中南大学扩频通信实验报告

中南大学扩频通信实验报告实验一：扩频与解扩观测实验时间：4月9号一、实验目的1、了解直接序列扩频的原理。2、了解扩频前后信号在时域及频域上的变化。二、实验器材⒈主控&信号源模块、2号、14号、11号模块各一块⒉双踪示波器一台⒊连接线若干三、实验原理1、实验原理框图数字信号源扩频解扩DoutMUXBSOUT2#模块14#模块11#模块NRZ1NRZ-CLK1扩频序列1序列1（TP8）扩频序列2序列2（TP8）CDMA1AD输入1AD输入2CDMA2Dout实验框图2、实验框图说明本实验选择【扩频与解扩观测实验】菜单。如框图所示，我们用2号模块作为信号源，DoutMUX输出32K数字信号，送入至14号模块的NRZ1。14号模块此时完成扩频功能，扩频序列由14号模块内部产生，将开关S1设置为0000，开关S2设置为0111，即可设置该路扩频序列1的码型（测试点为TP8序列1）。扩频信号由端口CDMA1输出。同时，当14号模块的开关S3设置为0111、开关S4设置为0000且端口NRZ2和NRZ-CLK2无信号输入时，端口CDMA2输出的伪随机序列与14号模块的扩频序列1相同，本实验中将该序列“CDMA2”可作为后续的解扩序列。此时的11号模块完成解扩功能，其中扩频信号从端口“AD输入1”输入，解扩序列从“AD输入2”输入，解扩信号从11号模块的“Dout”输出。该实验【扩频与解扩观测实验】中扩频序列的长度可通过PN序列长度设置开关S6进行选择15位或16位。当开关S6拨至“127位”时，表示该实验的扩频为15位；当开关S6拨至“128位”时，表示该实验的扩频为16位。注：为配合示波器调节，为了较好的对比观测扩频前和扩频后的码元，建议选择16位。四、实验步骤1、按框图所示连线。源端口目标端口连线说明模块2：DoutMUX模块14：TH3(NRZ1)数据送入扩频单元模块2：BSOUT模块14：TH1(NRZ-CLK1)时钟送入扩频单元模块14：TH4(CDMA1)模块11：TH2(AD输入1)送入解扩单元模块14：TH5(CDMA2)模块11：TH3(AD输入2)提供解扩序列2、选择主菜单【移动通信】→【扩频与解扩观测实验】，此时2号模块DoutMUX输出速率为32K。3、设置2号模块DoutMUX的输出码元。可自行设置，比如将2号模块的S1设置为10100000，S2、S3以及S4都设置为00000000。用示波器观测DoutMUX，即扩频前的波形。4、设置并观察扩频序列。将14号模块的开关S6拨至“128位”档位，即选择16位扩频序列。开关S1设置为0000，开关S2设置为0111，按复位键S7。用示波器观测测试点“TP8序列1”输出波形。5、用示波器分别接14号模块的NRZ1和CDMA1，对比观测扩频前和扩频后的输出码元变化。有兴趣的同学可以读出扩频信号中1电平扩频输出和0电平扩频输出的对应码元。6、验证解扩效果。（1）将开关S3设置为0111，开关S4设置为0000，按复位键S7。此时解扩用的序列CDMA2与扩频序列“TP8序列1”相同。用示波器分别连接14号模块的NRZ1和11号模块的Dout，验证波形是否相同，即正常解扩。（2）将开关S3和开关S4随意设置为其他码值，按复位键S7。此时解扩用的序列CDMA2与扩频序列“TP8序列1”不相同。再用示波器分别连接14号模块的NRZ1和11号模块的Dout，验证是否还能解扩。五、实验结果及分析在实验6（1）中解扩前后码型一致，但在实验6（2）中，解扩用的序列和扩频序列不同时，不能正确解扩。扩频通信的实验关键在于相关解扩，伪随机码要保持一致。实验二：m序列、Gold序列产生及特性分析实验时间：4月9号一、实验目的1、了解m序列、Gold序列的特性及产生。