《移动通信原理》实验指导书(试用)长江大学电信学院通信课程组武汉凌特电子技术有限公司2006
《移动通信原理》 实验指导书 （试 用） 长江大学电信学院通信课程组 武汉凌特电子技术有限公司 2006
LTE-YD-02B移动通信实验系统目录第一部分移动通信原理与技术第一章数字调制与解调技术实验一四相移相键控（QPSK）调制及解调实验实验二交错四相移相键控（OQPSK）调制及解调实验10实验三基带信号预成形技术实验18实验四1MSK调制及相干解调实验23实验五GMSK调制及相干解调实验35实验六MSK、GMSK非相干数字解调实验44实验七矢量调制星座图实验5155第二章同步技术，实验八PSK信号载波恢复55实验九NRZ码位同步提取实验.62第三章扩展频谱技术.68实验十m序列产生及其特性实验.68实验十一Gold序列产生及其特性实验.81实验十二#扩频实验.87实验十三解扩实验.96106第四章抗衰落技术。实验十四卷积码编码及译码实验106实验十五块交织及解交织实验116II
LTE-YD-02B 移动通信实验系统 II 目 录 第一部分 移动通信原理与技术 第一章 数字调制与解调技术. 2 实验一 四相移相键控（QPSK）调制及解调实验. 2 实验二 交错四相移相键控（OQPSK）调制及解调实验 . 10 实验三 基带信号预成形技术实验. 18 实验四 MSK 调制及相干解调实验. 23 实验五 GMSK 调制及相干解调实验. 35 实验六 MSK、GMSK 非相干数字解调实验. 44 实验七 矢量调制星座图实验. 51 第二章 同步技术. 55 实验八 PSK 信号载波恢复. 55 实验九 NRZ 码位同步提取实验. 62 第三章 扩展频谱技术. 68 实验十 m 序列产生及其特性实验. 68 实验十一 Gold 序列产生及其特性实验 . 81 实验十二 扩频实验. 87 实验十三 解扩实验. 96 第四章 抗衰落技术. 106 实验十四 卷积码编码及译码实验. 106 实验十五 块交织及解交织实验. 116
第一部分移动通信原理与技术
第一部分 移动通信原理与技术
第一章数字调制与解调技术实验一四相移相键控（QPSK）调制及解调实验一、实验目的1、了解QPSK调制解调原理及特性。2、了解载波在QPSK相干及非相干时的解调特性。二、实验内容1、观察I、Q两路基带信号的特征及与输入NRZ码的关系。2、观察IQ调制解调过程中各信号变化。3、观察解调载波相干时和非相干时各信号的区别。三、基本原理1、QPSK调制原理QPSK又叫四相绝对相移调制，它是一种正交相移键控。QPSK利用载波的四种不同相位来表征数字信息。由于每一种载波相位代表两个比特信息，因此，对于输入的二进制数字序列应该先进行分组，将每两个比特编为一组，然后用四种不同的载波相位来表征。我们把组成双比特码元的前一信息比特用a代表，后一信息比特用b代表。双比特码元中两个信息比特ab通常是按格雷码排列的，它与载波相位的关系如表1-1所示，矢量关系如图1-1所示。图1-1（a）表示A方式时QPSK信号矢量图，图1-1（b）表示B方式时QPSK信号的矢量图。由于正弦和余弦的互补特性，对于载波相位的四种取值，在A方式中：45°、135°、225°、315°，则数据I、9,通过处理后输出的成形波形幅度有两种取值土V2/2B方式中：0°、90°、180°、270°，则数据1、Q通过处理后输出的成形波形幅度有三种取值±1、0。2
2 第一章 数字调制与解调技术 实验一 四相移相键控（QPSK）调制及解调实验 一、 实验目的 1、了解 QPSK 调制解调原理及特性。 2、了解载波在 QPSK 相干及非相干时的解调特性。 二、 实验内容 1、观察 I、Q 两路基带信号的特征及与输入 NRZ 码的关系。 2、观察 IQ 调制解调过程中各信号变化。 3、观察解调载波相干时和非相干时各信号的区别。 三、 基本原理 1、QPSK 调制原理 QPSK 又叫四相绝对相移调制，它是一种正交相移键控。 QPSK 利用载波的四种不同相位来表征数字信息。由于每一种载波相位代表两个比特信 息，因此，对于输入的二进制数字序列应该先进行分组，将每两个比特编为一组，然后用四 种不同的载波相位来表征。