扩频通信实验报告.docx

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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、了解直接序列扩频的原理。

2、了解扩频前后信号在时域及频域上的变化。

二、实验器材

⒈主控&信号源模块、2号、14号、11号模块各一块

⒉双踪示波器一台

⒊连接线假设干

三、实验原理

1、实验原理框图

实验框图

2、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2号模块作为信号源，DoutMUX输出32K数字信号，送入至14号模块的NRZ1。

14号模块此时完成扩频功能，扩频序列由14号模块部产生，将开关S1设置为0000，开关S2设置为0111，即可设置该路扩频序列1的码型〔测试点为TP8序列1〕。

扩频信号由端口CDMA1输出。

同时，当14号模块的开关S3设置为0111、开关S4设置为0000且端口NRZ2和NRZ-CLK2无信号输入时，端口CDMA2输出的伪随机序列与14号模块的扩频序列1一样，本实验中将该序列“CDMA2〞可作为后续的解扩序列。

此时的11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11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PN序列长度设置开关S6进展选择15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S6拨至“128位〞时，表示该实验的扩频为16位。

注：

为配合示波器调节，为了较好的比照观测扩频前和扩频后的码元，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2：

DoutMUX

模块14：

TH3（NRZ1）

数据送入扩频单元

模块2：

BSOUT

模块14：

TH1（NRZ-CLK1）

时钟送入扩频单元

模块14：

TH4（CDMA1）

模块11：

TH2（AD输入1）

送入解扩单元

模块14：

TH5（CDMA2）

模块11：

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DoutMUX输出速率为32K。

3、设置2号模块DoutMUX的输出码元。

可自行设置，比方将2号模块的S1设置为10100000，S2、S3以及S4都设置为00000000。

用示波器观测DoutMUX，即扩频前的波形。

4、设置并观察扩频序列。

将14号模块的开关S6拨至“128位〞档位，即选择16位扩频序列。

开关S1设置为0000，开关S2设置为0111，按复位键S7。

用示波器观测测试点“TP8序列1〞输出波形。

5、用示波器分别接14号模块的NRZ1和CDMA1，比照观测扩频前和扩频后的输出码元变化。

有兴趣的同学可以读出扩频信号中1电平扩频输出和0电平扩频输出的对应码元。

6、验证解扩效果。

〔1〕将开关S3设置为0111，开关S4设置为0000，按复位键S7。

此时解扩用的序列CDMA2与扩频序列“TP8序列1〞一样。

用示波器分别连接14号模块的NRZ1和11号模块的Dout，验证波形是否一样，即正常解扩。

〔2〕将开关S3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CDMA2与扩频序列“TP8序列1〞不一样。

再用示波器分别连接14号模块的NRZ1和11号模块的Dout，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、Gold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、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、连接线假设干

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为对应位码元一样的数目；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存放器的全“0〞状态，所以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，但是使用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，构造简单，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、码时钟速率一样的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到达互相关值下限〔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G1一样（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不一样（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、实验结果及分析

通过实验结果可以看到m序列和Gold序列具有良好的自相关特性，但是m序列的地址数太少；Gold序列集成了良好的自、互相关特性和非常多的地址数，因而得到更广泛的应用。

实验三：

综合实验

CDMA扩频通信系统实验

时间：

4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

⒈主控&信号源、2、12、10、11、14、15号模块各一块

⒉双踪示波器一台

⒊连接线假设干

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。

其中，从14号模块可以看到扩频码可以通过拨码开关设置为m序列、Gold序列。

将“序列1〞或“序列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S1、S2、S3、S4都设置成0000，那么测试点“序列1〞与G1、PN1一致，测试点“序列2〞与G2、PN3一致，都为m序列输出。

〔2〕设置为Gold序列：

将拨码开关S1、S4都设置成0000，将拨码开关S2、S3拨为非全0即可，那么测试点“序列1〞与G1一致是由PN1和PN2合成而得，测试点“序列2〞与G2一致是由PN4和PN3合成而得，“序列1〞和“序列2〞此时为GOLD序列输出。

