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移动通信实验

实验一 GOLD 序列特性实验

一、实验目的

1、了解伪随机序列的概念。

2、掌握GOLD 序列的实现方法。

3、了解GOLD 序列的特性。

二、实验内容

1、观测伪随机序列及Gold 序列的频谱特性。

2、观测Gold 序列的自相关特性。

三、实验仪器

1、信号源模块 一块

2、CDMA 模块 一块

3、数字调制模块 一块

4、60M 数字存储示波器 一台

5、频谱分析仪 一台

四、实验原理

1、伪随机序列

伪随机噪声具有类似于随机噪声的某些统筹特性,同时又能够重复产生,因此获得了日益广泛的实际应用。伪随机噪声一般都是由周期性数字序列经过滤波等处理后得出的,我们将这种周期性数字序列称为伪随机序列(又称PN 序列)。

二元m 序列具有优良的自相关函数,易于产生和复制,在扩频技术中得到了广泛的应用。长度为

2n -1位的m 序列可以用n 级线性移位寄存器来产生,如下图32-1所示。

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图32-1 n 级线性移位寄存器

m 序列的特性如下:

(1)在每一周期p= 2n

-1内,“0”出现2n -1

-1次,“1”出现2n -1

次,“1”比“0”多出现一次。

(2)在每一周期内共有2n -1

个元素游程,其中“0”的游程和“1”的游程数目各占一半。并且,

对n>2,当1≤k≤n-1时,长为k 的游程占游程总数的1/ 2 k

,其中“0”的游程和“1”的游程各占一半。长为n –1的游程只有一个,为“0”的游程;长为n 的游程也只有一个,为“1”的游程。

(3)m 序列(a k )与其位移序列(τ-k a )的模二和仍然是m 序列的另一位移序列(τ'-k a ),即:

{}{}{}ττ'--=+k k k a a a

(4)m 序列的自相关函数为:

????

?≠=p

p

p R mod 01mod 01

)(τττ当-=当

2、伪随机序列的实现

构造一个产生m 序列的线性移位寄存器,首先要确定本原多项式,根据不可约多项式表查找本原多项式。表32-1中是次数n ≤7的不可约多项式表,表中可以查到n ≤7不可约多项式与本原多项式。

表32-1 次数n

≤7的不可约多项式

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上表中多项式的系数写成八进制数形式,每一位数代表多项式的3位系数。对应关系如下:

0-000 1-001 2-010 3-011 4-100 5-101 6-110 3-111

八进制数对应的二进制序列便是对应的多项式系数,其中x 的次数从左至右按从高至低的顺序排列。例如,45对应的二进制序列和本原多项式分别为100101,52

1x x ++。八进制数码后面的英文字母A 、B 、C 、D 表示非本原多项式,而E 、F 、G 、H 表示该数码对应的多项式为本原多项式。

3、Gold 序列

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,结构简单,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、码时钟速率相同的m 序列优选对模二和构成的。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。

在Gold 序列的构造中,每改变两个m 序列相对位移就可得到一个新的Gold 序列。当相对位移2n

-1比特时,就可得到一族(2n -1)个Gold 序列。再加上两个m 序列,共有(2n +1)个Gold 序列。由于Gold 码的这一特性,使得码族中任一码序列都可作为地址码,其地址数大大超过了用m 序列作地址码的数量。所以Gold 序列在多址技术中得到了广泛的应用。

4、Gold 序列的实现

产生Gold 序列的结构形式有两种:一种是串联成级数为2n 级的线性移位寄存器;另一种是两个n 级并联而成。以下以n =7的并联型Gold 序列为例,讲解GOLD 序列的实现方法。

查表32-1,n =7的本原多项式有211、217、235、367、277、325、203、313、345。取满足优选对定义的211、217优选对。

211对应的二进制序列和本原多项式分别为010001001,3

7

()1f x x x =++; 217对应的二进制序列和本原多项式分别为010001111,2

3

7

()1g x x x x x =++++。

即并联型结构中两个本原多项式分别为:

37237()1,()1f x x x g x x x x x =++=++++。

它们产生Gold 序列的周期是72121127n p =-=-=。

参照图32-1长度为21n

-位的m 序列的n 级线性移位寄存器实现框图,有n =7的并联型Gold 序列发生器如下图32-2所示。

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图32-2 n =7的并联型Gold 序列发生器

在扩频与解扩实验中,采用以上n =7的并联型Gold 序列发生器产生127位长的Gold 码,作为实现直接序列扩频用的伪随机码,码速率为128Kbit/s 。

实验中上有两个8位拨码开关,后7位拨码分别设置发送端GOLD1序列和接收端GOLD3序列使用的Gold 序列是同一个Gold 序列族中的哪一个,即设定GOLD 序列的初始位。发送端另一路地址码GOLD2序列的初始位由程序内部设定为0000001。

