第二章 调制与解调
实验一 MSK 调制解调实验
一、实验目的
1、掌握MSK 调制和解调的原理。 2、理解MSK 的优缺点。
二、实验内容
1、观察MSK 调制过程中各信号的波形。 2、观察MSK 解调过程中各信号的波形。
三、预备知识
1、MSK 调制和解调的基本原理。
2、MSK 调制和解调部分的工作原理及电路说明。
四、实验器材
1、移动通信原理实验箱 2、20M 双踪示波器
一台 一台
五、实验原理
1、MSK 调制原理
MSK 称为最小移频键控，是移频键控（FSK ）的一种改进型。这里“最小”指的是能以最小的调制指数（即0.5）获得正交信号，它能比PSK 传送更高的比特速率。
二进制MSK 信号的表达式可写为：
πa ⎛⎫
S MSK (t )=cos ωc t +k t +ϕk ⎪
⎝
2Ts
⎭
(k -1) Ts ≤t ≤kTs
ωc ——载波角频率；
Ts ——码元宽度；
a k ——第k 个码元中的信息，其取值为±1；
ϕk ——第k 个码元的相位常数，它在时间(k -1) Ts ≤t ≤kTs 中保持不变；
1 4Ts 1
当a k ＝－1时，信号的频率为：f 1＝f c －
4Ts 1
由此可得频率之差为：∆f ＝f 2－f 1＝
2Ts
当a k ＝＋1时，信号的频率为：f 2＝f c ＋那么MSK 信号波形如图2.1-1所示：
图2.1-1 MSK 信号波形
为了保持相位的连续，在t =kTs 时间内应有下式成立：
ϕk =ϕk -1＋（a k -1－a k ）(
即：当a k ＝a k -1时，ϕk =ϕk -1；
π
（k -1）2
)
当a k ≠a k -1时，ϕk =ϕk -1±（k -1）π；
若令ϕ0＝0，则ϕk ＝0或±π，此式说明本比特内的相位常数不仅与本比特区间的输入有关，还与前一个比特区间内的输入及相位常数有关。
πa ⎛⎫
S MSK (t )=cos ωc t +k t +ϕk ⎪
⎝
2Ts
⎭
=cos ϕk cos （
π
2Ts
t ）cos ωc t －a k cos ϕk sin （
π
2Ts
t ）sin ωc t
(k -1) Ts ≤t ≤kTs
令cos ϕk ＝I k ， －a k cos ϕk ＝Q k 则：S MSK (t )＝I k cos （
π
2Ts
t ）cos ωc t ＋Q k sin （
π
2Ts
t ）sin ωc t
(k -1) Ts ≤t ≤kTs
为了便于理解如图2.1-2所示：
k
a k d k
1
23
4
5
67
8
[***********][1**********]24
-1-1+1-1+1+1+1-1+1+1+1-1-1-1+1+1+1-1+1+1-1-1+1+1-1-1+1+1-1-1-1-1+1+1+1+1-1+1-1-1-1-1+1+1+1-1+1+1+1-10
ϕk
cos ϕk a k cos
ϕk
cos ϕk ππππ
0000
ππππππ
00000000
+1+1+1-1-1-1-1+1+1+1+1-1-1-1-1-1-1+1+1+1+1+1+1+1+1-1-1+1+1-1-1-1-1+1+1+1+1+1+1-1-1-1-1+1+1-1-1+1+1-1
a k cos ϕk 图2.1-2 码元变换及成形信号波形图
根据上面描述可构成一种MSK 调制器，其方框图如图2.1-3所示：
图2.1-3 MSK 调制原理框图
输入数据NRZ ，然后通过CPLD 电路实现差分编码及串/并转换，得到I k 、Q k 两路数据。波形选择地址生成器是根据接受到的数据（I k 或Q k ）输出波形选择的地址。EEPROM （各种
波形数据存储在其中）根据CPLD 输出的地址来输出相应的数据，然后通过D ／A 转换器得到我们需要的基带波形，最后通过乘法器调制，运放求和就得到了我们需要的MSK 调制信号。
MSK 基带波形只有两种波形组成，见图2.1-4所示：
图2.1-4 MSK 成形信号
在MSK 调制中，成形信号取出原理为：由于成形信号只有两种波形选择，因此当前数据取出的成形信号只与它的前一位数据有关。如果当前数据与前一位数据相同，输出的成形信号就相反（如果前一数据对应波形1，那么当前数据对应波形2）；如果当前数据与前一位数据相反，输出的成形信号就相同（如果前一数据对应波形1，那么当前数据仍对应波形1）。
2、MSK 解调原理
MSK 信号的解调与FSK 信号相似，可以采用相干解调，也可以采用非相干解调方式。本实验模块中采用一种相干解调的方式。
已知：S MSK (t )＝I k cos （
π
2Ts
t ）cos ωc t ＋Q k sin （
π
2Ts
t ）sin ωc t
把该信号进行正交解调可得到： I k 路 [I k cos （
=1
2
π
2Ts
t ）cos ωc t ＋Q k sin （
π
2Ts
t ）sin ωc t ]cos ωc t
I k cos （
π⎤1⎡⎤
）t ⎥+I k cos （2ω－）t ⎥ c ⎢2Ts 2Ts ⎦42Ts ⎦⎣⎣
1ππ⎡⎤1⎡⎤－Q k cos （+Q 2ω+）t cos （2ω-）t c c k ⎢⎥4⎢⎥ 42Ts 2Ts ⎣⎦⎣⎦π
+t ）
14
⎡I k cos （⎢2ωc +
π
Q k 路 [I k cos （
=1
2
π
2Ts
t ）cos ωc t ＋Q k sin （
π
2Ts
t ）sin ωc t ]sin ωc t
Q k sin （
π
2Ts
+t ）
1
4
ππ⎡⎤1⎡⎤
+ I k sin （I 2ω+）t sin （2ω－）t c c k ⎢⎥⎢⎥42Ts 2Ts ⎣⎦⎣⎦π⎡⎤1π⎡⎤+Q k sin （Q 2ω+）t sin （2ω-）t c c k ⎢⎥ ⎢⎥42Ts 2Ts ⎦⎣⎦⎣
、t ）
1
2
－
12
14
我们需要的是
I k cos （
π
2Ts
Q k sin （
π
2Ts
两路信号，所以必须将其它频率成份t ）
1
2
（2ωc +
π
2Ts
）、（2ωc -
π
2Ts
）通过低通滤波器滤除掉，然后对
I k cos （
π
2Ts
t ）、
1
采样即可还原成I k 、Q k 两路信号。 （t ）Q k sin
22Ts
根据上面描述可构成一种MSK 解调器，其方框图如图2.1-5所示：
图2.1-5 MSK 解调原理框图
将得到的MSK 调制信号正交解调，通过低通滤波器得到基带成形信号，并对由此得到的基带信号的波形进行电平比较得到数据，再将此数据经过CPLD 的数字处理，就可解调得到NRZ 码。
在实际系统中，相干载波是通过载波同步获取的，相干载波的频率和相位只有和调制端载波相同时，才能完成相干解调。由于载波同步不是本实验的研究内容，因此在本模块中的相干载波是直接从调制端引入，因此解调器中的载波与调制器中的载波同频同相。载波同步的实验可在本实验箱的CDMA 系统中实现。
六、实验步骤
1、MSK 调制实验
① 将“调制类型选择”拨码开关拨为10000000 、0001，则调制类型选择为MSK 调制。 说明1：为了能用示波器观察调制输出信号波形的相位关系，所以NRZ 的码速率采用与载波相当的速率，由于本系统的载波频率为12KHz ，所以做调制实验时选择NRZ 码速率为12Kb/s
② 分别观察差分编码后的“／NRZ ”处波形，并由此串并转换得到的“DI ”、“DQ ”两
路数据波形。
③ 分别观察“I 路成形”信号波形、“Q 路成形”信号波形、“I 路调制”同相调制信号
波形、“Q 路调制”正交调制信号波形、“调制输出”波形。
说明2：如果在步骤②、③中发现波形不正确，请按“调制复位”键后继续观察。 ④ 用示波器观察“I 路成形”信号、“Q 路成形”信号的X-Y 波形。
说明3：此波形即为MSK 调制的星座图。用示波器的双踪分别接“I 路成形”和“Q 路成形”，并选择示波器的“X-Y ”模式。 2、MSK 解调实验
① 将“调制类型选择”拨码开关拨为10000000、0100，“解调类型选择”拨码开关拨为
10000000、0100，则解调类型选择为MSK 解调。
说明4：为了能在解调端滤波时能得到与调制端成形信号一致的波形，须加大载波信号与NRZ 码速率之间的频率差值，所以NRZ 的码速率采用比载波频率小得多的码速率，由于本系统的载波频率为12KHz ，所以做解凋实验时选择NRZ 码速率为1.5Kb/s。 ② 分别观察“I 路解调”信号波形、“Q 路解调”信号波形、“I 路滤波”信号波形、“Q
路滤波”信号波形。 ③ 分别观察解调的“DI ”、“DQ ”两路数据波形，由此并/串转换得到的差分编码 “／
NRZ ”波形，并观察解调输出的波形。
④ 最后比较调制端“NRZ ”波形和解调端“NRZ ”波形，看解调是否正确。 说明5：如果发现解调输出波形不正确，请按下“解调复位”键后继续观察。
七、实验思考题
1、什么是最小移频键控？ 2、MSK 信号具有哪些特点？
八、实验报告要求
1、分析实验电路的工作原理，叙述其工作过程。
2、根据实验测试记录，在坐标纸上画出MSK 分别在调制和解调中的各测量点的波形图。 3、画出MSK 在调制和解调中的X-Y 波形图（即星座图）。 4、对实验思考题加以分析，并画出原理图。
实验二 QPSK 调制解调实验
一、实验目的
1、掌握QPSK 调制解调原理。 2、理解QPSK 的优缺点。
二、实验内容
1、观察QPSK 调制过程中各信号波形。 2、观察QPSK 解调过程中各信号波形。
三、预备知识
1、QPSK 调制解调的基本原理。
2、QPSK 调制解调部分的工作原理及电路说明。
四、实验器材
1、移动通信原理实验箱 2、20M 双踪示波器
一台 一台
五、实验原理
1、QPSK 调制原理
QPSK 又叫四相绝对相移调制，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，故每个四进制码元又被称为双比特码元。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2.3-1所示，矢量关系如图2.3-1所示。图（a ）表示A 方式时QPSK 信号矢量图，图（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 k 、Q k 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I k 、Q k 通过处理后输出的成形波形幅度有三种取值±1、0。
表2.3-1 双比特码元与载波相位关系