3、15号模块框图

15号模块框图

4、解扩实验框图说明

CDMA接收模块用于扩频通信系统的接收端。

处于接收局部的最前端，其解扩的信号会送到解调模块进展解调。

CDMA接收模块主要是解决两个问题。

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，如果时钟不同步，序列会逐渐产生偏差，最终失步。

只有序列和时钟都到达同步，才能完成解扩。

模块包含如下4大功能：

〔1〕捕获支路：

用来捕获扩频序列，到达序列同步的状态。

〔2〕跟踪支路：

用来进展时钟同步。

〔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，说明序列已经捕获，滑动控制单元停顿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BSPK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

512K

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1/2码元

滞后序列

与同步序列相比相位滞后1/2码元

相关2

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

〔1〕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〕。

〔3〕压控偏置调节：

调节压控晶振的中心频率。

〔4〕PN序列长度设置：

设置PN序列长度为127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：

CDMA扩频通信系统中，接收端根据不同扩频序列，来捕获跟踪不同码道上的信息。

6、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〔比方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展传输，然后功放电路无线发射出去；CDMA扩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、跟踪扩频码来进展同步解扩，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，复原输出原始信源的数字码型，最后通过12号模块的语音解压缩功能复原出原始的模拟信号。

对于数字信源的传输，那么CDMA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。

这里，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：

该工程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CDMA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12号模块的麦克输入的音频模拟信号。

音频信号经12号模块的编码压缩处理后输出8K数字信号。

PN序列此时的速率也是8K。

1、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12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：

TH6（编码时钟）

模块14：

TH1（NRZ-CLK1）

提供第一路时钟

模块12：

TH5（编码输出）

模块14：

TH3（NRZ1）

提供第一路数据

信号源：

CLK

模块14：

TH6（NRZ-CLK2）

提供第二路时钟

信号源：

PN

模块14：

TH2（NRZ2）

提供第二路数字数据

模块14：

TH4（CDMA1）

模块10：

TH3（DIN1）

送入DBPSK成形滤波

模块14：

TH5（CDMA2）

模块10：

TH2（DIN2）

送入DBPSK成形滤波

模块10：

TH7（I-OUT）

模块10：

TH6（I-IN）

I路成形信号送入调制

模块10：

TH9（Q-OUT）

模块10：

TH8（Q-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S2为0001，拨码开关S3为0010，拨码开关S1和S4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那么对应开关S1为0001的扩频码序列，第二路扩频信号CDMA2那么对应开关S2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：

有兴趣的同学可以设置14号CDMA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息而对应设置不同的扩频码。

此时CDMA发射系统的信号输出端口为：

10号模块的P1〔调制输出〕，以及经过功放后的P2〔发射天线〕。

〔二〕搭建CDMA接收系统并联调。

本实验中可根据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PN序列的CDMA接收系统。

〕

1、搭建用于接收PN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CDMA接收系统的连线。

根据发送端的拨码情况，设置接收端15号CDMA接收模块中拨码开关S1=0010，拨码开关S4=0000。

〔注：

待系统开电后需按复位键S2，以便系统加载15号模块的拨码开关的对应码值功能。

〕

源端口

目的端口

连线说明

模块10：

P1（调制输出）

模块15：

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：

P1（解调输入）

送入解调单元

〔2〕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15号模块的复位开关。

此时信号源的PN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PN序列。

〔3〕联调系统，直至11号模块的Dout与信号源PN的码型一致。

联调操作说明：

用示波器探头分别接信号源PN和11号模块的Dout，并以连接PN序列的探头作为触发源。

联调过程中应注意比照观测Dout和PN的码元。

先慢慢调节15号模块的判决门限调节旋钮W2，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。

〔有兴趣的同学此时可以观察一下测试点“相关1〞的变化情况。

当指示灯灭时，“相关1〞有相关峰出现，说明此时解扩码的码型与扩频码一样但是相对滑动的，相对滑动的序列无法用于后续解扩。

当继续调节W2至指示灯长亮时，“相关1〞的相关峰消失，说明此时解扩码与扩频码同步了，此时对于码型一样且同步的解扩码那么可用于后续解扩。

〕然后缓慢调节11号模块的W1，W1主要用于相干解调时所需载波的相位调整，微调W1时应关注Dout输出码元的变化，并和PN序列比拟；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Dout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PN序列的接收系统的根底上增加假设干连线，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〕根据发送端的拨码情况，先设置接收端15号CDMA接收模块中拨码开关S1=0001，拨码开关S4=0000。