5、Gold 序列的自相关特性

Gold 序列的自相关特性见图32-3所示。

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图32-3 Gold 序列的自相关特性

五、实验步骤

1、将信号源模块、CDMA 模块、数字调制模块小心地固定在主机箱上,确保电源接触良好。

2、插上电源线,打开主机箱右侧的交流开关,再分别按下三个模块中的电源开关,对应的发光二极管灯亮,三个模块均开始工作。(注意,此处只是验证通电是否成功,在实验中均是先连线,后打开电源做实验,不要带电连线)

3、观测伪随机序列的频谱特性

信号源模块“码速率选择”拨码开关任意分频,观测伪随机序列 “PN15”、“PN31”、“PN511” 测试点的码型及频谱,并验证n =15及n =31长伪随机序列码型是否正确。 4、观测Gold 序列的频谱特性

将拨码开关SW01的第一位拨上,选择“内”时钟输入,示波器观测“N1-KP ”测试点的码

型及频谱。

说明1:此时“N1-KP”测试点输出发送端第一路地址码Gold1序列。

5、观测Gold序列的自相关特性

(1)数字调制模块“键控调制类型选择”拨码开关选择2PSK调制,拨为1001。

(2)CDMA模块拨码开关SW01的第一位拨码拨上,选择“内”时钟输入;拨码开关SW02的第一位拨码拨上,选择“有”跟踪。

说明2:以上两个拨码的含义将在“GOLD序列的捕获与跟踪实验”中说明。

(3)CDMA模块拨码开关SW01、SW02的后七位拨码,即GOLD1、GOLD3序列的初始位,设置为相同码型,且非“0000001”。

(4)实验连线如下:

CDMA模块数字调制模块

N1-KP ————————NRZ输入(数字键控法调制)

455K————-————载波1输入(数字键控法调制)

PSK1—————————调制输出(数字键控法调制)

CDMA模块内连线

OUT—————————IN

(5)模块上电,按“复位”键。

说明3:以后实验步骤中,改变GOLD码的初始位后,必须重新“复位”。

(6)将“捕获”旋转电位器P01逆时针旋转到底,此时“捕获灯”灭,同时将“跟踪”旋转电位器P02逆时针旋转到底。

(7)示波器观测“TX3”测试点波形,即为GOLD序列的自相关特性。

说明4:为稳定观察“TX3”测试点信号波形,触发电平应调节至波形的上半部分,如下图所示。由于该波形频率很低,在示波器上观察可能存在闪烁现象。

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触发电平

六、课后扩展题

按照实验原理中“Gold序列的实现”方法,在实验箱配套的CPLD二次开发模块硬件平台上,参考n=7的并联型Gold序列发生器,实现一个n=7的串联型Gold序列发生器。

实验二GOLD序列的捕获与跟踪实验

一、实验目的

1、了解同步的基本概念。

2、掌握滑动相关捕获的原理及实现方法。

3、掌握延迟锁定同步法的原理及实现方法。

二、实验内容

1、观察延迟滞后锁相环(DLL)的鉴相特性曲线。

2、收、发端时钟无固有频差时,进行扩频码的捕获与跟踪。

3、收、发端时钟有固有频差时,进行扩频码的捕获与跟踪。

三、实验仪器

1、信号源模块一块

2、CDMA模块一块

3、数字调制模块一块

4、60M数字存储示波器一台

四、实验原理

1、同步

在扩展频谱通信系统中,接收端一般有两类不确定的因素,就是码相位和载波频率的不确定性,扩频接收机要能够正常工作,这两个问题都必须解决。码相位的分辨力必须远小于1bit;载波中心频率的分辨能力必须使解扩后的信号落在相关滤波器的频率范围内,并且本地载波频率需始终对准输入信号载波频率,以便使解调器能正常工作。

若发射机和接收机中均使用精确的频率源,可以消除大部分码时钟相位和载波频率的不确定性,但不能完全克服由于多普勒频率引起的载波和码速率的偏移。收发信机相对移动时,也会引起相对码相位的变化。固定位置的收发信机也会由于电波传播中的多径效应而引起码相位、载波中心频率相位的延迟造成同步的不确定性。

同时,由于一般通信系统中的频率源并不像我们所希望的那样稳定,频率源的不稳定对接收系统正常工作的影响亦不可忽略。在扩展频谱系统中频率源不稳定引起时钟速率的偏移要积累在码相位偏移上。对于码速率为1Mb/s的码发生器,当时钟稳定度为10-5时,将产生10bit/s的累积码元偏差,一小时就会引起码元漂移36000bit。

2、PN码的捕获(滑动相关捕获)

伪随机码的同步一般分两步进行。第一步是搜索和捕获伪随机码的初始相位,使与发端的码相位误差小于1bit,这就可保证解扩后的信号通过相关器后面的窄带中频滤波器,通常称这一步为初始同步或捕获;第二步是在初始同步的基础上,使码相位误差进一步减小,使所建立的同步保持下去,通常称这一步为跟踪。