(0,1)
参考相位
(1,1)
(0,0)
参考相位
(a)
图2.3-1 QPSK 信号的矢量图
(b)
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2.3-2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2.3-2所示。
b(0)
a(1)a(0)
b(1)
图2.3-2 矢量图
表2.3-2 QPSK 信号相位编码逻辑关系
用调相法产生QPSK 调制原理框图如图2.3-3所示。
图2.3-3 QPSK 调制原理框图
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2.3-4所示。
图2.3-4 QPSK 解调原理框图
六、实验步骤
1、A 方式的QPSK 调制实验
① 将“调制类型选择”拨码开关拨为00010000、0001，则选择A 方式的QPSK 调制。 ② 分别观察NRZ 码经串并转换得到的“DI ”、“DQ ”两路数据波形。 ③ 分别观察“I 路成形”信号波形、“Q 路成形”信号波形、“I 路调制”同相调制信号
波形、“Q 路调制”正交调制信号波形、“调制输出”波形。 ④ 用示波器观察“I 路成形”信号、“Q 路成形”信号的X-Y 波形（即星座图）。
2、B 方式的QPSK 调制实验 ① 将“调制类型选择”拨码开关拨为00010001、0001，则调制类型选择为B 方式的QPSK
调制。
② 分别观察NRZ 码经串并转换得到的“DI ”、“DQ ”两路数据波形。 ③ 分别观察“I 路成形”信号波形、“Q 路成形”信号波形、“I 路调制”同相调制信号
波形、“Q 路调制”正交调制信号波形、“调制输出”波形，并同A 方式的QPSK 调制比较。
④ 用示波器观察“I 路成形”信号、“Q 路成形”信号的X-Y 波形（即星座图）。 说明1：如果在步骤②、③中发现波形不正确，请按“调制复位”键后继续观察。 3、A 方式的QPSK 解调实验
① 将“调制类型选择”拨码开关拨为00010000、0100，“解调类型选择”拨码开关拨为
00010000、0100，则解调类型选择为A 方式的QPSK 解调。 ② 分别观察“I 路解调”信号波形、“Q 路解调”信号波形、“I 路滤波”信号波形、“Q
路滤波”信号波形。 ③ 分别观察解调的“DI ”、“DQ ”两路数据波形，并观察解调输出“NRZ ”的波形。 4、B 方式的QPSK 解调实验
① 将“调制类型选择”拨码开关拨为00010001、0100，“解调类型选择”拨码开关拨为
00010001、0100，则解调类型选择为B 方式的QPSK 解调。 ② 分别观察“I 路解调”信号波形、“Q 路解调”信号波形、“I 路滤波”信号波形、“Q
路滤波”信号波形。 ③ 分别观察解调的“DI ”、“DQ ”两路数据波形，并观察解调输出“NRZ ”的波形。 说明2：如果发现解调输出波形不正确，请按下“解调复位”键后继续观察。
七、实验思考题
1、QPSK 还可以采用其它的调制方式吗？
2、观察QPSK 调制解调中的X －Y 波形（即星座图），并分析A 方式和B 方式的不同点？
八、实验报告要求
1、分析实验电路的工作原理，叙述其工作过程。
2、根据实验测试记录，在坐标纸上画出QPSK 分别在调制解调中的各测量点的波形图。 3、画出QPSK 在调制解调中的X －Y 波形图（即星座图）。 4、对实验思考题加以分析，并画出原理图。
实验三 接收机实验
一、实验目的
1、了解二次混频超外差调频接收机电路及特点。 2、了解接收机灵敏度和信噪比的概念。
3、了解单片无绳电话集成电路KB8528的接收机原理。
二、实验内容
1、用示波器或频谱仪测量接收机的本振信号和中频信号。
2、观察接收信号和本振信号随信道变化的规律，并用相应表格示出。
三、预备知识
1、FM 、PM 与AM 的相关知识。
2、二次混频超外差式调频接收机的原理。 3、无绳电话的工作原理。
4、关于混频、射频放大、鉴频，双工器、VCO 、PLL 等的基本工作原理。
四、实验器材
1、移动通信原理实验箱 2、CT1无绳电话（带手动选频功能） 3、双踪示波器 （60M 或以上，推荐使用数字示波器） 4、频谱分析仪 （选用）
一台 一部 一台 一台
五、实验原理
1、FM 、PM 与AM
FM 、PM 与AM 相比具有以下二个优点：
（1）移动信道是受多径效应影响的衰落信道，移动台收到的高频信号严重起伏，衰落深度可达10~30dB。由于FM 和PM 信号在振幅上不载有信息，接收机中可采用限幅器来消除衰落的影响而不影响载波频率和相位调制信息的接收。
（2）FM 和PM 发射高频信号幅度不变，发射功率恒定，接收信号强度中值恒定，有利于信号接收。因此，大多数模拟移动通信系统都采用FM 或PM 方式，其中以FM 最为普遍。
CT1无绳电话亦采用FM 方式，它的收发信机（TRX ：Transceiver 是Transmitter 及Receiver 的组合词）包括接收机（RX ：Receiver ）、发射机（TX ：Transmitter ）、双工器（DPX ：Duplexer ）及锁相频率合成器（锁相频合）四部分，在本实验中需了解其接收机电路的工作原理，测量相关的本振信号及中频信号，接收机灵敏度及大信号信噪比两个性能指标（选做）。
2、单片无绳电话集成电路KB8528的内部结构
图3.3-1 KB8528的内部结构图
3、二次混频超外差调频接收机
接收机有直接放大式及外差式两类。外差式接收机通过混频将接收频率降低为固定的中频，由于中放及中频滤波器能提供稳定的高增益和良好的选择性，使接收机具有优良性能，因而获得广泛应用。
外差接收机存在一种特殊的干扰——镜频干扰。为抑制镜频干扰必须提高中频频率，通
过高放及选频特性滤除镜象频率干扰信号。但在较高的中频上获得稳定的高增益、良好的选择性及进行解调是困难的。因此，提出二次混频超外差方案。第一中频采用高中频，例如10.7MHz 、21.4MHz 或更高，第二中频采用455KHz 等。较高的第一中频可保证镜频选择性，较低的第二中频提供稳定的高增益、良好的选择性及容易解调。
图3.3-2 二次混频超外差接收机方框图
4、单片无绳电话集成电路KB8528的接收电路框图
图3.3-3 KB8528的接收电路框图
单片无绳电话集成电路KB8528的接收机是一个典型的调频双变频接收机，它包括两个本振、两个变频器、限幅中频放大器、正交鉴频器、数据比较器、载波检测器和低电池检测器。下面简述一下它的工作过程：在天线上接收到的高频信号经过双工器（手机双工器或座机双工器）后进入射频放大（衰减）部分（有的情况下由于距离比较近，接收信号的功率较强，此时就不是射频放大，而是射频衰减，请同学们观察在此移动通信实验箱里是射频放大
还是衰减？）。然后在第一混频器中被转换为第一中频信号（一般为10.7MHz ），该信号被放大滤波后送至第二混频器，被转换为第二中频信号（一般为455KHz ）。第二中频信号在限幅中放中被放大到某一幅度，同时消除了调幅噪声。最后该信号送鉴频器解调为音频信号。
解调后的音频信号在发射端是经过压缩的，所以在这里需要送往扩展器进行扩展，在经过去加重电路消除高频噪声，从而恢复出原始的话音信号。
调频接收机有两种变频方式：单变频和双变频，在本移动通信实验箱中使用了双变频的方式，它的框图见图3.3-2。射频信号在第一混频器与第一本振信号差频，产生10.7M 的第一中频信号，该信号在第二混频器与第二本振信号差频产生第二中频信号（455K ），这样就很容易实现满意的镜像抑止。
4. 1第一混频器
图3.3-4 第一混频器框图
第一混频器为双平衡混频器，它可以有效地抑止本振频率和输入射频信号，在混频器输出端只出现输入射频信号与第一本振信号的和频与差频，这里对本振的抑止大于50dB 。第一混频器的输出阻抗为330欧，与外接的10.7M 陶瓷滤波器是匹配的。第一本振为一压控振荡器, 它位于锁相环电路与接收机之间。在多频道无绳电话中，第一本振包括变容二极管和缓冲输出，其振荡频率可高达190M ，缓冲输出电平由
400mV 到1V （峰峰值）。内部的变容二极管在1.0V ～2.0V 电压时的电容量为18.73pF 到15.86 pF。对于美国25频道，由于手机的接收频率为43～46M ，频带宽度为3M ，所以变容二极管的容量范围不能覆盖这样宽的频带。为了解决这个问题，在第一混频器中包括由开关选择的内部电容网络，内部电容的选择由微控制器送的串行数据控制。引入内部电容后，第一本振便可覆盖美国的25频道，并使接收机在所有频道上具有一致的灵敏度。在中国20频道中，无论是无绳电话手机还是座机的频带宽度都只有不到0.5M, 远远小于美国25信道的3M ，所以不用选择内部电容。
4. 2第二混频器
图3.3-5 第二混频器框图
第一混频器通过10.7M 陶瓷滤波器馈入第二混频器输入端。输入信号的频率是固定的，为10.7M 。第二本振的频率也是固定的，为10.245M ，所以第一中频信号与第二本振信号在第二混频器中产生的第二中频信号也是固定的455K 。第二本振为考毕兹型振荡器，振荡频率由石英晶体决定。该振荡频率同时提供给锁相环电路作基准频率使用。图3.3-6给出了电容三点式振荡的原理图及振荡频率的计算公式。
图3.3-6 电容三点式振荡器
第二混频器的输出阻抗为1.5K ，与通常使用的455KHz 陶瓷滤波器相匹配。其开路变频增益最大值为25dB 。第二混频器输出信号通过455K 陶瓷滤波器输入到限幅中频放大器。限幅中放包括七级中频放大器和限幅放大器。第二中频信号在这里被放大且被限幅，然后馈入正交鉴频器解调出音频信号。限幅中放的最大输出为0.14V 。由于限幅中放使得第二中频信号保持恒定，从而消除了在传输信道中渗入的噪声调幅分量。图3.3-7给出了限幅中放（LIMITER ）、鉴频器（DETECTOR ）、FSK 比较器（FSK COMPARATOR ）、载波检测器（CARRIER DETECTOR）的内部互联电路。
图3.3-7 限幅中放、鉴频器、载波检测器、FSK 比较器内部电路
5、接收机灵敏度与大信号信噪比（仅做原理介绍）
调频解调器输入信噪比(S/N)in 与解调后的输出信噪比(S/N)out 的关系为
(S /N ) out
=2m 2 G = f (m f +1)
(S /N ) in
用的FM 通信机，m f =∆f m /Fm =5KHz/3.4KHz=1.47代入式（3.3-1）得
G=10.6=10dB