〔注：

待系统开电后需按复位键S2，以便系统加载15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（BS-out）

模块12：

TH4（译码时钟）

提供译码时钟信号

模块11：

TH4（Dout）

模块12：

TH3（译码输入）

送入信源译码单元

将耳机插入接收端的12号模块的耳机接口。

〔2〕参考用于接收PN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，12号模块的复位键S1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CDMA有线通信系统。

假设想搭建CDMA无线通信系统，只需做如下调整。

〔1〕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

〔2〕分别将10号模块的P2（发射天线）和15号模块的J2（接收天线）接拉杆天线。

注：

系统联调时，建议先以有线通信系统进展联调，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BSOUT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，确实可以通过耳机听到在麦克风中输入的声音，而且较为清晰，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PN的码型一致，只要联调系统调试成功，语音信号的传输会进展地比拟顺利。

实验四：

FH-CDMA〔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、12、10、11、16号模块各一块

2、双踪示波器一台

3、连接线假设干

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10号模块的调制功能，将信号搬移到高频上进展传输，再与跳频信号发生器的信号进展混频，形成跳频信号输出；跳频的方法是把一个宽频段分成假设干个频率间隔〔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。

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如果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11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，将原始模拟信号复原出来。

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可以切换设置跳频序列，不同的跳频序列表示不同的频点变化情况；开关K1可以选择频点的跳变速度，可分为10跳/S和1跳/S两种。

跳频模块发射局部：

10.7M已调信号，送入跳频模块中与跳频载波进展混频，由带通滤波器选出跳频信号，放大后输出。

跳频模块接收局部：

跳频信号送入跳频模块中与跳频载波进展混频，由带通滤波器选出10.7M固定频率已调信号，放大后输出，完成解跳频。

跳频本振源局部：

由单片机控制PLL〔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：

21.3231M、21.3692M、21.4154M、21.4615M、21.5077M、

21.5538M、21.6000M。

由按键S2控制频点跳变顺序。

中心频率为10.7M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：

10.6231M、10.6692M、10.7154M、10.7615M、10.8077M、10.8538M、10.9000M，对应信道号分别为1-7，信道间隔约为46KHz。

5、跳频相关知识

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：

跳频信号和直接序列扩频信号〔简称直扩信号〕。

跳频的方法是把一个宽频段分成假设干个频率间隔〔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如果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。

以下图是跳频通信系统的原理框图。

图〔a〕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局部组成。

快速响应的频率合成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：

假设数据调制采用频移键控调制，

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。

假设

，那么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。

如果在每个符号中频率跳变屡次，这样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以下三个因素：

〔1〕欲传送的信息类型及信息率。

〔2〕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，收信机根据参数原那么进展判决，例如“5中择3〞判决。

用5个频率传输一个比特的信息，只要收到3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3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。

这样的信号可能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，或者在干扰者知道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/（Tτ－Td），这里Tτ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，就可以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。

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重威胁。

〔2〕易于解决邻近强电台的干扰，即所谓远近效应。

〔3〕具有多址和高的频带利用率。

〔4〕易于和其它扩频系统结合构成混合扩频系统。

〔5〕信息调制方式灵活，易于和现有常规通信体制兼容。

〔6〕由于用很多很多频率辐射，可以提高频率分集的效果。

四、实验步骤

概述：

该工程主要是通过自行搭建跳频通信系统，认识和掌握跳频通信系统的框架以及相关原理知识点。

1、关电，按表格所示，完成跳频通信系统连线。

先将话筒接入到12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：

TH6（编码时钟）

模块10：

TH1（B