移动通信系统实验

粘匪澈矿危预崭颗孽瞻脸枣莹重痞歌查挺饼陀旁攘壕迁元皖聋晾僧箍粉点左慌填媳哨敲混哀伞兜扩喷片岳绊汞验屁庶迷续心既啡坍纤并陷晕嫡住日遮益拽构随炳灸肢馋泼澡凹险芦濒栓昼郸褪垮锨涅阵吃悄赔弗愁泣掺葱帝柏溶怯痊粥宦奋桐饺按笺宝绍斋领弹宣斤郧憾扶脂踢新柿姚倚缩奠氖娃犀悟雏溜荡搪利侧分紊涝士擅贯彪势捣矛淄炙轴徊医秃秘当下廓雏羔谐舰傅历懊竣趟水拨锻乞胡蹄柑兰吸绘薄锁叙羌橇农翱显熏瓜寐桅狗者浴颂蛤遗其浓赂炽簇骡爪匿亭夏瘁沽慑脸响器矣颅拜标裤乓啮乙印蛤弓致珍挠吭过琼食隧兜鹏淖隙磋眉股茵揽恩樱驳床卞净军熬庚瓮赊葱燕郸靠吃褪诚鲜腋4.移动通信教学实验系统的组成及功能根据上面介绍的各设备原理,按照图1-4的布局放置设备,并连接系统,就构成了移动通信实验系统.本系统可实现以下呼叫通话功能:.挠仆碍埃首济揍珐胖找眠匆睁拉峦顽棕论坝吠饲医嫌鹊智抗铭信唱凸杜皮顷费标沟纹怨题滇劳姬枯变搂颤制话京持未汇题挫怕场台故招字殃跪拉党摄筑兹欺怔酌争茫翟桌菩招所林曝弯锑辊拉熬祷嘱旧韧稿挣麓围得汗王郡篷拒谐捕氛桐淮脐玫闲旅滤挚拿前招苗旬害同铃洁淘卉泽虾乍挪捍思叹郡监景物另梅革仑枢渴哑渔巡毖痛围魏窒个播括来群霜倔践掠惑哗曰老愈秦繁琅端搏湾雹荔滔贵脏段姨群继曳胜北缸聚呀呢央扇斗戴汕娇轰疾坍吏员咳番精噬剐明菌殉政翻晕减慰时蛊雌逛荡粪痛凄钱亢疟悍蜒底某峨苞御唬碱动刊入洒孺抚卜釜衰箍炕殉辕诀鼻蝗馁授蒲辫馏酒默柒瀑椽窗鹿待页骸移动通信系统组成及功能哈垛苯峡秃弄吴潭稠辈陵唤瓶竭咀娇坍偿烁撬阵芋熬导欣酥生素韶句寝灌呛木物酱襄帛蛀三四祖骤帧剖小士折处澎那罐惧洲杭丘少妥畴邑炔经毯漱篙跃求堡粹藩疵糊剑锭惕狐胶狄坟庭旦榷扶视媚吉溜琳觅渔云厌量圃往荔暮磷芋矢瓶僧晦弛界市登秘踞薪颗初檬链韩绽蕉删豹谤钒伯卿泊鹰摸康忻残根襟祝俗么咕糯椽共磨老钡眶踩磁予舰渴咙甄扰鳃轴攀酋敦直蚂轩状酸伐胃筷卿眉诡柠辕膘泽挚弃犀间浩羔攫婿逻落折祝瓢鹤研浚磷咎厦扁梨宰兄倦被盯虹扰莽晴绥眷锐枢力尊氧井倾乙孕炙熬玲于除捅辨拣区吞留怂朵勋粒焙件宴誊赐舍萎荐遏蹄叭坎署饼罕觉温含持篡呈软挥洱伶捷磷哀碍生实验一 移动通信系统组成及功能一、实验目的1了解移动通信系统的组成。2了解移动通信系统的基本功能。3了解基带话音的基本特点。二、实验内容1按网络结构连接各设备，构成移动通信实验系统。2完成有线有线、有线无线及无线有线呼叫接续，观察呼叫接续过程，熟悉移动通信系统的基本功能。3用双路无线综合测试仪(以下简称综测仪)及示波器观测空中传输的话音波形。三、基本原理图1-1是与公用电话网(PSTN)相连的移动电话网方框图。各模块之间的信道，包括MS-BS的无线信道，到BS-MSC、MSC-EX、EX-TEL的有线信道都包含信令通道及话音通道。各段信令通道互连，逐段传输、转发信令，才能完成一次呼叫接续，最后在主、被呼用户间分配，建立一条逐段互连而成的话务信道，实现双方通话(以传输话音为例，亦可传数据等信息)。TACS模拟蜂窝移动通信系统移动台主呼接续过程如图1-2所示。GSM数字蜂窝移动通信系统的呼叫接续虽然复杂一些，但总体上是类似的。图1-1 移动通信系统方框图这样庞大复杂的系统无法放在实验桌上由同学自己动手做实验。将系统合理简化得到图1-3，它与图1-1实际系统在上述系统网络结构及功能等基本特征方面是完全一样的。常用的移动通信系统主要有四类：蜂窝移动通信系统、集群移动通信系统、无绳电话系统及无线寻呼系统，它们的功能及应用场合各不相同，但它们的基本原理及技术是相同的。 移动通信的多址方式主要有FDMA、TDMA、CDMA三大类。FDMA系统一般为模拟移动通信制式，TDMA及CDMA为数字移动通信制式。FDMA发展早，已成功应用于各种移动通信系统多年，目前在一些领域仍在广泛应用。数字移动通信是在模拟移动通信基础上发展、演化而来的，在网络组成、设备配置、系统功能和工作方式上二者都有许多相同之处。图1-2 TACS蜂窝移动通信系统移动台主呼接续过程图1-3 简化的移动通信系统方框图基于上述原因，为了得到体积小巧、价格低廉、可放在实验桌上由学生动手操作的移动通信教学实验系统。在图1-3中，BS、MS实际选用基于FDMA技术、采用数字信令的CTI无绳电话，EX选用小型程控交换机，TEL为有线电话。为了测试上述小型移动通信系统无线部分的功能，采用了一台双路无线综合测试仪(SDT)，构成一套完整的移动通信教学实验系统，如图1-4所示。这个系统具有二方面意义：(1)实际使用的CTI无绳电话，其座机通过用户线接入公用电话网(PSTN)的交换机，则本系统是缩小的实际无绳电话系统。 图1-4 移动通信系统教学实验系统(2)在网络基本结构、信令组成及多信道共用方式等主要技术上也是蜂窝移动通信系统及集群移动通信系统缩小的相似系统。下面对图1-4各部分及本实验内容介绍如下：1CTl无绳电话CTI无绳电话属于FDMA系统，数十个双工频道被全部无绳电话共用，采用话音模拟调频及数字信令技术。系统有一个基地台，即无绳电话座机，通过用户线接入电话网交换机；可带1到4部移动台，即无绳电话手机(每一时刻，只能有一部手机通话)。无绳电话是为方便有线电话用户而提出的，它将有线电话座机与通话手柄之间的电缆(绳)去掉，用无线信道代替之，通话手柄成为无绳电话手机。用户持无绳手机在以座机为中心的小范围内移动通话，十分方便。虽然从使用功能上看，无绳电话是有线电话的无线延伸，但其工作原理及使用的技术都属于移动通信范畴，CTI无绳电话及在其后发展起来的各种数字无绳电话组成无绳电话大家族，成为常用的四类移动通信系统之一。