1、蜂窝移动通信实验无线移动通信实验报告实验项目蜂窝移动通信实验学生姓名xxx指导教师陈科文专业班级电子信息11xx完成日期2017年4月2日 电子信息工程系信息科学与工程学院目 录第一部分 移动通信实验系统第三章 信道编码实验 2实验一 分组码交织与解分组码解交织 2实验四 扰码与解扰 6第四章 调制解调实验 9实验一 GMSK调制解调实验 9实验二 QPSK调制解调实验 16实验三 CDMA扩频调制实验 25实验四 CDMA解扩实验 31第二部分 GSM基站实验系统 实验二 移动台入网过程实验 34实验三 移动台主叫实验 48实验四 移动台被叫实验 59第三章 信道编码实验实验一 分组码交织与
2、解分组码解交织一、 实验目的1、了解分组码的编码原理和利用伴随式译码的基本方法；2、掌握简单的交织和解交织的基本原理和方法；3、了解利用交织和编码结合的方法纠突发差错的原理。二、预备知识1、分组码的编码原理和译码的基本方法；2、交织和解交织的基本原理和方法；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1 交织在纠突发差错中的原理数字信号在传输过程中，会受到各种噪声和干扰的影响，使接收端产生错误判决，造成误码（差错）。差错的类型主要有二种。 1）.随机差错信道中各码元是否出现差错，与其前、后码元是否差错无关，每个码元独立地按一定的概率产生差错。从统计规律看，可以认为这
3、种随机差错是由加性高斯白噪声AWGN引起的，主要的描述参数是误码率。2）.突发差错差错成片出现，一个差错片称为一个突发差错。突发差错总是以差错码元开头、以差错码元结尾，头尾之间并不是每个码元都错，而是码元差错概率大到超过了某个标准值。通信系统中的突发差错是由突发噪声引起的，比如雷电、强脉冲、时变信道的衰落等。存储系统中，磁带磁盘物理介质的缺陷、读写头的接触不良等造成的差错均为突发差错。对突发差错，本身有多种纠突发差错的编码方式，如GSM移动通信中所用FIRE码。也可以简单地利用交织的方式打乱成片的突发差错，与一般的纠错编码相结合，也能达到很好的纠突发差错的效果。最简单的交错器是一个nm的存储阵
4、列，码流按行输入后按列输出。图3. 1是一个适用于码长N=7的57行列交错器的示意图，从图中看到，码流的顺序1,2,3,7,8经交错器后变为1,8,15,22,29,2,9。现假设信道中产生了5个连续的差错，如果不交错，这5个差错集中在1个或2个码字上，很可能就不可纠。采用交错方法，则去交错后差错分摊在5个码字上，每码字仅一个。 2 29 22 15 8 1 图3. 1 57行列交错器工作原理示意图2 利用交织与分组编码结合纠突发差错的实验我们首先设计能纠一位差错的（7，4）系统线性分组码。输入信息bit为：u3,u2,u1,u0。(7，4) 线性分组码，其生成矩阵是： G =编码后数据为c6
5、,c5,c4,c3,c2,c1,c0,该编码是系统编码，所以，其中c3,c2,c1,c0= u3,u2,u1,u0其编码电路设计如图3.2 ：图3.2 该线性分组码在无交织时，一个7比特收码中如果错2位比特将不能正确译码。然后，我们设计一个87交织器以后，让八个（7，4）分组码经过交织器后输出到信道，进行传输。在信道传输的过程中，如果发生一个长度小于8bit的突发差错，在接收端解交织以后，错误比特将分摊在多个码字上，每码字仅一个差错，在分组码的纠错范围以内，突发差错可以完全纠正过来。 交织器（行入列出） 去交织器（列入行出） 图3. 3 交织与解交织原理示意图五、 实验步骤1、 将实验箱和计算
6、机通过串行口连接好，为实验箱上电。2、 将与实验箱相连的电脑上的学生平台程序打开。在“实验选择”栏中选择“分组码交织”实验，点击确认键。从而进入此实验界面。3、 在实验界面下方的“操作”一栏中点击 “生成数据”按钮，让系统自动生成待编码的随机比特。也可在界面上方“原始数据”栏中直接用鼠标点击所显示的小圆圈（每个小圆圈代表1 bit），修改其值（红色和蓝色分别表示0和1）。（界面中数据的显示方式有两种：图形显示比特显示）。4、 在界面上点击“编码”按钮，该原始数据将被送入单片机（或CPLD）进行分组码编码和78交织，然后经过编码和交织后的数据被送回学生电脑并显示在“编码数据”栏。5、 学生可以在