二、实验器材1、主控&信号源模块、14号模块各一块2、双踪示波器一台3、连接线若干三、实验原理1、m序列⑴实验原理框图m序列产生m序列产生PN3PN1积分序列相乘相关函数值G2G1序列2序列1m序列相关性实验框图⑵实验框图说明m序列的自相关函数为RAD式中，A为对应位码元相同的数目；D为对应位码元不同的数目。自相关系数为()ADADPAD对于m序列，其码长为P=2n－1，在这里P也等于码序列中的码元数，即“0”和“1”个数的总和。其中“0”的个数因为去掉移位寄存器的全“0”状态，所以A值为121nA“1”的个数（即不同位）D为12nDm序列的自相关系数为10()10,1,2,p…,p-1()xxP-1-212340-1/PPcTm序列的自相关函数2、Gold序列⑴实验原理框图Gold序列产生Gold序列产生G2G1积分序列相乘相关函数值序列2序列1Gold序列相关特性实验框图⑵实验框图说明虽然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序列优选对模二加构成的。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。四、实验步骤1、m序列⑴设置主控菜单，选择【移动通信】→【m序列产生及特性分析】。⑵将14号模块的拨码开关S1、S2、S3、S4全拨为“0000”(设置完各个开关按下S7,使模块工作于设置功能)。将开关S6拨至“127位”，设置PN序列长度为127位。⑶观测测试点G1或G2，了解m序列波形。⑷观测TH9（相关函数值）测试点，了解m序列自相关特性。2、Gold序列⑴设置主控菜单，选择【移动通信】→【Gold序列产生及特性分析】。⑵将14号模块的拨码开关S1、S4全拨为“0000”。将开关S6拨至“127位”，设置PN序列长度为127位。⑶设置S2为0001，使G1输出一种Gold序列；设置S3为0001，使G2输出Gold序列与G1相同(设置完各个开关按下S7,使模块工作于设置功能)。⑷观测测试点G1及G2，了解GOLD序列波形；观测TH9（相关函数值）测试点，了解GOLD序列自相关特性。⑸设置S2为0001，使G1输出一种Gold序列。设置S3为0010，使G2输出Gold序列与G1不相同(设置完各个开关按下S7,使模块工作于设置功能)。⑹观测测试点G1及G2，了解GOLD序列波形；观测TH9（相关函数值）测试点，了解GOLD序列互相关特性。五、实验结果及分析通过实验结果可以看到m序列和Gold序列具有良好的自相关特性，但是m序列的地址数太少；Gold序列集成了良好的自、互相关特性和非常多的地址数，因而得到更广泛的应用。实验三：综合实验CDMA扩频通信系统实验时间：4月23号一、实验目的1、了解CDMA通信系统架构及特性。二、实验器材⒈主控&信号源、2、12、10、11、14、15号模块各一块⒉双踪示波器一台⒊连接线若干三、实验原理1、扩频实验原理框图S1Walsh序列Walsh序列选择1W1（Walsh序列）S2PN序列1PN序列2PN序列选择1PN2PN1G1（Gold序列）序列1NRZ-CLK1NRZ1CDMA1BSOUTS7复位S4Walsh序列Walsh序列选择2G2（Gold序列）S3PN序列2PN序列1PN序列选择2PN3PN4W2（Walsh序列）序列2127位128位S6NRZ-CLK1NRZ2CDMA2起始指示序列相乘积分相关函数值14号模块框图2、14号模块框图说明信号源PN序列经过14号模块扩频处理，再加到10号模块的调制端，形成扩频调制信号发送出去。其中，从14号模块可以看到扩频码可以通过拨码开关设置为m序列、Gold序列。将“序列1”或“序列2”设置为m序列、Gold序列的方法是：（1）设置为m序列：将拨码开关S1、S2、S3、S4都设置成0000，则测试点“序列1”与G1、PN1一致，测试点“序列2”与G2、PN3一致，都为m序列输出。