移動通信實驗系統(tǒng)說明書教材

2目錄目錄 。但由于n位二進制數(shù)組成的序列組合，共有個不同的形式，因此，（n，k）分組編碼就是從這個二進制數(shù)組合中，挑選出個作為編碼的輸出碼組（也稱為許用碼組或碼字），其余（）個則是禁用碼組。當信道編碼輸出的碼字在信道中傳輸時，產生的誤碼就可能使原來的許用碼組變?yōu)榻么a組，這時接收端就可以判斷出此碼組中有誤碼，但誤碼也可能使一個許用碼組變?yōu)榱硪粋€許用碼組，這時，接收端就無法判斷出有誤碼。分組碼的檢糾錯能力與碼組中附加的監(jiān)督碼元個數(shù)有關，當r越大，禁用碼組越多，誤碼使許多碼組變?yōu)榻么a組的可能性越大，則編碼的檢糾錯能力越強，但同時，附加的與傳輸信息無關的碼元個數(shù)增加了，因此，在實際應用中要折中考慮數(shù)據(jù)率和差錯控制編碼的檢糾錯能力。（2）線性分組碼根據(jù)編碼的方式不同可得到不同形式的分組碼，實驗中采用了線性分組碼的編碼方式，對其它編碼方式感興趣的可自行查閱資料。線性分組碼是分組碼的一個子集。在線性分組碼中，監(jiān)督碼元與信息碼元之間滿足線性約束關系，亦即這種約束關系可由一組線性方程來描述。下面講構造一個能糾正一位誤碼的線性分組碼的過程。一個能糾正長為（k+r）序列某一位上的誤碼，需要監(jiān)督位的個數(shù)應滿足>k+r（2-5-1）即附加的r位監(jiān)督碼元的中不同的組合形式能足夠表示（k+r）個一位誤碼的位置。若需要對k=4位信息碼元進行分組編碼，根據(jù)上式可知，需要附加的監(jiān)督位數(shù)為r>=3,取監(jiān)督位最少的情況，即r=3，則有n=k+r=7。于是(7,4)分組碼是一個可糾正一位誤碼的分組碼。若用（）表示編碼器輸出的7位碼元，用一個三位二進制數(shù)（）表示7個碼位上出現(xiàn)誤碼及無誤碼的狀態(tài)，的不同取值與誤碼位置可規(guī)定為如下表2-5-1所示的對用關系。也稱為校正子。111110101011100010001000誤碼位置無誤碼表2-5-1校正子的取值與誤碼位置的對應關系從表2-5-1中的規(guī)定可看出，當一位誤碼無論出現(xiàn)在、、和哪一個位置上時，都為“1”，否則，為“0”。這說明當無誤碼時、、和四位碼元應滿足偶監(jiān)督關系，即（2-5-2）當無誤碼時，為使為“0”，從表中可看出，、、和四位碼元應滿足偶監(jiān)督關系，即（2-5-3）同理，當無誤碼時，為使為“0”，則、、和四位碼元應滿足偶監(jiān)督關系，即（2-5-4）上面的三個線性方程即構成了一個（7，4）分組碼的監(jiān)督方程，由于監(jiān)督碼元（、、、、、、中的三個碼元）與信息碼元之間的約束關系是線性的，因此生成的碼組是一個線性分組碼。當監(jiān)督碼元是附加在信息碼元之后時，即所構成的碼組成為系統(tǒng)碼。當我們要構造一個系統(tǒng)碼，可由式（2-5-1），（2-5-2），（2-5-3）移項求得監(jiān)督碼元、、與信息碼元、、、之間的線性監(jiān)督方程組為 （2-5-5）上面的方程組稱為所要構造的（7，4）分組碼的一致監(jiān)督關系或一致校驗方程組。這個方程組用矩陣表示可寫為（2-5-6）式中Q是一個4*3的矩陣（對一般的線性分組碼來說是一個k*r階矩陣）。上式表明，當矩陣Q給定后，即可由k位信息碼元確定r位監(jiān)督碼元。在矩陣Q的左邊加上k*k階單位方陣，構成一個新的矩陣，則由式（2-5-6）可得到 （2-5-7） 由此可見，只要矩陣G確定了，即可由k位信息碼元的所有序列組合形式生成整個碼組（共有個）。矩陣G又稱為生成矩陣，是分組碼編碼的依據(jù)。對應于式（2-5-6）的生成矩陣為 （2-5-8）將式（2-5-5）所示的方程組中各方程移項后，可得到此方程組用矩陣表示可寫為或記為 （2-5-11）其中 （2-5-12）稱為（7，4）分組碼的監(jiān)督矩陣或校驗矩陣；是碼組，式（2-5-11）中的“T”表示矩陣的轉置。對線性分組碼（n,k）來說，監(jiān)督矩陣是一個r=n-k行、n列的矩陣。只要監(jiān)督矩陣給定，則編碼時信息碼元與監(jiān)督碼元之間的監(jiān)督關系就是確定的。在接受端就是根據(jù)碼字與監(jiān)督矩陣應滿足監(jiān)督關系式（2-5-10），來判斷是否有誤碼及糾正誤碼的。例如，若一個（7，4）分組碼的監(jiān)督矩陣如（2-5-12）所示，在接受端收到了一個碼組為（1001011），由于 （2-5-13）因此，可以肯定此碼組中有誤碼，對于此例（監(jiān)督矩陣H是由表5-1的規(guī)定得到的），可對照表5-1得知發(fā)生了錯誤（）。進行糾正后得到譯碼后的輸出碼組為（0001011）。對于線性系統(tǒng)碼，其監(jiān)督矩陣具有如下形式：式中，P是一個r*k階矩陣，Ir是r階的單位矩陣。這樣的監(jiān)督矩陣也稱作典型矩陣。三、實驗步驟與任務1.打開移動實驗箱電源，等待實驗箱初始化完成；2.先按下“菜單”鍵，再按下數(shù)字鍵“2”，選擇“二信源信道編碼”3.再按數(shù)字鍵“4”，選擇“線性分組碼”4.打開雙通道示波器，用通道一測量TP201測試點波形，此波形為幀同步脈沖信號，調至穩(wěn)定狀態(tài)；5．用通道二測量TP202波形數(shù)據(jù)，并記錄一幀8位基帶碼元數(shù)據(jù)。注意：幀時鐘上升沿為起始時刻。6．采用“實驗原理”的方法，將8位基帶數(shù)據(jù)構造成（7，4）分組碼，生成矩陣為（2-5-8）。注意：若收到數(shù)據(jù)為：11001100，則1100分別對應上述原理中的。7.再用通道二測量TP205波形數(shù)據(jù)，以幀同步上升沿為起始時刻記錄一幀16位碼元數(shù)據(jù)，并8位為一組分為兩組，去掉最低位，得到14位碼元數(shù)據(jù)。將此數(shù)據(jù)和步驟6中計算得到的（7，4）分組碼數(shù)據(jù)進行比較，看是否相同？8.再用通道二測量TP204波形數(shù)據(jù)，并記錄一幀16位線性分組編碼加錯后的數(shù)據(jù)，并8位為一組分為兩組，去掉最低位，得到14位碼元數(shù)據(jù)。其解碼方式同“實驗原理”部分所講，監(jiān)督矩陣為（2-5-12）。根據(jù)檢錯原理，計算錯誤位所在位置，并更正接收的碼元數(shù)據(jù)，和步驟7中記錄的波形數(shù)據(jù)相比較，看是否相同？五、實驗任務1．描述線性分組碼的原理；2．畫出各點波形；3．驗證檢錯后的解碼數(shù)據(jù)和原始基帶數(shù)據(jù)的關系；4*.設計DSP線性編解碼的程序，修改基帶數(shù)據(jù)，來觀測上述測試點的波形變化。*：選作，需要計算機和DSP的仿真器實驗三GSM卷積碼實驗一、實驗目的1.了解卷積碼的原理及表示方法；2.掌握卷積碼的編解碼方法；3.驗證卷積碼的糾錯能力；二、實驗內容1.記錄實驗中各個測量點數(shù)據(jù)；2．根據(jù)卷積碼的方法對得到的數(shù)據(jù)進行驗證；3．檢測誤碼位數(shù)及誤碼位置并得到原數(shù)據(jù)；三、實驗原理1.卷積碼介紹卷積碼是1955年由Elias等人提出的，是一種非常有前途的編碼方法。卷積碼和前面所講的分組碼的根本區(qū)別在于，它不是把信息序列分組后再進行單獨編碼，而是由連續(xù)輸入的信息序列得到連續(xù)輸出的已編碼序列。即進行分組編碼時，其本組中的n-k個校驗元僅與本組的k個信息元有關，而與其它各組信息無關；但在卷積碼中，其編碼器將k個信息碼元編為n個碼元時，這n個碼元不僅與當前段的k個信息有關，而且與前面的（m－1）段信息有關（m為編碼的約束長度）。同樣，在卷積碼譯碼過程中，不僅從此時刻收到的碼組中提取譯碼信息，而且還要利用以前或以后各時刻收到的碼組中提取有關信息。而且卷積碼的糾錯能力隨約束長度的增加而增強，差錯率則隨著約束長度增加而呈指數(shù)下降。卷積碼（n，k，m）主要用來糾隨機錯誤，它的碼元與前后碼元有一定的約束關系，編碼復雜度可用編碼約束長度m*n來表示。一般地，最小距離d表明了卷積碼在連續(xù)m段以內的距離特性，該碼可以在m個連續(xù)碼流內糾正(d-1)/2個錯誤。卷積碼的糾錯能力不僅與約束長度有關，還與采用的譯碼方式有關?？