第三章 系统实验部分.docx
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第三章系统实验部分
第三章系统实验部分
实验一手机入网、手机主呼和手机被呼实验
一、实验目的
通过本实验了解手机入网,手机主呼和被呼的接续过程以及手机主呼接续过程中的信令交互。
二、实验器材
1、逻辑分析仪
2、GSM移动通信系统实验箱
三、实验原理
1、移动台入网
在GSM实验箱中,移动入网只有移动台MS和网络(这里是指实验箱),入网过程示于图3-1-1。
MS网络
RACH信道入网请求
AGCH信道入网请求确认
SABM
UA
UI
更新接受
SDCCHRR
信道识别请求
识别响应
信道释放
断连
UA
图3-1-1移动台入网示意图
移动台开机后,自动搜索并接收BCCH信道载波,找到最强的一个,通过读取广播控制信道(BCCH)中的频率校正信道(FCCH)来协调自己的频率合成器与载波完成同步。
移动台再在此频率上读取同步信道(SCH)中的信息,并解出基站的BSIC,并同步到超高帧TDMA帧号上,此时手机就与基站在时间上同步了。
同时在BCCH上读出基站的识别码,网络代号以及位置区标志。
本实验箱的位置区标志为001-01。
当搜索到位置区标志后,移动台在上行链路的随机接入信道RACH中向基站发入网请求。
当基站在上行链路的RACH信道中检测到入网请求后,在下行链路上的AGCH信道上向移动台发允许入网请求(即入网请求确认)信息,并分配给手机一个独立控制信道(SDCCH)。
移动台在下行链路的AGCH信道上收到入网请求确认信号后,在上行的SDCCH上发“SABM”信息,此信息中包含移动台的国际移动用户识别码(IMSI)。
基站收到“SABM”后发一个确认信息“UA”,移动台收到“UA”后返回一个“UI”进行确认。
基站收到“UI”后向移动台发“更新接受信息”,基站允许移动台入网。
移动台入网成功后返回一个确认信息“RR”,基站收到确认信息“RR”后,确定移动台已入网,同时向移动台发“识别请求”信令,要求移动台发送国际移动设备识别码(IMEI)。
移动台收到“识别请求”后向基站发送IMEI码,基站在收到IMEI码后在下行的SDCCH上发一个“信道释放”信令,移动台收到“信道释放”信令后,响应此命令,向基站发断连信息。
基站收到断连信息后向移动台发一个确认信令“UA”,释放SDCCH信道,至此移动台入网接续过程全部完成。
移动台和基站在慢速随路控制信道(SACCH)上交互控制功率大小和时间提前量的信令,至此,移动台才作好应答呼叫或发起呼叫的准备。
移动台处于空闲等候状态时,监听广播信道(BCCH)和公共控制信道(CCCH)。
若移动台因故未收到确认信息,则此次申请失败,可以重复发送三次申请,每次间隔至少是10秒。
移动台入网成功时在移动台的LCD界面上显示GSM实验箱的网号“001-01”。
实验箱的LCD界面上显示移动台的IMEI和IMSI码。
2、移动台主呼
移动台主呼的正常接续过程如图3-1-2所示
MS网络
RACH信道信道请求
AGCH信道立即分配指令
SABM
UA
UI
识别请求
识别响应
SDCCH业务接受
信道建立呼叫请求
呼叫进程指令
RR
信道指配指令
SABM
UA
信道指配完成
FACCH回铃音
TCH信道RR
信道连接指令
连接确认
通话
图3-1-2移动台主呼的接续过程
当移动台(MS)在随机接入信道(RACH)上,向基站(BS)发出“信道请求”信息时,若基站能成功地检测到此信息,就给这个移动台分配一个“专用控制信道(SDCCH)”,即在“准许接入信道(AGCH)”上,向移动台发“立即分配”指令。
移动台在发起呼叫的同时,设置一定时器,在规定的时间内重复呼叫三次。