7、“噪声图样”一栏加入一个突发差错（点击小圆圈改变比特值，须考虑突发差错长度或连续出错比特数在8个以上和8个以下两种情形），然后点击“加噪声”按钮，添加噪声后的已编码数据显示在“加噪数据”栏中。6、 再点击“解码”按钮，将加入噪声的信息比特发送到单片机（或CPLD）进行分组码解码和解交织。解码和解交织以后的数据被回显在“解码数据”一栏，同时，不能纠正的误码比特在“错误统计”栏中显示。六、 实验结果及数据分析1、 记录加入一个突发差错的长度分别为8个以上和8个以下的实验数据，并根据实验原理进行分析验证。 差错长度为9 差错长度为6 分析：当突发差错长度为9，超过8，解码出现错误；突发差错长度为6，
8、小于8，解码无误，符合交织码纠错原理。2、 比较上述两组数据的纠错性能，说明原因。 当差错长度大于8时，超出了纠错范围，所以不能正常纠错，产生误码；小于8时，在纠错范围内，所以正确译码。实验四 扰码与解扰一、实验目的1了解扰码的目的和基本原理；2掌握伪随机序列m序列的实现方法；二、预备知识1、扰码的基本原理和用途；2、m序列的产生方法。三、实验仪器1、移动通信实验箱 一台；2、台式计算机 一台；四、实验原理扰码不属于信道编码的范畴，起不到纠错的功能，但是，扰码也是通信中经常采取的一种重要手段，扰码的作用主要有：第一，进行基带信号传输的缺点是其频谱会因数据出现连“1”和连“0”而包含大的低频成分
9、，不适应信道的传输特性。解决办法之一是采用扰码技术,使信号受到随机化处理，变为伪随机序列，又称为“数据随机化”和“能量扩散”处理。第二，扰码还能改善位定时的恢复质量，可以使信号频谱平滑，使帧同步和自适应同步和自适应时域均衡等系统的性能得到改善。第三，利用伪随机序列进行扰码也是实现数字信号高保密性传输的重要手段之一。一般将信源产生的二进制数字信息和一个周期很长的伪随机序列模2相加，就可将原信息变成不可理解的另一序列。这种信号在信道中传输自然具有高度保密性。在接收端将接收信号再加上（模2和）同样的伪随机序列，就恢复为原来发送的信息。实现加扰和解扰，需要产生伪随机二进制序列（PRBS），再与输入数据
10、逐个比特作模2加运算。PRBS也称为m序列，这种m序列与数据码流进行模2加运算后，数据流中的“1”和“0”的连续游程都很短，且出现的概率基本相同。扰码虽然“扰乱”了原有数据的本来规律，但因为是人为的“扰乱”，在接收端很容易去扰，恢复成原数据流。本次实验所用的m序列是由8位线性移位寄存器实现的，扰码和解扰所用的m序列是相同的。m序列的反馈多项式为：图3.9五、 实验步骤1、 将实验箱和计算机通过串行口连接好，为实验箱上电。2、 将与实验箱相连的电脑上的学生平台程序打开。在“实验选择”栏中选择“扰码”实验，点击确认键。从而进入此实验界面。3、 在实验界面上点“生成数据”，让系统生成待编码的随机比特
11、。也可在界面上方“原始数据”栏中用鼠标直接双击所显示的小圆圈（每个小圆圈代表1 bit），修改其值（红色和蓝色分别表示0和1）。【注意】：应考虑原始数据中存在“长连0”(即连续比特为“0”的长数据流)和“长连1”(即连续比特为“1”的长数据流) 两种情况下的扰码效果。4、 在界面下方点击“编码”按钮，将原始数据发送到实验箱中的单片机（或CPLD）进行扰码，然后经过扰码的数据被送回学生平台并显示在“编码数据”栏中。5、 点击屏幕下方的“解码”按钮，将经过扰码的信息比特发送到实验箱中的单片机（或CPLD）进行解扰码。解扰后的数据送回后，显示在“解码数据”一栏。6、可尝试观察在加噪声和不加噪声两种情