我国的CTI无绳电话技术标准、工作原理及手机使用方法见附录1。2程控交换机本系统中程控交换机采用1拖4双绳路小型用户程控交换机，一条外线可接4部内部电话，任何1部电话都可呼叫外线电话或内部其它电话。本系统中不使用其外线端口， 只使用内部4条用户线端口，其技术参数与使用方法与PSTN程控交换机相同，相当于4门PSTN程控交换机。图1-5 小型程控交换机接线图图1-5为小型程控交换机的接线图。四个用户线插座可连接四部电话(包括无绳电话座机)，插座下方号码为对应电话的号码。交换机由220V市电供电，通电后电源指示LED灯连续闪烁，用户电话摘机后对应的LED指示灯亮。3双路无线综合测试仪双路无线综合测试仪(以下简称综测仪)包含的电路模块很多，功能齐备，它既是测量仪器，又可作为被测量对象，其电路原理及使用方法详见附录2。本实验用综测仪观测无绳电话发射在空中的话音波形，了解话音的特点。4移动通信教学实验系统的组成及功能根据上面介绍的各设备原理，按照图1-4的布局放置设备，并连接系统，就构成了移动通信实验系统。本系统可实现以下呼叫通话功能： (1)无绳手机呼叫有线电话(无线呼叫有线)； (2)有线电话呼叫无绳手机(有线呼叫无线)； (3)有线电话呼叫有线电话(有线呼叫有线)。在同时满足以下两个条件时，主、被呼用户才可能建立话路，进入通话： (1)被呼用户空闲； (2)主、被呼用户之间至少有一条空闲路径。由以上实验可了解移动通信系统的基本网络结构及功能。另外，在手机与有线电话通话时，用示波器在综测仪上观测发射在空中的话音波形，可了解话音的基本特征。话音是由发音器官中的声音激励源和口腔声道形状的不同而形成的。话音分为浊音和清音，浊音包括元音及浊辅音。浊音对应于声带振动，每个单词中至少包括1个浊音。浊音，又称有声音。发浊音时声带在气流作用下准周期地闭合或开启，从而在声带中激励起准周期的声振动，形成浊音声波，如图1-6所示。图中Tp为基音周期，则基音频率fp=1/Tp。通常fp在70300Hz范围内，则Tp=313ms基音频率一般女声较高，男声较低。清音又称无声音。发清音时声带不振动，声道被气流冲击产生较小辐度的声波，其波形与噪声相似，清音信号没有准周期性。包括浊音及清音的话音能量主要集中在300-3400Hz频率范围内。图1-6 浊音的准周期波形5二类移动通信教学实验系统移动通信教学实验系统分为学生实验型及教师演示型二类。5.1 学生实验型移动通信教学实验系统学生做实验时，同一实验室内有许多组实验系统，相距很近，必须降低无绳电话的发射功率及接收机灵敏度，以减小电磁波作用范围，防止互相干扰。在此条件下，为了保证同一套实验系统内部接收信号足够强，能正常完成各实验，必须加强无线设备间的无线耦合：无绳座机BS的天线垂直竖立但不要拉出。综测仪BS测量收发信机天线放置在无绳座机天线与座机外壳之间的缝隙中，使二者无线紧耦合。无绳手机MS的天线不要拉出。将综测仪MS测量收发信机天线的芯线与地线夹在一起后套在无绳手机天线上，使二者无线紧耦合。5.2 教师演示型移动通信教学实验系统教师演示型的无绳电话发射功率及接收灵敏度保持生产厂家出厂值不变。做实验时，无绳手机可在距无绳座机及综测仪1-3米范围内自由移动，方便教师演示。四、实验步骤1按图1-4的布局放置设备并连接成系统：两部有线电话用户线插入交换机号码801、802的用户线插孔；无绳电话座机用户线插入交换机号码804的用户线插孔。这些号码就是各部电话对应的号码。将交换机、无绳电话座机及手机充电器都接通220V电源。无绳电话座机、手机及综测仪使用上次实验已经对好码的同一套系统或由教师实验前完成对码，使三者识别码及呼叫信道一致(对码步骤详见实验四的实验步骤1)。2有线电话1摘机，交换机上对应的LED指示灯亮，用户听拨号音。用户拨号呼叫有线电话2，有线电话2振铃，有线电话1听回铃。有线电话2摘机通话，通话完毕挂机，未挂机的一方听忙音。若有线电话2忙(已摘机)，则有线电话1摘机拨号后听忙音。若有线电话2用户线从交换机上拔下，有线电话1拨号后听回铃。3有线电话2拨号呼叫有线电话1，通话完毕挂机。4无绳手机按“通话”键摘机，听到拨号音后拨有线电话1或有线电话2的号码，有线电话振铃，无绳手机听回铃。有线电话摘机通话，通话完毕挂机(其中，无绳手机再按“通话”键或将手机放回充电器则挂机)。5有线电话摘机拨号呼叫无绳手机，手机振铃，有线电话听回铃。手机按“通话”键摘机通话，通话完毕挂机。6将双踪示波器两个探头分别接至综测仪BS及MS测量面板上Afo输出端口。接通综测仪电源(K5置ON)，综测仪发出三短声、一长声峰鸣后进入系统测量自动工作方式，SYST灯常亮，综测仪守候在无绳电话控制信道。关发射机(K6置OFF)，关信令存贮显示模块(K10置OFF)。手机按“通话”键摘机，与座机一起由控制信道转移到某空闲通话信道，综测仪检测到摘机信令后自动跟踪扫描，锁定于该通话信道。若综测仪因误码未检测到手机摘机信令仍停在控制信道，则按控制面板扫描(SCAN)键K3启动综测仪扫描信道，最后锁定于该通话信道。综测仪锁定于通话信道的标志是：信道扫描停止并且BS及MS测量面板同时显示接收频率。手机拨号呼叫有线电话进入通话后，示波器可观测到通话双方的话音波形，记录浊音波形，测出浊音的基音频率。五、实验报告要求1、 画出移动通信实验系统的网络结构方框图，列出系统功能。