移动通信实验指导书.doc

移动通信实验 鲁昆生 郭 鹏 华中科技大学电子与信息工程系 1 附件里是移动通信实验的实验指导书 初步决定做实验 1 4 6 7 10 可 以把这几个实验的实验指导打印出来 实验原理 不一定需要打印 把实验 步骤打印出来就可以了 第六版前言第六版前言 为实现通信的终极目标五个 W 任何人 whoever 在任何时间 whenever 任何地 点 wherever 与任何他人 whomever 进行任何类型 whatever 的信息交换 则至少通信网的 最后一段必须是移动通信系统 由此可见移动通信在现在及未来通信中的重要地位 最新开发的 MBC 5W 型移动通信实验系统可开出 15 个实验 覆盖了移动通信课程 推 荐教材为资料 1 的主要内容 包括以下四大部分 1 由一个小型 FDMA 移动通信系统和作为测量仪器的双路无线综合测试仪 测量 了解移动通信系统网络组成 基本功能 信令系统及无线信道的共用方式 实验一 四 2 双路无线综合测试仪可组合成 FH CDMA DS CDMA TDMA 及 DS FH TD FH TD DS 混合多址等各种数字移动通信系统 测量 了解它们的工作原理 实验五 十 3 在双路无线综合测试仪上 可测量 了解移动通信设备 包括接收机 发射机 锁相频率合成器及双工器的构成 工作原理及性能指标 实验十一 十四 4 在双路无线综合测试仪上 可测量 了解电波传播损耗及接收机的内部和外部噪 声 实验十一 5 用二台双路无线综合测试仪 可测量 了解各种组网干扰 包括同道干扰 邻道 干扰及互调干扰 实验十五 通过实验 使学生对移动通信原理有全面直观的认识 加深对书本理论知识的理解和 掌握 由于双路无线综合测试仪自带如下多种专用设备 1 稳压电源 2 音频信号源 1KHz 600Hz 2 个频率点 2 3 高频信号源 45MHz 48MHz 20 对频率点 4 数字频率计 5 数字存贮示波器功能模块 故仅需一台 20MHz 模拟双踪示波器就可完成绝大部分实验 除了 实验十四 锁相频率合 成器 中测量发射环调制频率特性需要一台音频信号发生器或函数信号发生器外 可节 省大量实验设备费用 本移动通信教学实验系统是我们在长期从事有关课程教学及科研的基础上开发出来的 我们力图在飞速发展的移动通信技术与移动通信基本原理及用有限经费在实验室内建立能 让每个学生动手的实验系统之间找到平衡点 但是 由于我们水平所限 本实验系统及实 验指导书中难免有不妥之处 欢迎读者提出宝贵意见 编 著 者 于华中科技大学 2003 年 12 月 3 目目 录录 实验一 移动通信系统组成及功能 1 实验二 无线数字信令 6 实验三 信令系统 13 实验四 多信道共用 空闲信道选取方式 19 实验五 FH CDMA 跳频码分多址 移动通信 23 实验六 DS CDMA 直扩码分多址 移动通信 30 实验七 TDMA 时分多址 移动通信 44 实验八 DS FH 直扩加跳频 混合多址移动通信 46 实验九 TD FH 时分加跳频 混合多址移动通信 48 实验十 TD DS 时分加直扩 混合多址移动通信 50 实验十一 接收机 噪声与电波传播损耗 52 实验十二 发射机 62 实验十三 双工器 66 实验十四 锁相频率合成器 70 实验十五 组网干扰 85 附录 1 无绳电话标准 原理及手机使用方法 93 附录 2 双路无线综合测试仪原理及使用方法 96 附图 1 A BS 测量收发信机 TRX BS 104 附图 1 B MS 测量收发信机 TRX MS 105 参考文献 106 1 实验一实验一 移动通信系统组成及功能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 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 蜂窝移动通信系统 公用电话网 PSTN MS Mobile Station 移动台 BS Base Station 基地台 MSC Mobile Switch Center 移动交换中心 包括交换机和数据库 EX Exchanger 公用电话网 PSTN 程控交换机 TEL Telephone 有线电话 MS MS EXMSC BS BS TEL TEL 2 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 MS Mobile Station 移动台 BS Base Station 基地台 EX Exchanger 程控交换机 TEL Telephone 有线电话 MSBSEX TEL TEL MS Mobile Station 移动台 无绳电话手机 BS Base Station 基地台 无绳电话座机 EX Exchanger 程控交换机 TEL Telephone 有线电话 SDT 双路无线综合测试仪 综测仪 SDT MSBSEX TEL TEL 3 下面对图 1 3 各部分及本实验内容介绍如下 1 CT1 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 外线 不接 LINE 801802803 220VAC 电源指示 LED 灯 用户摘机指示 LED 灯 用户号码 用户线插座 804 4 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 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 70 300Hz 范围内 则 Tp 3 13ms 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 t ms 10 10 0 相对声压 图1 3 浊音波形 TpTp 图 1 5 浊音的准周期波形 相对声压 5 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 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 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 3 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 4 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 6 实验二实验二 无线数字信令无线数字信令 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 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 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 7 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 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 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 分为三个部分 8 0S100 1 0 0 0 111 0 0 0 波形 数据 图3 1 典型的信令帧结构 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 IDH IDH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 同步码IDH 手机号 代码 命令 消息 波形 数据 0 0S10100 01110 0 0 9 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12H 2 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 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 L ID 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 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 同步IDH 命令 拨号码 7 重发命令 应答确认 IDL 重发 应答确认 同步应答 IDL 重发 应答 手机号 代码 10 码元自带检错信息 命令帧中的 IDH及应答帧中的 IDL 分别为无绳电话系统 16 位 ID 码的高 4 L ID 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 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 最后几位可能有错误 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 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 MS 发 0 0 S 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 S 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 