12、况下解扰码的效果。六、 实验结果及数据分析1、 记录一次原始数据有“长连0”的实验数据，并根据实验原理进行分析验证。 长连0信号受到随机化处理。2、 记录一次原始数据有“长连1”的实验数据，并根据实验原理进行分析验证。 长连1 信号受到随机化处理。3、 观察上述两组数据，说明扰码在此刻的作用。 采用扰码技术,使信号受到随机化处理，变为伪随机序列，使信号适应信道传输；扰码还能改善位定时的恢复质量，可以使信号频谱平滑，使帧同步和自适应同步和自适应时域均衡等系统的性能得到改善。第四章 调制解调实验实验一 GMSK调制解调实验一、 实验目的1. 了解GMSK技术在移动通信系统中的应用2. 掌握GMSK
13、调制解调数据传输过程；3. 掌握GMSK解调数据传输过程；4. 掌握高斯成形滤波器的实现原理二、 预备知识1. 数字信号传输的工作方式与工作过程2. GMSK调制的基本工作原理3. 高斯低通滤波器4. QPSK解调的基本工作原理三、 实验仪器1. 移动通信实验箱 一台；2. 台式计算机 一台；3. 示波器 一台；四、 实验原理实验采用调相法。用高斯滤波器作为MSK的前置滤波器，原理框图如图4. 1所示。高斯低通滤波器的冲击响应满足4. 1式， 4. 1图4. 1 GMSK调制解调原理框图其中表示函数，是低通滤波器的带宽，T是码元时间，为归一化带宽，通过计算，得到高斯滤波器特性如图4.2.1。图
14、4.2.2 高斯低通滤波器冲击响应假设A点一组输入数据为1,0,1,1,1,0,1,1,0,0,0,0,1,1,1,1,1,0,0,0，经过差分编码后B点输出为-1,-1,1,-1,1,1,-1,1,1,1,1,1,-1,1,-1,1,-1,-1,-1,-1，通过高斯低通滤波器后，C点输出波形为：（从绿线开始，前面是位同步码，以下相同）图4.2.2 高斯滤波器输出附加相位通过积分获得，所以D点输出为：图4.2.3 附加相位对积分输出的附加相位信号求和函数可以分别获得I路和Q路的基带信号，其中I路的波形为E：图4.2.4 I路基带信号 J点为调制输出波形：图4.2.5 调制信号F点为延时信号与原
15、信号相乘：图4.2.6 差分解调信号差分信号通过低通滤波器，滤除高频分量，获得G点输出：图4.2.7 低通滤波器输出信号对G点信号进行位同步，并判决后输出H，差分译码获得解调结果。五、实验步骤1. 启动实验箱，在主界面上选择实验 “GMSK调制”，进入“GMSK调制”界面。2. 点击“系统模型”按钮，弹出“GMSK调制原理框图”窗口，熟悉GMSK调制原理；关闭该窗口。3. 输入原始数据。原始数据产生方式有两种：自动和手动。选中“自动”方式时，原始数据由系统自动生成；未选中“自动”方式时，将会出现数据输入窗口，根据窗口提示输入16进制原始数据，点击“返回”按钮完成输入。4. 点击“初始化”按钮，
16、调制过程开始；5. 根据系统模型，在画面右上方选择需要观察的信号点对应的字母（如要观察发送数据的波形，点击字母“A”），观察调制过程中信号点的波形；可通过页面下方按钮选择“放大”、“缩小”或“移动”观察波形。6. 也可以选择通过示波器观察各信号点。先将示波器的输入端与实验板上“观察端M”（在实验箱最右边偏上的位置，为D/A转换器的输出口）连接，根据系统模型，在画面右上方选择需要观察的信号点对应的字母（如要观察发送数据的波形，点击字母“A”），在示波器上观察调制过程中信号点的波形。六、 实验结果及数据分析1. 记录原始实验数据及波形，并根据实验原理进行分析验证，说明各个观察点数据的意义。2. 试
17、说明MSK调制信号的基本特点；(1) 已调信号的振幅是恒定的;(2) 信号的频率偏移严格地等于MSK调制相应的调制指数MSK调制;(3) 以载波相位为基准的信号相位在一个码元期间内准确地线性变化MSK调制;(4) 在一个码元期间内，信号应包括四分之一载波周期的整数倍;(5) 在码元转换时刻信号的相位是连续的，或者说，信号的波形没有突跳。3. 试说明高斯低通滤波器的作用和实现方法；高斯低通滤波器的作用：限制信号带外辐射功率，抑制高频成分，防止过量的瞬时频率偏移，可以进行相干检测。实现方法：作为MSK调制的前置滤波器，且必须满足下列要求：（1）带宽窄，且是锐截止的；（2）具有较低的过脉冲响应;(3