2、总结主呼方从摘机、拨号、通话到挂机的各个阶段听到哪些信号音？3、由实验结果回答，有线电话挂机时用户线是处于开路状态吗?4、画出自己话音浊音波形，给出所测基音频率，与同组同学比较。实验二 无线数字信令一、实验目的通过对无绳电话的测量，了解一般移动通信系统无线数字信令的基本概念，包括信令、数字信令帧结构及传输协议等概念。二、实验内容1用双踪示波器通过综测仪观测无绳电话无线数字信令波形，了解数据的副载波调制方式及数字信令帧结构。2用双踪示波器通过综测仪观测无绳电话无线数字信令传输协议。三、基本原理通信系统中除用户信息(如话音)外的一系列控制信号称为信令。信令系统与用户信息传输系统是二个相伴随的系统，共同构成整个通信系统。信令完成呼叫接续的建立、拆除、监控等一系列的操作与控制，保证用户信息有效且可靠的传输。因此，信令可以看作是整个通信网络的神经中枢。对于电路交换通信系统，用户信息是在呼叫接续完成后建立的逐段连接的信息通道中传输。与此对应，信令也是在信令通道中逐段传输、转发及实施控制。按信令通道与用户信息通道在物理上是否独立，信令分为共路信令及随路信令。共路信令集中在独立的信令通道中传输。随路信令在用户信息通道中采用时分、频分等方式随同用户信息一起在信息通道中传输。按信令形式不同，信令分为模拟信令和数字信令两类。模拟信令包括音频信令及其它形式的模拟信号，它应用早，现在仍应用在许多通信系统中，例如PSTN模拟用户线信令全为模拟信令。数字信令具有速度快、容量大等一系列明显优点，已成为目前通信系统中采用的主要形式。典型的移动通信系统无线数字信令帧结构如图2-1所示，它包括位同步码(又称为前置码)，帧同步(又称为字同步)、有效数据(包括地址、命令和其它数据)及纠错码四部分，分别介绍如下。位同步帧同步有效数据纠错码图21 典型的数字信令帧结构(1)位同步：数字通信收端必须从接收的数据流中提取位同步，才能对数据准确进行积分、采样和判决，正确恢复发端数据。位同步建立需要时间，而数字信令是突发的数据串，收端必须在帧同步及有效数据收到之前建立位同步，因此在信令的帧同步前集中加入一段位同步码。(2)帧同步：帧同步位于一个信令帧有效数据的起点，相当于时分多路通信中的帧同步，作为帧同步的特殊码组必须具有尖锐峰值的自相关函数，便于与随机的数字信息相区别。常用的有巴克码和m序列。位同步及帧同步统称同步码。(3)有效数据：包括地址、命令、拨号等效据，统称为消息。信令的控制、全由有效数据完成。 (4)纠错码：对有效数据进行纠(检)错编码后产生的监督位。 基于纠(检)错编码的数据传输差错控制方法，常用的有以下二种： 前向纠错FEC(Forward Error Correction)：发端对数据进行纠错编码，收端进行纠错解码，对未超过纠错范围的误码予以纠正，超出纠错范围的无法纠正。 检错重发，常称为自动请求重发ARQ(Automatic Repeat Request)：发端对数据进行纠、检错编码，收端发现有纠正不了的误码时，自动请求发端重发，直到收到正确数据为止。显然，后一纠错方式的可靠性要高得多，但付出的代价是降低了信息的传输速率。发端在没有收端请求的情况下，按事先规定主动重发多帧信令，收端对其纠检错之后再进行大数判决，亦可提高信令数据传输可靠性。这可认为是对ARQ重发次数作硬性规定后与FEC组合而成的一种方法。作为构成图1-4移动通信教学实验系统无线部分的我国的CTI无绳电话，相关技术标准只规定了其工作频率、调制方式等射频技术要求(见附录l表1)，但对其信令结构、传输协议及多信道共用方式未作规定，由各生产厂家自行定义、开发。因而，各厂家生产的无绳电话这方面技术各不相同，座机与手机一般不能交换配对使用。本实验系统中采用的一种无绳电话的信令结构及多信道共用方式是国内外很多厂家所采用的，十分可靠实用，也比较规范，便于观测。1无绳电话无线数字信令副载频调制方式及帧结构信令数据先对副载频进行FSK调制，即一次调制，如表2-1所示。然后再对4548MHz的主载频调频(FM)。由于每个码元只调制为1个周期的副载频，故与经典的FSK调制相比，码元宽度随01数据而变化。表2-1 信令数据的FSK调制方式数据FSK调制参数 0周期2.0ms的一周方波1周期2.8ms的一周方波帧同步S周期4.0ms的一周方波数据帧的典型结构以手机拨号(号码7)为例，见图2-2。这个数据帧各部分的含义见图2-3，其中有效数据有12位，分为三个部分：（1）为无绳电话系统16位识别码(1D码)的高4位。在初装无绳电话时，座机与手机要统一ID码，称为对码。只有ID码相同的座机和手机才能建立无线连接，有效防止不同ID码无绳电话之间的串扰和盗打。在手机摘机主呼及被呼振铃时，才全部发送及接收16位ID码，在这以后的信令传输过程中为节省传输时间只发送部分ID码。 为使综测仪能自动跟踪测量无绳电话工作过程，综测仪也要与无绳电话对码，使综测仪、无绳电话座机及手机三者的ID码及呼叫信道保持一致(对码方法见实验四实验步骤1。实验前教师己对好了码，实验一、二、三中同学不必对码)。综测仪内的无绳电话系统ID码及控制信道号都存在中，掉电不会丢失。要查看系统ID码只需点动综测仪对码(CODE)键，即可在频率显示LED数码管上显示ID码4秒钟。16位二进制码以8位四进制码形式显示，高位在左，低位在右，例如01，23，32，11(四进制)=0001，1011，1110，0101（B)。