傊?，由于n，k較小，且利用了各組之間的相關性，在同樣的碼率和設備的復雜性條件下，無論理論上還是實踐上都證明：卷積碼的性能優(yōu)于分組碼。2.卷積碼原理以二元碼為例，編碼器如圖（2-6-1）所示。輸入信息序列為，其多項式表示為。編碼器的連接可用多項式表示為，和，稱為碼的子生成多項式。它們的系數(shù)矢量g(1,1)=(111)和g(1,2)=(101)稱作碼的子生成元。以子生成多項式為陣元構成的多項式矩陣G(x)＝[g(1,1)(x),g(1,2)(x)]，稱為碼的生成多項式矩陣。編碼器輸出序列為c＝u·G，稱為碼序列，其多項式表示為c(x)，它可看作是兩個子碼序列c(1)(x)和c(2)(x)經(jīng)過合路開關S合成的，其中c(1)(x)＝u(x)g(1,1)(x)和c(2)(x)＝u(x)g(1,2)(x),它們分別是信息序列和相應子生成元的卷積，卷積碼由此得名。 圖（2-6-1）（2，1，3）卷積編碼器在一般情況下，輸入信息序列經(jīng)過一個時分開關被分成k0個子序列,分別以表示,其中i=1，2,…k0，即。編碼器的結構由k0×n0階生成多項式矩陣給定。輸出碼序列由n0個子序列組成，即，且c(x)=u(x)·G(x)。若m是所有子生成多項式g(x)中最高次式的次數(shù)，稱這種碼為(n0，k0，m)卷積碼。3.卷積碼表示方法描述卷積碼編碼器過程的方法有很多，如矩陣法、多項式、狀態(tài)圖、碼樹和網(wǎng)格圖等，這里我們主要介紹和卷積碼編碼器結構密切相關的多項式法，以及與卷積碼譯碼密切相關的網(wǎng)格圖法。（1）多項式法一個卷積編碼器完全由移位寄存器的數(shù)量和模2加法器與移位寄存器的連接方式所決定。通常用多項式來表示模2加法器與移位寄存器的連接關系，稱為生成多項式。若某級寄存器與模2加法器相連接，則生成多項式系數(shù)為1，反之，若無連接，則相應的系數(shù)為0。例如，對于圖（2-6-1）所示的編碼器來說，其生成多項式為生成多項式中的表示寄存器的位置，最低次項（即常數(shù)項）表示現(xiàn)時輸入位。為了方便起見，生成多項式常用二進制或八進制表示，例如當一個卷積編碼器中移位寄存器的數(shù)量和生成多項式是已知時，則編碼器的結構就是確定的。在本實驗系統(tǒng)中，GSM卷積編碼即采用了（2，1，5）卷積編碼器，其中生成多項式為（31，33）8。（2）

狀態(tài)圖將編碼器寄存器中的內容組合（x（n-1）、x（n-2））定義為編碼器狀態(tài)。以(2，1，2)編碼器為例，則該編碼器的狀態(tài)有四種：00，10，01和11，下面分別用a，b，c，d來代替。編碼器在每一個時鐘沿打入一個輸入信息x（n），因此圖示寄存器組合內容就變?yōu)椋▁（n），x（n-1））即狀態(tài)發(fā)生了轉移，并同時輸出G0（n）、G1（n）。由此我們可以將圖所示編碼過程用下圖所示的狀態(tài)圖表示。圖（2-6-1）（2，1，3）卷積編碼器由圖所示，隨著信息序列不斷輸入，編碼器就不斷從一個狀態(tài)轉移到另一個狀態(tài)并同時輸出相應的碼序列，所以如圖所示狀態(tài)圖可以簡單直觀的描述編碼器的編碼過程。因此通過狀態(tài)圖很容易給出輸入信息序列的編碼結果，假定輸入序列為110100，首先從零狀態(tài)開始即圖示a狀態(tài)，由于輸入信息為“1”，所以下一狀態(tài)為b并輸出“11”，繼續(xù)輸入信息“1”，由圖知下一狀態(tài)為d、輸出“01”……其它輸入信息依次類推，按照狀態(tài)轉移路徑a->b->d->c->b->c->a輸出其對應的編碼結果（3）網(wǎng)格圖

狀態(tài)圖可以完整的描述編碼器的工作過程，但是其只能顯示狀態(tài)轉移的過程而不能顯示狀態(tài)轉移發(fā)生的時刻，由此引出用來表示卷積碼的另一種常用方法——\o"網(wǎng)格圖"網(wǎng)格圖。網(wǎng)格圖就是時間與對應狀態(tài)的轉移圖（如圖），在網(wǎng)格圖中每一個點表示該時刻的狀態(tài)，狀態(tài)之間的連線表示狀態(tài)轉移。通過觀察網(wǎng)格圖可以發(fā)現(xiàn)在網(wǎng)格圖中輸入信息x（n）并沒有標出，但如觀察到轉移后的狀態(tài)表示（x（n），x（n-1））就可以發(fā)現(xiàn)輸入信息已經(jīng)隱含在轉移后的狀態(tài)中。在圖中還可以發(fā)現(xiàn)兩個網(wǎng)格圖不同主要集中在轉移后狀態(tài)位置不同。重新排序結構（即所謂\o"蝶型結構"蝶型結構）是為了優(yōu)化運算而設計的，因為其中蝶型與蝶型之間是相互獨立的。下面就讓我們來看看網(wǎng)格圖是如何描述卷積編碼過程的：仍以(2,1,2)編碼器為例，假定輸入序列為1011010100，起始狀態(tài)（零時刻）為狀態(tài)a（零狀態(tài)）。第一個有效時鐘沿來臨后，編碼器接收到輸入信息“1”，根據(jù)圖所示網(wǎng)格圖知該時刻（即時刻1）狀態(tài)為b，并輸出其對應的編碼結果“11”，同樣在下一個時刻（時刻2）接收到輸入信息“0”，狀態(tài)變?yōu)閏并輸出“10”，接下來的輸入數(shù)據(jù)依次類推（4）卷積碼譯碼方法

譯碼就是根據(jù)編碼規(guī)則和信道干擾的統(tǒng)計特性，對信息序列作出估值的方法。卷積碼常用的有三類譯碼方法，即\o"代數(shù)譯碼"代數(shù)譯碼、\o"維特比譯碼"維特比譯碼和序貫譯碼。下面僅對使用較多的維特比譯碼方法進行介紹，對另外兩種方法感興趣的，可自行查閱資料。維特比譯碼維特比譯碼是根據(jù)接收序列在碼的格圖上找出一條與接收序列距離（或其他量度）為最小的一種算法。它和運籌學中求最短路徑的算法相類似。若接收序列為R=(10100101100111)，譯碼器從某個狀態(tài),例如從狀態(tài)ɑ出發(fā),每次向右延伸一個分支（對于l＜L,從每個節(jié)點出發(fā)都有2=2種可能的延伸,其中L是信息序列段數(shù),對l≥L，只有一種可能）,并與接收數(shù)字相應分支進行比較,計算它們之間的距離，然后將計算所得距離加到被延伸路徑的累積距離值中。對到達每個狀態(tài)的各條路徑（有2=2條）的距離累積值進行比較，保留距離值最小的一條路徑，稱為幸存路徑（當有兩條以上取最小值時，可任取其中之一）,譯碼過程如圖。圖中標出到達各級節(jié)點的幸存路徑的距離累積值。對給定R的估值序列為=(10111)。這種算法所保留的路徑與接收序列之間的似然概率為最大，所以又稱為最大似然譯碼。這種譯碼的譯碼約束長度常為編碼約束長度的數(shù)倍，因而可以糾正不多于(df/2)個錯誤。\o"卷積碼"維特比譯碼器的復雜性隨m呈指數(shù)增大。實用中m不大于10。它在衛(wèi)星和\o"深空通信"深空通信中有廣泛的應用。在解決\o"碼間串擾"碼間串擾和數(shù)據(jù)壓縮中也可應用。

四、實驗步驟與任務1.打開移動實驗箱電源，等待實驗箱初始化完成；2.先按下“菜單”鍵，再按下數(shù)字鍵“2”，選擇“二信源信道編碼”3.再按數(shù)字鍵“5”，選擇“GSM卷積碼”4.打開雙通道示波器，用通道一測量TP201測試點波形，此波形為幀同步脈沖信號，調至穩(wěn)定狀態(tài)；5．用通道二測量TP202波形數(shù)據(jù)，并記錄一幀8位基帶碼元數(shù)據(jù)。注意：幀時鐘上升沿為起始時刻。6．采用“實驗原理”中的方法，將8位基帶數(shù)據(jù)構造成（2，1，5）卷積碼，生成多項式為（31，33）8。7.再用通道二測量TP205波形數(shù)據(jù)，以幀同步上升沿為起始時刻記錄一幀16位碼元數(shù)據(jù)。將此數(shù)據(jù)和步驟6中計算得到的（2，1，5）卷積碼數(shù)據(jù)進行比較，看是否相同？8.再用通道二測量TP204波形數(shù)據(jù)，并記錄一幀16位卷積碼加錯后的數(shù)據(jù)。其解碼方式同“實驗原理”部分所講。根據(jù)檢錯原理，計算錯誤位所在位置，并更正接收的碼元數(shù)據(jù)，和步驟7中記錄的波形數(shù)據(jù)相比較，看是否相同？五、實驗任務1．描述卷積碼的原理；2．畫出各點波形；3．驗證檢錯后的解碼數(shù)據(jù)和原始基帶數(shù)據(jù)的關系；4*.