18、)能保持输出脉冲的面积不变。4. 说明附加相位的基本含义，及其在解调中的作用。附加相位是MSK信号的总相位减去随时间线性增长的载波相位而得到的剩余相位。 解调中的作用：根据相位变化的关系可进行信号判决。实验二 QPSK调制解调实验一、实验目的1. 了解QPSK技术在移动通信系统中的应用2. 掌握QPSK调制解调数据传输过程；3. 了解QPSK的载波恢复和位定时恢复的基本方法4. 掌握QPSK解调数据传输过程；5. 掌握升余弦成形滤波原理二、预备知识1. 数字信号传输的工作方式与工作过程2. QPSK的基本工作原理3. 升余弦成形滤波软件4. QPSK解调的基本工作原理5. 载波同步和位同步的基
19、本方法三、实验仪器1、移动通信实验箱 一台；2、台式计算机 一台；3、示波器 一台；四、 实验原理QPSK调制解调的实现原理框图如图4.3所示。图4.3 QPSK调制解调原理框图A 点为发送数据；B串/并变换发送数据长度为128bit，经过交织器输出的数据为一路串行数据，需要进行串/并变换，产生两路并行数据各为64bit。C差分编码：为了防止相位模糊现象，采用差分编码，并进行QPSK映射。差分编码的公式： QPSK映射采用如下方式：图4.4 QPSK映射图D滤波与调制模块方波会在时间上扩展，造成码间干扰，导致接收机在检测一个码元时发生错误的概率增大。所以在调制系统中需要对信号进行滤波，以减少失
20、真和符号间干扰（ISI）。每一支路在进行调制之前进行Nyquist成形滤波使QPSK信号的功率谱限制在分配的带宽内。在这里，选择具有均方升余弦滚降特性的滤波器。具有升余滚降特性的H（）可表示为：，抽样作卷积。将滤波器的冲击响应函数列表，33个样值。取不同的窗函数，滤波器的频谱特性不同。这里选择哈明窗作为窗函数，这样可以避免产生吉布斯现象。取滚降系数=0.5，抽样步长Ts=Tc/10，每个码元采样10个点，阶数N=33。图4.5为滤波器特性的仿真示意。图4.5成形滤波器特性滤波后信号调制到25kHz的载波上，两路相加从而完成信号调制。E接收到的已调信号为了实现正交解调，需要进行希尔伯特变换，获得
21、两个分量I和Q。F能量判决与载波恢复在接收端能量判决，当超过设定的门限值后，可判断接收到有效信号。通过发送的训练序列来进行载波同步。图4.6显示载波同步的过程，载波误差逐渐收敛。 图4.6 载波同步误差角度收敛图在这里，我们简单的讨论一下同相正交解调的原理，来说明载波同步的方法。设两个正交的滤波器的输出为和，那么正交解调的过程用数学公式表示如下： 4.2.2若没有经过载波同步，本地载波与调制信号的载波会存在相位误差，这里设为，计算可知： 4.2.3若载波已同步，即为0，那么，从而得到解调的结果；若，我们可以在训练阶段，使发送的an与bn相同，即上式中的，则可得到这一重要的结果。通过这个结果我们
22、可以求出，调整载波相位，从而实现载波同步。G位定时位定时也即码同步。这里需要从每个码元的10个抽样点中选择合适的判决时刻。位定时误差的提取时刻可依据基带信号过零点。继载波同步训练序列之后，发送位定时训练序列（倒相序列）。采用下面位定时误差提取法： 图4.7 位定时误差提取示意图，如果0，则定时抽样脉冲向前调整；反之应向后调整。H信号同相正交解调当发送序列为1,1,1,0,0,0,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,1,1,1,1,1,1,1,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1
23、,1,1,1，对应的解调后得到的波形图4.2-13。 图4.8 解调的结果五、实验步骤1. 启动实验箱，在主界面上选择实验 “QPSK调制”，进入“QPSK调制”界面。2. 点击“系统模型”按钮，弹出“QPSK调制原理框图”窗口，熟悉QPSK调制原理；关闭该窗口。3. 输入原始数据。原始数据产生方式有两种：自动和手动。选中“自动”方式时，原始数据由系统自动生成；未选中“自动”方式时，将会出现数据输入窗口，根据窗口提示输入16进制原始数据，点击“返回”按钮完成输入。4. 点击“初始化”按钮，调制过程开始；5. 观察各信号点的波形：（1）在电脑屏幕上观察信号波形：根据系统模型，在画面右上方选择需要