常用的捕获方法有滑动相关法、前置同步码法、发射参考信号法、突发同步法和匹配滤波器同步法。在CDMA系统接收端,捕获的实现大多采用滑动相关法。

若使接收端伪随机序列发生器以不同于发送端的码速率工作,这就相当于两个码组间相对滑动,一旦发现两个码组相位符合(即同步)时,立即使滑动停止。在实际系统中,两码组间的相对滑动并不是使两码组的码速率不同而获得,而是通过使接收机时钟周期性地移动一个相位增量而实现的。对于伪随机码组,由于它具有良好的相关性能,当相对滑动的结果使两码组的相位符合时,相关器

的输出有尖峰值出现。此时就判断捕获完成。滑动相关法的原理见图33-1所示。

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图33-1 滑动相关捕获原理框图

接收到的扩频信号或CDMA 信号从“IN ”测试点输入,与本地产生的128Kbit/s ,初始位由“GOLD3”拨码开关的7位拨码设置的GOLD 码序列“GD-TX ”(同相GOLD 码)相乘,得到“TX1”信号。

然后“TX1”信号经455K 中频陶瓷滤波器滤波,得“TX2”信号。当收、发端GOLD 码序列同步时,将“TX2”信号送入数字解调模块2PSK 解调,即可还原出原始的数字信息。

由“TX2”信号包络检波,得“TX3”信号。这里利用了伪随机码的相关特性:当两个相同的码序列相位上一致时,其相关值有最大的输出。因此,这里对“TX3”信号进行门限判决,同时通过“捕获”旋转电位器P01调节判决门限电压值。当捕获到相关峰时,一方面捕获指示信号的同步脉冲控制搜索控制钟“G3-BS ”,进而调整下一级的GOLD

发生器产生的GOLD 码的重复频率和相位,使“GD-TX ”信号与收到的“IN ”信号保持同步;另一方面,捕获到相关峰的同时,“捕获灯”LED03由灭变亮。

实验中上,拨码开关SW01的第一位拨码被用于选择“内”时钟输入或“外”时钟输入。当拨码开关SW01的第一位拨码拨上,即选择“内”时钟输入时,发端128Kbit/s 的GOLD1、GOLD2码序列与收端128Kbit/s 的GOLD3码序列均由CDMA 模块上的同一本地时钟产生,此时相当于收、发端时钟无固有频差;当拨码开关SW01的第一位拨码拨下,即选择“外”时钟输入时,发端128Kbit/s 的GOLD1、GOLD2码序列由信号源模块提供2048K 时钟产生,而收端128Kbit/s 的GOLD3码序列则由CDMA 模块上的本地时钟产生,此时相当于收、发端时钟有固有频差。

3、PN 码的跟踪(延迟锁定同步法)

实现PN 码的跟踪也是利用伪随机码的相关特性实现的,一般采用延迟锁相环来实现。当接收到的信号和本地的PN 序列达到同步以后,我们就说时间参考已经建立。延迟锁定环是通过一非线性的反馈环路来实现输出信号对输入信号的跟踪和同步作用。延迟锁定技术是使本地PN 序列发生器跟踪或锁定于外来的PN 序列。两个PN 序列在时延上的差别需要通过相关运算来监视:如果两个PN 序列的相位相同,则有最大的相关输出;反之如果相位不同,则输出很小。延迟锁相环的原理见图33-2所示。

移动通信实验

触发电平触发电平

图33-2 延迟锁相跟踪原理框图

上图中,接收到的扩频信号或CDMA 信号从“IN ”测试点输入,与本地产生的PN 序列“GD -CQ ”

(超前GOLD码)和“GD-ZH”(滞后GOLD码)相乘作互相关运算,然后“CQ1”、“ZH1”分别经455K 中频陶瓷滤波器滤波、包络检波,得“CQ2”和“ZH2”。这两信号相减,得到误差函数“VCO-C”。

“VCO-C”再经过环路滤波,送入压控振荡器中控制本地时钟频率“G3-BS”的变化。“跟踪”旋转电位器P02用来手调压控振荡器的压控信号的直流电平,增大接收端的时钟调节范围,使锁相更容易。

“G3-BS”时钟再推动本地GOLD序列发生器,产生本地GOLD序列的超前和滞后序列。“GD-CQ”(超前GOLD码)与“GD-ZH”(滞后GOLD码)相对本地GOLD序列“GD-TX”(同相GOLD码)有相差半个码元的相对相位关系。

接收端本地GOLD序列发生器的级数和反馈逻辑与发射方相同,初始位由“GOLD3”拨码开关设定。延时锁定环路的鉴相特性曲线,即“VCO-C”测试点波形,如下图33-3所示。

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触发电平

触发电平

图33-3 延迟锁相环的鉴相特性

实验中上,拨码开关SW02的第一位拨码被用于选择“有”跟踪或“无”跟踪。当拨码开关SW02的第一位拨码拨上,即选择“有”跟踪时,收、发端通过调节可完全同步;当拨码开关SW02的第一位拨码拨下,即选择“无”跟踪时,只有“捕获”而无“跟踪”,收、发端只粗同步,环路处于失锁状态。