設計DSP卷積編碼的程序，修改基帶數(shù)據(jù)，來觀測上述測試點的波形變化。*：選作，需要計算機和DSP的仿真器實驗四GSM交織技術實驗一、實驗目的1.了解交織技術的原理；2．掌握交織的基本方法；3．驗證采用交織技術后抗突發(fā)誤碼的能力；二、實驗內容1.記錄實驗中各個測量點數(shù)據(jù)；2．根據(jù)交織技術的方法對得到的數(shù)據(jù)進行驗證；3．檢測誤碼位數(shù)及誤碼位置并得到原數(shù)據(jù)；三、實驗原理前面所介紹的信道編碼技術：分組碼與卷積碼，只能檢測出或糾正單個誤碼或不太長的連續(xù)誤碼，在一般信道中誤碼通常是單個的或隨機分布的，利用信道編碼可以有效地提高傳輸質量。但在移動通信系統(tǒng)中，干擾和衰落引起的誤碼往往具有突發(fā)性，是長串連續(xù)的塊狀誤碼。信道編碼對此誤碼是無能為力的。交織技術正是為解決這一問題而設計的。交織是將原信息中的連續(xù)比特分散到不同的時間段中組成新的序列，新組合的序列在信道中傳輸時，當出現(xiàn)長串連續(xù)的誤碼時，在接收端通過去交織，誤碼就被分散成單個的或很短的連續(xù)誤碼，分散后的誤碼一般都能利用信道編碼的糾錯能力予以糾正。交織可分為卷積交織和分組交織兩類。分組交織是將待處理的m*n個信息數(shù)據(jù)，以行的方式依次存儲到一個m行n列的交織矩陣中，然后以列的方式讀取數(shù)據(jù)，得到n幀碼字、每幀有m個信息比特的輸出序列。這樣的輸出序列已將原來連續(xù)的信息比特分散開了，原來的連續(xù)的比特在輸出序列中均被（m-1）個比特所間隔。通常將交織矩陣的行數(shù)m成為交織深度。m越大，則交織后信息比特被分散的程度越高。下面以一個5*4交織為例來說明信息序列經(jīng)交織后抗突發(fā)誤碼的能力。（a）交織器輸入碼元序列（b）交織后輸出序列（c）傳輸序列中有連續(xù)突發(fā)誤碼（d）解交織后的誤碼分布但對于上圖所示的交織，當突發(fā)誤碼長度大于5時，去交織后仍會有連續(xù)的誤碼。當誤碼長度大于20時，5*4交織已完全失去了分散誤碼的能力。因此，交織矩陣的結構，尤其是交織深度決定了采用交織后所具有的抗突發(fā)誤碼的能力。交織深度越深，誤碼被分散的距離越大，抗連續(xù)誤碼的能力越強。但由于交織在發(fā)送端和接收端都是先存儲后讀出，對與系統(tǒng)傳輸會帶來延時。比較大的延時在系統(tǒng)中是要加以限制的，因此，對于交織矩陣的設計，應結合信道的特點、信號的特征以及信道編碼的糾錯能力綜合考慮。應充分發(fā)揮信道編碼的糾錯能力，并盡量減少由于交織而帶來的延時。采用交織技術，并不需要像信道編碼那樣要附加額外的監(jiān)督碼元，卻可以降低系統(tǒng)對抗干擾能力的設計要求，因此在一些傳輸信道復雜的通信系統(tǒng)中有著廣泛的應用。本實驗按照實驗二中所示方法，將8位碼元的基帶數(shù)據(jù)進行（7，4）線性分組碼編碼后，每組后面添加一個“0”，組成16位碼元數(shù)據(jù)。然后進行2*8交織，得到交織后數(shù)據(jù)，并添加了兩位連續(xù)的誤碼，實驗中可驗證交織后和未交織的數(shù)據(jù)抗突發(fā)誤碼的差別。四、實驗步驟與內容1.打開移動實驗箱電源，等待實驗箱初始化完成；2.先按下“菜單”鍵，再按下數(shù)字鍵“2”，選擇“二信源信道編碼”3.再按數(shù)字鍵“5”，選擇“GSM交織技術”4.打開雙通道示波器，用通道一測量TP201測試點波形，此波形為幀同步脈沖信號，調至穩(wěn)定狀態(tài)；5．用通道二測量TP202波形數(shù)據(jù)，并記錄一幀16位碼元數(shù)據(jù)。注意：幀時鐘上升沿為起始時刻。6．采用“實驗原理”中的方法，將16位碼元數(shù)據(jù)采用2*8交織方法，得到交織后數(shù)據(jù)。7.再用通道二測量TP203波形數(shù)據(jù)，以幀同步上升沿為起始時刻記錄一幀16位碼元數(shù)據(jù)。將此數(shù)據(jù)和步驟6中計算得到的交織后數(shù)據(jù)進行比較，看是否相同？8.再用通道二測量TP204波形數(shù)據(jù)，并記錄一幀16位交織后加錯的數(shù)據(jù)。試解交織。9.用通道二測量TP205波形數(shù)據(jù)，并記錄一幀16位碼元數(shù)據(jù)，和步驟8中解交織后數(shù)據(jù)比較，看是否相同？10.將步驟9中數(shù)據(jù)按照“實驗二線性分組碼實驗”中解碼原理對數(shù)據(jù)進行糾錯。糾錯后數(shù)據(jù)和步驟5中記錄的波形數(shù)據(jù)相比較，看是否相同？五、實驗任務1．描述交織技術的原理；2．畫出各點波形；3．驗證交織后數(shù)據(jù)和未交織數(shù)據(jù)同時加連續(xù)兩個誤碼的糾錯能力；4*.設計DSP交織技術的程序，修改碼元數(shù)據(jù)，來觀測上述測試點的波形變化。*：選作，需要計算機和DSP的仿真第3章擴頻通信基礎實驗所謂擴展頻譜技術一般是指用比信號帶寬寬得多的頻帶寬度來傳輸信息的技術。CDMA給每一用戶分配一個唯一的序列（擴頻碼），并用它對承載信息的信號進行編碼。知道該碼序列用戶的接收機對收到的信號進行解碼，并恢復出原始數(shù)據(jù)，這是因為該用戶碼序列與其它用戶碼序列的互相關是很小的。由于碼序列的帶寬遠大于所承載信息的信號的帶寬，編碼過程擴展了信號的頻譜，所以也稱為擴頻調制，其所產生的信號也稱為擴頻信號。CDMA通常也用擴頻多址（SSMA）來表征。對所傳信號頻譜的擴展給予CDMA以多址能力。擴頻通信最大的優(yōu)點是對信道中窄帶干擾的抑制。當信道中存在窄帶干擾時，由于干擾是在發(fā)射信號擴頻之后加入的，所以接收端的解擴操作在將期望信號縮回到原帶寬的同時，還會將非期望信號（即窄帶干擾）的帶寬擴頻同一倍數(shù)，從而使窄帶干擾變成了寬帶干擾，減小了其功率譜密度。因此，擴頻可以用來減小干擾對接收機性能的影響，實現(xiàn)抑制窄帶干擾對接收機性能的影響，實現(xiàn)抑制干擾的目的，并且擴頻越寬，窄帶干擾的抑制能力就越強。因此，對擴頻信號的產生及其性能的了解十分重要。擴頻調制技術必須滿足兩條基本要求：所傳信號的帶寬必須遠大于信息的帶寬；所產生的射頻信號的帶寬與所傳信息無關；由于擴頻信號擴展了信號的頻譜，所以它具有一系列不同于窄帶信號的性能：多址能力；抗干擾性能好；抗多徑衰落能力強；系統(tǒng)容量增大；通信質量好；頻率利用率高；10．高度可靠的保密安全性；11．手機功耗小。CDMA按照其采用的擴頻調制方式的不同，可以分為直接序列擴頻（DS）、跳頻擴頻（FH）、跳時擴頻（TH）和復合式擴頻，其中直擴方式與其它方式相比，實現(xiàn)數(shù)譜擴展更方便。目前采用擴頻技術的通信系統(tǒng)大多采用直擴方式工作，所以我們先研究直擴技術，然后再討論跳頻。實驗一直接序列擴頻（DS）編解碼實驗一、實驗目的1.了解直擴擴頻和解擴的原理和系統(tǒng)組成；2.熟悉通過DSP完成直擴擴頻解擴和數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程。二、實驗內容1．熟悉直擴擴頻和解擴的過程；2．測試直擴擴頻和解擴的工作波形，認真理解其工作原理；3*.通過設計DSP程序來完成直擴擴頻和解擴。三、實驗原理直接序列擴頻是將要發(fā)送的信息用偽隨機序列(PN)擴展到一個很寬的頻帶上去，在接收端用與發(fā)送端相同的偽隨機序列對接收到的擴頻信號進行處理，恢復出原來的信息。干擾信號由于和偽隨機序列不相關，在接收端被擴展，使落入信號頻帶內的干擾信號功率大大降低，從而提高了系統(tǒng)的輸出信噪比，達到抗干擾的目的。1．直接序列(DS)擴頻系統(tǒng)的組成圖3-5-1為直擴系統(tǒng)的組成原理框圖。圖3-5-1直擴系統(tǒng)的組成框圖信源輸出的信息流與偽隨機碼產生器產生的偽隨機碼相乘（或者模二相加即異或），產生一個速率與偽隨機碼速率相同的擴頻序列，然后再用擴頻序列去調制載波，這樣就得到了已擴頻調制的射頻信號。在接收端，接收到的擴頻信號，經(jīng)高放和混頻后，用與發(fā)送端同步的偽隨機序列對擴頻信號進行解擴，經(jīng)信號的頻帶濾波器濾波，便得到所傳輸?shù)男畔ⅰ８蓴_信號由于和偽隨機序列不相關，在接收端頻譜被擴展，使落入信號頻帶內的干擾信號功率大大降低，從而提高了系統(tǒng)的輸出信噪比。 