如果按预定的次数重复呼叫,收不到基站的应答,则放弃这次呼叫。
移动台收到“立即分配”指令后,利用分配的独立专用控制信道(SDCCH)与基站建立起信令链路。
移动台在SDCCH上发“SABM”命令,“SABM”命令内包含业务请求信令和移动台的IMSI码。
基站收到SABM请求后,向移动台发一个确认信息“UA”,确认收到“业务请求”信息。
移动台收到“UA”后返回一个确认信息“UI”。
基站收到“UI”后向移动台发“识别请求”信令,要求移动台发送国际移动设备识别码(IMEI)。
移动台收到“识别请求”后向基站发送IMEI码。
基站收到IMEI码后,向移动台发“业务请求接受”信令。
移动台收到“业务接受”信令后发“建立呼叫请求”信息,“建立呼叫请求”中包含所呼叫的号码。
基站收到“建立呼叫请求”向移动台发“呼叫进程”指令。
移动台收到“呼叫进程”指令后返回一个确认信号“RR”。
基站收到确认信号“RR”后向移动台发“信道指配”指令,在“信道指配”指令中包含给移动台分配一个TCH信道。
至此移动台从控制信道转到分配的业务信道上。
在GSM实验箱中,分配的业务信道为第四时隙。
当移动台得到业务信道时,在业务信道的FACCH信道上向基站发“SABM”信息表明已收到指配指令。
基站返回一个对“SABM”信息的确认信息“UA”,移动台收到“UA”后返回“信道指配完成”信息。
基站收到“信道指配完成”信息后给移动台发送回铃音,移动台收到回铃音后向基站返回一个确认信息“RR”,基站收到确认信息“RR”后向移动台发“连接”指令,待移动台发回“连接”确认后,即转入通话状态。
当通话完成后,进入呼叫清除,释放业务信道阶段,这些工作仍在业务信道上完成。
呼叫清除既可以由基站启动,也可以由移动台启动,清除过程如图3-1-3的a和b所示:
MS断连网络MS断连网络
释放释放
释放完成FACCH释放完成
信道释放信道信道释放
断连断连
UAUA
(a)由基站启动呼叫清除(b)由移动台启动呼叫清除
图3-1-3呼叫清除过程
由基站启动呼叫清除时,由基站发“断连”信令给移动台。
移动台收到断连信令后返回一个“释放”信息。
基站收到移动台的“释放”信息后向移动台发“释放完成”信息,同时发“信道释放”信令。
移动台收到“信道释放”信令后向基站发“断连”信息,表示准备释放业务信道。
基站收到“断连”信息后向移动台发确认信息“UA”,同时释放业务信道,转至控制信道。
移动台收到确认信息“UA”后释放业务信道转入控制信道。
由移动台启动呼叫清除过程与基站启动呼叫清除过程类似。
3、移动台被呼
移动台被呼的正常接续过程如图3-1-4所示:
移动台被呼接续过程也即基站主呼接续过程。
当基站主叫时,基站根据移动台入网时保存的移动台的IMSI码在下行的寻呼信道(PCH)上发送“寻呼请求”信令。
移动台收到“寻呼请求”信令后,在上行的随机接入信道(RACH)上发“信道请求”信息。
基站收到“信道请求”信息后,向移动台发送“立即指配”指令,“立即指配”指令中包含有分配的SDCCH信道。
移动台在分配的SDCCH信道上向基站发“寻呼响应”(SABM)信息,SABM中包含有移动台的IMSI码。
基站收到“SABM”信息后向移动台发确认信息“UA”,移动台收到“UA”后返回一个确认信息“UI”。
基站收到“UI”后向移动台发“识别请求”信令,要求移动台发IMEI码。
移动台收到“识别请求”信令后向基站发“识别响应”信息。
基站收到IMEI码后向移动台发“呼叫建立”信令,移动台收到“呼叫建立”信令后返回一个“呼叫证实”信息。
基站收到“呼叫证实”信息后向移动台发“信道指配”指令,“信道指配”指令中包含分配的业务信道号(TCH),在GSM实验箱中为第四时隙。