五、实验步骤

1、将信号源模块、CDMA模块、数字调制模块小心地固定在主机箱上,确保电源接触良好。

2、插上电源线,打开主机箱右侧的交流开关,再分别按下三个模块中的电源开关,对应的发光

二极管灯亮,三个模块均开始工作。(注意,此处只是验证通电是否成功,在实验中均是先连线,后打开电源做实验,不要带电连线)

3、观察延迟滞后锁相环(DLL)的鉴相特性曲线

(1)数字调制模块“键控调制类型选择”拨码开关选择2PSK调制,拨为1001。

(2)CDMA模块拨码开关SW01的第一位拨码拨上,选择“内”时钟输入;拨码开关SW02的第一位拨码拨上,选择“有”跟踪。

拨码开关SW01、SW02的后七位拨码,即GOLD1、GOLD3序列的初始位,设置为相同码型,

且非“0000001”。

(3)实验连线如下:

CDMA模块数字调制模块

N1-KP ————————NRZ输入(数字键控法调制)

455K————-————载波1输入(数字键控法调制)

PSK1—————————调制输出(数字键控法调制)

CDMA模块内连线

OUT—————————IN

(4)模块上电,按“复位”键。

(5)将“捕获”旋转电位器P01逆时针旋转到底,此时“捕获灯”灭,同时将“跟踪”旋转电位器P02逆时针旋转到底。

(6)示波器观测“VCO-C”测试点波形,即为延迟滞后锁相环的鉴相特性曲线。

说明:为稳定观察“VCO-C”测试点信号波形,触发电平应调节至波形的上半部分或下半部分,如下图所示。

触发电平

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触发电平

4、扩频码的捕获与跟踪(无固有频差)

(1)以上模块设置和连线均不变,增加连线如下:

信号源模块CDMA模块

NRZ —————————NRZ1

(2)信号源模块“码速率选择”拨码开关设置为192分频,即拨为00000001 10010010;

24位“NRZ码型选择”拨码开关全部设置为0。

(3)将“捕获”旋转电位器顺时针慢慢旋转,调到“捕获灯”刚好亮。

(4)按住“复位”键,“捕获灯”灭;松开“复位”键,“捕获灯”亮。

若不是,重新调节“捕获”旋转电位器。

(4)示波器双踪观测“G1-BS”和“G3-BS”测试点,两方波波形没有相对滑动。

(5)示波器双踪观测“N1-KP”和“GD-TX”测试点,两者码型应一致。

说明:若信号源模块24位“NRZ码型选择”拨码开关全部设置为1,有以上两测试点码型正好相反。

5、扩频码的捕获与跟踪(有固有频差)

(1)以上模块设置和连线均不变,增加连线如下:

信号源模块CDMA模块

2048K——————CLK

(2)CDMA模块拨码开关SW01的第一位改拨为下,即选择“外”时钟输入。

(3)将“捕获”旋转电位器顺时针旋转到底,此时“捕获灯”亮。示波器双踪观测“G1-BS”和“G3-BS”测试点,缓慢调节“跟踪”旋转电位器,直到“G1-BS”和“G3

-BS”的两方波波形相对滑动最小。

(4)将“捕获”旋转电位器逆时针旋到底,此时“捕获灯”灭。示波器仍然双踪观测“G1-BS”和“G3-BS”测试点,两方波波形相对滑动变快。顺时针缓慢调节“捕获”旋

转电位器,调到“捕获灯”刚好由灭变亮时停住,此时两方波波形没有相对滑动,波形

相位相同。

(5)按住“复位”键,“捕获灯”灭;松开“复位”键,“捕获灯”亮,此时仍然两方波波形没有相对滑动,波形相位相同。

若不是,重复步骤(3)(4)。

六、课后扩展题

在深刻理解延迟锁相跟踪原理的理论基础上,当CDMA接收部分尚未完成捕获和跟踪时,观察“ZH2”和“CQ2”处的波形,并结合图33-3分析延迟锁相环的鉴相特性是如何产生的?

实验三扩频与解扩实验

一、实验目的

1、了解扩频通信的基本概念。

2、掌握直接序列扩频的原理及实现方法。

二、实验内容

1、单路数字基带信号直接序列扩频,对比扩频前后信号频谱的变化。

2、扩频信号2PSK调制,对比扩频前后2PSK调制信号的频谱。

3、扩频调制信号先解扩,再解调,还原数字基带信号。

三、实验仪器

1、信号源模块一块

2、CDMA模块一块

3、数字调制模块一块

4、数字解调模块一块

5、60M数字存储示波器一台

6、频谱分析仪一台

四、实验原理

1、扩频通信

扩展频谱通信系统是指将待传输信息的频谱用某个特定的扩频函数扩展成为宽频带信号后送入信道中传输,在接收端利用相应手段将信号解压缩,从而获取传输信息的通信系统。

这一定义包括以下三方面的意思:

(1)信号频谱被展宽了。在常规通信中,为了提高频率利用率,通常都是采用大体相当带宽的信号来传输信息,但扩频通信的信号带宽与信息带宽之比则高达100~1000,属于宽带通信,原因是为了提高通信的抗干扰能力,这是扩频通信的基本思想和理论依据。扩频通信系统扩展的频谱越宽,处理增益越高,抗干扰能力就越强。