圖3-5-2為相應的信號波形。圖3-5-2直擴的信號擴頻和解擴波形（擴頻和解擴采用異或運算）2．直擴系統(tǒng)的實現(xiàn) 在實驗中用TMS320VC5509的DSP來完成數(shù)據(jù)的直擴擴頻和解擴。原始數(shù)據(jù)和偽隨機序異或，產生相應的擴頻數(shù)據(jù)。通過DSP的MCBSP通道發(fā)送，再經(jīng)過D/A轉換為模擬信號，經(jīng)射頻發(fā)送模塊傳輸。射頻接收模塊接收到擴頻信號后，經(jīng)下變頻，恢復為基帶信號，經(jīng)A/D變換后，由DSP的MCBSP口接收。接收方采用和發(fā)送方一樣的偽隨機序列進行解擴（異或），得到了原始的發(fā)送數(shù)據(jù)。四、實驗步驟1．打開移動實驗箱電源，等待實驗箱初始化完成；2．先按下“菜單”鍵，再按下數(shù)字鍵“3”，選擇“三、擴頻通信基礎”,再按下數(shù)字鍵“1”選擇“1.直擴編解碼3．通過測試點TP201觀測和偽隨機序列頻率相同的時鐘信號；4．通過測試點TP202觀測原始數(shù)據(jù)的波形；5．通過測試點TP203觀測發(fā)送方的偽隨機碼的波形；6．通過測試點TP204觀測擴頻后的數(shù)據(jù)波形；7．通過測試點TP205觀測解擴后的數(shù)據(jù)波形；8．通過測試點TP206觀測解擴后的偽隨機碼波形。五、實驗任務1．描述直接擴頻通信的過程；2．畫出各點波形；3．驗證解擴后的數(shù)據(jù)和原始基帶數(shù)據(jù)的關系；4*.設計DSP擴頻和解擴的程序，修改擴頻碼，來觀測上述測試點的波形變化。*：選作，需要計算機和DSP的仿真器實驗二跳頻（FH）通信實驗實驗目的1.了解跳頻和解跳的基本原理；2．了解DSP（數(shù)字信號處理器）在移動通信中的應用；3*.熟悉通過DSP完成跳頻、解跳和數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程。二、實驗內容1．熟悉跳頻和解跳的過程，并通過信道進行傳輸；2．測試跳頻和解跳的工作波形，認真理解其工作原理。三、實驗原理1．跳頻(FH)系統(tǒng)的基本原理跳頻系統(tǒng)的載頻受一偽隨機碼的控制，不斷地、隨機地跳變，可以看成載頻按照一定規(guī)律變化的多頻頻移鍵控（MFSK）。與直擴相比，跳頻系統(tǒng)中的偽隨機序列并不直接傳輸，而是用來選擇信道。跳頻電臺已經(jīng)成為未來戰(zhàn)術通信設備的趨勢。跳頻系統(tǒng)的組成如圖3-6-1所示。發(fā)送端由信源產生的信息流去調制頻率合成器產生的載頻，得到射頻信號。頻率合成器產生的載頻受偽隨機序列控制，按照一定的規(guī)律跳變。在接收端的本振信號是一個和發(fā)送端跳變規(guī)律一致的頻率跳變信號，經(jīng)過混頻后，就可以解調出原始信號。圖3-6-1跳頻系統(tǒng)組成框圖一般跳頻系統(tǒng)可以根據(jù)跳頻速率分為快速跳頻、中速跳頻和慢速跳頻。跳頻系統(tǒng)的頻率跳變，受到偽隨機序列的控制，時間不同，偽隨機序列的相位不同，對應的頻率合成器產生的頻率也不同。跳頻系統(tǒng)的頻率跳變規(guī)律成為跳頻圖案。如圖3-6-2 dfdfsc時間頻率圖3-6-2跳頻圖案f2時間?TcTf1跳頻系統(tǒng)具有以下的特點：f2時間?TcTf1（1）有較強的抗干擾能力，采用了躲避干擾的方法抗干擾。（2）用于組網(wǎng)，實現(xiàn)碼分多址，頻譜利用率高。（3）快跳頻系統(tǒng)用的偽隨機碼速率比直擴系統(tǒng)低的多，同步要求比直擴低，因而時間短、入網(wǎng)快。2．跳頻系統(tǒng)的實現(xiàn)在實驗中用TMS320VC5509的DSP來編程，軟件完成跳頻。具體過程如下：（1）預先設定四個頻率點，再用偽隨機序列按照一定的規(guī)律產生一個指針，指向這四個頻率中的一個；（2）發(fā)送方對原始數(shù)據(jù)信息進行BPSK調制，原始信號對選擇的跳頻頻率進行調制，并通過射頻傳輸；（3）接收方將接收的信號下變頻后，采用和發(fā)送方一樣的偽隨機序列，通過同樣的規(guī)律獲得相同的頻率，進行解調，再經(jīng)過BPSK解調，獲得原始數(shù)據(jù)。四、實驗步驟1．打開移動實驗箱電源，等待實驗箱初始化完成；2．先按下“菜單”鍵，再按下數(shù)字鍵“3”，選擇“三、擴頻通信基礎”,再按下數(shù)字鍵選擇“2.跳頻”3．通過測試點TP202觀測原始數(shù)據(jù)的波形；4．通過測試點TP308測試跳頻并完成D/A轉換后的波形；5．通過測試點TP204觀測解跳后的數(shù)據(jù)波形。五、實驗任務1．描述跳頻通信的過程；2．畫出各點波形；3．驗證解跳后的數(shù)據(jù)和原始基帶數(shù)據(jù)的關系；4*．設計DSP跳頻和解跳的程序，修改根據(jù)擴頻碼產生跳頻的規(guī)則，來觀測上述測試點的波形變化。*：選作，需要計算機和DSP的仿真器實驗三DS/CDMA碼分多址實驗一、實驗目的1.了解CDMA基本原理；2．了解軟件完成DS-CDMA的整個通信過程；3.熟悉DS-CDMA的特點，加強對CDMA的理解。二、實驗內容1．熟悉CDMA的原理；2．測試DS-CDMA各點的波形；3．通過DSP來完成DS-CDMA的過程。三、實驗原理1．DS-CDMA基本原理DS-CDMA利用高速率的正交碼或準正交碼來作為地址碼，與用戶信息數(shù)據(jù)相乘（模二相加），得到數(shù)據(jù)信息的直接序列擴頻信號，經(jīng)過相應的信道傳輸后，在接收端與本地產生的地址碼進行相關檢測，從中將地址碼和本地地址碼一致的用戶數(shù)據(jù)選出，把不一致的用戶數(shù)據(jù)濾除掉。碼分多址通信系統(tǒng)可以完成時域、頻域及空間上混疊的多個用戶直擴數(shù)據(jù)的同時傳輸。 圖3-7-1為一個典型的CDMA系統(tǒng)框圖。圖3-7-1典型的CDMA系統(tǒng)框圖 從該圖看出，在CDMA系統(tǒng)中，對每個用戶來講分為上行鏈路和下行鏈路。在上行鏈路中，為每一個移動用戶分配一個地址碼，且這些地址碼相互正交（或者準正交）。移動臺MS1、MS2、…、MSN分別分配有地址碼C1、C2、…、CN。利用移動碼型和移動用戶的一一對應關系，基站便可以區(qū)分不同用戶的信號。同樣，在下行通信鏈路中，基站發(fā)往不同移動用戶的信號也用一組正交的地址碼C10、C20、…、CN0來進行區(qū)分。移動用戶根據(jù)分配給自己的對應地址碼從下行鏈路中提取出發(fā)送給自己的信號。地址碼可以選擇m序列、Gold序列和WALSH序列等。 CDMA系統(tǒng)具有以下的優(yōu)點：大容量軟容量采用多種分集技術軟切換保密性能好話音質量高較低的發(fā)射功率2．DS-CDMA系統(tǒng)的實驗在實驗中用TMS320VC5509的DSP來編程，軟件完成簡易的DS-CDMA的功能。具體過程如下：發(fā)送方1）將原始數(shù)據(jù)進行直擴；2）對擴頻后的數(shù)據(jù)進行BPSK調制；3）通過DSP的MCBSP串口來傳輸數(shù)據(jù)；4）對串口數(shù)據(jù)進行D/A轉換，變成模擬信號；5）對發(fā)送的模擬信號進行上變頻，通過射頻發(fā)送出去。接收方1）通過射頻模塊來接收信號，并進行下變頻；2）對信號進行A/D轉換，轉換為數(shù)字信號；3）通過DSP的MCBSP串口接收數(shù)據(jù)；4）對接收的數(shù)據(jù)進行BPSK解調；5）對解調后的數(shù)據(jù)選擇相應的本地擴頻碼進行解擴，得到接收的數(shù)據(jù)。3．實現(xiàn)框圖四、實驗步驟1．打開移動實驗箱電源，等待實驗箱初始化完成。先按下“菜單”鍵，再按下數(shù)字鍵“4”，選擇“四、碼分多址”