(3.3-2)
由式（3.3-1）可见，(S/N)out 与(S/N)in 成线性关系。然而实际鉴频器特性在下述二个区域偏离以上线性关系，一是在(S/N)in 下降到某个门限值后，(S/N)out 急剧恶化，这就是所谓的鉴频器门限效应。二是在(S/N)in 很高时，由于鉴频器之前接收机电路的不理想，包括一、二本振信号存在寄生调频及相位噪声，使得鉴频器输入信号S in 存在寄生调频及相位噪声，故(S/N)out 不再随(S/N)in 的上升而改善，基本上保持常数。在实验室中测量调频接收机时，鉴频器的输入噪声是接收机输入噪声频率搬移及放大后得到的，为常数。所以，改变输入射频信号幅度C
，就改变了鉴频器(S/N)in 及(S/N)out ，并且有C/N=(S/N)in ，将此式及式（3.3-2）代入式（3.3-1）得
(S/N)out (dB)= C/N(dB)+G(dB) =C/N(dB)+10dB
5.1接收机灵敏度及大信号信噪比
灵敏度是衡量接收机对微弱信号接收能力的指标。 （1）定义
（3.3-1）
式中，G 为增益；m f =∆f m /Fm 为调制指数，等于调制频偏∆f m 与调制频率F m 之比。对于常
（3.3-3）
灵敏度是指射频信号为标准调制（调制信号频率F m =1KHz，调制频偏∆f m =3KHz）时，在接收机输出端得到规定的信纳比[(S+N+D)/(N+D)，式中S 为信号，D 为信号失真，N 为噪声]或信噪比[(S+N+D)/N]，接收机输入端所需最小射频信号电平，以μv 或dB μV （以1μV 为参考）为单位。
（2）测量方法
信纳比要用专门的信纳计来测量。信纳计内部有1KHz 陷波器，在陷波器前面测得总信号(S+N+D)，在后面测得(N+D)，两者之比为信纳比，直接刻度在信纳计表头上。高校一般没有这种仪器，故不便测信纳比灵敏度。然而，在一般情况下，信号失真D 及噪声N 比信号S 小，则近似有
S +N +D S
= N N
噪比测量仪，用普通模拟示波器测量信噪比的方法。
（3.3-4）
即信纳比近似等于信噪比，故可以用信噪比灵敏度代替信纳比灵敏度。下面给出代替专用信
解调输出音频信号为1KHz 正弦信号，则信号有效值S 与信号峰-峰值S p-p 的关系为
S =S p -p /22
系为N p-p =6σ=6N，故得
N=Np-p /6
由式（3.3-5）及（3.3-6）得
（3.3-5）
设输出噪声为正态分布的白噪声，则白噪声峰-峰值N p-p 与有效值σ（即式(3.3-4)中的N ）的关
（3.3-6）
S 3S p -p
=20log ⋅
N N 2p -p
（3.3-7）
式（3.3-7）信号峰-峰值S p-p 及噪声峰-峰值N p-p 都可用示波器测量得到，故S/N可求出。
5.2 接收机大信号信噪比 （1）定义
接收机大信号信噪比是射频输入信号足够强时，在接收机输出端测得的信噪比。 （2）测量方法
在射频输入信号足够大，例如，大于接收机12dB S/N灵敏度100倍时，用示波器测量接收机输出信噪比，从而测得接收机大信号信噪比。
六、实验步骤
1、在有频谱仪的条件下，测量无绳电话的接收信号。使无绳电话的手机与座机对讲。首先测量“座机”模式。将模式选择开关拨到“座机”模式，发射选择开关拨到“不发射”状态。此时将接收的是无绳电话手机发射的射频信号，即48MHz ～48.475MHz 。将频谱仪的中心频率（CENTER ）设置为48MHz ，扫描带宽（SPAN ）设置为1MHz ，测量接收信号“RX BS ”测试点的频谱，并记录中心频率。变换无绳电话的信道，记录下每一信道的频率。将模式选择开关拨到“手机”模式用同样的方法测量“手机”模式下的各个信道，并记录下来，比较相互之间的异同。（此时的测试点为“RX HS ”）
2、若没有频谱仪，也可用示波器观察接收信号，但须将“音量调节”逆时针旋到底，将移动通信实验箱的天线和无绳电话的天线靠紧。使无绳电话的手机与座机对讲。将模式选择开关拨到“座机”模式，发射选择开关拨到“不发射”状态。此时将接收的是无绳电话手机发射的射频信号，即48MHz ～48.475MHz ，按下“复位”键，此时接收到的信号将是01信道的信号。用示波器观测“RX BS ”测试点，并测量其频率，并作记录（采用数字示波器测量其频率，由于信号频率较大，接收的信号功率较弱，从而避免相互干扰，所以相对于采用频谱仪测量的有一定误差，学生对比分析后记录）。改变通话信道（详细操作见无绳电话实验部分实验一），将测得的频率与信道号一一对应，整理出表格来。用同样的方法测量“手机”模式下的各个信道的值（此时的测试点为“RX HS ”）。
3、将示波器设置为交流档，分别测量“第一本振”、“第一中频”、“第二本振”、“第二中频”。首先从“座机”模式下的1信道开始，逐一观测上述四个测试点，注意第一本振信号是根据信道的变化而变化的，而“第一中频”、“第二本振”、“第二中频”均是固定频率，“第一中频”和“第二中频”在有接收信号时才会产生，而且无论在哪个信道进行通话，它们始终是固定的。观察完“座机”模式下的20个信道后，用同样的方法观测“手机”模式下的20个信道。
4、在有频谱仪的条件下，用其观测第一本振信号的变化是最直观的。首先测量“座机”模式，将频谱仪的中心频率（CENTER ）设置为37.3MHz （请思考：这里为什么是37.3M ），扫描带宽（SPAN ）设置为1MHz ，随着信道的加和减，第一本振信号的频谱则左右跳变，请仔细观察它的跳变规律与信道变化的关系。用同样的方法观察“手机”模式下的各个信道。
七、实验思考题
1、超外差式接收的原理是什么？画出它的工作原理框图。
2、如果使用其它方法实现无绳电话系统射频信号的接收，该如何实现？需要用到哪些关键器件？
3、单片无绳电话集成电路KB8528接收机的工作原理是什么？请解释图3.3-3中每一部分的作用。
4、接收机灵敏度的含义是什么？
八、实验报告要求
1、根据无绳电话通话信道的变化和实际测量的结果，总结出手机和座机发射信号随信道变化的规律，并用相应表格示出。
2、观察第一本振信号在座机和手机模式下每一个信道的变化规律，并用相应的表格示出。 1、 记录下在“座机”和“手机”模式下每一个信道的第二本振和第二中频的变化情况。
实验四 无绳电话移动通信系统实验
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、了解移动通信原理实验箱无绳电话部分的功能及框架。
二、实验内容
1、用两台移动通信原理实验箱进行单工和双工通信，观察通话效果和干扰情况。 2、观察不同信道通信时的通话效果，并观察干扰情况。
三、预备知识
1、本移动通信原理实验箱的基本构成及使用方法。 2、同频干扰，邻道干扰，互调干扰的基本概念。
四、实验器材
1、移动通信原理实验箱 2、CT1无绳电话（带手动选频功能） 3、电话单机 4、双踪示波器（60M 或以上，推荐使用数字示波器） 5、频谱仪（选用）
一台 一部 一部 一台 一台
五、实验原理
1、移动通信系统
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。 在无线通信环境的电波覆盖区内，如何建立用户之间的无线信道的连接，是多址接入方式内问题。因为无线通信具有大面积无线电波覆盖和广播信道的特点，网内一个用户发射的信号其他用户均可接收，所以网内用户如何能从播发的信号中识别出发送给本用户地址的信
号就成为建立连接的首要问题。
多址接入方式的数学基础是信号的正交分割原理。无线电信号可以表达为时间、频率和码型的函数，即可写作：
s(c,f,t)=c(t)s(f,t)
其中c(t)是码型函数，s(f,t)为时间(t)和频率(f)的函数。
当以传输信号的载波频率的不同划分来建立多址接入时，称为频分多址方式(FDMA)；当以传输信号存在的时间不同划分来建立多址接入时，称为时分多址方式(TDMA)；当以传输信号的码型不同划分来建立多址接入时，称为码分多址方式(CDMA)。图3.7-1 分别给出了FDMA 、TDMA 和CDMA 的示意图。
3.7-1 三种多址方式示意图
蜂窝结构的通信系统特点是通信资源的重用。频分多址系统是频率资源的重用；时分多址系统是时隙资源的多用；码分多址系统是码型资源的重用。频分多址系统是以频道来分离用户地址的，所以它是频道受限和干扰受限的系统；时分多址系统是以时隙来分离的，所以它是时隙受限和干扰受限的系统，但一般说来，它只是干扰受限的系统。
下面将分别介绍FDMA 、TDMA 和CDMA 。 1.1 频分多址（FDMA ）
在频分多址系统中，把可使用的总频段划分为若干占用较小带宽的频道，这些频道在频域上互不重叠，每个频道就是一个通信信道，分配给一个用户。在接收设备中使用带通滤波器允许指定频道里的能量通过，但滤除其它频率的信号，从而限制临近信道之间的相互干扰。FDMA 通信系统的基站必须同时发射和接收多个不同频率的信号；任意两个移动用户之间进
行通信都必须经过基站的中转，因而必须占用4个频道才能实现双工通信。不过，移动台在通信时所占用的频道并不是固定指配的，它通常是在通信建立阶段由系统控制中心临时分配的，通信结束后，移动台将退出它占用的频道，这些频道又可以重新分配给别的用户使用。
这种方式的特点是技术成熟，易于与模拟系统兼容，对信号功率控制要求不严格。但是在系统设计中需要周密的频率规划，基站需要多部不同载波频率发射机同时工作，设备多且容易产生信道间的互调干扰。
1.2时分多址（TDMA ）
在时分多址系统中，把时间分成周期性的帧，每一帧再分割成若干时隙（无论帧或时隙都是互不重叠的），每一个时隙就是一个通信信道，分配给一个用户。然后根据一定的时隙分配原则，使各个移动台在每帧内只能按指定的时隙向基站发射信号，满足定时和同步的条件下，基站可以在各时隙中接收到各移动台的信号而互不干扰。同时，基站发向各个移动台的信号都按顺序安排在预定的时隙中传输，各移动台只要在指定的时隙内接收，就能在合路的信号中把发给它的信号区分出来。
FDMA 通信系统比较，TDMA 通信系统的特点如下：
①TDMA 系统的基站只需要一部发射机，可以避免像FDMA 系统那样因多部不同频率的发射机同时工作而产生的互调干扰；
②频率规划简单。TDMA 系统不存在频率分配问题，对时隙的管理和分配通常要比对频率的管理与分配容易而经济，便于动态分配信道；如果采用话音检查技术，实现有话音时分配时隙，无话音时不分配时隙，有利于提高系统容量；