（2）设置为Gold序列：将拨码开关S1、S4都设置成0000，将拨码开关S2、S3拨为非全0即可，则测试点“序列1”与G1一致是由PN1和PN2合成而得，测试点“序列2”与G2一致是由PN4和PN3合成而得，“序列1”和“序列2”此时为GOLD序列输出。3、15号模块框图序列产生单元512K同步序列包络检波相关1门限判决滑动控制单元÷32分频捕获支路跟踪支路包络检波相关2包络检波相关3超前序列滞后序列判决门限调节减法运算压控电压压控偏置调节VCXO复位127位128位LED捕获指示接收天线解扩输出扩频信号输入增益调节PN初始状态设置Walsh序列设置PN序列长度设置15号模块框图4、解扩实验框图说明CDMA接收模块用于扩频通信系统的接收端。处于接收部分的最前端，其解扩的信号会送到解调模块进行解调。CDMA接收模块主要是解决两个问题。第一是序列的同步问题，由于扩频序列的自相关性，当序列在非同步情况下是无法获取有用信息的。第二是时钟同步问题，由于接收端产生解扩序列的时钟与发送端是非同步的。因此，当序列同步，如果时钟不同步，序列会逐渐产生偏差，最终失步。只有序列和时钟都达到同步，才能完成解扩。模块包含如下4大功能：（1）捕获支路：用来捕获扩频序列，达到序列同步的状态。（2）跟踪支路：用来进行时钟同步。（3）序列产生单元：产生解扩序列，序列产生可受滑动控制单元控制，是序列相位滑动。（4）滑动控制单元：产生序列的滑动控制脉冲信号。该脉冲信号由前面的门限判决信号控制，当门限判决输出为高时，说明序列已经捕获，滑动控制单元停止产生滑动控制脉冲信号；当门限判决输出为低时，说明序列未捕获，滑动控制单元产生滑动控制脉冲信号。模块端口名称、可调参数及说明如下所述：模块端口名称端口说明捕获支路同步序列输出解扩序列解扩输出输出解扩信号，是BSPK的数字调制信号相关1同步序列与扩频信号相关计算输出512K解扩序列的时钟信号跟踪支路接收天线解扩天线接收端口扩频信号输入解扩同轴电缆输入端口超前序列与同步序列相比相位超前1/2码元滞后序列与同步序列相比相位滞后1/2码元相关2超前序列与扩频信号相关计算输出相关3滞后序列与扩频信号相关计算输出压控电压控制压控晶振频率变化的信号（1）增益调节：调节天线接收小信号放大的增益。（2）判决门限调节：调节相关峰的判决门限（由于接收信号幅度不同，相关峰的幅值也有所不同）。（3）压控偏置调节：调节压控晶振的中心频率。（4）PN序列长度设置：设置PN序列长度为127或128位。（5）PN初始状态设置：设置PN序列初始状态。5、实验系统框图模拟源扩频14#模块调制10#模块语音压缩12#模块扩频码扩频数字源.多路码道扩频调制扩频码（）..CDMA发射系统框图解调11#模块解扩15#模块语音解压缩12#模块扩频码捕获及同步载波同步提取CDMA接收系统框图注：CDMA扩频通信系统中，接收端根据不同扩频序列，来捕获跟踪不同码道上的信息。6、实验系统框图说明我们扩频通信的实现机理为：CDMA扩频通信发送端是将模拟音频源先通过12号模块压缩成数字信号，再将数字信源与高速率扩频码（比如Gold序列或m序列）相乘，经过调制电路将扩频后的信号搬移到一个适当的频段进行传输，然后功放电路无线发射出去；CDMA扩频通信接收端是将天线接收的信号先经过小信号放大处理，再通过捕获、跟踪扩频码来进行同步解扩，并提取解调所需同步载波，最后经过解调以及码元再生电路，还原输出原始信源的数字码型，最后通过12号模块的语音解压缩功能还原出原始的模拟信号。对于数字信源的传输，则CDMA接收系统框图中略去发送前端的语音压缩和接收后端的语音解压缩即可。这里，我们以传输模拟信号和数字信号两路信号为例，搭建扩频通信系统。四、实验步骤概述：该项目主要是通过自行搭建CDM