移动台收到分配的业务信道后,在业务信道的FACCH上向基站发确认信息“SABM”。
基站收到“SABM”后向移动台返回一个确认信息“UA”。
移动台收到“UA”信息后基站发“信道指配完成”信息,同时向基站发“回铃音”。
基站收到“回铃音”后向移动台发一个确认信息“RR”。
移动台收到确认信息“RR”后向基站发“连接”信息,基站收到“连接”信息后向移动台发“连接证实”信令。
至此信令交互过程完成,进入通话阶段。
当通话完成后,进行呼叫清除过程。
此过程与移动台主呼一样。
信道释放后,移动台和基站均由业务信道转入控制信道。
msBs
PCH信道寻呼请求
RACH信道信道请求
AGCH信道立即指配指令
SABM(寻呼响应)
UA
UI
识别请求
SDCCH识别响应
信道呼叫建立
呼叫证实
信道指配
SABM
UA
信道指配完成
TCHFACCH回铃音
信道信道RR
连接
连接证实
通话
图3-1-4移动台被呼的接续过程
四、实验内容
1、移动台入网
2、移动台主呼
3、移动台被呼
4、双机联网全双工语音通话
五、实验步骤
1、移动台入网实验
(1)将GSM实验箱设为同步工作模式,如界面01所示。
用旋转编码器移动光标分别对以下各项进行设置。
A:
无线标准:
设置为GSM900或E-GSM或DCS1800。
B:
广播信道BCCH(业务信道TCH)。
对于GSM900:
序号为1~124。
对于E-GSM:
序号为0~124或975~1023。
对于DCS1800:
序号为512~885。
C:
频率:
当设置好信道控制号时,频率会根据以下公式自动设置完成
GSM900:
f(n)=890+0.2nMHz1≤n≤124
E-GSM:
f(n)=890+0.2nMHz0≤n≤124
f(n)=890+0.2(n-1024)MHz975≤n≤1023
DCS1800:
f(n)=1710.2+0.2(n-512)MHz512≤n≤885
D:
功率控制
E:
射频输出:
-110~-50dBm。
F:
射频开关:
设置为开(ON)
(2)当设置好GSM实验箱后,将带有N型连接头的天线(N型连接头端)与人机接口部分的“RFIN/OUT”输出口相连。
将带有GSM实验位置区标志(001-01)的测试卡放入手机,将手机靠近天线,手机开机。
手机开始搜索网络,当手机搜索到网络“001-01”后,手机申请入网,入网成功后手机LCD界面显示网号“001-01”,同时GSM实验箱的信号灯闪烁,表示手机入网成功,并且将手机的国际移动用户号(IMSI)和国际移动设备号(IMEI)显示在屏幕上。
注:
在手机开机入网前,必须使实验箱预热10分钟。
2、手机被呼(基站主呼)实验
(1)在手机入网和GSM实验箱处于同步工作状态的情况下(如界面01所示),等待实验箱预热10分钟后,按“基站主叫”键,进入“02”号界面。
(2)在“02”号界面上,“基站主叫”字样闪烁。
(3)当手机接叫电话时,GSM实验箱进入“03”号界面。
(4)在“03”号界面上,“通话射频测试”字样闪烁,表明处于通话状态,手机与GSM实验箱之间可以通话。
测试项目中的“频谱监测”反白,表明可以进行手机的频谱测试工作。
(5)在“03”号界面上,当要结束通话时,可以按“基站挂机”或“手机挂机”操作。
如果按“基站挂机”键,则返回“01”号界面;如果按“手机挂机”键,则只有手机真正按了“挂机”键才返回“01”号界面。
3、移动台(手机)主呼实验
(1)在手机入网和GSM实验箱处于同步工作状态的情况下(如界面01所示),等待实验箱预热10分钟后,按“手机主叫”键,进入“04”号界面。
(2)在“04”号界面上,“手机主叫”闪烁,同时显示“请用手机拨号”,如果按“返回”键返回“01”号界面。