③因为移动台只在指定的时隙中接收基站发给它的信号，因而在一帧的其他时隙中，可以测量其他基站发射的信号强度，或检测网络系统发射的广播信息和控制信息，这对于加强通信网络的控制功能和保证移动台的越区切换都是有利的；
④TDMA 系统设备必须有精确的定时和同步，保证各移动台发送的信号不会在基站发生重叠或混淆，并且能准确地在指定的时隙中接收基站发给它的信号。同步技术是TDMA 系统正常工作的重要保证，往往也是比较复杂的技术难题。
1.3码分多址(CDMA)
在CDMA 通信系统中，不同用户传输信息所用的信号不是靠频率不同或时隙不同来区分，而是用各自不同的编码序列来区分，或者说，靠信号的不同波形来区分。如果从频域或时域来观察，多个CDMA 信号是互相重叠的。接收机的相关器可以在多个CDMA 信号选出使用的预定码型的信号。其它使用不同码型的信号因为和接收机本地产生的码型不同而不能被解调。它们的存在类似于在信道中引入了噪声或干扰，通常称之为多址干扰。
在CDMA 蜂窝通信系统中，用户之间的信息传输也是由基站进行转发和控制的。为了实现双工通信，正向传输和反向传输各使用一个频率，即通常所谓的频分双工。无论正向传输或反向传输，除去传输业务信息外，还必须传送相应的控制信息。为了传送不同的信息，需要设置相应的信道。但是，CDMA 通信系统既不分频道又不分时隙，无论传送何种信息的信道都靠采用不同的码型来区分。类似的信道属于逻辑信道。这些逻辑信道无论从频域或者
时域来看都市相互重叠的，或者说它们均占用相同的频段和时间。
CDMA 蜂窝移动通信系统与FDMA 模拟蜂窝通信系统或TDMA 数字蜂窝移动通信系统相比具有更大的系统容量、更高的话音质量以及抗干扰、保密等优点，因而近年来得到各个国家的普遍重视和关注，并作为第三代数字蜂窝移动通信系统的首选方案。
1.4移动通信系统
图3.7-2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）。
为了能够说明移动通信系统的组成及原理，在本实验箱中采用的是如图3.7-3的方式，其工作原理与上图没有本质区别。需要说明的是在本实验箱中EX 即程控交换机是已在实验箱中实现，无需另配程控交换机。
图3.7-3 简化的移动通信系统方框图
图3.7-2 移动通信系统方框图
2、无绳电话的工作原理
无绳电话是模拟话音调频移动通信系统，有单信道系统和多信道系统两类。早期的单信道系统固定工作于某一信道，没采用微处理器及锁相频率合成技术，很容易发生相邻无绳电话之间串扰或盗打。多信道系统采用微处理器及锁相频率合成技术，共用20个信道，自动选取空闲信道通话，无线信令为数字信令，其中包含16位以上识别码（ID 码），各无绳电话各不相同，只有ID 码相同的座机与手机才能建立无线信道。以上两项技术可有效消除单信道系统的串扰及盗打问题。目前，单信道无绳电话已退出市场，10信道无绳电话已不再生产，20信道多功能无绳电话成为市场主流产品。
在覆盖范围外频率可再用，有效增大了用户容量，这与蜂窝网的频率再用原理相同。移动通信系统常用的多信道共用、空闲信道选取方式有以下四种：①专用控制信道方式（专用呼叫信道方式）；②循环定位方式；③循环不定位方式；④循环分散定位方式。无绳电话的多信道是一个小区（所研究的无绳电话发射信号覆盖范围所自然形成的小区域）内所有无绳电话共用。然而，与其它移动通信系统不同，CT1无绳电话小区内无统一的基站，采用循环定位方式及循环分散定位方式时，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，不能采用。实际能采用的只有上述①、③两种方式。专用控制信道方式虽然呼叫接续可靠性（不受干扰）不及循环不定位方式，但由于它接续速度快，所以在无绳电话系统中应用更多一些。
专用控制信道方式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控制信道上，座机还时分扫描其它19个信道，检测并记录其中的空闲信道。当手机主呼或被呼时，座机通过控制信道给手机指定一个空闲信道，然后座机和手机由控制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信道（又称为通话信道），直至挂机返回控制信道守候。
图3.7-4 多信道共用无绳电话系统
3、移动通信中的干扰 3.1、同频道干扰
设接收机工作频率为f 0，B 为接收机带宽，则所有处于频率范围f 0±B/2内的输入射频信号都会对有用输入信号产生同频道干扰。
同频道干扰包括两种情况：
（1）小区制蜂窝网，在相隔一定距离后可同频率再用，因而可极大的提高频率利用率。在系统频道数不变时，极大提高系统容量，并且可以通过小区分裂进一步扩容。但是同频率再用会带来同频道干扰。
（2）任何处于接收机通带内的其它干扰信号都能产生同频道干扰。为减小同频道干扰的影响，保证接收信号的质量，必须使接收机输入有用信号电平与同频道干扰电平之比——信干比S/I大于某值，该信干比数值称为门限信干比(S/I)S 或射频防护比。
同频道干扰影响与调制制度有关。对于要求中等话音质量（3级），在有用信号及无用信号均为调频电话（F3E ）时，射频防护比为8dB 。
接收话音的主观评定五级标准如下：
5级（优）：话音完全可懂，噪声完全可以忽略。 4级（良）：话音很易听懂，略有噪声。
3级（中）：话音可懂，需稍加注意，个别需重复，以便听清。 2级（差）：话音听起来相当吃力，经常需重复才能听懂。 1级（劣）：话音无法听懂。
统计表明：90%用户认为≥3级的话音，对应C/N≥12dB ；90%用户认为≥4级的话音，对应C/N≥18dB ；3级话音对应于(S/N)out =12+10=22dB；4级话音对应于(S/N)out =10+10=28dB。
3.2、邻道干扰
邻道干扰是相邻或邻近信道的信号相互干扰。目前常用的VHF 、UHF 调频电台及CT1无绳电话，频道间隔是25KHz 。然而，调频信号的频谱是很宽的，理论上，调频信号含有无穷多个边频分量，当其中某些幅度较大的边频分量落入邻道接收机通道内，就造成邻道干扰，使接收机输出信噪比恶化。
减小邻道干扰，即减小落入邻道的边频分量，主要措施是防止发射机的瞬时频偏超过最大允许值。为此，在调制信号送入VCO 前加入一瞬时频偏控制电路（IDC ），它由放大、限幅和滤波三部分组成，它限制了调制信号的最大幅度，从而限制了最大调制频偏。
对数字调制信号而言，其频谱与模拟调频一样也是很宽的。虽然其大部分能量落在规定频带内，但总有一部分能量落在邻频道。因此，无论是模拟调制还是数字调制，同一小区内尽量避免采用相邻频道。
3.3、互调干扰
互调干扰是二个或多个不同频率干扰信号在经过传输通道的非线性电路时，会产生许多谐波和组合频率分量，其中与有用信号频率f 0相同的或相近的组合频率分量会顺利通过接收机通带而形成干扰。
设ωA 、ωB 为二个干扰信号频率，ωC 为有用信号频率，它们处于同一频段内。分析表明，非线性电路的三阶非线性所产生的落在同一频段内的三阶组合频率分量为（2ωA -ωB ）及（2ωB -ωA ），它们与落在同一频段内的五阶、七阶等组合频率分量相比幅度最大，最容易对有用信号ωC 形成干扰，称为三阶互调干扰。
三阶互调干扰的条件是
2ωA -ωB =ωC ，即ωA -ωB =ωC -ωA =±∆ω
或
2ωB -ωA =ωC ，即ωB -ωA =ωC -ωB =±∆ω
（3.7-1） （3.7-2）
其频率关系如图3.7-5所示，由图可见，等频率间隔的信号，可形成三阶互调干扰。
图3.7-5 三阶互调干扰频率关系
五阶互调干扰的条件是
3ωA -2ωB =ωC ，即ωC -ωA =2(ωA -ωB )=±2∆ω
或
3ωB -2ωA =ωC ，即ωC -ωB =2(ωB -ωA )=±2∆ω
（3.7-4）
其频率关系如图3.7-6所示。必须强调一下，由于非线性电路的五阶及更高阶的非线性项系数比三阶的小得多，所以五阶及更高阶互调干扰信号幅度比三阶的小得多，故在实际组网时一
（3.7-3）
图3.7-6 五阶互调干扰频率关系
4、系统实验连接框图
4.1、两台实验箱之间双工通信
4.2、与有线电话组成系统实验
图3.7-7 系统实验连接框图
六、实验步骤
1、将一台实验箱（称为实验箱1）的模式选择设置为“座机”模式，按下复位键，从01信道开始，发射选择设置为“不发射”，调制信号选择“音乐”。将另外一台实验箱（实验箱2）的模式选择设置为“手机”模式，按下复位键，从01信道开始，发射选择设置为“不发射”，调制信号选择“无”，这时打开实验箱1的发射选择开关，即拨成“发射”，在实验箱2中监听实验箱1在01信道发出的音乐。按下实验箱2的“频率加”，即将信道切换到02信道，此时还能听见音乐吗？想想为什么？将实验箱1切换到02信道，此时监听效果如何？用同样的方法，改变双方的通话信道，当信道一致和不一致时，仔细观测通话效果。
2、将实验箱1的模式选择设置为“手机”模式，按下复位键，从01信道开始，发射选择设置为“不发射”，调制信号选择“音乐”；实验箱2的模式选择设置为“座机”模式，按下复位键，从01信道开始，发射选择设置为“不发射”，调制信号选择“无”，用同实验步骤1的方法做此实验。
3、将实验箱1和实验箱2实现双工通信，即打开双方的发射选择开关和调制信号选择开关，观测通话效果。
4、将实验箱所配无绳电话和一部电话单机插入A101和A102两个水晶头插座。用电话单机拨打无绳电话（注意双方的号码），此时无绳电话的手机和座机均振铃，将手机摘机，此时可以观察到通话信道。将实验箱的模式选择设置为“手机”模式，发射选择设置为“不发射”，调制信号选择“无”。此时实验箱作为一个移动台使用，对着电话单机讲话，聆听通话的效果（实验箱喇叭和无绳电话手机）。在此通话信道的基础上，在上下间隔一个信道的范围内聆听通话效果（如通话信道为10，则在09和11信道聆听通信的效果，即手机的接收效果和实验箱扬声器的接收效果）。改变通话信道，重新跟踪，观测效果。将实验箱发射选择设置为“发射”，调制信号选择“音乐”，观测双工通信的效果，并思考为什么。
七、实验思考题
1、移动通信原理实验箱中的无绳电话部分是如何构成系统的？画出它的连接示意框图。 2、根据实验原理中介绍的干扰部分，思考实验箱中出现了干扰吗？如果有则其是什么类型的干扰，采用什么方法可以消除？
3、实验步骤四中无绳电话手机、座机，电话单机、实验箱之间是什么样的通信方式，画出示意图。
八、实验报告要求
1、画出移动通信实验箱无绳电话部分的结构方框图。
2、分析实验思考题并做答。
3、根据实际的实验结果分析实验箱中整个通信系统的构成，并画出相应的示意图。