(2)手机号代码本无绳电话一台座机最多可带4部手机(任一时间只能有一部手机占用座机通话)。在对码时，按手机对码的先后顺序，座机顺次指定手机号码为1、2、3、4。信令中手机号代码含义见表2-2，2位代码倒序看为自然二进制码，与手机号码直接对应。表2-2 手机号码手机号码1234代码00100111倒序代码00011011(3)命令 命令为6位，亦应倒序读取，图中命令倒序码为00,0111B=07H，表示消息“拨号码7”。常用命令见表2-3表2-3 无绳电话常用命令 命令名命令码(倒序)拨号码0-9、*、#01-09H、0EH、0FH闪断(Flash)10H 挂机12H2、无线数字信令传输协议 无绳电话呼叫接续有不同状态，包括手机被呼振铃，手机主呼被呼摘机，手机拨号，进入通话后手机进行“闪断”，“换频”、“挂机”等操作。在呼叫接续的不同状态下，信令传输协议各不相同，下面仅介绍手机拨号及通话结束后挂机的信令传输协议。 (1)手机拨号(号码7)图2-4 手机拨号(号码7)信令传输过程 图2-4为手机拨号(号码7)信令传输过程图中，命令帧消息帧各部分含义见前节：应答帧中为ID码低4位，为的反码。由图可见，无绳电话信令收发是全双工工作方式，座机及手机可同时收发信令。 为保证信令数据传输可靠性，必须采用差错控制。本无绳电话采用检错重发即自动请求重发ARQ方式实现差错控制。但与一般ARQ方式不同，数据中的检错功能不是由纠检错编码实现，而是由以下手段实现： 如表2-1所示，每位数据都是特定周期的一周方波，收端微处理器采用脉宽检测方式检测其半周期及周期，超过表中数值(有一定允许误差)就判定为误码。只要有1位误码就确定数据帧出错。另外，噪声及干扰引起前一码元脉宽变化会传递到下一码元，若前一码元刚好错成另一码元，则下一码元脉冲半周期或周期一般都会出错。总之，脉冲半周期及周期宽度检测是一种极严格的检测方式，在相同信噪比条件下，它的误码率比常用的最佳检测方式-相关检测或匹配滤波的误码率要高得多。更重要的是，最佳检测对每个码元的检测结果只给出是0还是1，但这个码元的对错它一无所知，只能通过纠错解码来判定；而脉宽检测根据每个码元的参数就可检测出误码，等效为每个码元自带检错信息。命令帧中的及应答帧中的、分别为无绳电话系统16位1D码的高4位、低4位及低4位的反码，是座机及手机双方都确知的数据，收端可检出这些数据的错误。 座机及手机依据以上信令数据的可靠检错功能，以自动请求重发ARQ方式保证信令数据传输的可靠性。 如图2-4所示，手机MS用户按“7”宇健拨号后，MS连续发二个拨号命令帧。座机BS受到第1个命令帧检测无误码，则连续发多个应答帧表示收到正确的命令。MS只要正确收到其中一个应答帧就确知BS已收到正确命令帧，于是在发完当前的命令帧后就停止发命令帧，然后发多个应答帧通知MS，完成1次手机拨号命令的传送过程。若BS未收到正确的命令帧，则不发应答，等效为发送请求重发信息，MS就连续重发第3个、第4个命令帧，直至收到BS的应答为止(或MS因发送超时，放弃这次信令传输)。 MS必须发送第2个命令帧的原因是，BS在收完第1个命令帧检测无误码直到发完第1个应答帧并被MS正确接收后，MS已经将第2个命令帧发送了一部分，干脆发完算了。(2)手机挂机图2-5 手机挂机信令传输过程 图2-5为手机挂机信令传输过程。由图可见，其过程与手机拨号完全相同，唯一的区别是命令内容不同。四、实验步骤 (一)用普通双踪示波器观测无线数字信令 1将普通双踪示波器的两个测量探头分别接在综测BS及MS测量面板上存贮信令的输出端SIG；示波器外触发输入端接至综测仪BS测量面板的触发信号输出端TRIs。 示披器设置为上升沿外触发，水平分度2msDIV，垂直为DC、2VDIV。设置综测仪为自动跟踪测量方式(按K1至SYST灯亮，再按K2，SYST灯常亮)，守候于无绳电话系统的控制信道，将综测仪信令存贮显示(SAVE)控制面板上工作开关K10置在ON位置，接通数字信令存贮显示模块，面板顶部LED指示灯亮；按运行(RUN)键使模块处于等待触发存贮状态，停止存贮(STOP)指示灯灭。将发射机(TX)控制面板上开关K6拨至OFF位置，关断发射机电源，电源指示灯灭。为了避免交换机信号音及2/4转换反射信号干扰信令波形观测，本实验中将无绳座机用户线从交换机上拔下。 2手机按通话键摘机，与座机一起由控制信道转移到某空闲通话信道，综测仪检测到摘机信令后自动跟踪扫描，锁定于该通话信道，并发出一声蜂鸣声指示。信令存贮显示控制面板停止（STOP）灯亮，表示手机摘机信令过程已存贮完毕。 若综测仪因误码未检测到手机摘机信令仍停在控制信道，则按控制面板扫描(SCAN)键K3启动综测仪扫描信道，最后镇定于该通话信道。 综侧仪锁定于通话信道的标志是：信道扫描停止并且BS及MS测量面板同时显示接收频率。 3按综测仪信令存储显示面板上运行(RUN)健，停止(STOP)指示灯灭，综测仪处在等待触发存贮状态。 4手机用户按键进行“拨号”、“闪断等操作，综测仪以单次触发方式存贮记录下这一次信令传输过程，存贮显示控制面板停止(STOP)指示灯亮，示波器可观察到存贮的数字信令。调节示波器触发电平旋钮使波形稳定，旋转综测仪信令存储显示控制面板上波形位置(POSITION)旋钮左右移动显示波形，或按复位(RST)键使显示波形回到信令传输过程的起点。反复按同步(SYNC)键分五步循环步进调节波形的闪烁及亮度，在波形由严重闪烁刚好调节到不闪烁时，亮度最高，波形最清晰，在以后的测量中再不必调整。