(3)用手机拨号,并按“发送”键。
如果GSM实验箱与手机连接成功,则进入“03”号界面。
(4)在“03”界面上,显示手机所拨的号码。
同时“通话射频测试”字样闪烁,表明处于通话状态,手机可以与GSM实验箱通话。
测试项目中的“射频监测”处于反白状态,表明可以进行手机频谱测试。
(5)当要挂机时,在“03”号界面上按“基站挂机”键,则返回“01”号界面;如果按“手机挂机”键,则只有手机真正按了“挂机”键才返回“01”号界面。
当按“返回”键时,直接返回到“01”号界面。
以上过程可以通过观察GSM实验箱和手机之间交换的数据来进一步理解。
观察的仪器为逻辑分析仪。
观察的方法为:
首先将逻辑分析仪设置为状态触发方式;触发端为BS,上升沿触发。
在D0~D7这8个测试点同时观察并行输出数据;每次触发输出一个8bit数据。
参看手机主叫图3-1-2,各过程的数据如下:
a)RACH:
1字节111×××××;高三位“1”表示手机主叫(上行)
b)AGCH:
23字节(以16进制表示)(下行)
2D,06,3F,00,20,A0,××(A0,××:
与信道有关),××,××,××,00,00,2B……2B
c)SABM:
23字节(以16进制表示)(上行)
01,3F(2F),41,05(85),24(64),71,03,33,19,81,08,09,××,××,
××,××,××,××,××,2B,2B,2B,2B
d)UA:
23字节(以16进制表示)(下行)
01,73(71),41,05(85),24(64),71,03,33,19,81,08,09,××,××,
××,××,××,××,××,2B,2B,2B,2B
e)UI:
23字节(以16进制表示)(上行)
01,03,01,2B……2B
f)识别请求:
23字节(以16进制表示)(下行)
03,××,0D,05(85),18(58),02,2B……2B
g)识别响应:
23字节(以16进制表示)(上行)
01,××,2D,05(85),19(59),08,××,××,××,××,××,××,××,××,2B……2B
h)业务接受:
23字节(以16进制表示)(下行)
03,××,09,05(85),21(61),2B……2B
i)建立呼叫请求:
23字节(以16进制表示)(上行)
01,××,35,03,05,04,04,40,02,01,80,5E,03,81,21,F3,2B……2B
j)呼叫进程:
23字节(以16进制表示)(下行)
03,××,09,83(03),02(42),2B……2B
k)RR:
23字节(以16进制表示)(上行)
01(03),××,01,2B……2B
l)呼叫指配:
23字节(以16进制表示)(下行)
03,××,21,06(86),2E(6E),0C,A0,××(A0,××:
与信道有关),05,63,01,2B……2B
m)SABM:
23字节(以16进制表示)(上行)
01,2F(3F),01,2B……2B
n)UA:
23字节(以16进制表示)(下行)
01,73,01,2B……2B
o)指配完成:
23字节(以16进制表示)(上行)
01,××,0D,06(86),29(69),××,2B……2B
p)回铃音:
23字节(以16进制表示)(下行)
03,××,09,83(03),01,2B……2B
q)RR:
23字节(以16进制表示)(上行)
01(03),××,01,2B……2B
r)连接:
23字节(以16进制表示)(下行)
03,××,09,83(03),07(47),2B……2B
s)连接确认:
23字节(以16进制表示)(上行)
01,××,09,03(83),0F(4F),2B……2B