(2)采用扩频码序列调制的方式来展宽信号频谱。由信号理论知道,脉冲信号宽度越窄,其频谱就越宽,信号的频带宽度和脉冲宽度近似成反比,因此,所传信息被越窄的脉冲序列调制,则可产生很宽频带的信号。扩频码序列就是很窄的脉冲序列。

(3)在接收端用与发送端完全相同的扩频码序列来进行解扩。

2、直接序列扩频

常用的扩展频谱方式可分为直接序列扩频、跳频扩频、跳时扩频和混合式。实验中采用的是直接序列扩频方式,它是用待传信息信号与高速率的伪随机码序列相乘后,去控制射频信号的某个参量而扩展频谱。一般说来,可以采用任何一种调制方式,但是最常用的还是2PSK。如下图

移动通信实验

图34-1 扩频前2PSK信号的频谱

移动通信实验

图34-2 扩频后2PSK信号的频谱

通过对比可以发现2PSK信号的频谱大大展宽了。

直接序列扩频通信系统是先用二进制信码对载波进行反相键控,这个过程可以用相乘电路或平衡调制器实现。已调信号随即进行第二次调制。此时,用发送设备中产生的一个伪码序列再次进行反相键控。此伪码的速率远高于信码速率。这次调制就起着扩频的作用。由于信码和扩谱用的伪码都是二进制序列,而且是对同一载波进行反相键控,所以调制器实际上可以进行简化,即先将两路编码序列模2相加,然后再去进行反相键控。已调信号可以直接传输或经过向上变频再送入信道传输。这里,我们将已调信号直接传输。

在接收端,先用与发送端同步的相同的伪码序列去反相键控本地振荡器,然后再用此已调本振去混频,就得到窄带的仅受信码调制的中频信号。它经过中频放大后就可以进入普通的相移信号解调器解调出信码。

下图34-3为直接序列扩频系统框图。

移动通信实验

图34-3 直接序列扩频系统框图

3、扩频、调制部分的实现

实验中中CDMA发射部分的原理框图如下图34-4所示。

移动通信实验

图34-4 CDMA发射部分原理框图

上图中,输入的两路数字信息NRZ1、NRZ2要求码速率为4Kbit/s,可由信号源模块或信道编码模块提供。

两路扩频用的伪码序列均是CDMA模块程序生成的127位长GOLD序列。GOLD1序列的初始位由拨码开关SW01的后7位拨码设置,GOLD2序列的初始位程序中内置为“0000001”。

两路数字信息分别与GOLD1和GOLD2扩频,再分别送入数字调制模块中进行2PSK调制。

两路2PSK调制信号引回CDMA模块相加,得CDMA信号。

以上CDMA发射部分可任选一路,实现单路信号的扩频与调制。

4、解扩、解调部分的实现

实验中中CDMA接收部分的原理框图如下图34-5所示。

移动通信实验

图34-5 CDMA接收部分原理框图

上图中,用本地产生的同步的伪码序列“GD-TX”(同相GOLD码)与接收到的CDMA信号“IN”相乘,再经455K中频滤波器滤波后得到窄带的仅受信码调制的中频信号“TX2”。将“TX2”信号送入数字解调模块中2PSK解调,即可还原出原始的数字信息。

伪码序列“GD-TX”同步的过程参见“GOLD序列的捕获与跟踪实验”原理部分的说明。

接收端GOLD3序列的初始位由拨码开关SW01的后7位拨码设置。当GOLD3设置与GOLD1设置一致且非“0000001”时,捕获、跟踪完毕后“GD-TX”与发射端“GOLD1”同步,“TX2”解调还原出第一路数字信息;当GOLD3设置为“0000001”,即与GOLD2设置一致时,捕获、跟踪完毕后“GD-TX”与发射端“GOLD2”同步,“TX2”解调还原出第二路数字信息。

五、实验步骤

1、将信号源模块、CDMA模块、数字调制模块、数字解调模块小心地固定在主机箱上,确保电

源接触良好。

2、插上电源线,打开主机箱右侧的交流开关,再分别按下四个模块中的电源开关,对应的发光

二极管灯亮,四个模块均开始工作。(注意,此处只是验证通电是否成功,在实验中均是先连线,后打开电源做实验,不要带电连线)

3、对比扩频前后信号频谱的变化

(1)信号源模块“码速率选择”拨码开关设置为192分频,即拨为00000001 10010010;24位“NRZ码型选择”拨码开关任意设置。

(2)CDMA模块拨码开关SW01的第一位拨码拨上,选择“内”时钟输入;拨码开关SW02的第一位拨码拨上,选择“有”跟踪。

这里以第一路为例,做单路的扩频与调制。拨码开关SW01、SW02的后七位拨码,即GOLD1、

GOLD3序列的初始位,设置为相同码型,且非“0000001”。

(3)实验连线如下:

