无线通信技术实验讲义

1、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、虚拟仪器（选配） 一块6、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）

2、。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2n1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。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= 2n1内，“0”出现2n11次，“1”出现2n1次，“1”比“0”多出现一次。（2）在每一周期内共有2n1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n2，当1kn1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n1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

3、移序列（）的模二和仍然是m序列的另一位移序列（），即： （4）m序列的自相关函数为：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7的不可约多项式表，表中可以查到7不可约多项式与本原多项式。表32-1 次数7的不可约多项式级数不可约多项式n2 7Hn313Fn4 23F 37D 07n5 45E 75G 67Hn6 103F 127B 147H 111A 015 155E 007n7 211E 217E 235E 367H 277E 325G 203F 313H 345G上表中多项式的系数写成八进制数形式，每一

4、位数代表多项式的3位系数。对应关系如下：0000 1001 2010 30114100 5101 6110 3111八进制数对应的二进制序列便是对应的多项式系数，其中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，。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

5、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2n1比特时，就可得到一族（2n1）个Gold序列。再加上两个m序列，共有（2n1）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

6、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n7的并联型Gold序列为例，讲解GOLD序列的实现方法。查表32-1，n7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，；217对应的二进制序列和本原多项式分别为010001111，。即并联型结构中两个本原多项式分别为：。它们产生Gold序列的周期是。参照图32-1长度为位的m序列的n级线性移位寄存器

7、实现框图，有n7的并联型Gold序列发生器如下图32-2所示。图32-2 n7的并联型Gold序列发生器在扩频与解扩实验中，采用以上n7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。图32-3 Gold序列的自相关特性五

8、、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n15及n31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

9、试点的码型及频谱。 说明1：此时“N1KP”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

10、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OUTIN（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。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C

11、PLD二次开发模块硬件平台上，参考n7的并联型Gold序列发生器，实现一个n7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

12、，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

13、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

14、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。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

15、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

16、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、

17、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

18、出很小。延迟锁相环的原理见图33-2所示。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“GDCQ”（超前GOLD码）和“GDZH”（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“VCOC”。“VCOC”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

19、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“VCOC”测试点波形，如下图33-3所示。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

20、，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

21、”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）（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。

22、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 NRZ1CDMA模块内连线OUTIN（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“G1BS”和“G3BS”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，

23、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2048KCLK（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“G1BS”和“G3BS”测试点，缓慢调节“跟踪”旋转电位器，直到“G1BS”和“G3BS”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“G1BS”和“G3BS”测

24、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

25、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、虚拟仪器（选配） 一块7、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

26、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1001000，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

27、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。下图34-1和图34-2是扩频前后2PSK信号的频谱。图34-1 扩频前2PSK信号的频谱图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

28、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。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。图34-4 CDMA发射部分原理框图上图中，输入的两路数字信息NRZ

29、1、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。图34-5 CDMA接收部分原理框图上图中，用本地产生的同步的

30、伪码序列“GDTX”（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

31、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