我们把组成双比特码元的前一信息比特用 a 代表，后一信息比特 用 b 代表。双比特码元中两个信息比特 ab 通常是按格雷码排列的，它与载波相位的关系如 表 1-1 所示，矢量关系如图 1-1 所示。图 1-1（a）表示 A 方式时 QPSK 信号矢量图，图 1-1 （b）表示 B 方式时 QPSK 信号的矢量图。 由于正弦和余弦的互补特性，对于载波相位的四种取值，在 A 方式中：45°、135°、 225°、315°，则数据 kI 、Qk 通过处理后输出的成形波形幅度有两种取值± 2 / 2 ；B 方 式中：0°、90°、180°、270°，则数据 kI 、Qk 通过处理后输出的成形波形幅度有三种取 值±1、0
表1-1双比特码元与载波相位关系载波相位双比特码元baA方式B方式00225°0°10315°90°1145°180°0135°270°1(0, 1)(1,0) 4(1,1)945°参考相位(1, 1) (0,0)参考相位0°A* (0, 1)(0, 0)(1,0)(b)(a)图1-1QPSK信号的量图下面以A方式的QPSK为例说明QPSK信号相位的合成方法。串/并变换器将输入的二进制序列依次分为两个并行数据，然后通过基带成形得到的双极性序列（从D/A转换器输出，幅度为土V2/2）。设两个双极性序列中的二进制数字分别为a和b，每一对ab称为一个双比特码元。双极性的a和b脉冲通过两个平衡调制器分别对同相载波及正交载波进行二相调制，得到图1-2中虚线量，将两路输出叠加，即得到OPSK调制信号，其相位编码关系如表1-2所示。en
3 表 1-1 双比特码元与载波相位关系 双比特码元 载波相位 a b A 方式 B 方式 0 1 1 0 0 0 1 1 225° 315° 45° 135° 0° 90° 180° 270° (0,1) (1,1) (0,0) (1,0) 45° (1,0) (1,1) (0,1) (0,0) 0° 参考相位 参考相位 (a) (b) 图 1-1 QPSK 信号的矢量图 下面以 A 方式的 QPSK 为例说明 QPSK 信号相位的合成方法。 串/并变换器将输入的二进制序列依次分为两个并行数据，然后通过基带成形得到的双 极性序列（从 D/A 转换器输出，幅度为± 2 / 2）。设两个双极性序列中的二进制数字分别为 a 和 b，每一对 ab 称为一个双比特码元。双极性的 a 和 b 脉冲通过两个平衡调制器分别对同 相载波及正交载波进行二相调制，得到图 1-2 中虚线矢量，将两路输出叠加，即得到 QPSK 调 制信号，其相位编码关系如表 1-2 所示
b(0)(-1,1)(1,1)a(1)a(0)(-1,-1)(1,-1)b(1)图1-2矢量图表 1-2QPSK信号相位编码逻辑关系-11-11a1b1-1-10°180°180°0°a路平衡调制器输出90°90°270°270°b路平衡调制器输出45°135°225°315°合成相位用调相法产生QPSK调制器框图如图1-3所示。(t电平产生IAcosot载波发生器QPSK信号二进制信息串并变换移相90°AsinotQ(t)电平产生图1-3OPSK调制器框图4
4 a(1) b(1) b(0) a(0) (-1,1) (-1,-1) (1,-1) (1,1) 图 1-2 矢量图 表 1-2 QPSK 信号相位编码逻辑关系 a 1 －1 －1 1 b 1 1 －1 －1 a 路平衡调制器输出 b 路平衡调制器输出 合成相位 0° 90° 45° 180° 90° 135° 180° 270° 225° 0° 270° 315° 用调相法产生 QPSK 调制器框图如图 1-3 所示。 串并变换 电平产生 电平产生 载波 发生器 移相90o 二进制信息 QPSK信号 I(t) Q(t) A t cosw A t sinw 图 1-3 QPSK 调制器框图