第二章 调制与解调
实验一 MSK 调制解调实验
一、实验目的
1、掌握MSK 调制和解调的原理。 2、理解MSK 的优缺点。
二、实验内容
1、观察MSK 调制过程中各信号的波形。 2、观察MSK 解调过程中各信号的波形。
三、预备知识
1、MSK 调制和解调的基本原理。
2、MSK 调制和解调部分的工作原理及电路说明。
四、实验器材
1、移动通信原理实验箱 2、20M 双踪示波器
一台 一台
五、实验原理
1、MSK 调制原理
MSK 称为最小移频键控，是移频键控（FSK ）的一种改进型。这里“最小”指的是能以最小的调制指数（即0.5）获得正交信号，它能比PSK 传送更高的比特速率。
二进制MSK 信号的表达式可写为：
πa ⎛⎫
S MSK (t )=cos ωc t +k t +ϕk ⎪
⎝
2Ts
⎭
(k -1) Ts ≤t ≤kTs
ωc ——载波角频率；
Ts ——码元宽度；
a k ——第k 个码元中的信息，其取值为±1；
ϕk ——第k 个码元的相位常数，它在时间(k -1) Ts ≤t ≤kTs 中保持不变；
1 4Ts 1
当a k ＝－1时，信号的频率为：f 1＝f c －
4Ts 1
由此可得频率之差为：∆f ＝f 2－f 1＝
2Ts
当a k ＝＋1时，信号的频率为：f 2＝f c ＋那么MSK 信号波形如图2.1-1所示：
图2.1-1 MSK 信号波形
为了保持相位的连续，在t =kTs 时间内应有下式成立：
ϕk =ϕk -1＋（a k -1－a k ）(
即：当a k ＝a k -1时，ϕk =ϕk -1；
π
（k -1）2
)
当a k ≠a k -1时，ϕk =ϕk -1±（k -1）π；
若令ϕ0＝0，则ϕk ＝0或±π，此式说明本比特内的相位常数不仅与本比特区间的输入有关，还与前一个比特区间内的输入及相位常数有关。
πa ⎛⎫
S MSK (t )=cos ωc t +k t +ϕk ⎪
⎝
2Ts
⎭
=cos ϕk cos （
π
2Ts
t ）cos ωc t －a k cos ϕk sin （
π
2Ts
t ）sin ωc t
(k -1) Ts ≤t ≤kTs
令cos ϕk ＝I k ， －a k cos ϕk ＝Q k 则：S MSK (t )＝I k cos （
π
2Ts
t ）cos ωc t ＋Q k sin （
π
2Ts
t ）sin ωc t
(k -1) Ts ≤t ≤kTs
为了便于理解如图2.1-2所示：
k
a k d k
1
23
4
5
67
8
[***********][1**********]24
-1-1+1-1+1+1+1-1+1+1+1-1-1-1+1+1+1-1+1+1-1-1+1+1-1-1+1+1-1-1-1-1+1+1+1+1-1+1-1-1-1-1+1+1+1-1+1+1+1-10
ϕk
cos ϕk a k cos
ϕk
cos ϕk ππππ
0000
ππππππ
00000000
+1+1+1-1-1-1-1+1+1+1+1-1-1-1-1-1-1+1+1+1+1+1+1+1+1-1-1+1+1-1-1-1-1+1+1+1+1+1+1-1-1-1-1+1+1-1-1+1+1-1
a k cos ϕk 图2.1-2 码元变换及成形信号波形图
根据上面描述可构成一种MSK 调制器，其方框图如图2.1-3所示：
图2.1-3 MSK 调制原理框图
输入数据NRZ ，然后通过CPLD 电路实现差分编码及串/并转换，得到I k 、Q k 两路数据。波形选择地址生成器是根据接受到的数据（I k 或Q k ）输出波形选择的地址。EEPROM （各种
波形数据存储在其中）根据CPLD 输出的地址来输出相应的数据，然后通过D ／A 转换器得到我们需要的基带波形，最后通过乘法器调制，运放求和就得到了我们需要的MSK 调制信号。
MSK 基带波形只有两种波形组成，见图2.1-4所示：
图2.1-4 MSK 成形信号
在MSK 调制中，成形信号取出原理为：由于成形信号只有两种波形选择，因此当前数据取出的成形信号只与它的前一位数据有关。如果当前数据与前一位数据相同，输出的成形信号就相反（如果前一数据对应波形1，那么当前数据对应波形2）；如果当前数据与前一位数据相反，输出的成形信号就相同（如果前一数据对应波形1，那么当前数据仍对应波形1）。
2、MSK 解调原理
MSK 信号的解调与FSK 信号相似，可以采用相干解调，也可以采用非相干解调方式。本实验模块中采用一种相干解调的方式。
已知：S MSK (t )＝I k cos （
π
2Ts
t ）cos ωc t ＋Q k sin （
π
2Ts
t ）sin ωc t
把该信号进行正交解调可得到： I k 路 [I k cos （
=1
2
π
2Ts
t ）cos ωc t ＋Q k sin （
π
2Ts
t ）sin ωc t ]cos ωc t
I k cos （
π⎤1⎡⎤
）t ⎥+I k cos （2ω－）t ⎥ c ⎢2Ts 2Ts ⎦42Ts ⎦⎣⎣
1ππ⎡⎤1⎡⎤－Q k cos （+Q 2ω+）t cos （2ω-）t c c k ⎢⎥4⎢⎥ 42Ts 2Ts ⎣⎦⎣⎦π
+t ）
14
⎡I k cos （⎢2ωc +
π
Q k 路 [I k cos （
=1
2
π
2Ts
t ）cos ωc t ＋Q k sin （
π
2Ts
t ）sin ωc t ]sin ωc t
Q k sin （
π
2Ts
+t ）
1
4
ππ⎡⎤1⎡⎤
+ I k sin （I 2ω+）t sin （2ω－）t c c k ⎢⎥⎢⎥42Ts 2Ts ⎣⎦⎣⎦π⎡⎤1π⎡⎤+Q k sin （Q 2ω+）t sin （2ω-）t c c k ⎢⎥ ⎢⎥42Ts 2Ts ⎦⎣⎦⎣
、t ）
1
2
－
12
14
我们需要的是
I k cos （
π
2Ts
Q k sin （
π
2Ts
两路信号，所以必须将其它频率成份t ）
1
2
（2ωc +
π
2Ts
）、（2ωc -
π
2Ts
）通过低通滤波器滤除掉，然后对
I k cos （
π
2Ts
t ）、
1
采样即可还原成I k 、Q k 两路信号。 （t ）Q k sin
22Ts
根据上面描述可构成一种MSK 解调器，其方框图如图2.1-5所示：
图2.1-5 MSK 解调原理框图
将得到的MSK 调制信号正交解调，通过低通滤波器得到基带成形信号，并对由此得到的基带信号的波形进行电平比较得到数据，再将此数据经过CPLD 的数字处理，就可解调得到NRZ 码。
在实际系统中，相干载波是通过载波同步获取的，相干载波的频率和相位只有和调制端载波相同时，才能完成相干解调。由于载波同步不是本实验的研究内容，因此在本模块中的相干载波是直接从调制端引入，因此解调器中的载波与调制器中的载波同频同相。载波同步的实验可在本实验箱的CDMA 系统中实现。
六、实验步骤
1、MSK 调制实验
① 将“调制类型选择”拨码开关拨为10000000 、0001，则调制类型选择为MSK 调制。 说明1：为了能用示波器观察调制输出信号波形的相位关系，所以NRZ 的码速率采用与载波相当的速率，由于本系统的载波频率为12KHz ，所以做调制实验时选择NRZ 码速率为12Kb/s
② 分别观察差分编码后的“／NRZ ”处波形，并由此串并转换得到的“DI ”、“DQ ”两
路数据波形。
③ 分别观察“I 路成形”信号波形、“Q 路成形”信号波形、“I 路调制”同相调制信号
波形、“Q 路调制”正交调制信号波形、“调制输出”波形。
说明2：如果在步骤②、③中发现波形不正确，请按“调制复位”键后继续观察。 ④ 用示波器观察“I 路成形”信号、“Q 路成形”信号的X-Y 波形。
说明3：此波形即为MSK 调制的星座图。用示波器的双踪分别接“I 路成形”和“Q 路成形”，并选择示波器的“X-Y ”模式。 2、MSK 解调实验
① 将“调制类型选择”拨码开关拨为10000000、0100，“解调类型选择”拨码开关拨为
10000000、0100，则解调类型选择为MSK 解调。
说明4：为了能在解调端滤波时能得到与调制端成形信号一致的波形，须加大载波信号与NRZ 码速率之间的频率差值，所以NRZ 的码速率采用比载波频率小得多的码速率，由于本系统的载波频率为12KHz ，所以做解凋实验时选择NRZ 码速率为1.5Kb/s。 ② 分别观察“I 路解调”信号波形、“Q 路解调”信号波形、“I 路滤波”信号波形、“Q
路滤波”信号波形。 ③ 分别观察解调的“DI ”、“DQ ”两路数据波形，由此并/串转换得到的差分编码 “／
NRZ ”波形，并观察解调输出的波形。
④ 最后比较调制端“NRZ ”波形和解调端“NRZ ”波形，看解调是否正确。 说明5：如果发现解调输出波形不正确，请按下“解调复位”键后继续观察。
七、实验思考题
1、什么是最小移频键控？ 2、MSK 信号具有哪些特点？
八、实验报告要求
1、分析实验电路的工作原理，叙述其工作过程。
2、根据实验测试记录，在坐标纸上画出MSK 分别在调制和解调中的各测量点的波形图。 3、画出MSK 在调制和解调中的X-Y 波形图（即星座图）。 4、对实验思考题加以分析，并画出原理图。
实验二 QPSK 调制解调实验
一、实验目的
1、掌握QPSK 调制解调原理。 2、理解QPSK 的优缺点。
二、实验内容
1、观察QPSK 调制过程中各信号波形。 2、观察QPSK 解调过程中各信号波形。
三、预备知识
1、QPSK 调制解调的基本原理。
2、QPSK 调制解调部分的工作原理及电路说明。
四、实验器材
1、移动通信原理实验箱 2、20M 双踪示波器
一台 一台
五、实验原理
1、QPSK 调制原理
QPSK 又叫四相绝对相移调制，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，故每个四进制码元又被称为双比特码元。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2.3-1所示，矢量关系如图2.3-1所示。图（a ）表示A 方式时QPSK 信号矢量图，图（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 k 、Q k 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I k 、Q k 通过处理后输出的成形波形幅度有三种取值±1、0。