2.再按下數(shù)字鍵“1”選擇菜單“1發(fā)1—收1”1）通過測試點TP201觀測和偽隨機序列頻率相同的時鐘信號；2）通過測試點TP202觀測原始數(shù)據(jù)的波形；3）通過測試點TP203觀測發(fā)送方的偽隨機碼的波形；4）通過測試點TP204觀測擴頻后的數(shù)據(jù)波形；5）通過測試點TP205觀測解擴后的數(shù)據(jù)波形；6）通過測試點TP206觀測解擴后的偽隨機碼波形。3．先按下“菜單”鍵，再按下數(shù)字鍵“4”，選擇“四、碼分多址”，再按下數(shù)字鍵“2”選擇菜單“2發(fā)2—收4．先按下“菜單”鍵，再按下數(shù)字鍵“4”，選擇“四、碼分多址”，再按下數(shù)字鍵“3”選擇菜單“3發(fā)1—收5*．設計DSP完成DS-CDMA的程序，觀測當發(fā)送方和接收方擴頻碼一致和不一致的情況下，上述各測試點的波形變化。五、實驗任務1．測試各點波形；2．畫圖分析并驗證不同擴頻碼和解擴碼時TP205的波形；3*．設計DSP完成DS-CDMA的程序，觀測當發(fā)送方和接收方擴頻碼一致和不一致的情況下，來觀測上述各測試點的波形變化。*：選作，需要計算機和DSP的仿真器第4章數(shù)字調制和解調實驗數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕鶐л敵鍪且幌盗械亩M制數(shù)據(jù)，不能直接通過無線鏈路發(fā)送。所以必須用基帶信號對載波波形的某些參量進行控制，使載波的這些參量隨基帶信號的變化而變化，即進行調制。從原理上來說，只要已調信號適合于信道傳輸，受調載波的波形可以是任意的。因為正弦信號形式簡單，易于發(fā)送和接收，所以在大多數(shù)數(shù)字通信系統(tǒng)中，都選擇正弦信號作為載波。本章實驗也限于用正弦波作為載波。根據(jù)對載波參數(shù)的改變方式，可把數(shù)字調制方式分為三種基本類型：振幅鍵控（ASK）、移頻鍵控（FSK）和移相鍵控（PSK）。每種類型又有很多種不同的形式，例如FSK又有連續(xù)相位的技術，PSK有BPSK和QPSK等。數(shù)字載波鍵控信號的數(shù)學表達式為：不同的載波鍵控方式通過改變不同的參數(shù)來實現(xiàn)。每種不同的調制方法具有不同的發(fā)送和接收設計，占有不同的帶寬和誤碼率。本章實驗我們重點談論四種調制方式：BPSK、QPSK、OQPSK和MSK。實驗一BPSK調制解調實驗一、實驗目的1．了解BSPK調制和解調的基本原理；2．熟悉軟件完成BPSK調制和解調的過程。二、實驗內容1．熟悉BPSK調制和解調過程；2．通過示波器測試BPSK調制解調各點的波形；3*.設計一個通過DSP程序完成BPSK的程序，加強對BPSK的理解。三、實驗原理 利用調制信號對正弦波的載波相位進行控制的方式成為移相鍵控（PSK）。PSK包括BPSK、BDPSK、QPSK、QDPSK、O-QPSK。本實驗我們主要完成BPSK方式。 BPSK的已調信號可以表示為： 即發(fā)送二進制符號0時，取相位。顯然載波的不同相位直接表示了相應的數(shù)字信息。BPSK的信號產生可以采用相乘器來實現(xiàn)。產生的方法以及波形如圖4-8-1所示。圖4-8-1BPSK信號的產生以及波形BPSK信號的解調只能采用相干解調，解調器的框圖和各點的波形如圖4-8-2所示。圖4-8-2BPSK相干解調器各點波形本實驗中，DSP用軟件方式完成BPSK的調制和解調。由DSP產生一個正弦波，和要發(fā)送的數(shù)據(jù)相乘，實現(xiàn)BPSK調制，通過DSP的MCBSP2串口發(fā)送，再通過D/A轉換和上變頻進行傳輸。接收方通過下變頻和A/D變化，將數(shù)據(jù)交給DSP的MCBSP2口，DSP做相干解調，恢復出原始數(shù)據(jù)信息。四、實驗步驟1.打開移動實驗箱電源，等待實驗箱初始化。初始化結束后顯示“初始化完成，請使用”，此時可以進行下面操作；2.先按下“菜單”鍵，再按下數(shù)字鍵“5”，選擇“五、數(shù)字調制解調”，再按下數(shù)字鍵“1”選擇“1.BPSK調制3.在測試點TP202測試發(fā)送方基帶數(shù)據(jù)；4.在測試點TP308測試BPSK調制后的波形；5.在測試點TP204測試解調后的數(shù)據(jù)波形；6*．根據(jù)提供的仿真器和JTAG接口，自主設計一個DSP軟件程序，通過DSP的MCBSP2串口、A/D、D/A電路和上下變頻電路，來完成一個BPSK的調制、傳輸和解調實驗。并根據(jù)上述各測試點，測試各點波形。五、實驗任務1．畫出各點波形，熟悉BPSK調制的過程。2*．根據(jù)提供的JTAG接口，自主設計一個DSP軟件程序，通過DSP的MCBSP2串口、A/D、D/A電路和上下變頻電路，來完成一個BPSK的調制、傳輸和解調實驗。并根據(jù)上述各測試點，測試各點波形。*：選作，需要計算機和DSP的仿真器實驗二QPSK調制解調實驗一、實驗目的1.了解QPSK調制和解調的基本原理；2．熟悉軟件完成QPSK的過程。二、實驗內容1．熟悉QPSK調制和解調過程；2．通過示波器測試QPSK各點的波形；3*.設計一個通過DSP程序完成QPSK的程序，加強對QPSK的理解。三、實驗原理BPSK是用兩種相位(0,)來表示兩種信息，而四相移相鍵控（QPSK）是利用載波的四個不同相位來表征數(shù)字信息，每一個載波相位代表兩個比特的信息。因此對于輸入的二進制數(shù)字序列應該先進行分組。將每兩個比特編為一組，采用相應的相位來表示。當初始相位取0時，四種不同的相位為：0,/2,,3/2分別表示數(shù)字信息：11、01、00、10；當初始相位為時，四種不同的相位為：、、、分別表示11、01、00、10。這兩種QPSK信號可以通過圖4-9-1的矢量圖來表征。圖4-9-1QPSK信號的矢量圖表示QPSK信號可以表示為：，其中I(t)稱為同相分量，Q(t)稱為正交分量。根據(jù)上式可以得到QPSK正交調制器的方框圖，如圖4-9-2所示。 圖4-9-2QPSK系統(tǒng)調制器原理框圖從圖4-9-2可以看出，QPSK調制器可以看作為兩個BPSK調制器構成，輸入的二進制信息序列經(jīng)過串并轉換，分成兩路速率減半的序列I(t)和Q(t)，然后對和進行調制，相加后即可得到QPSK信號。經(jīng)過串并變換之后的兩個支路，一路為單數(shù)碼元，另一路是偶數(shù)碼元，這兩個支路為正交，一個稱為同相支路，即I支路，另一個稱為正交支路，即Q支路。QPSK信號可以采用兩個正交的載波信號實現(xiàn)相干解調。通過載波恢復電路，產生相干載波，分別將同相載波和正交載波提供給同相支路和正交支路的相關器，經(jīng)過積分、判決和并串轉換，即可恢復原來的二進制信息。QPSK解調框圖如圖4-9-3所示。 圖4-9-3QPSK相干解調框圖現(xiàn)在QPSK實驗中，我們采用了DSP來軟件實現(xiàn)QPSK調制和解調。本實驗中，利用DSP用軟件完成BPSK的調制和解調。由DSP產生一個數(shù)據(jù)源，并進行串并轉換，分為I路和Q路，同時產生同頻的正弦信號和余弦信號，分別和I、Q路相乘，再將I、Q路合路，實QPSK調制，通過DSP的MCBSP2口串行發(fā)送，再通過D/A轉換和上變頻進行傳輸。接收方通過下變頻和A/D變化，將數(shù)據(jù)通過DSP的MCBSP2串行交給DSP，DSP做相干解調，恢復出原始數(shù)據(jù)信息。四、實驗步驟1.打開移動實驗箱電源，等待實驗箱初始化。初始化結束后顯示“初始化完成，請使用”，此時可以進行下面操作；2.先按下“菜單”鍵，再按下數(shù)字鍵“5”選擇“五、數(shù)字調制解調”，再按數(shù)字鍵“2”選擇“2.QPSK調制3.在測試點TP201測試輸入的基帶數(shù)據(jù)波形。4.在測試點TP202測試發(fā)送的I路數(shù)據(jù)；5.在測試點TP203測試發(fā)送的Q路數(shù)據(jù)；6.在測試點TP308測試QPSK調制波形；7.在測試點TP204測試接收的I路解調數(shù)據(jù)；8.在測試點TP205測試接收的Q路解調數(shù)據(jù)；9．在測試點TP206測試接收解調后數(shù)據(jù)。五、實驗任務1．畫出各點波形，熟悉QPSK調制的過程。2.比較調制信號的相位關系，計算各相位跳變點的相差，理解QPSK的概念。3*.根據(jù)提供的仿真器和JTAG接口，自主設計一個DSP軟件程序，通過DSP的MCBSP2串口、A/D、D/A電路和上下變頻電路，來完成一個QPSK的調制、傳輸和解調實驗。