0101000.0I (t)+1000001Q(t)+100图1-4二进制码经串并变换后码型由图1-3可以看到，QPSK的调制器可以看作是由两个BPSK调制器构成，输入的串行二进制信息序列经过串行变换，变成两路速率减半的序列，电平发生器分别产生双极性的二电平信号I（t）和O（t），然后对Acosのt和Asinのt进行调制，相加后即可得到OPSK信号。经过串并变换后形成的两个支路如图1-4所示，一路为单数码元，另外一路为偶数码元，这两个支路互为正交，一个称为同相支路，即I支路：另外一路称为正交支路，即O支路。2、QPSK解调原理由于QPSK可以看作是两个正交2PSK信号的合成，故它可以采用与2PSK信号类似的解调方法进行解调，即由两个2PSK信号相干解调器构成，其原理框图如图1-5所示。积分判决A载波延时Ts/2发生器位定时OQPSK信号恢复中进制信息移相90°并串变换4积分判决图1-5QPSK解调原理框图
5 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 0 +1 -1 +1 -1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 I(t) Q(t) 图 1-4 二进制码经串并变换后码型 由图 1-3 可以看到，QPSK 的调制器可以看作是由两个 BPSK 调制器构成，输入的串行二 进制信息序列经过串行变换，变成两路速率减半的序列，电平发生器分别产生双极性的二电 平信号 I（t）和 Q（t），然后对 A t cosw 和 A t sinw 进行调制，相加后即可得到 QPSK 信号。 经过串并变换后形成的两个支路如图 1-4 所示，一路为单数码元，另外一路为偶数码元，这 两个支路互为正交，一个称为同相支路，即 I 支路；另外一路称为正交支路，即 Q 支路。 2、QPSK 解调原理 由于 QPSK 可以看作是两个正交 2PSK 信号的合成，故它可以采用与 2PSK 信号类似的解 调方法进行解调，即由两个 2PSK 信号相干解调器构成，其原理框图如图 1-5 所示。 并串变换 载波 发生器 移相90o 二进制信息 OQPSK信号 延时Ts/2 积分 判决 积分 判决 位定时 恢复 图 1-5 QPSK 解调原理框图
四、实验原理1、实验模块简介本实验需用到基带成形模块、IO调制解调模块、码元再生模块及PSK载波恢复模块。（1）基带成形模块：本模块主要功能：产生PN31伪随机序列作为信源：将基带信号进行串并转换；按调制要求进行基带成形，形成两路正交基带信号。（2）IQ调制解调模块：本模块主要功能：产生调制及解调用的正交载波：完成射频正交调制及小功率线性放大：完成射频信号正交解调。（3）码元再生模块：本模块主要功能：从解调出的IQ基带信号中恢复位同步，并进行抽样判决，然后并串转换后输出。（4）PSK载波恢复模块：本模块主要功能：与IQ调制解调模块上的解调电路连接起来组成一个完整的科斯塔斯环恢复PSK已调信号的载波，同时可用作一个独立的载波源。本实验只使用其载波源。2、实验框图及电路说明a、QPSK调制实验I-OUNOD/A转换器O乘法器（DAC0832)（MC1496)分频★NRZ-ILocosPN31NRZIN+波形选择EEPROM输出数L10.7M晶输出21.4M(AT2864)地址生成器字信1加法器串/并体滤波器载波BONRZ-Q转换（运放）QPSK信号10.7M晶O波形选择EEPROM源反相体滤波器地址生成器(AT2864)+FSIN二分额D/A转换器乘法器(MC1496)(DAC0832)o00基带成型IQ调制QQ-INQ-OUT图1-6QPSK调制实验框图QPSK调制的实验框图如图1-6所示，基带成形模块产生的PN码（由PN31端输出）输6