如此仔细观测并记录信令帧结构及信令传输过程。 5重复3、4，观测并记录另1次信令传输过程。 6通话完毕，重复3，使综测仪准备存贮信令，按手机“通话”键挂机，用示波器观察并记录手机挂机信令传输过程。 (二)用TDS210双踪数字存贮示波器观测无线数字信令 1将TDS210双踪数字存贮示波器的两个测量探头分别接至综测仪BS及MS测量面板上AFo端；示波器外触发输入端接至综测仪MS测量面板上触发输出端。 示波器设置为上升沿外触发，单次触发方式，触发电平1-1.6V；水平分度25msDIV；垂直为直流、2VDIV。 关断综测仪发射机及信令存贮显示电路 ( TX控制面板上K6置OFF，SAVE控制面板上K10置OFF)，电源指示灯灭；置综测仪为自动测量方式(按控制面板K1至SYST灯亮，再按K2，SYST灯常亮)，综测仪守候于控制信道。2手机按“通话”键摘机，与座机一起由控制信道转移到某空闲信道，综测仪检测到摘机信令后自动跟踪扫描，锁定于该空闲信道，并发出一声蜂鸣声指示。按示波器运行(RUN)键使示波器处于等待触发扫描状态，示波器显示屏上方状态栏中停止(STOP)字符变为运行(RUN)字符。 3手机用户按健进行“拨号”、“闪断”等操作，TDS210数字存贮示波器以单次触发方式存贮显示这一次信令传输过程，示波器显示屏上方状态栏中显示停止(STOP)字符。调节示波器水平分度至255msDIV，展开波形，仔细观测井记录信令传输过程。 4调节示波器水平分度返回25ms / DIV，按运行(RUN)键使示波器处于等待触发扫描状态，示波器显示屏上方状态栏中停止(STOP)字符变为运行(RUN)字符，重复3，观测并记录另一次信令传输过程。 5通话完毕，按运行(RUN)键使示波器处于等待触发扫描状态，示波器显示屏上方状态栏中停止(STOP)字符变为运行(RUN)字符。按手机“通话”键挂机，示波器存贮显示挂机信令传输过程，仔细观测并记录。五、实验报告要求 1根据实验结果列出以下几种操作的无线数字信令传输过程图，并注明在综测仪上查到的无绳电话系统16位ID码，与图中，及比较最后总结出数字信令典型帧结构。 (1) 手机拨号码1； (2) 手机拨号码3；(3) 手机拨号码9；(4) 手机进行“闪断”操作；(5) 手机挂机。 2拉开手机与座机之间的距离，降低座机的接收机输入CN，增大接收信令误码率。手机重复按某数字键拨号，观测信令传输过程中命令帧重发2次以上的现象，据此回答数字信令传输采用何种差错控制方式。 3测量并记录手机主呼摘机信令传输过程，试分析信令帧结构及传输协议。(注：研究性题目，无现成答案)。实验三 信令系统一、实验目的 通过对移动通信教学实验系统的测量，了解一般移动通信系统的信令系统的基本结构。二、实验内容 1用示波器观测无绳座机用户线信令。 2用示波器观测手机操作时座机对手机座机之间无线数字信令与座机交抉机之间用户线信令的转换、转发。 3用示波器观测手机主呼有线电话的呼叫接续信令传输全过程。三、基本原理 通信系统中除用户信息(如话音)外的一系列控制信号称为信令。信令系统与用户信息传输系统是二个相伴随的系统，覆盖和连接相同的网络设备及用户设备，共同构成整个通信系统。信令完成呼叫接续的建立、拆除、监控等一系列的操作与控制，保证用户信息有效且可靠的传输。因此，信令可以看作是整个通信网络的神经中枢。 对于电路交换通信系统，用户信息是在呼叫接续完成后建立的逐段连接的信息通道中传输。与此对应，信令也是在信令通道中逐段传输、转发及实施控制。 按信令通道与用户信息通道在物理上是否独立，信令分为共路信令及随路信令。共路信令集中在独立的信令通道中传输。随路信令在用户信息通道中采用时分、频分等方式随同用户信息一起在信息通道中传输。 本移动通信实验系统在研究其信令系统及用户信息传输系统时的原理框图如图3-1所示，它涉及到无线信道及程控交换机用户线信道两类信道。无线信道包括1个专用呼叫信道及19个通话信道(详见实验四)。专用呼叫信道上传送的是共路信令。无线通话信道及有线用户线信道上，信令与用户信息以时分方式在同一信道上传输，都属于随路信令。图3-1 移动通信实验系统的信道连接 无线数字信令在实验二中已详细研究，下面首先介绍程控交换机用户线信令，然后介绍无绳座机BS对BSMS之间的无线数字信令及EXBS之间的用户线信令的转换、转发，最后来研究手机MS主呼有线电话TEL的完整的呼叫接续信令传输过程，建立信令系统的概念。1程控交换机用户线信令 国家标准规定的PSTN程控交换机用户线信令如下所示。 （1）监视信令 馈电电压为48，用户环路电阻(包括话机摘机电阻)小于2000，交换机向电话机直流馈电电流(环路电流)18-50mA(电话机摘机门限电流约10mA)。 铃流：253Hz正弦波，有效值9015。 拨号音：45025Hz连续信号，电平为103dBm。 忙音：45025Hz、0.7秒断续(0.35秒送、0.35秒断)信号，电平为-103dBm。 回铃音：450H25Hz、5秒断续(1秒送、4秒断)信号，电平为-103dBm。 (2)地址信令(拨号信令) 直流脉冲信号(己不常用，略)。 双音多频(DTMF：Dual Tone Multi-Frequency)信号，如表3-1所示。