信号源模块CDMA模块

NRZ —————————NRZ1

(4)示波器观测“NRZ1”与“N1-KP”测试点码型,对比扩频前后信号频谱的变化。

这里可采用数字示波器的频谱分析功能或频谱分析仪或选配的虚拟仪器进行信号频谱

分析。

4、对比扩频前后2PSK调制信号的频谱

(1)以上模块设置及连线均不变,增加连线如下:

CDMA模块数字调制模块

N1-KP ————————NRZ输入(数字键控法调制)

455K————-————载波1输入(数字键控法调制)

PSK1—————————调制输出(数字键控法调制)

(2)数字调制模块“键控调制类型选择”拨码开关选择2PSK调制,拨为1001。

(3)示波器双踪观测“N1-KP”与“PSK1”测试点,对比扩频前后2PSK调制信号频谱。

这里可采用数字示波器的频谱分析功能或频谱分析仪或选配的虚拟仪器进行信号频谱

分析。

5、解扩与解调

(1)以上模块设置及连线均不变,增加连线如下:

CDMA模块内连线

OUT—————————IN

CDMA模块数字解调模块

TX2—————————调制输入(PSK/DPSK解调)

455K—————————载波输入(PSK/DPSK解调)

信号源模块数字解调模块

BS——————————BS输入(PSK/DPSK解调)

(2)数字解调模块“解调类型选择”拨位开关S01拨到“PSK”端。

(3)调节“捕获”、“跟踪”旋转电位器,使“G1-BS”与“G3-BS”测试点信号同频且同相,示波器观测相对稳定(具体的调节方法参见“GOLD序列的捕获与跟踪实验”)。

(4)示波器双踪观测信号源模块“NRZ”和数字解调模块PSK/DPSK解调“解调输出”测试点,调节数字解调模块“PSK/DPSK判决电压调节”旋转电位器,使两测试点码型一致。

6、选择第二路,做单路的扩频与调制

(1)拨码开关SW02的后七位拨码,即GOLD3序列的初始位,修改设置为“0000001”。

(2)修改实验连线如下:

信号源模块CDMA模块

NRZ —————————NRZ2

CDMA模块数字调制模块

N2-KP ————————NRZ输入(数字键控法调制)

(3)其余模块设置与连线均不变,重复实验步骤3~5,实现第二路的扩频、调制与解扩、解调。

7、选择“外”时钟输入

(1)CDMA模块拨码开关SW01的第一位拨码拨下,选择“外”时钟输入。

(2)其余模块设置与连线均不变,增加连线如下:

信号源模块CDMA模块

2048K——————CLK

(3)重复实验步骤3~6,实现有固有频差时,单路的扩频、调制与解扩、解调。

8、(选作)将数字键控法2PSK调制改为模拟相乘法2PSK调制,完成单路的扩频、调制与解

扩、解调。

实验四GPRS应用实验

一、实验目的

1、了解GPRS基本原理。

2、掌握串口通信软件的使用方法。

3、熟悉并掌握AT指令集。

4、掌握GPRS模块拨打和接收电话的使用方法。

5、掌握GPRS模块发送和接收短信的使用方法。

二、实验内容

1、通过PC机串口控制GPRS模块。

2、验证AT指令集。

3、PC机控制GPRS模块拨打、接听电话。

4、PC机控制GPRS模块发送、接收短信。

三、实验仪器

1、GPRS模块(含GPRS SIM卡)一块

2、P C机一台

3、串口/USB转接线一根

4、带话筒立体声耳机一幅

四、实验原理

1、GPRS简介

GPRS是通用分组无线业务(General Packet Radio Service)的英文简称,是在现有的GSM系统上发展出来的一种新的分组数据承载业务。GPRS与现有的GSM语音系统最根本的区别是,GSM 是一种电路交换系统,而GPRS是一种分组交换系统。因此,GPRS特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输,也适用于偶尔的大数据量传输。这一特点正适合大多数移动互联的应用。相对于原来GSM的拨号方式的电路交换数据传送方式,GPRS是分组交换技术,具有“实时在线”、“按量计费”、“快捷登录”、“高速传输”、“自如切换”的优点。

(1)实时在线

实时在线,即用户随时与网络保持联系。举个例子,用户访问互联网时,手机就在无线信道上发送和接收数据,就算没有数据传送,手机还一直与网络保持连接,不但可以由用户侧发起数据传输,还可以从网络侧随时启动push类业务,不象普通拨号上网那样断线后还得重新拨号才能上网冲浪。

(2)按量计费

用户可以一直在线,按照用户接收和发送数据包的数量来收取费用,没有数据流量的传递时,用户即使挂在网上,也是不收费的。

(3)快捷登录

GPRS的用户一开机,就始终附着在GPRS网络上,每次使用时只需一个激活的过程,一般只需要1-3秒的时间马上就能登录至互联网,而固定拨号方式接入互联网需要拨号、验证用户名密码、登录服务器等过程,至少需要8-10秒甚至更长的时间。

(4)高速传输

GPRS采用分组交换的技术,数据传输速率最高理论值能达171.2Kb/s,但实际速度受到编码的限制和手机终端的限制,可能会有所不同。电路交换数据业务,速率为每秒9.6K比特,因此电路交