其中c,d中的××表示手机的IMSI码;f—s中的第22字节中的“××”表示帧号;g中的17—10为手机的IMEI码;o中的18字节为不确定;i中第15,14字节为手机所呼叫的号码。
4、双机联网实验
(1)两台GSM实验箱,距离相隔2米以上。
用实验箱所配的9针串口电缆线将两台实验箱连接起来(连接口在实验箱电路板的中部)。
(2)实验箱射频输出口连接天线耦合器,打开两台实验箱电源,预热10分钟,按复位键复位。
(3)分别设置两台实验箱为不同的信道(频率),信道相差10以上。
将“联网”设为开。
(4)两部手机关机,天线分别插入两个天线耦合器中,打开手机电源入网。
(5)观察到两部手机均已正确入网后,任意使用其中一部进行主呼,呼叫号码可以随便设1至10位数字,待另一部手机被呼响时接听,应可以看到两部手机均处于通话状态,此时即可进行全双工通话。
注意事项:
(1)当出现不能正确入网或呼叫时没呼通的情况,可将手机关机后重试或重新呼叫。
(2)由于本实验系统所用各信道频率与移动公司和联通公司使用的频率相同,因此不可避免会出现干扰现象,当出现3次以上重试均不能正确入网或呼通时,或者通话时出现较强干扰,话音不清时,请按实验箱复位键,然后重新设定一个信道再试,直至找到一个无干扰信道为止。
实验二移动台发信机技术指标及测试
一、实验目的
通过本实验了解移动台发信机的技术指标和测试方法。
二、实验器材
1、数字存储式示波器(60MHz以上)
2、GSM移动通信系统实验箱
三、实验原理
在GSM无线接口协议中给移动台规定了七种技术指标,它们是:
1、平均载频功率
平均载频功率是指发信机输出的平均载波峰值功率,它是对该载频时隙突发脉冲的有用信息比特部分(即时隙中段突发的有用信息比特部分,对常规信道为147比特,对RACH信道为87比特)测量的功率的平均值。
2、发信载频包络
发信载频包络是指发信载频功率相对于时间的关系。
3、发信机的射频功率控制
4、射频输出频谱
5、杂散辐射
发信机的杂散辐射是指用标准测试信号调制时在除载频和由于正常调制和切换瞬态引起的边带以及邻道以外离散频率上的辐射。
6、互调衰减
互调衰减是指测量射频发射设备对其非线性单元由于载波的存在和通过其天线进入设备的干扰信号而产生的互调干扰信号的抑制能力。
7、调制、频率误差和相位误差
GSM调制方案是高斯最小移频键控(GMSK),归一化带宽BT=0.3。
发射信号的相位误差定义为发信机发射信号的相位与理论上最好信号(即理论上按GMSK调制出来的信号)的相位之差。
频率误差定义为考虑了调制和相位误差影响以后,发射信号的频率与该绝对射频频道号对应的标称频率之间的差。
在本实验中只对发信载频包络和发信机的射频功率控制进行原理说明和测试。
1、发信载频包络
在GSM无线接口协议中,要求移动台发信机的载频包络在一个时隙期间要严格满足GSM规定的TDMA时隙幅度上升沿、下降沿及幅度平坦度要求。
对于移动台,有两种基本格式的突发——常规突发和接入突发,因而需要分别加以验证两种格式发信载频包络。
GSM对常规突发规定的功率/时间框罩要求如图3-2-1所示,对接入突发规定的功率/时间框罩要求如图3-2-2所示。
在任何频率上,对正常和极限测试条件的每一种组合及每一种功率控制电平下,对常规突发的抽样测量其功率/时间关系(即功率包络)都应在图3-2-1所示的阴影限制之内。
对接入突发的抽样测量其功率包络应在图3-2-2所示的阴影限制之内。
特别是对在147比特(对常规突发)和87比特(对接入突发)期限间的幅度平坦度要求在
1dB以内。
对图中所示的
28us处其上升沿/下降沿功率应下大于-59dBc(若此时-59dBc的实际功率值低于-36dBm,则该处要求为上升/下降沿功率下大于-36dBm。