并根據(jù)上述各測試點，測試各點波形。*：選作，需要計算機和DSP的仿真器實驗三OQPSK調制解調實驗一、實驗目的1.了解OQPSK調制和解調的基本原理；2．熟悉軟件完成OQPSK的過程。二、實驗內容1．熟悉OQSPK調制和解調過程；2．通過示波器測試OQPSK各點的波形；3*.設計一個通過DSP程序完成QPSK的程序，加強對OQPSK的理解。三、實驗原理 偏移四相相移鍵控（OQPSK）是另外一種四相相移鍵控。將QPSK調制框圖中的正交支路信號偏移TS/2，其他不變，即可得到OQPSK信號。將正交支路信號偏移TS/2的結果是消除了已調信號中突然相移的現(xiàn)象。每個TS/2信號只可能發(fā)生±/2的變化。QPSK和OQPSK信號的相位轉移圖如圖4-10-1所示。圖4-10-1相位轉移圖 如上圖所示，采用OQPSK調制后，相位轉移圖中的信號點只能沿著正方形四邊移動，故相位只能發(fā)生/2的變化。相位跳變小，所以頻譜特性要比QPSK的好。圖4-10-2OQPSK調制器和相干解調器框圖在OQPSK實驗中，我們采用了DSP軟件來實現(xiàn)OQPSK調制和解調。本實驗中由DSP產生一個數(shù)據(jù)源，并進行串并轉換，分為I路和Q路，同時產生同頻的正弦信號和余弦信號，分別和I、Q路相乘，再將I、Q路合路，進行OQPSK調制，通過DSP的MCBSP2口串行發(fā)送，再通過D/A轉換和上變頻進行傳輸。接收方通過下變頻和A/D變化，將數(shù)據(jù)通過DSP的MCBSP2串行交給DSP，DSP做相干解調，恢復出原始數(shù)據(jù)信息。四、實驗步驟1.打開移動實驗箱電源，等待實驗箱初始化。初始化結束后顯示“初始化完成，請使用”，此時可以進行下面操作；2.先按下“菜單”鍵，再按下數(shù)字鍵“5”選擇“五、數(shù)字調制解調”，再按數(shù)字鍵“3”選擇“3.OQPSK調制3.在測試點TP201測試輸入的基帶數(shù)據(jù)波形；4.在測試點TP202測試發(fā)送的I路數(shù)據(jù)；5.在測試點TP203測試發(fā)送的Q路數(shù)據(jù)；6.在測試點TP308測試OQPSK調制波形；7.在測試點TP204測試接收的I路解調數(shù)據(jù)；8.在測試點TP205測試接收的Q路解調數(shù)據(jù)；9*.根據(jù)提供的仿真器和JTAG接口，自主設計一個DSP軟件程序，通過DSP的MCBSP2串口、A/D、D/A電路和上下變頻電路，來完成一個OQPSK的調制、傳輸和解調實驗。并根據(jù)上述各測試點，測試各點波形。五、實驗任務1．畫出各點波形，熟悉OQPSK調制的過程；2.比較調制信號的相位關系，計算各相位跳變點的相差，確定是否符合OQPSK的特點，理解OQPSK的概念；3*.根據(jù)提供的仿真器和JTAG接口，自主設計一個DSP軟件程序，通過DSP的MCBSP2串口、A/D、D/A電路和上下變頻電路，來完成一個OQPSK的調制、傳輸和解調實驗。并根據(jù)上述各測試點，測試各點波形。*：選作，需要計算機和DSP的仿真器實驗四MSK調制解調實驗一、實驗目的1.了解MSK調制和解調的基本原理；2．熟悉軟件完成MSK的過程。二、實驗內容1．熟悉MSK調制和解調過程；2．通過示波器測試MSK各點的波形；3*.設計通過DSP程序完成MSK的程序，加強對MSK的理解。三、實驗原理當信道中存在非線性的問題和帶寬限制時，幅度變化的數(shù)字信號通過信道會使己濾除的帶外頻率分量恢復，發(fā)生頻譜擴展現(xiàn)象，同時還要滿足頻率資源限制的要求。因此，對己調信號有兩點要求，一是要求包絡恒定；二是具有最小功率譜占用率。因此，現(xiàn)代數(shù)字調制技術的發(fā)展方向是最小功率譜占有率的恒包絡數(shù)字調制技術。現(xiàn)代數(shù)字調制技術的關鍵在于相位變化的連續(xù)性，從而減少頻率占用。MSK（最小頻移鍵控）是移頻鍵控FSK的一種改進形式。在FSK方式中，每一碼元的頻率不變或者跳變一個固定值，而兩個相鄰的頻率跳變碼元信號，其相位通常是不連續(xù)的。所謂MSK方式，就是FSK信號的相位始終保持連續(xù)變化的一種特殊方式?？梢钥闯墒钦{制指數(shù)為0.5的一種連續(xù)相位的FSK信號。其主要特點是包絡恒定，帶外輻射小，實現(xiàn)較簡單。其數(shù)學表達式為：式中，Tb為碼元的寬度，an為＋1，－1。是第n個碼元的初始相位，并且當輸入＋1時，發(fā)送的角頻率為：。當輸入-1時，發(fā)送的角頻率為：。在一個碼元內相位增加/2或者減小/2，所以相位的變換是連續(xù)的。圖4-11-1給出一種MSK調制信號產生的方法。圖4-11-1MSK的調制框圖實現(xiàn)MSK調制的過程為：先將輸入的基帶信號將其分成I、Q兩路，并互相交錯一個碼元寬度，再用加權函數(shù)和分別對I、Q兩路數(shù)據(jù)加權，最后將兩路數(shù)據(jù)分別用正交載波調制。MSK使用相干載波最佳接收機解調，如圖4-11-2所示。圖4-11-2在MSK實驗中，我們采用了DSP軟件來實現(xiàn)MSK調制和解調。本實驗中由DSP產生一個數(shù)據(jù)源，并進行串并轉換，分為I路和Q路，同時產生同頻的正弦信號和余弦信號，分別和I、Q路相乘，再將I、Q路合路，進行MSK調制，通過DSP的MCBSP2口串行發(fā)送，再通過D/A轉換和上變頻進行傳輸。接收方通過下變頻和A/D變化，將數(shù)據(jù)通過DSP的MCBSP2串行交給DSP，DSP做相干解調，恢復出原始數(shù)據(jù)信息。四、實驗步驟1.打開移動實驗箱電源，等待實驗箱初始化。初始化結束后顯示“初始化完成，請使用”，此時可以進行下面操作；2.先按下“菜單”鍵，再按下數(shù)字鍵“5”選擇“五、數(shù)字調制解調”，再按數(shù)字鍵“4”選擇“4.MSK調制3.在測試點TP201測試輸入的基帶數(shù)據(jù)波形；4.在測試點TP202測試發(fā)送的I路數(shù)據(jù)；5.在測試點TP203測試發(fā)送的Q路數(shù)據(jù)；6.在測試點TP308測試MSK調制波形；7.在測試點TP204測試接收的I路解調數(shù)據(jù)；8.在測試點TP205測試接收的Q路解調數(shù)據(jù)；五、實驗任務1．畫出各點波形，熟悉MSK調制的過程；2.觀測調制之后的信號頻率變化，及有否相位跳變，理解MSK的概念；3*.根據(jù)提供的仿真器和JTAG接口，自主設計一個DSP軟件程序，通過DSP的MCBSP2串口、A/D、D/A電路和上下變頻電路，來完成一個MSK的調制、傳輸和解調實驗。并根據(jù)上述各測試點，測試各點波形。*：選作，需要計算機和DSP的仿真器實驗五GMSK調制解調實驗一、實驗目的1.了解GMSK調制和解調的基本原理；2．熟悉軟件完成GMSK的過程。二、實驗內容1．熟悉GMSK調制和解調過程；2．通過示波器測試GMSK各點的波形；3*.設計通過DSP程序完成GMSK的程序，加強對GMSK的理解。三、實驗原理盡管MSK信號已具有較好的頻譜和誤碼率性能，但仍不能滿足無線通信中臨道輻射低于主瓣達到60db以上的要求。因此，需要在MSK的基礎上采取一定的措施，加快其帶外衰減速度。于是提出了改進的MSK調制方式，即GMSK調制。GMSK調制是在MSK調制前，將基帶信號線通過一個高斯型低通濾波器。圖GMSK調制器結構原理圖該高斯低通濾波器也被稱為與調制濾波器，假設其3dB帶寬為Bb，則其沖擊響應為：GMSK信號的帶外衰減由BbTb決定，BbTb值越大，帶外衰減越大。當BbTb=0.3時，即可滿足GSM系統(tǒng)帶外衰減60dB的要求。在BbTb一定時，頻道間隔Δf和Tb的乘積ΔfTb越大，則鄰臨道干擾越??；在ΔfTb一定時，BbTb越小則鄰道干擾越小。實際上，MSK是2電平矩形基帶信號進行調頻得到的，MSK信號在任一碼元間隔內，其相位變化（增加或減小）pi/2，而在碼元轉換時刻則保持相位連續(xù)。但MSK信號相位變化率為一折線，在碼元轉換時刻會出現(xiàn)尖角，從而使其頻譜特性的旁瓣滾降緩慢，帶外輻射相對較大。為了解決這一問題，可將數(shù)字基帶信號先經(jīng)過一個高斯濾波器整形，由于成形后的高斯脈沖包絡無陡峭邊沿，亦無拐點，于是經(jīng)調制后的已調頻波相位路徑在MSK基礎上獲得平滑。