表2.3-1 双比特码元与载波相位关系
(0,1)
参考相位
(1,1)
(0,0)
参考相位
(a)
图2.3-1 QPSK 信号的矢量图
(b)
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2.3-2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2.3-2所示。
b(0)
a(1)a(0)
b(1)
图2.3-2 矢量图
表2.3-2 QPSK 信号相位编码逻辑关系
用调相法产生QPSK 调制原理框图如图2.3-3所示。
图2.3-3 QPSK 调制原理框图
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2.3-4所示。
图2.3-4 QPSK 解调原理框图
六、实验步骤
1、A 方式的QPSK 调制实验
① 将“调制类型选择”拨码开关拨为00010000、0001，则选择A 方式的QPSK 调制。 ② 分别观察NRZ 码经串并转换得到的“DI ”、“DQ ”两路数据波形。 ③ 分别观察“I 路成形”信号波形、“Q 路成形”信号波形、“I 路调制”同相调制信号
波形、“Q 路调制”正交调制信号波形、“调制输出”波形。 ④ 用示波器观察“I 路成形”信号、“Q 路成形”信号的X-Y 波形（即星座图）。
2、B 方式的QPSK 调制实验 ① 将“调制类型选择”拨码开关拨为00010001、0001，则调制类型选择为B 方式的QPSK
调制。
② 分别观察NRZ 码经串并转换得到的“DI ”、“DQ ”两路数据波形。 ③ 分别观察“I 路成形”信号波形、“Q 路成形”信号波形、“I 路调制”同相调制信号
波形、“Q 路调制”正交调制信号波形、“调制输出”波形，并同A 方式的QPSK 调制比较。
④ 用示波器观察“I 路成形”信号、“Q 路成形”信号的X-Y 波形（即星座图）。 说明1：如果在步骤②、③中发现波形不正确，请按“调制复位”键后继续观察。 3、A 方式的QPSK 解调实验
① 将“调制类型选择”拨码开关拨为00010000、0100，“解调类型选择”拨码开关拨为
00010000、0100，则解调类型选择为A 方式的QPSK 解调。 ② 分别观察“I 路解调”信号波形、“Q 路解调”信号波形、“I 路滤波”信号波形、“Q
路滤波”信号波形。 ③ 分别观察解调的“DI ”、“DQ ”两路数据波形，并观察解调输出“NRZ ”的波形。 4、B 方式的QPSK 解调实验
① 将“调制类型选择”拨码开关拨为00010001、0100，“解调类型选择”拨码开关拨为
00010001、0100，则解调类型选择为B 方式的QPSK 解调。 ② 分别观察“I 路解调”信号波形、“Q 路解调”信号波形、“I 路滤波”信号波形、“Q
路滤波”信号波形。 ③ 分别观察解调的“DI ”、“DQ ”两路数据波形，并观察解调输出“NRZ ”的波形。 说明2：如果发现解调输出波形不正确，请按下“解调复位”键后继续观察。
七、实验思考题
1、QPSK 还可以采用其它的调制方式吗？
2、观察QPSK 调制解调中的X －Y 波形（即星座图），并分析A 方式和B 方式的不同点？
八、实验报告要求
1、分析实验电路的工作原理，叙述其工作过程。
2、根据实验测试记录，在坐标纸上画出QPSK 分别在调制解调中的各测量点的波形图。 3、画出QPSK 在调制解调中的X －Y 波形图（即星座图）。 4、对实验思考题加以分析，并画出原理图。
实验三 接收机实验
一、实验目的
1、了解二次混频超外差调频接收机电路及特点。 2、了解接收机灵敏度和信噪比的概念。
3、了解单片无绳电话集成电路KB8528的接收机原理。
二、实验内容
1、用示波器或频谱仪测量接收机的本振信号和中频信号。
2、观察接收信号和本振信号随信道变化的规律，并用相应表格示出。
三、预备知识
1、FM 、PM 与AM 的相关知识。
2、二次混频超外差式调频接收机的原理。 3、无绳电话的工作原理。
4、关于混频、射频放大、鉴频，双工器、VCO 、PLL 等的基本工作原理。
四、实验器材
1、移动通信原理实验箱 2、CT1无绳电话（带手动选频功能） 3、双踪示波器 （60M 或以上，推荐使用数字示波器） 4、频谱分析仪 （选用）
一台 一部 一台 一台
五、实验原理
1、FM 、PM 与AM
FM 、PM 与AM 相比具有以下二个优点：
（1）移动信道是受多径效应影响的衰落信道，移动台收到的高频信号严重起伏，衰落深度可达10~30dB。由于FM 和PM 信号在振幅上不载有信息，接收机中可采用限幅器来消除衰落的影响而不影响载波频率和相位调制信息的接收。
（2）FM 和PM 发射高频信号幅度不变，发射功率恒定，接收信号强度中值恒定，有利于信号接收。因此，大多数模拟移动通信系统都采用FM 或PM 方式，其中以FM 最为普遍。
CT1无绳电话亦采用FM 方式，它的收发信机（TRX ：Transceiver 是Transmitter 及Receiver 的组合词）包括接收机（RX ：Receiver ）、发射机（TX ：Transmitter ）、双工器（DPX ：Duplexer ）及锁相频率合成器（锁相频合）四部分，在本实验中需了解其接收机电路的工作原理，测量相关的本振信号及中频信号，接收机灵敏度及大信号信噪比两个性能指标（选做）。
2、单片无绳电话集成电路KB8528的内部结构
图3.3-1 KB8528的内部结构图
3、二次混频超外差调频接收机
接收机有直接放大式及外差式两类。外差式接收机通过混频将接收频率降低为固定的中频，由于中放及中频滤波器能提供稳定的高增益和良好的选择性，使接收机具有优良性能，因而获得广泛应用。
外差接收机存在一种特殊的干扰——镜频干扰。为抑制镜频干扰必须提高中频频率，通
过高放及选频特性滤除镜象频率干扰信号。但在较高的中频上获得稳定的高增益、良好的选择性及进行解调是困难的。因此，提出二次混频超外差方案。第一中频采用高中频，例如10.7MHz 、21.4MHz 或更高，第二中频采用455KHz 等。较高的第一中频可保证镜频选择性，较低的第二中频提供稳定的高增益、良好的选择性及容易解调。
图3.3-2 二次混频超外差接收机方框图
4、单片无绳电话集成电路KB8528的接收电路框图
图3.3-3 KB8528的接收电路框图
单片无绳电话集成电路KB8528的接收机是一个典型的调频双变频接收机，它包括两个本振、两个变频器、限幅中频放大器、正交鉴频器、数据比较器、载波检测器和低电池检测器。下面简述一下它的工作过程：在天线上接收到的高频信号经过双工器（手机双工器或座机双工器）后进入射频放大（衰减）部分（有的情况下由于距离比较近，接收信号的功率较强，此时就不是射频放大，而是射频衰减，请同学们观察在此移动通信实验箱里是射频放大
还是衰减？）。然后在第一混频器中被转换为第一中频信号（一般为10.7MHz ），该信号被放大滤波后送至第二混频器，被转换为第二中频信号（一般为455KHz ）。第二中频信号在限幅中放中被放大到某一幅度，同时消除了调幅噪声。最后该信号送鉴频器解调为音频信号。
解调后的音频信号在发射端是经过压缩的，所以在这里需要送往扩展器进行扩展，在经过去加重电路消除高频噪声，从而恢复出原始的话音信号。
调频接收机有两种变频方式：单变频和双变频，在本移动通信实验箱中使用了双变频的方式，它的框图见图3.3-2。射频信号在第一混频器与第一本振信号差频，产生10.7M 的第一中频信号，该信号在第二混频器与第二本振信号差频产生第二中频信号（455K ），这样就很容易实现满意的镜像抑止。
4. 1第一混频器
图3.3-4 第一混频器框图
第一混频器为双平衡混频器，它可以有效地抑止本振频率和输入射频信号，在混频器输出端只出现输入射频信号与第一本振信号的和频与差频，这里对本振的抑止大于50dB 。第一混频器的输出阻抗为330欧，与外接的10.7M 陶瓷滤波器是匹配的。第一本振为一压控振荡器, 它位于锁相环电路与接收机之间。在多频道无绳电话中，第一本振包括变容二极管和缓冲输出，其振荡频率可高达190M ，缓冲输出电平由
400mV 到1V （峰峰值）。内部的变容二极管在1.0V ～2.0V 电压时的电容量为18.73pF 到15.86 pF。对于美国25频道，由于手机的接收频率为43～46M ，频带宽度为3M ，所以变容二极管的容量范围不能覆盖这样宽的频带。为了解决这个问题，在第一混频器中包括由开关选择的内部电容网络，内部电容的选择由微控制器送的串行数据控制。引入内部电容后，第一本振便可覆盖美国的25频道，并使接收机在所有频道上具有一致的灵敏度。在中国20频道中，无论是无绳电话手机还是座机的频带宽度都只有不到0.5M, 远远小于美国25信道的3M ，所以不用选择内部电容。
4. 2第二混频器
图3.3-5 第二混频器框图
第一混频器通过10.7M 陶瓷滤波器馈入第二混频器输入端。输入信号的频率是固定的，为10.7M 。第二本振的频率也是固定的，为10.245M ，所以第一中频信号与第二本振信号在第二混频器中产生的第二中频信号也是固定的455K 。第二本振为考毕兹型振荡器，振荡频率由石英晶体决定。该振荡频率同时提供给锁相环电路作基准频率使用。图3.3-6给出了电容三点式振荡的原理图及振荡频率的计算公式。
图3.3-6 电容三点式振荡器
第二混频器的输出阻抗为1.5K ，与通常使用的455KHz 陶瓷滤波器相匹配。其开路变频增益最大值为25dB 。第二混频器输出信号通过455K 陶瓷滤波器输入到限幅中频放大器。限幅中放包括七级中频放大器和限幅放大器。第二中频信号在这里被放大且被限幅，然后馈入正交鉴频器解调出音频信号。限幅中放的最大输出为0.14V 。由于限幅中放使得第二中频信号保持恒定，从而消除了在传输信道中渗入的噪声调幅分量。图3.3-7给出了限幅中放（LIMITER ）、鉴频器（DETECTOR ）、FSK 比较器（FSK COMPARATOR ）、载波检测器（CARRIER DETECTOR）的内部互联电路。
图3.3-7 限幅中放、鉴频器、载波检测器、FSK 比较器内部电路
5、接收机灵敏度与大信号信噪比（仅做原理介绍）
调频解调器输入信噪比(S/N)in 与解调后的输出信噪比(S/N)out 的关系为
(S /N ) out
=2m 2 G = f (m f +1)
(S /N ) in
用的FM 通信机，m f =∆f m /Fm =5KHz/3.4KHz=1.47代入式（3.3-1）得
G=10.6=10dB
