决定下列三个因素:(1)欲传送的信息类型及信息率。()要求的冗余度。(3)同最近的潜在干扰器的距离、跳频系统可用多个频率解决传输信息的误码率。为了减小误码率可用多个频率传送一个比特的信息,收信机依照参数原则进行判决,例如

28、“5中择3”判决。用5个频率传输一个比特的信息,只要收到个正确频率就认为接收的是正确信息,而不管另两个频率是否正确。这增加了冗余度,但比起简单跳频系统抗干扰性能提高了三个量级,而跳变频率要提高倍。从减小误码率出发,要每比特信息送出的频率数越多越好,但这要受到频率合成器带宽和频率容量的限制。影响跳频速率选择的另一个因素是不同方向的同频信号的干扰。如此的信号估计来自多路径或应答式干扰、在大多数情况下,到达收信机的多路径信号远小于有用信号,因此,对多路径信号一般可不考虑。应答式干扰机在收到跳频信号后,对它先放大再用噪声调制,或者在干扰者明白跳变编码时发射补码信号,这都会引起严重干扰。为了对付这一威胁,频率跳变率必须大于1/(T-T),这个地方T是从跳频发信机到干扰机,再从干扰机到接收机的总传输时间,Td是直达信道传输时间。在这种情况下,就能够保证当干扰信号到达收信机时,有用信号已跳到另一个新频率。概括起来说,跳变频率具有如下特点:(1)从干扰机理来说,跳频系统不同于扩频系统。扩频系统是将干扰能量均匀地分配在被扩展的频带上从而降低干扰的功率谱密度,而有用信号经解扩处理后能量集中于信息带宽内、跳频系统只有当干扰频率正处于跳频频道上时才能起到干扰作用。因此,瞄准式干扰对跳频系统作用不大,而对扩频系统系统有严