這被成為GMSK調制。其和MSK信號的相位變化如下頁圖所示：通過相位分析可以看出，GMSK通過引入可控的碼間干擾來達到相位平滑的目的，消除了MSK在碼元轉換時刻的相位轉折。GMSK信號的解調器可以采用和MSK一樣的解調方式，但需要提取相干載波，這在高速的無線傳輸系統(tǒng)中式比較困難的。在實際中，常采用二比特延遲差分檢測的非相干解調方式。四、實驗步驟及內容1.打開移動實驗箱電源，等待實驗箱初始化。初始化結束后顯示“初始化完成，請使用”，此時可以進行下面操作；2.先按下“菜單”鍵，再按下數(shù)字鍵“5”選擇“五、數(shù)字調制解調”，再按數(shù)字鍵“5”選擇“5.GMSK調制3.在測試點TP201測試輸入的基帶數(shù)據(jù)；4.在測試點TP202測試發(fā)送的I路數(shù)據(jù)；5.在測試點TP203測試發(fā)送的Q路數(shù)據(jù)；6.在測試點TP308測試GMSK調制波形；7.在測試點TP204測試接收的I路解調數(shù)據(jù)；８.在測試點TP205測試接收的Q路解調數(shù)據(jù)。五、實驗任務1．畫出各點波形，熟悉GMSK調制的過程；2.觀測調制之后的信號頻率變化，和MSK相比較說出兩者的差別；3*.根據(jù)提供的仿真器和JTAG接口，自主設計一個DSP軟件程序，通過DSP的MCBSP2串口、A/D、D/A電路和上下變頻電路，來完成一個GMSK的調制、傳輸和解調實驗。并根據(jù)上述各測試點，測試各點波形。*：選作，需要計算機和DSP的仿真器實驗六OFDM調制解調實驗一、實驗目的1.掌握OFDM調制和解調的基本原理；2.了解OFDM的特點及不足；3.學會使用數(shù)字示波器分析波形頻譜4．了解軟件完成OFDM的調制過程。二、實驗內容1．熟悉OFDM調制和解調過程，了解OFDM的同步技術；2．通過示波器測試OFDM的波形，并觀察OFDM調制的頻譜；3*.設計通過DSP程序完成OFDM的程序，加強對OFDM調制的理解。三、實驗原理1.OFDM簡介現(xiàn)代社會對通信的依賴和要求越來越高，于是設計和開發(fā)效率更高的通信系統(tǒng)就成了通信工程界不斷追求的目標。通信系統(tǒng)的效率，說到底就是頻譜利用率和功率利用率。特別是在無線通信的情況下，對這兩個指標的要求往往更高，尤其是頻譜利用率。由于空間可用頻譜資源是有限的，而無線應用卻越來越多，使得無線頻譜的使用受到各國政府的嚴格管理并統(tǒng)一規(guī)劃。于是，各種各樣的具有較高頻譜效率的通信技術不斷被開發(fā)出來，OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）是目前已知的頻譜利用率最高的一種通信系統(tǒng)，它將數(shù)字調制、數(shù)字信號處理、多載波傳輸?shù)燃夹g有機結合在一起，使得它在系統(tǒng)的頻譜利用率、功率利用率、系統(tǒng)復雜性方面綜合起來有很強的競爭力，是支持未來移動通信特別是移動多媒體通信的主要技術之一。OFDM是一種多載波傳輸技術，N個子載波把整個信道分割成N個子信道，N個子信道并行傳輸信息。其時域原理如下圖所示：圖（4-16-1）OFDM時域原理圖OFDM系統(tǒng)有許多非常引人注目的優(yōu)點。第一，OFDM具有非常高的頻譜利用率。普通的FDM系統(tǒng)為了分離開各子信道的信號，需要在相鄰的信道間設置一定的保護間隔（頻帶），以便接收端能用帶通濾波器分離出相應子信道的信號，造成了頻譜資源的浪費。OFDM系統(tǒng)各子信道間不但沒有保護頻帶，而且相鄰信道間信號的頻譜的主瓣還相互重疊，但各子信道信號的頻譜在頻域上是相互正交的，各子載波在時域上是正交的，OFDM系統(tǒng)的各子信道信號的分離（解調）是靠這種正交性來完成的。另外，OFDM的各個子信道上還可以采用多進制調制（如頻譜效率很高的QAM），進一步提高了OFDM系統(tǒng)的頻譜效率。OFDM和傳統(tǒng)的FDM相比，頻譜分布如下圖所示：第二，實現(xiàn)比較簡單。當子信道上采用QAM或MPSK調制方式時，調制過程可以用IFFT完成，解調過程可以用FFT完成，既不用多組振蕩源，又不用帶通濾波器組分離信號。第三，抗多徑干擾能力強，抗衰落能力強。由于一般的OFDM系統(tǒng)均采用循環(huán)前綴（CyclicPrefix，CP）方式，使得它在一定條件下可以完全消除信號的多徑傳播造成的碼間干擾，完全消除多徑傳播對載波間正交性的破壞，因此OFDM系統(tǒng)具有很好的抗多徑干擾能力。OFDM的子載波把整個信道劃分成許多窄信道，盡管整個信道是有可能是極不平坦的衰落信道，但在各子信道上的衰落卻是近似平坦的，這使得OFDM系統(tǒng)子信道的均衡特別簡單，往往只需一個抽頭的均衡器即可。當然，與單載波系統(tǒng)比，OFDM也有一些困難問題需要解決。這些問題主要是：第一，同步問題。理論分析和實踐都表明，OFDM系統(tǒng)對同步系統(tǒng)的精度要求更高，大的同步誤差不僅造成輸出信噪比的下降，還會破壞子載波間的正交性，造成載波間干擾，從而大大影響系統(tǒng)的性能，甚至使系統(tǒng)無法正常工作。第二，OFDM信號的峰值平均功率比（Peak-to-AveragePowerRatio，PAPR）往往很大，使它對放大器的線性范圍要求大，同時也降低了放大器的效率。OFDM在未來通信系統(tǒng)中的應用，特別是在未來移動多媒體通信中的應用，將取決于上述問題的解決程度。OFDM技術已經(jīng)或正在獲得一些應用。例如，在廣播應用中歐洲的ETSI（EuropeanTelecommunicationStandardInstitute，歐洲電信標準學會）已經(jīng)制定了采用OFDM技術的數(shù)字音頻廣播（DigitalAudioBroadcasting,DVB）的標準，數(shù)字視頻廣播（DigitalVideoBroadcasting，DVB）的標準也正在制定中；在寬帶無限接入應用中，IEEE802.11a及IEEE802.16都有基于OFDM技術的建議，ETSI的HiperLANII也是一種基于OFDM技術的標準；在數(shù)字蜂窩移動通信中應用中，OFDM是目前研究的熱點技術之一；在有線寬帶接入技術中，例如xDSL（各種高速數(shù)字用戶線）技術中，OFDM的一種特殊形式——DMT（DiscreteMultitone）以獲得廣泛應用；等等。OFDM在這些應用中已經(jīng)表現(xiàn)出強大的生命力，隨著制約OFDM應用的一些關鍵問題的解決，相信OFDM在未來的通信應用中將會扮演越來越重要的角色。2.OFDM調制解調原理基于OFDM系統(tǒng)的調制和解調框圖如下圖所示：基帶碼元數(shù)據(jù)，經(jīng)編碼后，再采用BPSK、QPSK、4QAM，64QAM等類調制制度，其中各路根據(jù)其頻率特性和信道特性選擇合適的調制制度。設在一個OFDM系統(tǒng)中有N個子信道，每個子信道采用的子載波為式中：為第k路子載波的振幅，它受基帶碼元的調制；為第k路子載波的頻率；為第k路子載波的初始相位。則在此系統(tǒng)中的N路子信息之和可以表示為上式還可改寫為復數(shù)形式：上式中實部和虛部分別對應于OFDM符號中的同向和正交分量，在實際中可以分別與相應子載波的余弦分量和正弦分量分別相乘，構成最終的子信道信號和合成的OFDM符號。設計時使用IFFT來代替OFDM調制，使用FFT來完成OFDM解調。在本實驗中，由于硬件的限制，僅對OFDM系統(tǒng)做了基本的理論驗證，以達到教學的目的，讓學生了解OFDM的特點。實驗中，使用了16路的子信道進行調制，每個子信道占用2.5kHZ的帶寬，不考慮保護帶寬，整個調制系統(tǒng)占用帶寬為：16*2.5kHZ=40kHZ。為便于觀察頻譜特性，實驗中選用了全“1”調制后波形數(shù)據(jù)如下圖所示：對波形數(shù)據(jù)采用FFT變換，進行頻譜分析，得到頻域特性如下圖所示：四、實驗步驟1.打開移動實驗箱電源，等待實驗箱初始化。初始化結束后顯示“初始化完成，請使用”，此時可以進行下面操作；2.先按下“菜單”鍵，再按下數(shù)字鍵“5”選擇“五、數(shù)字調制解調”，再按數(shù)字鍵“6”選擇“6.OFDM調制3.