(3.3-2)
由式（3.3-1）可见，(S/N)out 与(S/N)in 成线性关系。然而实际鉴频器特性在下述二个区域偏离以上线性关系，一是在(S/N)in 下降到某个门限值后，(S/N)out 急剧恶化，这就是所谓的鉴频器门限效应。二是在(S/N)in 很高时，由于鉴频器之前接收机电路的不理想，包括一、二本振信号存在寄生调频及相位噪声，使得鉴频器输入信号S in 存在寄生调频及相位噪声，故(S/N)out 不再随(S/N)in 的上升而改善，基本上保持常数。在实验室中测量调频接收机时，鉴频器的输入噪声是接收机输入噪声频率搬移及放大后得到的，为常数。所以，改变输入射频信号幅度C
，就改变了鉴频器(S/N)in 及(S/N)out ，并且有C/N=(S/N)in ，将此式及式（3.3-2）代入式（3.3-1）得
(S/N)out (dB)= C/N(dB)+G(dB) =C/N(dB)+10dB
5.1接收机灵敏度及大信号信噪比
灵敏度是衡量接收机对微弱信号接收能力的指标。 （1）定义
（3.3-1）
式中，G 为增益；m f =∆f m /Fm 为调制指数，等于调制频偏∆f m 与调制频率F m 之比。对于常
（3.3-3）
灵敏度是指射频信号为标准调制（调制信号频率F m =1KHz，调制频偏∆f m =3KHz）时，在接收机输出端得到规定的信纳比[(S+N+D)/(N+D)，式中S 为信号，D 为信号失真，N 为噪声]或信噪比[(S+N+D)/N]，接收机输入端所需最小射频信号电平，以μv 或dB μV （以1μV 为参考）为单位。
（2）测量方法
信纳比要用专门的信纳计来测量。信纳计内部有1KHz 陷波器，在陷波器前面测得总信号(S+N+D)，在后面测得(N+D)，两者之比为信纳比，直接刻度在信纳计表头上。高校一般没有这种仪器，故不便测信纳比灵敏度。然而，在一般情况下，信号失真D 及噪声N 比信号S 小，则近似有
S +N +D S
= N N
噪比测量仪，用普通模拟示波器测量信噪比的方法。
（3.3-4）
即信纳比近似等于信噪比，故可以用信噪比灵敏度代替信纳比灵敏度。下面给出代替专用信
解调输出音频信号为1KHz 正弦信号，则信号有效值S 与信号峰-峰值S p-p 的关系为
S =S p -p /22
系为N p-p =6σ=6N，故得
N=Np-p /6
由式（3.3-5）及（3.3-6）得
（3.3-5）
设输出噪声为正态分布的白噪声，则白噪声峰-峰值N p-p 与有效值σ（即式(3.3-4)中的N ）的关
（3.3-6）
S 3S p -p
=20log ⋅
N N 2p -p
（3.3-7）
式（3.3-7）信号峰-峰值S p-p 及噪声峰-峰值N p-p 都可用示波器测量得到，故S/N可求出。
5.2 接收机大信号信噪比 （1）定义
接收机大信号信噪比是射频输入信号足够强时，在接收机输出端测得的信噪比。 （2）测量方法
在射频输入信号足够大，例如，大于接收机12dB S/N灵敏度100倍时，用示波器测量接收机输出信噪比，从而测得接收机大信号信噪比。
六、实验步骤
1、在有频谱仪的条件下，测量无绳电话的接收信号。使无绳电话的手机与座机对讲。首先测量“座机”模式。将模式选择开关拨到“座机”模式，发射选择开关拨到“不发射”状态。此时将接收的是无绳电话手机发射的射频信号，即48MHz ～48.475MHz 。将频谱仪的中心频率（CENTER ）设置为48MHz ，扫描带宽（SPAN ）设置为1MHz ，测量接收信号“RX BS ”测试点的频谱，并记录中心频率。变换无绳电话的信道，记录下每一信道的频率。将模式选择开关拨到“手机”模式用同样的方法测量“手机”模式下的各个信道，并记录下来，比较相互之间的异同。（此时的测试点为“RX HS ”）
2、若没有频谱仪，也可用示波器观察接收信号，但须将“音量调节”逆时针旋到底，将移动通信实验箱的天线和无绳电话的天线靠紧。使无绳电话的手机与座机对讲。将模式选择开关拨到“座机”模式，发射选择开关拨到“不发射”状态。此时将接收的是无绳电话手机发射的射频信号，即48MHz ～48.475MHz ，按下“复位”键，此时接收到的信号将是01信道的信号。用示波器观测“RX BS ”测试点，并测量其频率，并作记录（采用数字示波器测量其频率，由于信号频率较大，接收的信号功率较弱，从而避免相互干扰，所以相对于采用频谱仪测量的有一定误差，学生对比分析后记录）。改变通话信道（详细操作见无绳电话实验部分实验一），将测得的频率与信道号一一对应，整理出表格来。用同样的方法测量“手机”模式下的各个信道的值（此时的测试点为“RX HS ”）。
3、将示波器设置为交流档，分别测量“第一本振”、“第一中频”、“第二本振”、“第二中频”。首先从“座机”模式下的1信道开始，逐一观测上述四个测试点，注意第一本振信号是根据信道的变化而变化的，而“第一中频”、“第二本振”、“第二中频”均是固定频率，“第一中频”和“第二中频”在有接收信号时才会产生，而且无论在哪个信道进行通话，它们始终是固定的。观察完“座机”模式下的20个信道后，用同样的方法观测“手机”模式下的20个信道。
4、在有频谱仪的条件下，用其观测第一本振信号的变化是最直观的。首先测量“座机”模式，将频谱仪的中心频率（CENTER ）设置为37.3MHz （请思考：这里为什么是37.3M ），扫描带宽（SPAN ）设置为1MHz ，随着信道的加和减，第一本振信号的频谱则左右跳变，请仔细观察它的跳变规律与信道变化的关系。用同样的方法观察“手机”模式下的各个信道。
七、实验思考题
1、超外差式接收的原理是什么？画出它的工作原理框图。
2、如果使用其它方法实现无绳电话系统射频信号的接收，该如何实现？需要用到哪些关键器件？
3、单片无绳电话集成电路KB8528接收机的工作原理是什么？请解释图3.3-3中每一部分的作用。
4、接收机灵敏度的含义是什么？
八、实验报告要求
1、根据无绳电话通话信道的变化和实际测量的结果，总结出手机和座机发射信号随信道变化的规律，并用相应表格示出。
2、观察第一本振信号在座机和手机模式下每一个信道的变化规律，并用相应的表格示出。 1、 记录下在“座机”和“手机”模式下每一个信道的第二本振和第二中频的变化情况。
实验四 无绳电话移动通信系统实验
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、了解移动通信原理实验箱无绳电话部分的功能及框架。
二、实验内容
1、用两台移动通信原理实验箱进行单工和双工通信，观察通话效果和干扰情况。 2、观察不同信道通信时的通话效果，并观察干扰情况。
三、预备知识
1、本移动通信原理实验箱的基本构成及使用方法。 2、同频干扰，邻道干扰，互调干扰的基本概念。
四、实验器材
1、移动通信原理实验箱 2、CT1无绳电话（带手动选频功能） 3、电话单机 4、双踪示波器（60M 或以上，推荐使用数字示波器） 5、频谱仪（选用）
一台 一部 一部 一台 一台
五、实验原理
1、移动通信系统
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。 在无线通信环境的电波覆盖区内，如何建立用户之间的无线信道的连接，是多址接入方式内问题。因为无线通信具有大面积无线电波覆盖和广播信道的特点，网内一个用户发射的信号其他用户均可接收，所以网内用户如何能从播发的信号中识别出发送给本用户地址的信
号就成为建立连接的首要问题。
多址接入方式的数学基础是信号的正交分割原理。无线电信号可以表达为时间、频率和码型的函数，即可写作：
s(c,f,t)=c(t)s(f,t)
其中c(t)是码型函数，s(f,t)为时间(t)和频率(f)的函数。
当以传输信号的载波频率的不同划分来建立多址接入时，称为频分多址方式(FDMA)；当以传输信号存在的时间不同划分来建立多址接入时，称为时分多址方式(TDMA)；当以传输信号的码型不同划分来建立多址接入时，称为码分多址方式(CDMA)。图3.7-1 分别给出了FDMA 、TDMA 和CDMA 的示意图。
3.7-1 三种多址方式示意图
蜂窝结构的通信系统特点是通信资源的重用。频分多址系统是频率资源的重用；时分多址系统是时隙资源的多用；码分多址系统是码型资源的重用。频分多址系统是以频道来分离用户地址的，所以它是频道受限和干扰受限的系统；时分多址系统是以时隙来分离的，所以它是时隙受限和干扰受限的系统，但一般说来，它只是干扰受限的系统。
下面将分别介绍FDMA 、TDMA 和CDMA 。 1.1 频分多址（FDMA ）
在频分多址系统中，把可使用的总频段划分为若干占用较小带宽的频道，这些频道在频域上互不重叠，每个频道就是一个通信信道，分配给一个用户。在接收设备中使用带通滤波器允许指定频道里的能量通过，但滤除其它频率的信号，从而限制临近信道之间的相互干扰。FDMA 通信系统的基站必须同时发射和接收多个不同频率的信号；任意两个移动用户之间进
行通信都必须经过基站的中转，因而必须占用4个频道才能实现双工通信。不过，移动台在通信时所占用的频道并不是固定指配的，它通常是在通信建立阶段由系统控制中心临时分配的，通信结束后，移动台将退出它占用的频道，这些频道又可以重新分配给别的用户使用。
这种方式的特点是技术成熟，易于与模拟系统兼容，对信号功率控制要求不严格。但是在系统设计中需要周密的频率规划，基站需要多部不同载波频率发射机同时工作，设备多且容易产生信道间的互调干扰。
1.2时分多址（TDMA ）
在时分多址系统中，把时间分成周期性的帧，每一帧再分割成若干时隙（无论帧或时隙都是互不重叠的），每一个时隙就是一个通信信道，分配给一个用户。然后根据一定的时隙分配原则，使各个移动台在每帧内只能按指定的时隙向基站发射信号，满足定时和同步的条件下，基站可以在各时隙中接收到各移动台的信号而互不干扰。同时，基站发向各个移动台的信号都按顺序安排在预定的时隙中传输，各移动台只要在指定的时隙内接收，就能在合路的信号中把发给它的信号区分出来。
FDMA 通信系统比较，TDMA 通信系统的特点如下：
①TDMA 系统的基站只需要一部发射机，可以避免像FDMA 系统那样因多部不同频率的发射机同时工作而产生的互调干扰；
②频率规划简单。TDMA 系统不存在频率分配问题，对时隙的管理和分配通常要比对频率的管理与分配容易而经济，便于动态分配信道；如果采用话音检查技术，实现有话音时分配时隙，无话音时不分配时隙，有利于提高系统容量；