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 同步IDH挂机命令 手机号 代码 11 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 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 TRIA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 25ms DIV 垂直为直流 2V DIV 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 12 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 手机用户按键进行 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 2 5 5ms DIV 展开波形 仔细观测并记录信令传输过程 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 6 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 IDL及比较 最后总结出数字信令典型帧结构 L ID 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 13 实验三实验三 信令系统信令系统 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概念 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 交换机之 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 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 信令系统可以看作是整个通信系统的神经中枢 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 交互及实施控制 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 BS MS 之间的无线数字信令及 EX BS 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 用户线 信 道 用户线 信 道 无线 信道 TELEXBSMS 14 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 48VDC 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 25 3Hz 正弦波 有效值 90 15VAC 拨号音 450 25Hz 连续信号 电平为 10 3dBm 忙音 450 25Hz 0 7 秒断续 0 35 秒送 0 35 秒断 信号 电平为 10 3dBm 回铃音 450Hz 25Hz 5 秒断续 1 秒送 4 秒断 信号 电平为 10 3dBm 2 地址信令 拨号信令 直流脉冲信号 已不常用 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 941 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 24VDC 比 PSTN 交换机的 48VDC低 这是因为其用户线短 线路 压降小 24VDC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 70VAC 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 15 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 TEL1 TEL2 呼叫接续过程 3 座机 BS 对两侧有线 无线信令的转换 转发 通 话 挂 机 数字 摘 机 数字 摘 机 有环流 拨 号 数字 拨 号 音 拨 号 DTMF 用户线 无线信道 无线数字信令 用户线信令 挂 机 无环流 回 铃 EXBSMS 呼叫 信道 通话 信道 呼叫 信道 TEL2 TEL1 通 话 挂 机 无环流 挂 机 无环流 忙 音 摘 机 有环流 拨 号 音 拨 号 DTMF 回 铃 摘 机 有环流 用户线 2 用户线 1 振 铃 EX 16 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 就担负其一侧 BS MS 无线数字信令与另一侧 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 通话 信道 摘 机 数字 摘 机 有环流 拨 号 数字 拨 号 音 拨 号 DTMF 回 铃 挂 机 挂 机 数字 挂 机 无环流 通 话 忙 音 摘 机 振 铃 用户线 用户线 无线信道 TEL EX BS MS 呼叫 信道 呼叫 信道 CH2 SDT ab CH1 LINE PCB AFo MS GND 示波器 MS 示波器 TELBSEX 17 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 BS 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 CH1 设置为 DC 20V DIV 测得用户线 a b 端电压为交换机馈电电压 约 24VDC 3 座机手柄摘机 有环流 用户线 a b 端电压下降至约 6 10VDC 4 重新设置示波器 CH1 为 AC 1V DIV 观测到交换机发出的连续 450Hz 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 CH1 为 DC 20V DIV 座机 BS 挂机 无环流 观测到用户线 a b 端电压上升为交换机馈电电压 约为 24VDC 10 重新设置示波器 CH1 为 DC 50V DIV 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 有线信令的转换 1 仍按图 3 5 连接系统 示波器通道 CH1 设置为 DC 20V DIV 通道 CH2 设置为 DC 2V DIV 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 CH1 可观测到 BS 用户线 a b 端电压反复在低电压 约 6 10VDC 及高电压 交换机馈电电压 约 24VDC 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 CH1 为 AC 1V DIV 手机 MS 摘机 示波器 CH1 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 CH1 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 18 察细节 示波器通道 CH1 观测到 BS 用户线 a b 端电压下跳到约 6 10VDC 3 重新设置示波器 CH1 为 AC 1V DIV 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 CH1 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 AFo端 示 波器 CH1 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 CH1 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 实验报告内容 1 画出手机呼叫有线电话的呼叫接续过程图 说明信令的传输 转发 交互及控制 过程 了解移动通信实验系统的信令系统构成及呼叫接续信令过程 2 给出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 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 19 实验四实验四 多信道共用 空闲信道选取方式多信道共用 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 2 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 CT1 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 ID 码 后 由识别码按一定算法确定新的 呼叫信道 所有的初始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 20 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 座机和手机的收发信 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 用该信道 直至挂机返回呼叫信道守候 2 无绳电话在通话过程中可以