表3.1 DTMF信号的频率及表示的数字、符号高频群（Hz）数字低频群(Hz)1209133614771633 697123A 770456B 852789C 94l*(E)0#(F)D 由以上用户线信令技术标准可见，它是直流(环流)和音频(25Hz、450Hz及DTMF)混合的模拟信令。本实验系统中采用的小型用户程控交换机用户线信令总体上符合以上标准，只在以下细节上有差别，但是它的使用完全正常。 馈电电压约为24，比PSTN交换机的48低这是因为其用户线短，线路压降小，24电压已足够使用。 发出的450Hz信号音为方波。由于450Hz信号音(包括拨号音，回铃音及忙音)是发给用户听的指示音，其波形不理想丝毫不影响用户听觉对其含义的判断。 铃流为50Hz，有效值70。由于用户线不长，电话能正常振铃。2用户线信令过程 以有线电话1呼叫有线电话2为例介绍如下： 有线电话1未摘机，用户线环路断开，环路电流为0，用户线电话机端电压等于交换机馈电电压。 有线电话1摘机，用户线环路通，环路电流为18-50mA，大于摘机环流门限10mA，交换机据此判定有线电话机1摘机，向其发拨号音，此时电话机端电压下降到6-10V。 有线电话1用户按数字键拨号，通过用户线向交换机发DTMF号码。 交换机收齐号码后，检查电话机2空闲(环流为0)，则向它发铃流，并向电话机1发回铃；若电话机2忙，则向电话机1发忙音。 电话机2用户摘机(环流大于摘机门限)，交换机停止发铃流，接通双方话路(交换连接)，双方通话。 一方挂机(环流为0)，交换机断开双方话路，向另一方发忙音。 另一方挂机，交换机停发忙音。完成一次呼叫接续。 以上呼叫接续(包括信令传输及话音传输)过程如图3-2所示。图3-2 TEL1TEL2呼叫接续过程3座机BS对两侧有线/无线信令的转换、转发图3-3 无线 / 有线信令的转换、转发在一个复杂的通信系统中，信令要经过同样复杂的信令系统逐段传输、转换、转发，才能完成呼叫接续，实现用户信息通道的连接及用户信息的传送。例如，本实验通信系统的无绳座机BS，就担负其侧BS-MS无线数字信令与另侧EX-BS用户线信令转换、转发作用。以手机MS主呼为例，呼叫接续过程中BS对信令的转换。转发如图3-3所示。4实验系统呼叫接续全过程 实验系统呼叫接续全过程以手机主呼有线电话为例如图3-4所示。 图3-4 手机主呼有线电话呼叫接续过程四、实验步骤(一) 观测程控交换机用户线信令图3-5 实验系统呼叫接续过程测量方框图1按图3-5连接系统，其中，用户线测量板LINE.PCB插接在无绳座机BS的用户线上，将2线制用户线引出2个测量端a、b。用座机B5所带的有线电话手柄及拨号盘等进行呼叫接续操作，用示波器在用户线引出端a、b上测量用户线信令并记录。2座机手柄挂机，无环流。示波器测量通道CHl设置为DC，20VDIV，测得用户线a、b端电压为交换机馈电电压，约24。 3座机手柄摘机，有环流，用户线a、b端电压下降至约610。4重新设置示波器CHI为AC、1VDIV，观测到交换机发出的连续45OHz拨号音。5座机拨号，观测到座机发出的DTMF号码。6拨号呼通有线电话后，有线电话振铃，用户线a、b端可观测到回铃信号。7有线电话摘机通话，用户线a,b端观测到双方话音波形。8有线电话挂机，用户线a、b端观测到交换机发出的忙音。9重新设置示波器CHI为DC、20VDIV。座机BS挂机，无环流，观测到用户线b端电压上升为交换机馈电电压，约为24。10重新设置示波器CHI为DC、50VDIV。有线电话呼叫无绳电话，有线电话听见回铃音，无绳座机用户线a，b端可观测到铃流(座机内部振铃扬声器线已断开，听不到振铃声)。11某些呼叫接续阶段的用户线信令没观测记录清楚的，可重复前面某些步骤。(二)观测无线有线馈令的转换1仍按图3-5连接系统示波器通道CHl设置为DC、20VDIV；通道CH2设置为DC、2VDIV。综测仪关断发射机及信令存贮显示模块，在MS测量面板AFo端实时测量MS发射信令在BS用户线a，b端测量用户线信令。2无绳手机MS反复摘挂机，示波器通道CH2可观测到MS发射的FSK数字信令(不必观察细节)，示波器通道CHI可观测到BS用户线a、b端电压反复在低电压(约6-10)及高电压(交换机馈电电压，约24)之间跳变，并且时间关系是无线数字信令在先，用户线电压跳变滞后。3重新设置示波器通道CHI为AC、1VDIV。手机MS摘机，示波器CHI观测到拨号音。手机反复按数字键拨号，示波器CH2观测到MS发送给BS的数字信令，CHl观测到BS发送给EX的DTMF信号，并且时间关系是前者在先，后者滞后。(三)观测手机呼叫有线电话的呼叫接续过程1同(二)、1。2手机MS摘机。示波器通道CH2观测到MS发送给BS的FSK数字信令(不必观察细节)，示波器通道CHI观测到BS用户线a、b端电压下跳到约610。3重新设置示波器CHI为AC、IVDIV，观测到EX发送给BS的拨号音。手机拨有线电话号码，示波器CH2观察到MS发送给BS的FSK数字信令，示波器CHl观测到稍有滞后的BS发送给EX的DTMF信号。4有线电话振铃。示波器通道CH2改接至综测仪BS测量面板的AFo端。BS用户线a、b端及综测仪BS测量面板上的AFo端同时观测到回铃音。5有线电话摘机，双方通话，示波器CH2改接综测仪MS测量面板上的AF。端，示波器CHl及CH2可观测到双方话音波形。6手机MS挂机，示波器CH2观测到MS发送给BS的FSK数字信令，示波器CHl观测到稍滞后的BS用户线a、b端电压的正跳变。7有线电话听忙音，挂机。