换数据业务(简称CSD)与GPRS的关系就象是9.6K Modem和33.6K、56K的Modem的区别一样。

(5)自如切换

G PRS具有数据传输与话音传输可同时进行或切换进行的优势。也就是说用户在用移动电话上网冲浪的同时,可以接收语音电话。举个例子,原来的电话拨号上网,接入之后就不能再打电话,也不能接电话,而GPRS就类似于固定电话的ISDN的概念,电话上网两不误。

2、GPRS工作原理

GPRS网络是基于现有的GSM网络来实现的,在现有的GSM网络中需要增加一些节点,如GGSN(Gateway GPRS Supporting Node,GPRS网关支持节点)和SGSN(Serving GSN,GPRS服务支持节点)。GSN是GPRS网络中最重要的网络节点。GSN具有移动路由管理功能,它可以连接各种类型的数据网络,并可以连接到GPRS寄存器。GSN可完成移动终端和各种数据网络之间的数据传送和格式转换。GSN可以是一种类似于路由器的独立设备,也可与GSM中的MSC集成在一起。

GSN由两种类型:SGSN(Serving GSN,服务GSN)和GGSN(Gateway GSN,网关GSN)。SGSN的主要作用是记录移动终端的当前位置信息,并且在移动终端和GGSN之间完成移动分组数据的发送和接收;GGSN主要起网关作用,它可与多种不同的数据网络连接,如ISDN、PSPDN和LAN等。有的文献把GGSN称为GPRS路由器。GGSN可以把GSM网中的GPRS分组数据包进行协议转换,从而可以把这些分组数据包传送到远端的TCP/IP或X.25网络。

GPRS工作时,通过路由管理来进行寻址和建立数据连接的,而GPRS的路由管理表现在以下3个方面:移动终端发送数据的路由建立;移动终端接收数据的路由建立;移动终端处于漫游时数据路由的建立。

对于第一种情况,当移动终端产生一个PDU(分组数据单元)时,这个PDU经过SNDC层处理,称为SNDC数据单元。经过LLC层处理为LLC帧,通过空中接口送到GSM网络移动终端所处的SGSN。SGSN把数据送到GGSN。GGSN把收到的消息进行解装处理,转换为可在公共数据网中处理的数据格式,如PSPDN的PDU,最终送到公共数据网的用户。为了提高传输效率,并保证数据传输的安全,可以对空中接口上的数据做压缩和加密处理。

在第二种情况下,一个公共数据网用户传送数据到移动终端时,首先通过数据网的标准协议建立数据网和GGSN之间的路由。数据网用户发出的数据单元PDU送给GGSN,而GGSN再把PDU送给移动终端所在的SGSN上,GSN把PDU封装称SNDC数据单元,再经过LLC层处理为LLC帧单元,最终通过空中接口送给移动终端。

第三种情况是一个数据网用户传送数据给一个正在漫游的移动用户,在这种情况下数据传送必须经过归属地的GGSN,然后送到移动用户X。

3、AT指令集

每条AT指令必须以‘AT’或‘at’开始,以,即回车结束。

AT指令类型和返回值见表1,常用AT指令见表2。

注:以下所有字符及标点符号均要求为英文输入模式,且英文字母不分大小写。

表1 AT指令类型和返回值

移动通信实验

表2 常用AT指令

移动通信实验

移动通信实验

移动通信实验

4、GPRS模块拨打和接收电话的使用方法

(1)开/关机

开/关机需要向GPRS模块的ON/OFF引脚发送宽度至少为1S时间的低电平。

当模块正处于开机ON状态时,一旦检测到ON/OFF引脚上出现下降沿并有持续1S以上时间的低电平,则模块内部的ON状态就初始化一个中断,并生成一个超时定时器,除非被内部寄存器进制,否则超时定时器在8S之后初始化一个状态转换进入到OFF状态。

当模块正处于关机OFF状态时,一旦检测到ON/OFF引脚上出现下降沿并有持续1S以上时间的低电平,则模块内部的OFF状态就产生超时,重新启动整个模块。

所有AT指令操作都必须在正确的开机状态下才能进行。

(2)电话主叫AT指令

发送如下的AT指令呼叫电话stringnum: ATD;(分号不可省略)

若成功和被叫方取得联络,则返回听到回铃音,否则模块返回BUSY(网络忙)或NO CARRIER (脱网或网络拒绝服务)。

若对方摘机,则模块返回OK,表明建立了正确的话音通路。

通话结束后,若对方先挂机,则模块返回NO CARRIER;若主叫方想先挂机,输入ATH指令挂断电话,模块返回OK后,话音通路被解除。

通话过程中,使用ATH指令和AT+CHUP指令均可挂机,ATH指令更为通用。

输入AT+VTS=dtmfstring指令,可实现主叫拨分机号码,GPRS模块将拨出dtmfstring的号码。在需要拨分机号和有语音提示的信息台(如10086服务台)等需要DTMF交互的场合,这是一条很有用的指令。

(3)电话被叫AT指令

当收到GPRS模块发送给PC机的如下信息:

+CLIP: “stringnum”,161,,,,0 // 模块要事先设置AT+CLIP=1,来电号码显示

表明此时有呼入的业务,业务类型为VOICE,主叫方的电话为stringnum。

若此时继续输入ATA接电话指令发送给GPRS模块,表示摘机应答,话音通路建立;

若此时向模块发送ATH指令,表示拒绝接听。

通话结束后,挂机的过程和电话主叫时相同。

5、SMS短消息发送和接收模式

与短消息收发有关的规范主要包括GSN 03.38、GSM 03.40和GSM 07.05,前两者着重描述SMS 的技术实现(含编码方式),后者则规定了SMS的DTE-DCE接口标准(AT指令集)。

发送和接收SMS信息共有两种模式:Text Mode和PDU Mode。Text Mode是文本模式,相对来说比较简单,特别适合传输字符和数字等,主要用于欧美地区;PDU模式需要进行编码,目前的汉字传输大多采用PDU模式,这也是一般模块默认的编码模式。

6、短消息相关AT指令集

(1)选择短消息格式

发送“AT+CMGF=n”指令。

n=0时,选择PDU模式;n=1时,选择Text文本模式。

执行指令后,模块返回OK。

(2)设置短消息中心号码

发送“AT+CSCA=”指令。

例如,SIM卡是中国移动的,string=“+8613800270500”(武汉局);

SIM卡是中国联通的,string=“+8613010710500”(武汉局)。

不同的运营商,不同的区域,短消息中心号码是不同的。

执行指令后,模块返回OK。

(3)选择短信存储区

发送“AT+CPMS=[,][,]”指令。

读短信、删除短信和列出短信清单时的存储区。

写短信和发送短信时的存储区。

接收短信时的存储区。

SM:SIM卡信息存储区;ME:GPRS模块或手机内部存储区;MT:SM和ME总和。

(4)发送短消息业务类型

发送“AT+CSMS=”指令,mode=0或1。

某些指令的参数取值和mode的值有关。

只有mode=1时,AT+CNMI中的ds=2才能被模块接收。

(5)发送短消息

在文本格式下,发送“AT+CMGS=“string””字符串,string是目的手机的号码。

等模块返回“>”符号后,输入短消息内容。

发送短消息的内容以^Z(Ctrl+Z)结束,模块开始发送短信息。

如果发送成功,则模块返回“+CMGS:[,scts>]OK”;否则,发送失败。

(6)写短消息到存储器

发送“AT+CMGW”指令,处理过程和“AT+CMGS”指令完全相同。

写短消息成功后,模块返回信息“+CMGW:OK”,是短消息在当前存储去中的索引号。

(7)阅读短消息

发送“AT+CMGR=”指令,是短消息在当前存储区的索引号。

执行该指令后,模块返回:

AT+CMGR=23

+CMGR: "REC READ","+86139********",,"06/08/29,09:01:59+32"

123456

OK

以上信息表示位置23存储的短消息内容是“123456”,发送方号码是139********,发送时间是06/08/29,09:01:59。

注:+CMGR后面的格式取决于当前的短消息模式。

(8)短消息列表

发送“AT+CMGL=<“type”>”指令,type表示短消息的类型:

REC UNREAD 接收到,但还未读,PDU模式下,为0;

REC READ 接收到的已读过的消息,PDU模式下,为1;

STO UNSENT 已存储但未发送的消息,PDU模式下,为2;

STO SENT 存储且已发送的消息,PDU模式下,为3;

ALL 当前存储器中所有的消息, PDU模式下,为4。

(9)删除短消息

发送“AT+CMGD=”模式,是短消息在当前存储区的索引号。

正确执行该指令后,模块返回OK;否则返回ERROR。

(10)设置短信存储区顺序

发送“AT^SSMSS=0/1”指令,0:模块存储区优先SIM卡;1:SIM卡优先模块存储区。

(11)读取存储区列表

发送“AT^SLMS”指令,模块返回各存储区的总空间和已用空间。

五、实验步骤

1、转接线连接PC机USB接口与GPRS模块串口。

2、GPRS模块上电,等待GPRS模块联网成功。

3、打开SIM300开发软件,设置串口参数:串口选择/4,波特率115200。

4、点击“打开串口”键,选择确定初始化,完成初始化进程。

AT+CGMI

SIMCOM_Ltd

OK

AT+CGMM

SIMCOM_SIM300S

OK

AT+CGSN

358948015164625

OK

AT+CGMR

Revision:1604B06SIM300S32_SST34HF3284_MMS

OK

AT+CFUN?

+CFUN: 1

OK

AT+CSQ

+CSQ: 27,7

OK

AT+CSCA?

+CSCA: "+86138********",145

OK

AT+COPS?

+COPS: 0,0,"CHINA MOBILE"

OK

AT+CMIC?

+CMIC: 2,2

OK

AT+CMGF=0

OK

AT+CLVL?

+CLVL: 85

OK

AT+CNMI=2,1

OK

AT+CLIP=1

OK

AT+CRSL?

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