其中dBc是以载频功率为基准的对数功率),在
18us处其上升/下降沿功率应下大于-6dBc。
图3-2-1对常规突发的功率/时间模板框罩
图3-2-2对接入突发的功率/时间模板框罩
2、发信机的射频功率控制
鉴于移动通信的远近效应,在与基站通信过程中必须对移动台的发射功率进行控制(动态调整)。
以便既能保证移动台与基站之间一定的通信质量而又不至于对其它移动台产生明显的干扰。
对于900MHz的GSM移动台来说,应具有16级功率控制电平(功率控制电平等级0~15)对于任一功率等级的移动台,其每一级控制电平为从其峰值功率13dBm(第15级功率控制电平)到该移动台功率等级相应的最大峰值功率。
在连续功率控制电平下移动台发射的功率应为一个单调序列,相邻两级功率电平之间的移动台发射功率差应为2
1.5dB。
在正常测试条件下,对于移动台从其最低功率控制电平级(第15级)到该移动台等级相应的最大峰值功率的每一级功率控制电平,其实际输出功率应具有该功率控制电平标称值
3dB精度。
在极限测试条件下,MS在每一级功率控制电平下的实际输出功率,应具有该级功率控制电平标称值
4.0dB的精度。
在本GSM实验箱中,鉴于通信距离较近以及避免相互干扰,所使用的功率电平为5~15级,在15级后另加4级控制电平等级。
功率电平控制与峰值功率的对应关系如表3-2-1所示。
表3-2-1MS发信机输出功率与控制电平之间的关系对应表
MS功率等级
功率控制电平
峰值功率(dBm)
1
0
43
1
41
2
2
39
3
3
37
4
35
4
5
33
6
31
5
7
29
8
27
9
25
10
23
11
21
12
19
13
17
14
15
15
13
16
11
17
9
18
7
19
5
在本实验箱的射频接收部分的U7中集成了对数放大器,此对数放大器能将接收信号变成脉冲波,脉冲波的幅度与接收信号的强度成正比。
它们的对应关系如下式所示:
VLOG=VY(PIN-PX)(3-2-1)
其中VLOG为脉波的幅度,PIN为接收信号强度
VY=0.15VPOS(VPOS为U11的供电电压,为5V)
PX=-88.33dBm
手机发射的信号经GSM实验箱接收后,经过下变频到1MHz的中频,并且对1MHz的中频进行了两级放大,所以式(3-2-1)中的PIN并不是手机发射的实际功率。
四、实验内容
1、观察手机发信载频包络。
2、通过测试VLOG,验证手机发信机的载频功率控制。
五、实验步骤
1、观察手机发信载频包络
因为接入突发是在手机申请入网的RACH信道上才出现,难以捕捉,所以本实验只观察常规突发。
观察手机发信载频包络的观测点为IF_1M,IF_1M点为手机发射信号经GSM实验箱接收后,经下变频到1MHz的中频信号。
观测的仪器为存储式示波器。
测试方法为:
使手机和GSM实验箱进入通话状态,可以捕捉到所要观察的信号(常规突发),利用示波器的时间旋纽将其中一个突发沿时间轴方向展开,重点观察突发的起始、中间以及突发的尾部(也即是突发的上升/下降沿及中间的平稳部分)。
2、测试VLOG信号
测试点为RX_PWR。
测试仪器为存储式示波器。
测试方法为:
首先使GSM实验箱处于同步工作状态,设置好实验箱的工作参数(参看GSM实验箱的使用),其中“功率控制”一项为本实验所要测试的。
功率控制电平等级为5~19。
实验顺序为功率电平从高到低(即从5到19)。
每设置好一个功率控制电平后,使手机和GSM实验箱进入通话状态。
在此状态下,测量RX_PWR处脉冲波的幅值,记录所测量的值和对应的功率控制电平。
利用式(2-1)计算PIN,并将所
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