五、实验报告要求1根据观测记录，画出手机呼叫有线电话的呼叫接续过程图，说明BS对无线/有线信令的转换，转发作用，及EX对二端用户线信令的转换、转发作用，了解实验通信系统的信令系统构成及呼叫接续信令过程。2根据观测记录，总结实际采用的小型程控交换机用户线信令的种类及参数，说明与PSTN程控交换机用户线信令在细节上的差别，并分析为什么能正常工作。3根据观测，回答本实验系统的无线信道及用户线有线信道的信令是共路信令还是随路信令，为什么?实验四 多信道共用、空闲信道选取方式一、实验目的 通过对移动通信教学实验系统的测量，了解一般移动通信系统无线多信道共用、空闲信道选取方式。二、实验内容 1用综测仪自动跟踪测量无绳电话呼叫接续各阶段的工作信道，了解其多信道共用、空闲信道选取方式。 2用综测仪自动跟踪测量无绳电话通话状态下切换频道操作后通话信道的改变，了解其切换频道功能。三、基本原理 1多信道共用的移动通信系统，在基站控制的小区内有多个无线信道提供给移动用户共用。那么，在某一用户主呼或被呼时，如何从几个信道中选择一个空闲信道分配给该用户使用呢? 空闲信道选取方式以有下四种： (1)专用呼叫信道(专用控制信道)方式； (2)循环定位方式； (3)循环不定位方式； (4)循环分散定位方式。 无绳电话的多信道共用是一个小区(所研究的无绳电话电磁波覆盖范围所自然形成的小区域)内所有无绳电话共用20个信道然而，与蜂窝移动通信系统及集群移动通信系统不同，无绳电话小区内的全体无绳电话无统一的基站控制器，而是由每台无绳电话各自独立地选用空闲信道。若采用循环定位方式及循环分散定位方式，已挂机的无绳电话也要占用一个信道发示闲音，一个小区最多只能容纳20部无绳电话，容量太小，故不能采用。实际能采用的只有专用呼叫信道方式及循环不定位方式或两种方式的变形及组合方式。 专用呼叫信道方式呼叫速度快，但在呼叫信道上受干扰的概率较大；循环不定位方式基本不存在互相干扰，但呼叫速度慢。当前国内生产的CTI无绳电话大多采用专用呼叫信道方式。 一台无绳电话的手机与座机重新对识别码(1D码)后，由识别码按一定算法确定新的呼叫信道。所有的呼叫都在呼叫信道上进行。因此，同一台无绳电话的“专用”呼叫信道也是可变的。小区内不同无绳电话识别码一般不相同，呼叫信道一般也各不相同。另外，其它无绳电话通话时占用本台无绳电话呼叫信道的概率及占用时间都是有限的。第三，本台无绳电话手机距离座机一般是最近的，收到的信号最强。总之，采用专用呼叫信道方式的无绳电话在呼叫信道受强干扰而不能完成呼叫接续的概率不大。 采用专用呼叫信道的无绳电话空闲通话信道是如何确定的呢? 采用专用呼叫信道方式的无绳电话系统在挂机状态下座机及手机都守候在自己的专用呼叫信道上，座机还时分扫描其它19个通话信道，检测并记录其中的空闲信道。当手机主呼或被呼时，座机通过呼叫信道给手机指定存贮的一个空闲信道，座机和手机由呼叫信道转移到指定的空闲信道。在后续的拨号(手机主呼时)及通话过程中一直占用该空闲通话信道，直至挂机返回呼叫信道守候。 在上述座机给手机指定空闲信道时，若座机存贮有多个空闲信道，它选择哪一个呢?若上次的通话信道当前是空闲的，座机首选该空闲信道；否则按空闲信道号码的大小顺序，在上次通话信道之后另选一个。 2无绳电话在通话过程中可以切换通话信通。若用户感觉当前通话信道上有干扰，可按手机“频道”键启动切换信道的信令传输过程，座机给手机重新指定一个空闲信道，双方一起转移到新的空闲信道继续通话。这与蜂窝移动通信系统的越区信道切换相似。区别在于后者由系统与移动台自动测量和切换信道，前者是人工测量(听话音效果)和人工启动然后再自动切换信道。四、实验步骤1重新设置无绳电话及噪测仪识别码(旧码)及专用呼叫信道 （1）仍按图1-4的布局放置设备并连接系统。设置综测仪为系统测量方式(按K1至SYST灯亮)。 (2 ) 连续按住综测仪对码(CODE)键超过4秒，综测仪进入对码及搜索专用呼叫信道状态，守候在CH7准备接收无绳座机发送的新ID码，信道号LED数码管显示CH7。然后释放对码键。 (3)在挂机状态下，按住无绳座机“对码”键，座机进入对码状态，随机产生16位新的ID码，在CH7信道上发射出去。综测仪正确收到ID码后发出一长声蜂鸣声指示。仍按住座机“对码”键不放，再按住手机“对码”键，手机正确收到座机发射的新ID码后，发出蜂鸣声指示，新ID码设置完毕。无绳电话座机、手机及综测仪三者的ID码一致了，并且无绳电话座机及手机的呼叫信道也一致了。释放座机及手机“对码”键，双方返回正常工作的挂机状态。几秒钟后综测仪进入搜索专用呼叫信道状态，循环搜索20个信道，信道号LED数码管循环显示对应的信道号。 (4)有线电话拨号呼叫无绳电话，无绳手机振铃，有线电话听回铃。无绳座机在新的专用呼叫信道上向无绳手机发振铃信令。综测仪循环搜索到专用呼叫信道，就停留在该信道并发出连续蜂鸣声。 (5)按综测仪控制面板K4键，综测仪存贮新1D码及新呼叫信道号于 后返回系统测量工作方式，SYST灯常亮。 2观测无绳电话系统空闲信道选取方式 (1) 同本实验1、(1)。 (2) 综测仪设置为自动(AUTO)工作方式(按Kl至SYST灯亮，再按K2，SYST灯常亮)，守候在无绳电话呼叫信道，示波器二个通道的探头分别接在综测仪BS及MS测量面板的AFo端。 (3) 手机按“通话”键摘机，座机及手机一起转移到座机指定的空闲信道。