1、06移动通信实验指导书实验一 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）相连的蜂窝移动通信系统方框图。系统包括大量移动台MS、许多基站BS、若干移动交换中心MSC及若干与MSC相连的数椐库(HLR、VLR等，图中未画出)，MSC通过与公用电话网PSTN的交换机
2、EX相连，接入公用电话网。系统的基本功能是：移动台能与有线电话或其它移动台通话(或传输数椐等信息)。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1-2，它将图1-1实际系统全部交换机EX及MSC合并成一部交换机；基站BS及移动台MS各选用一台；有线电话采用二部。 它与图1-1实际系统在系统基本网络结构、网络设备及功能等特征方面是相同的。图1-2 简化的移动通信系统方框图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
3、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、演进而来的，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。基于以上原因，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1-2中，BS、MS实际选用基于FDMA技术、采用数字信令的中国CT1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
4、合测试仪（SDT，以下简称综测仪），构成一套完整的移动通信教学实验系统，如图1-3所示。图1-3 移动通信教学实验系统下面对图1-3各部分及本实验内容介绍如下：1CT1无绳电话CT1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1-4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
5、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。CT1无绳电话及在其后发展起来的各种数字无绳电话组成的无绳电话大家族，成为常用的四类移动通信系统之一。我国的CT1无绳电话技术标准、工作原理及手机使用方法见附录1。通常，同一实验室内有许多组实验系统，相距很近，为了防止互相干扰，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。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
6、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。2程控交换机本教学实验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。本系统中不用其外线端口，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1-4为小型程控交换机的外观图。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220VAC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。图1-4 小型程控交换机外观图3双路无线
7、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。在实验一实验四中综测仪作为测量仪器，在实验一中用来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1-3的布局放置并连接设备，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
8、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1-5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
9、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3003400Hz频率范围内。相对声压图1-5 浊音的准周期波形四、实验步骤1按图1-3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220VAC电源。2、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（对码步骤如下：）。
10、（1）仍按图1-3的布局放置设备并连接成系统。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
11、话座机及手机的新呼叫信道也确定了。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，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）按综测仪控制面板扫描(SCAN)键K3，综测仪存贮新ID码及新呼叫信道号于E2PROM后返回系统测量工作方式，SYST灯亮。3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
12、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。4有线电话2拨号呼叫有线电话1，通话完毕挂机。5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）。6有线电话摘机拨号(804)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。7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
13、置ON），置系统测量自动工作方式(按K1至SYST灯亮，再按K2)，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，最后锁定于该通活信道。综测仪锁定于通话信道的标志是：信道扫描仃止并且BS及MS测量面板同时显示各自的接收频率。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
14、验报告内容1画出移动通信实验系统的网络结构方框图，给出系统功能，并说明它是如何由常用的蜂窝移动通信系统在保持基本特证不变条件下合理简化而来。2总结主呼方从摘机、拨号、通话到挂机的各个阶段听到那些信号音。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，包括数字信令调制方式、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
15、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，信令系统连接并控制用户信息传输系统的所有网络设备及用户终端设备，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，保证用户信息传输系统正确且可靠的动作，使用户信息有效传输。因此，信令可以看作是整个通信系统的神经中枢。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
16、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BS至MS之间的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2-1 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，作为帧同步的特殊码组必须
17、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、命令等数据。信令的控制、操作功能全由有效数据完成。（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。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
18、，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1-3移动通信教学实验系统无线部分的中国CT1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1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
19、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45/48MHz的主载频调频（FM），即二次调制。由于每个码元只调制为1个周期的副载频，故与经典的FSK调制相比有点不同：码元宽度随0/1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码7为例，见图2-2。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
20、部分： 图2-2 典型的信令数据帧结构0 0 S, 1 0 1 0, 0 0, 1 1 1 0, 0 0图2-3 信令数据帧各部分的含义（1）IDHIDH为无绳电话系统16位识别码（ID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码无绳电话之间的窜扰和盗打。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。为了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
21、的实验步骤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E2PROM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01，23，32，10（四进制）=0001，1011，1110，0100（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
22、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(消息)命令(消息)为6位，亦应倒序读取，图2-3中命令倒序码为00,0111B=07H，表示消息”拨号码7”。常用命令(消息)见表2-3。表2-3 无绳电话常用命令命令名命令码（倒序读出）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
23、、闪断（Flash）及通话结束后挂机的信令传输协议。（1）手机拨号（号码7）MS发：0 0 S, 0 1 0 0, 0 0, 1 1 1 0, 0 0; S ,0 1 0 0, 0 0, 1 1 1 0, 0 0; 0 0 S, 0 1 0 0; S 0 1 0 0; S 0 1 0 0.BS发： 0 0 S, 1 0 1 1; S 1 0 1 1; S 1 0 1 1.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(消息)帧各部分含义见前节；应答帧中IDL为ID码低4位，为IDL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
24、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
25、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IDH及应答/应答确认帧中的、IDL分别为无绳电话系统16位ID码的高4位、低4位的反码及低4位，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，若座机BS收到第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认BS已收到
26、正确命令帧，于是在发完当前的命令帧后就停止发命令帧，然后发多个应答确认帧通知BS，让BS仃发应答帧，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至少发送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，因而发完算了。由于重发的最后一帧命令帧是多余的，生产厂家开发者对这一段手机程序没有准确设计及仔细调试，命令帧后几位可能有错误。（2）手机挂机图2-5 手机挂机信令传输过
27、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：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仪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。示波器设置为上升沿外触发，水平分度2ms/DIV，垂直为DC、2V/DIV。设置综测仪为自动跟踪测量方式（按工作方式控制面板上K1至SYST灯亮，再按K2使K2灯常亮），综测仪守候于无绳电话系统的控制信道；接通综测仪信令存贮显示（SAVE）电路模块电源(K10置ON，顶部LED指示灯亮)，按运行（RU
28、N）键使停止存贮（STOP）指示灯灭，模块处于等待触发存贮状态；关发射机电源(TX控制板上K6置OFF，其上方电源指示灯灭)。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，最后锁定于该通活信道。综测仪锁定于通话信道的标志是：信道扫描
29、仃止并且BS及MS测量面板同时显示接收频率。3按综测仪信令存贮显示面板上运行（RUN）键，停止（STOP）指示灯灭，综测仪处等待触发存贮状态。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，存贮显示控制面板上停止（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，旋转综测仪信令存贮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
30、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。7. 拉开手机与座机之间的距离(对学生实验型教学实验系统，应拉开综测仪BS测量收发信机天线与座机天线距离及MS测量收发信机天线与手机天线距离)，降低座机的接收机输入C/N，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。五、实验报告内容1给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IDH、I
31、DL及比较。最后总结出数字信令典型帧结构和信令传输过程。（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根椐信令传输过程中，因接收误码导至命令帧重发2次以上的现象，回答数字信令传输采用何种差错控制方式。六、思考题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 TDMA（时分多址）移动通信一、实验目的了解TDMA（时分多址）移动通信原理。二、实验内容测量2信道TDMA移动通信实验系统发端及收端波形，了解TDMA通信原理。三、基本原理时分多址TDMA（Time Division Multiple Access）是把时间分割成周期性的帧，每一帧再分割成若干个时隙，1个时隙就是一个TDMA信道，按需要动态分配给用户使用。在频分双工（FDD）方式中，上行链路（MSBS）和下行链路（BSMS）的帧分别占用具有足够间隔（双工频率间隔）的不同频率。在时分双工（TDD）方式中，上下行帧交错排列在相同载频上。为保证在不同传播时延情况下，各移动台到达基站的信号不重叠，采取了以下二个