24、观察的信号点对应的字母（如要观察发送数据的波形，点击字母“A”按钮，且对应勾选框被选中），观察调制过程中信号点的波形；可通过页面下方按钮选择“放大”、“缩小”或“移动”观察波形。（2）也可以选择通过示波器观察信号波形。先将示波器的输入端与实验板上“观察端M”（在实验箱最右边偏上的位置，为D/A转换器的输出口）连接，根据系统模型，在画面右上方选择需要观察的信号点对应的字母（如要观察发送数据的波形，点击字母“A”按钮），在示波器上观察调制过程中信号点的波形。六、 实验结果及数据分析1.记录原始实验数据及波形，并根据实验原理进行分析验证。【要求】：画出调制与解调的原理图，并对实验结果进行解释。2.试
25、说明BPSK、QPSK和QPSK之间的区别。BPSK是二进制相移键控，发出的是0和PI 两种相位。QPSK是四进制相移键控。使用0、PI/4、PI、3/4 PI。3.试说明升余弦成形滤波的基本原理和作用。升余弦滚降信号用来消除码间串扰，实际实现时采用的方式是由发送端的基带成行滤波器和接收端的匹配滤波器两个环节公共实现。传输系统的传递函数二者的乘 积，所以每个环节均为平方根升余弦滚降滤波器。4.简要说明载波同步和位同步的作用和基本实现方法有哪些。载波同步又称载波恢复（carrier restoration），即在接收设备中产生一个和接收信号的载波同频同相的本地振荡（local oscillati
26、on），供给解调器作相干解调用。1、直接提取法：发送端不专门向接收端传输载波信息，接收端直接从收到的已调信号中提取载波信息。直接提取法适用于抑制载波的双边带调幅系统、残留边带调幅系统和二相多相调相系统。2、插入导频法：发送端在发送信息的同时还发送载波或与其有关的导频信号。插入导频法又有频域插入法和时域插入法。位同步的目的是使每个码元得到最佳的解调和判决。1、外同步法。外同步的方法是，发送端发送数据之前先发送同步时钟信号，接收方用这一同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率，以此来达到收发双方位同步的目的；2、自同步法。接收方利用包含有同步信号的特殊编码从信号自身提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率，达
27、到同步目的。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
28、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4.9所示。 a3 = a3（+）a0 初始状态 1 0 0 0 1 1 0 01 1 1 01 1 1 10 1 1 11 0 1 10 1 0 11 0 1 01 1 0 10 1 1 00 0 1 11 0 0 10 1 0 00 0 1 00 0 0 1 . 1 0 0 0图 4.9 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4.10所示。图 4.10 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
29、接方式也不同。图4.10仅为可产生长度为31的m序列的反馈电路连接方式之一。3. 长度为31的Gold序列: 图4.11 Gold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4.11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4.12所示，其中和为m序列的生成多项式。图4.12 长度为31的Gold序列生成器产生的两组m序列为：
30、1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0