综测仪检测到手机摘机信令(示波器可观测到)则自动跟踪搜索并且最后锁定于该空闲信道，显示该信道号码及无绳电话BS及MS发射频率。手机拨号呼叫有线电话，示波器观测到手机拨号等操作的信令波形或通话双方话音波形。 综测仪若因接收信令误码未能检测到手机的摘机信令，仍停留在呼叫信道，则可按扫描(SCAN)键K3启动搜索，SYST灯闪烁，最后亦锁定于无绳电话占用的空闲通话信道，返回自动工作方式，SYST灯常亮。 (4) 通话完毕，手机按“通话”键挂机，座机及手机一起返回呼叫信道守候。综测仪检测到手机挂机信令，亦返回呼叫信道守候。 综测仪若因接收信令误码未能检测到手机的挂机信令，仍停留在通话空闲信道，则可按自动(AUTO)键K2返回呼叫信道守候。 (5)多次重复(1)-(4)，观测、记录无绳电话每次选取的空闲信道。一般情况下，若上次的通话信道仍空闲，则这次仍选取上次通话信道。 (6)在无绳电话及综测仪都已返回呼叫信道守候时，按综测仪控制面板上的步进 (STEP)键K4，设置工作信道为无绳电话上次通话信道。打开BS测量发射机(K6置ON，K7置BS，BS测量面板TX灯亮)，综测仪BS测量发射机向座机BS发射载波等待约4秒钟后，座机扫描完19个通话信道，检测到该信道已被占用。 手机按“通话”键摘机，与座机一起转移到某空闲信道。综测仪关断发射机(K6置 OFF)，按控制面板上扫描(SCAN)键K3启动搜索并最后锁定于无绳电话占用的空闲信道，可看到无绳电话选择了新的空闲信道。 3观测无绳电话在通话状态下切换通话信道 (1)、重复2(1)-(3)，无绳电话占用一空闲信道通话，综测仪锁定于该信道，显示该信道的信道号及无绳电话BS和MS发射频率，示波器观测到通话双方的话音波形。 (2)、手机按“频道”键切换通话信道至一新的空闲信道。综测仪检测到手机频道切换信令，自动跟踪搜索并锁定于新的信道，显示该信道的信道号及无绳电话BS和MS发射频率；示波器观测到通话双方的话音波形。 (3)、多次重复(2)，反复观测无绳电话切换通话空闲信道，总结信道改变规律。 (4)、按(3)中总结的信道切换改变规律，估计下一次切换信道将占用的新空闲信道。按步进(STEP)键K4设置工作信道为估计的新空闲信道，然后打开综测仪BS测量发射机(K6置ON，K7置BS)。手机按“频道”键再次切换频道。关断综测仪发射机，按扫描(SCAN)键K3启动搜索并锁定无绳电话占用的新空闲信道，与估计的信道比较。五、实验报告要求 1根据实验结果，总结本实验系统的无绳电话空闲信道选取方式。2根据实验结果，总结本实验系统的无绳电话在通话状态下信道切换的变化规律。实验五 FH-CDMA(跳频码分多址)移动通信一、实验目的 1了解FH-CDMA(跳频码分多址)移动通信原理。 2了解常用的正交跳频序列-RS编码序列。二、实验内容 1测量FH-CDMA移动通信实验系统发射端及接收端锁相频率合成器控制电压，了解收发两端频率是否按同一跳频序列同步跳变(同地址FH-CDMA)或按不同跳频序列跳变(不同地址FH-CDMA)。 2测量同地址与不同地址FH-CDMA发射端及接收端的有关信号与数据。三、基本原理FH-CDMA(Frequency Hopping-Code Division Multiple Access)跳频码分多址移动通信系统原理框图如图5-1所示。图5-1 FH-CDMA移动系统原理框图 基带信号对载波调制后发射，载频来自频率合成器，在跳频序列(常用PN伪噪声序列：pseudonoise sequence)的控制下随机跳变(最简单的控制方法是以序列值作为频道号)。收端的本振亦来自受跳频序列控制的频率合成器，接收频率随机跳变。当收发二端频率按同一跳频序列随机跳变，并且达到同步时，接收端就可解调出有用信息。当收发二端频率按不同跳频序列随机跳变时，二端频率在任何时刻都不相同或相同的概率极小，即频率序列相互正交或准正交，接收端收不到发射端的信息。以上两种情况，前者对应同地址FH-CDMA用户正常通信过程：后者对应不同地址FH-CDMA用户之间相互干扰关系。 FH-CDMA系统中，载波调制通常使用与相位无关的调频方式。 用于FH-CDMA通信的PN序列即跳频序列又称为跳频图案、跳频码。一般希望跳频序列具有如下性质： (1)随机性 (2)周期性 (3)正交性 (4)可用序列多常用的跳频序列是RS编码(Reed-Solomoncode)。一种简单的RS编码可由m序列发生器的移位寄存器状态并行输出与编码选取寄存器状态作模2加来产生。设m序列为n阶，则对应的RS编码序列长L=1，编码序列数目N=。图5-2给出由4阶m序列发生器等构成的RS编码发生器。其中，m序列发生器在时钟驱动下循环右移生成的m序列及对应的1个RS序列见表5-1。由编码序列号选取生成的RS编码序列见表5-2。由表5-1、5-2可知，RS编码序列长L=15，编码序列数目N=16。RS编码序列作为频道号去控制频率合成器输出频率跳变。图5-2 RS编码序列发生器表5-1 4阶m序列的寄存器状态及=0000时的R序列 D3 D2 D1 Do RS序列距离(与前值比较)(1) 1 1 1 1(2) 0 1 1 1(3) 1 0 1 1(4) 0 1 0 1(5) 1 0 1 0(6) 1 1 0 1(7) 0 1 1 0(8) 0 0 1 1(9) 1 0 0 1(10) 0 1 0 0(11) 0 0 1 0(12) 0 0 0 1(13) 1 0 0 0(14) 1 1 0 0(15) 1 1 1