③因为移动台只在指定的时隙中接收基站发给它的信号，因而在一帧的其他时隙中，可以测量其他基站发射的信号强度，或检测网络系统发射的广播信息和控制信息，这对于加强通信网络的控制功能和保证移动台的越区切换都是有利的；
④TDMA 系统设备必须有精确的定时和同步，保证各移动台发送的信号不会在基站发生重叠或混淆，并且能准确地在指定的时隙中接收基站发给它的信号。同步技术是TDMA 系统正常工作的重要保证，往往也是比较复杂的技术难题。
1.3码分多址(CDMA)
在CDMA 通信系统中，不同用户传输信息所用的信号不是靠频率不同或时隙不同来区分，而是用各自不同的编码序列来区分，或者说，靠信号的不同波形来区分。如果从频域或时域来观察，多个CDMA 信号是互相重叠的。接收机的相关器可以在多个CDMA 信号选出使用的预定码型的信号。其它使用不同码型的信号因为和接收机本地产生的码型不同而不能被解调。它们的存在类似于在信道中引入了噪声或干扰，通常称之为多址干扰。
在CDMA 蜂窝通信系统中，用户之间的信息传输也是由基站进行转发和控制的。为了实现双工通信，正向传输和反向传输各使用一个频率，即通常所谓的频分双工。无论正向传输或反向传输，除去传输业务信息外，还必须传送相应的控制信息。为了传送不同的信息，需要设置相应的信道。但是，CDMA 通信系统既不分频道又不分时隙，无论传送何种信息的信道都靠采用不同的码型来区分。类似的信道属于逻辑信道。这些逻辑信道无论从频域或者
时域来看都市相互重叠的，或者说它们均占用相同的频段和时间。
CDMA 蜂窝移动通信系统与FDMA 模拟蜂窝通信系统或TDMA 数字蜂窝移动通信系统相比具有更大的系统容量、更高的话音质量以及抗干扰、保密等优点，因而近年来得到各个国家的普遍重视和关注，并作为第三代数字蜂窝移动通信系统的首选方案。
1.4移动通信系统
图3.7-2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）。
为了能够说明移动通信系统的组成及原理，在本实验箱中采用的是如图3.7-3的方式，其工作原理与上图没有本质区别。需要说明的是在本实验箱中EX 即程控交换机是已在实验箱中实现，无需另配程控交换机。
图3.7-3 简化的移动通信系统方框图
图3.7-2 移动通信系统方框图
2、无绳电话的工作原理
无绳电话是模拟话音调频移动通信系统，有单信道系统和多信道系统两类。早期的单信道系统固定工作于某一信道，没采用微处理器及锁相频率合成技术，很容易发生相邻无绳电话之间串扰或盗打。多信道系统采用微处理器及锁相频率合成技术，共用20个信道，自动选取空闲信道通话，无线信令为数字信令，其中包含16位以上识别码（ID 码），各无绳电话各不相同，只有ID 码相同的座机与手机才能建立无线信道。以上两项技术可有效消除单信道系统的串扰及盗打问题。目前，单信道无绳电话已退出市场，10信道无绳电话已不再生产，20信道多功能无绳电话成为市场主流产品。
在覆盖范围外频率可再用，有效增大了用户容量，这与蜂窝网的频率再用原理相同。移动通信系统常用的多信道共用、空闲信道选取方式有以下四种：①专用控制信道方式（专用呼叫信道方式）；②循环定位方式；③循环不定位方式；④循环分散定位方式。无绳电话的多信道是一个小区（所研究的无绳电话发射信号覆盖范围所自然形成的小区域）内所有无绳电话共用。然而，与其它移动通信系统不同，CT1无绳电话小区内无统一的基站，采用循环定位方式及循环分散定位方式时，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，不能采用。实际能采用的只有上述①、③两种方式。专用控制信道方式虽然呼叫接续可靠性（不受干扰）不及循环不定位方式，但由于它接续速度快，所以在无绳电话系统中应用更多一些。
专用控制信道方式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控制信道上，座机还时分扫描其它19个信道，检测并记录其中的空闲信道。当手机主呼或被呼时，座机通过控制信道给手机指定一个空闲信道，然后座机和手机由控制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信道（又称为通话信道），直至挂机返回控制信道守候。
图3.7-4 多信道共用无绳电话系统
3、移动通信中的干扰 3.1、同频道干扰
设接收机工作频率为f 0，B 为接收机带宽，则所有处于频率范围f 0±B/2内的输入射频信号都会对有用输入信号产生同频道干扰。
同频道干扰包括两种情况：
（1）小区制蜂窝网，在相隔一定距离后可同频率再用，因而可极大的提高频率利用率。在系统频道数不变时，极大提高系统容量，并且可以通过小区分裂进一步扩容。但是同频率再用会带来同频道干扰。
（2）任何处于接收机通带内的其它干扰信号都能产生同频道干扰。为减小同频道干扰的影响，保证接收信号的质量，必须使接收机输入有用信号电平与同频道干扰电平之比——信干比S/I大于某值，该信干比数值称为门限信干比(S/I)S 或射频防护比。
同频道干扰影响与调制制度有关。对于要求中等话音质量（3级），在有用信号及无用信号均为调频电话（F3E ）时，射频防护比为8dB 。
接收话音的主观评定五级标准如下：
5级（优）：话音完全可懂，噪声完全可以忽略。 4级（良）：话音很易听懂，略有噪声。
3级（中）：话音可懂，需稍加注意，个别需重复，以便听清。 2级（差）：话音听起来相当吃力，经常需重复才能听懂。 1级（劣）：话音无法听懂。
统计表明：90%用户认为≥3级的话音，对应C/N≥12dB ；90%用户认为≥4级的话音，对应C/N≥18dB ；3级话音对应于(S/N)out =12+10=22dB；4级话音对应于(S/N)out =10+10=28dB。
3.2、邻道干扰
邻道干扰是相邻或邻近信道的信号相互干扰。目前常用的VHF 、UHF 调频电台及CT1无绳电话，频道间隔是25KHz 。然而，调频信号的频谱是很宽的，理论上，调频信号含有无穷多个边频分量，当其中某些幅度较大的边频分量落入邻道接收机通道内，就造成邻道干扰，使接收机输出信噪比恶化。
减小邻道干扰，即减小落入邻道的边频分量，主要措施是防止发射机的瞬时频偏超过最大允许值。为此，在调制信号送入VCO 前加入一瞬时频偏控制电路（IDC ），它由放大、限幅和滤波三部分组成，它限制了调制信号的最大幅度，从而限制了最大调制频偏。
对数字调制信号而言，其频谱与模拟调频一样也是很宽的。虽然其大部分能量落在规定频带内，但总有一部分能量落在邻频道。因此，无论是模拟调制还是数字调制，同一小区内尽量避免采用相邻频道。
3.3、互调干扰
互调干扰是二个或多个不同频率干扰信号在经过传输通道的非线性电路时，会产生许多谐波和组合频率分量，其中与有用信号频率f 0相同的或相近的组合频率分量会顺利通过接收机通带而形成干扰。
设ωA 、ωB 为二个干扰信号频率，ωC 为有用信号频率，它们处于同一频段内。分析表明，非线性电路的三阶非线性所产生的落在同一频段内的三阶组合频率分量为（2ωA -ωB ）及（2ωB -ωA ），它们与落在同一频段内的五阶、七阶等组合频率分量相比幅度最大，最容易对有用信号ωC 形成干扰，称为三阶互调干扰。
三阶互调干扰的条件是
2ωA -ωB =ωC ，即ωA -ωB =ωC -ωA =±∆ω
或
2ωB -ωA =ωC ，即ωB -ωA =ωC -ωB =±∆ω
（3.7-1） （3.7-2）
其频率关系如图3.7-5所示，由图可见，等频率间隔的信号，可形成三阶互调干扰。
图3.7-5 三阶互调干扰频率关系
五阶互调干扰的条件是
3ωA -2ωB =ωC ，即ωC -ωA =2(ωA -ωB )=±2∆ω
或
3ωB -2ωA =ωC ，即ωC -ωB =2(ωB -ωA )=±2∆ω
（3.7-4）
其频率关系如图3.7-6所示。必须强调一下，由于非线性电路的五阶及更高阶的非线性项系数比三阶的小得多，所以五阶及更高阶互调干扰信号幅度比三阶的小得多，故在实际组网时一
（3.7-3）
图3.7-6 五阶互调干扰频率关系
4、系统实验连接框图
4.1、两台实验箱之间双工通信
4.2、与有线电话组成系统实验
图3.7-7 系统实验连接框图
六、实验步骤
1、将一台实验箱（称为实验箱1）的模式选择设置为“座机”模式，按下复位键，从01信道开始，发射选择设置为“不发射”，调制信号选择“音乐”。将另外一台实验箱（实验箱2）的模式选择设置为“手机”模式，按下复位键，从01信道开始，发射选择设置为“不发射”，调制信号选择“无”，这时打开实验箱1的发射选择开关，即拨成“发射”，在实验箱2中监听实验箱1在01信道发出的音乐。按下实验箱2的“频率加”，即将信道切换到02信道，此时还能听见音乐吗？想想为什么？将实验箱1切换到02信道，此时监听效果如何？用同样的方法，改变双方的通话信道，当信道一致和不一致时，仔细观测通话效果。
2、将实验箱1的模式选择设置为“手机”模式，按下复位键，从01信道开始，发射选择设置为“不发射”，调制信号选择“音乐”；实验箱2的模式选择设置为“座机”模式，按下复位键，从01信道开始，发射选择设置为“不发射”，调制信号选择“无”，用同实验步骤1的方法做此实验。
3、将实验箱1和实验箱2实现双工通信，即打开双方的发射选择开关和调制信号选择开关，观测通话效果。
4、将实验箱所配无绳电话和一部电话单机插入A101和A102两个水晶头插座。用电话单机拨打无绳电话（注意双方的号码），此时无绳电话的手机和座机均振铃，将手机摘机，此时可以观察到通话信道。将实验箱的模式选择设置为“手机”模式，发射选择设置为“不发射”，调制信号选择“无”。此时实验箱作为一个移动台使用，对着电话单机讲话，聆听通话的效果（实验箱喇叭和无绳电话手机）。在此通话信道的基础上，在上下间隔一个信道的范围内聆听通话效果（如通话信道为10，则在09和11信道聆听通信的效果，即手机的接收效果和实验箱扬声器的接收效果）。改变通话信道，重新跟踪，观测效果。将实验箱发射选择设置为“发射”，调制信号选择“音乐”，观测双工通信的效果，并思考为什么。
七、实验思考题
1、移动通信原理实验箱中的无绳电话部分是如何构成系统的？画出它的连接示意框图。 2、根据实验原理中介绍的干扰部分，思考实验箱中出现了干扰吗？如果有则其是什么类型的干扰，采用什么方法可以消除？
3、实验步骤四中无绳电话手机、座机，电话单机、实验箱之间是什么样的通信方式，画出示意图。
八、实验报告要求
1、画出移动通信实验箱无绳电话部分的结构方框图。
2、分析实验思考题并做答。
3、根据实际的实验结果分析实验箱中整个通信系统的构成，并画出相应的示意图。