6 四、 实验原理 1、实验模块简介 本实验需用到基带成形模块、IQ 调制解调模块、码元再生模块及 PSK 载波恢复模块。 （1）基带成形模块： 本模块主要功能：产生 PN31 伪随机序列作为信源；将基带信号进行串并转换；按调制 要求进行基带成形，形成两路正交基带信号。 （2）IQ 调制解调模块： 本模块主要功能：产生调制及解调用的正交载波；完成射频正交调制及小功率线性放大； 完成射频信号正交解调。 （3）码元再生模块： 本模块主要功能：从解调出的 IQ 基带信号中恢复位同步，并进行抽样判决，然后并串转 换后输出。 （4）PSK 载波恢复模块： 本模块主要功能：与 IQ 调制解调模块上的解调电路连接起来组成一个完整的科斯塔斯环 恢复 PSK 已调信号的载波，同时可用作一个独立的载波源。本实验只使用其载波源。 2、实验框图及电路说明 a、QPSK 调制实验 PN31 NRZ IN 串/并 转换 波形选择 地址生成器 乘法器 （MC1496） 加法器 （运放） 波形选择 地址生成器 乘法器 （MC1496） 21.4M 载波 反相 二分频 D/A转换器 （DAC0832） EEPROM （AT2864） D/A转换器 （DAC0832） EEPROM （AT2864） 二分频 10.7M晶 体滤波器 10.7M晶 体滤波器 数 字 信 源 BS NRZ-I NRZ-Q Q-OUT I-OUT I-IN Q-IN 输出 I Q SIN COS 输出 QPSK信号 图 1-6 QPSK 调制实验框图 QPSK 调制的实验框图如图 1-6 所示，基带成形模块产生的 PN 码（由 PN31 端输出）输 基带成型 IQ 调制
入到串并转换电路中（由NRZIN端输入）进行串并转换，成为IQ两路基带信号，输出的IQ两路数字基带信号（观测点为NRZ-I，NRZ-Q），经波形预取电路判断，取出相应的模拟基带波形数据，经D/A转换后输出。IO两路模拟基带信号送入IO调制解调模块中的IO调制电路分别进行PSK调制，然后相加形成QPSK调制信号，经放大后输出。QPSK已调信号载波为10.7MHz，是由21.4MHz本振源经正交分频产生。b、QPSK解调实验I-OUTI-IN输入aOLY0抽样乘法器低通整形QPSK信号（MC1496）滤波判决二分额NRZTocos并/串晶体变换反相液滤波器位同步晶体恢复二分额滤波器FoSIN乘法器低通抽样整形滤波1o判决（MC1496)o0IQ解调码元再生Q-INOQ-OUT图1-7QPSK解调实验框图QPSK解调实验原理框图如图1-7所示，QPSK已调信号送入IQ调制解调模块中的IQ解调电路分别进行PSK相干解调，相干载波由调制端的本振源经正交分频产生。解调输出的IQ两路模拟基带信号送入码元再生模块进行抽样判决，转换为数字信元后再进行并串转换后输出。抽样判决前IQ信号需经整形变为二值信号，并且需恢复位同步信号。位同步信号恢复由码元再生模块中的数字锁相环完成。IQ解调电路的载波也可由PSK载波恢复模块上的本振源提供，此时解调变为非相干解调，从解调输出的模拟基带信号可以看出信号失真很大，无法进行码元再生。五、实验步骤1、在实验箱上正确安装基带成形模块（以下简称基带模块）、IQ调制解调模块（以下简称IQ模块）、码元再生模块（以下简称再生模块）和PSK载波恢复模块。2、QPSK调制实验
7 入到串并转换电路中（由 NRZ IN 端输入）进行串并转换，成为 IQ 两路基带信号，输出的 IQ 两路数字基带信号（观测点为 NRZ-I，NRZ-Q），经波形预取电路判断，取出相应的模拟基带 波形数据，经 D/A 转换后输出。IQ 两路模拟基带信号送入 IQ 调制解调模块中的 IQ 调制电路 分别进行 PSK 调制，然后相加形成 QPSK 调制信号，经放大后输出。QPSK 已调信号载波为 10.7MHz，是由 21.4MHz 本振源经正交分频产生。 b、QPSK 解调实验 乘法器 （MC1496） 乘法器 （MC1496） 反相 二分频 二分频 晶体 滤波器 晶体 滤波器 输入 输入 SIN COS 低通 滤波 低通 滤波 QPSK信号 整形 整形 抽样 判决 位同步 恢复 并/串 变换 抽样 判决 Q-OUT Q-IN I-OUT I-IN BS NRZ 载波 I Q 图 1-7 QPSK 解调实验框图 QPSK 解调实验原理框图如图 1-7 所示，QPSK 已调信号送入 IQ 调制解调模块中的 IQ 解 调电路分别进行 PSK 相干解调，相干载波由调制端的本振源经正交分频产生。解调输出的 IQ 两路模拟基带信号送入码元再生模块进行抽样判决，转换为数字信元后再进行并串转换后输 出。抽样判决前 IQ 信号需经整形变为二值信号，并且需恢复位同步信号。位同步信号恢复由 码元再生模块中的数字锁相环完成。 IQ 解调电路的载波也可由 PSK 载波恢复模块上的本振源提供，此时解调变为非相干解 调，从解调输出的模拟基带信号可以看出信号失真很大，无法进行码元再生。 五、 实验步骤 1、 在实验箱上正确安装基带成形模块（以下简称基带模块）、IQ 调制解调模块（以下简称 IQ 模块）、码元再生模块（以下简称再生模块）和 PSK 载波恢复模块。 2、 QPSK 调制实验。 IQ 解调 码元再生