在測試點TP308測試OFDM調制后的波形，觀察波形周期。每幀發(fā)送16個碼元數(shù)據(jù)，計算基帶速率為多少？4．打開示波器的FFT功能，觀察并畫出波形的頻譜（注意刻度及頻率范圍），對照OFDM調制的特點進行分析載波數(shù)目、載波間隔。五、實驗任務1．了解OFDM調制的過程，掌握OFDM調制的特點及不足。2．學會使用數(shù)字示波器分析波形分頻譜，并畫出OFDM的頻譜波形圖；3*.根據(jù)提供的仿真器和JTAG接口，自主設計一個DSP軟件程序，仿真OFDM的實現(xiàn)過程，加深對OFDM的理解，并通過自己編程，體會OFDM系統(tǒng)在實際中的實現(xiàn)難度。*：選作，需要計算機和DSP的仿真器第二部分系統(tǒng)實驗系統(tǒng)實驗部分包括RZ8001型移動終端實驗箱自環(huán)系統(tǒng)通信實驗、移動系統(tǒng)信令交換實驗和移動系統(tǒng)通信實驗。RZ8001型移動終端實驗箱可以自己構成一個自環(huán)系統(tǒng)，完成語音、數(shù)據(jù)（短信）的自環(huán)通信。同時數(shù)據(jù)還可以通過PC機接入RZ8001實驗箱，在RZ8001實驗箱完成自環(huán)以后又送回PC機。對于語音的自環(huán)通信，實際上完成了對輸入的語音進行A/D變換，壓縮編碼，擴頻，無線發(fā)送，傳播，無線接受，解壓縮，D/A變換，然后輸出語音信號。對于數(shù)據(jù)的自環(huán)通信，實際上完成了對輸入的數(shù)據(jù)，壓縮編碼，擴頻，無線發(fā)送，傳播，無線接受，解壓縮，然后輸出數(shù)據(jù)。兩臺RZ8001型移動終端實驗箱之間也能完成相應的語音何數(shù)據(jù)的傳輸。多臺RZ8001型移動終端實驗箱與配套的基站RZ8002，交換機RZ8003組成一個移動通信系統(tǒng)之后，其中每臺RZ8001型移動終端實驗箱都可以和PC機上配套的“移動系統(tǒng)信令實驗平臺”軟件一起完成對移動臺開機，關機，主叫，被叫，掛機的信令交互實驗。通過信令交互實驗，可以清晰地觀察到每種情況下移動臺與基站和交換機之間的信令交互過程，加深對移動通信系統(tǒng)的認識。多臺RZ8001型移動終端實驗箱與配套的基站RZ8002，交換機RZ8003組成一個移動通信系統(tǒng)，可以完成移動臺之間的語音和數(shù)據(jù)通信。RZ8001型移動終端實驗箱完成語音、數(shù)據(jù)的處理，和基站的信令交互；基站完成各終端的頻率分配和信令分析、處理，以及和交換機之間一起完成跨基站的移動終端實驗箱之間的通信，同時將本基站管理移動終端實驗箱的狀態(tài)送往交換機。交換機終端完成跨基站之間的移動終端實驗箱之間的通信管理，同時將各移動終端實驗箱的狀態(tài)送往PC機，PC機上配套移動系統(tǒng)軟件對各移動終端實驗箱的狀態(tài)和數(shù)據(jù)進行顯示、分類、存儲和分析。同時實驗箱上還配置了一個GSM模塊，利用它還可以和GSM公網(wǎng)的普通手機進行短消息收發(fā)和語音呼叫等實驗。第1章完成RZ8001型移動終端數(shù)據(jù)和語音自環(huán)系統(tǒng)通信實驗第2章完成移動系統(tǒng)的交換機原理實驗第3章完成移動系統(tǒng)的基站原理實驗第4章完成GSM信令實驗第5章完成移動系統(tǒng)7號信令實驗第6章完成無線信道實驗第7章完成GSM模塊通信實驗第8章完成復用系統(tǒng)實驗PAGE80PAGE81（一）單機系統(tǒng)第1章單機自環(huán)系統(tǒng)RZ8001型移動終端實驗箱可以自己構成一個自環(huán)系統(tǒng)，完成語音、數(shù)據(jù)（短信）的自環(huán)通信。同時數(shù)據(jù)還可以通過PC機接入RZ8001實驗箱，在RZ8001實驗箱完成自環(huán)以后又送回PC機。對于語音的自環(huán)通信，實際上完成了對輸入的語音進行A/D變換，壓縮編碼，擴頻，無線發(fā)送，傳播，無線接收，解壓縮，D/A變換，然后輸出語音信號。對于數(shù)據(jù)的自環(huán)通信，實際上完成了對輸入的數(shù)據(jù)，壓縮編碼，擴頻，無線發(fā)送，傳播，無線接受，解壓縮，然后輸出數(shù)據(jù)。實驗一短信收發(fā)實驗一、實驗目的1.了解終端短信和數(shù)據(jù)通信的結構框圖；2．了解移動通信終端的短信收發(fā)過程。二、實驗內容1．通過鍵盤和液晶選擇和發(fā)送短信，觀測接收結果。三、實驗原理 通訊發(fā)達的今天短信已經(jīng)成為人們交流的重要手段，其中也蘊含著巨大的市場和經(jīng)濟利益。主要過程就是用戶將編制好的短信，通過移動信道，發(fā)送給接收方，接收方收到短信，再顯示出來。短信收發(fā)的結構框圖如圖1-1-1所示。圖1-1-1工作過程如下：開機，DSP從FLASH加載程序代碼。（1）發(fā)送方：通過鍵盤選擇短信，由單片機通過中斷通知DSP；DSP將短信數(shù)據(jù)處理后通過串口MCBSP發(fā)送給D/A轉換單元；D/A轉換單元將數(shù)字信號變換為模擬信號，然后上變頻單元通過射頻將語音信號發(fā)射出去。（2）接收方接收方的下變頻單元，將接收的信號下變頻給接收方的A/D單元；A/D單元將模擬信號轉換為數(shù)字信號，交給DSP的MCBSP；DSP對短信處理后，通過中斷通知單片機，單片機將接收的短信內容在液晶屏上顯示出來。四、實驗步驟及任務1．打開實驗箱電源，等待實驗箱初始化。初始化結束后顯示“初始化完成，請使用”，此時可以進行下面操作。2．先按下鍵盤上“菜單”鍵，再按下數(shù)字鍵“6”選擇“六.短信收發(fā)”，進入短信編輯方式按下“1”鍵進入“選擇短信序號”方式，顯示屏顯示短信編號和內容：可以通過“↑/確認”鍵和“↓/取消”鍵查看更多的短信。按下相應的數(shù)字編號選擇要發(fā)送的短信內容，并啟動短信發(fā)送程序；按下“2”鍵進入“編輯數(shù)字短信”方式，可以用鍵盤輸入數(shù)字，輸入完畢后按下“↑/確認”鍵，啟動短信發(fā)送程序；按下“3”鍵進入“編輯數(shù)字短信”方式，此時數(shù)字1~9分別代表字母A~I，可以用鍵盤輸入字母，輸入完畢后按下“↑/確認”鍵，啟動短信發(fā)送程序；3．在液晶的上方顯示發(fā)送的短信內容。如果接收到短信，在液晶的下方將顯示收到的短信內容。4．通過菜單選擇短信收發(fā)實驗，選擇其他的短信內容，觀測接收到的短信內容。實驗二數(shù)據(jù)接入CDMA信道的收發(fā)實驗一、實驗目的1.了解本實驗箱和計算機的接口；2．熟悉通過計算機來發(fā)送和接收短信的過程。二、實驗內容1．掌握計算機和實驗箱的連接方法；2．了解計算機和實驗箱通信過程；3．通過計算機來發(fā)送和接收短信。三、實驗原理 PC機發(fā)送數(shù)據(jù)的結構框圖如圖1-2-1所示。鍵盤及液晶顯示圖1-2-1計算機和實驗箱的連接框圖鍵盤及液晶顯示工作過程如下：1．發(fā)送方（1）用USB接口線連接RZ8001實驗平臺的“GSM開發(fā)模塊”和PC機（需要先安裝CH341驅動，參見“附錄一CH341驅動安裝”）；（2）通過PC機端編寫要發(fā)送的信息，通過串口傳輸給RZ8001實驗箱；（3）實驗箱的單片機接收到信息，通知DSP，DSP通過CDMA編碼，再通過射頻發(fā)送。2．接收方（1）接收射頻信號，下變頻后，傳遞給DSP；（2）DSP收到數(shù)據(jù)，進行CDMA譯碼，并傳送給單片機；（3）單片機將接收到的數(shù)據(jù)，傳送給PC機，在PC機端顯示處理。3.移動GSM短信軟件移動GSM短信軟件是與本實驗箱配套的軟件，用它可以實現(xiàn)在PC機編輯短消息并通過移動實驗箱上的CDMA系統(tǒng)進行自環(huán)傳輸。在做本實驗時，軟件界面如圖1-2-2所示，在消息輸入?yún)^(qū)編寫要發(fā)送的短信內容，然后點擊發(fā)送按鈕。圖1-2-2移動GSM短信軟件（PC短信發(fā)發(fā)送）四、實驗步驟與任務1.將實驗箱關機，在實驗箱右下的A擴展接口安插上“GSM開發(fā)模塊”。用配套的USB接口線連