a、关闭实验箱总电源，用台阶插座线完成如下连接：源端口目的端口连线说明基带模块：PN31基带模块：NRZIN提供PN31伪随机序列基带模块：I-OUTIQ模块：I-IN将串并变换后的I路信号进行调制基带模块：Q-OUTIQ模块：Q-IN将串并变换后的Q路信号进行调制*检查连线是否正确，检查无误后打开电源。b、按基带成形模块上“选择”键，选择QPSK模式（QPSK指示灯亮）。c、观测I路、Q路基带信号用示波器观察基带模块上“I-OUT”及“Q-OUT”测试点，并分别与“NRZIN”测试点的信号进行对比，观察串并转换情况。（注意由于串并转换的延迟作用，“I-OUT”“Q-OUT”测试点的数据相对“NRZIN”测试点延迟2个码元周期。）d、观测QPSK调制信号示波器探头接IQ调制“输出”端（观测点TP4），观察QPSK已调信号峰峰值，调电位器“W1”使峰峰值为1.2V左右。3、QPSK相干解调实验。a、关闭实验箱总电源，保持步骤2中的连线不变，用同轴视频线完成如下连接：目的端口源端口IQ模块（IQ调制单元）：输出（J2）IQ模块（IQ解调单元）：输入（J3）IQ模块(载波单元)：输入（J4)IQ模块(载波单元)：输出（J5)*检查连线是否正确，检查无误后打开电源。b、观测解调后I路和Q路信号波形示波器探头分别接IQ解调“I-OUT”及“Q-OUT”端，观察解调波形。调电位器“W1”使I、Q两路信号尽量接近两电平。（调“W1”可微调信号相位，使解调时正交载波的相位与已调信号尽量接近，以减少解调失真）。c、对比观测原始I路信号与解调后I路信号示波器探头分别接IQ解调“I-OUT”端及基带“I-OUT”端，注意观察两者是否一致。8
8 a、关闭实验箱总电源，用台阶插座线完成如下连接： 源端口 目的端口 连线说明 基带模块：PN31 基带模块：NRZ IN 提供 PN31 伪随机序列 基带模块：I-OUT IQ 模块：I-IN 将串并变换后的 I 路信号进行调制 基带模块：Q-OUT IQ 模块：Q-IN 将串并变换后的 Q 路信号进行调制 * 检查连线是否正确，检查无误后打开电源。 b、按基带成形模块上“选择”键，选择 QPSK 模式（QPSK 指示灯亮）。 c、观测 I 路、Q 路基带信号 用示波器观察基带模块上“I-OUT”及“Q-OUT”测试点，并分别与“NRZ IN”测试 点的信号进行对比，观察串并转换情况。（注意由于串并转换的延迟作用，“I-OUT”、 “Q-OUT”测试点的数据相对“NRZ IN”测试点延迟 2 个码元周期。） d、观测 QPSK 调制信号 示波器探头接 IQ 调制“输出”端（观测点 TP4），观察 QPSK 已调信号峰峰值，调电 位器“W1”使峰峰值为 1.2V 左右。 3、 QPSK 相干解调实验。 a、关闭实验箱总电源，保持步骤 2 中的连线不变，用同轴视频线完成如下连接： 源端口 目的端口 IQ 模块（IQ 调制单元）：输出（J2） IQ 模块（IQ 解调单元）：输入（J3） IQ 模块(载波单元)：输出（J5） IQ 模块(载波单元)：输入（J4） * 检查连线是否正确，检查无误后打开电源。 b、观测解调后 I 路和 Q 路信号波形 示波器探头分别接 IQ 解调“I-OUT”及“Q-OUT”端，观察解调波形。调电位器“W1” 使 I、Q 两路信号尽量接近两电平。（调“W1”可微调信号相位，使解调时正交载波 的相位与已调信号尽量接近，以减少解调失真）。 c、对比观测原始 I 路信号与解调后 I 路信号 示波器探头分别接 IQ 解调“I-OUT”端及基带“I-OUT”端，注意观察两者是否一致