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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 ⒉ 双踪示波器 ⒊ 连接线 各一块 一台 若干



三、实验原理
1、实验原理框图
DoutMUX NRZ1

数字 信号源
BSOUT NRZ-CLK1

扩频

CDMA1

AD输入1

解扩

Dout

2# 模块

序列1(TP8)

AD输入2

11# 模块

扩频序列1
CDMA2 序列2 (TP8)

扩频序列2 14# 模块

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 模块 2:DoutMUX 目标端口 模块 14:TH3(NRZ1) 连线说明 数据送入扩频单元

模块 2:BSOUT 模块 14:TH4(CDMA1) 模块 14:TH5(CDMA2)

模块 14:TH1(NRZ-CLK1) 模块 11:TH2(AD 输入 1) 模块 11:TH3(AD 输入 2)

时钟送入扩频单元 送入解扩单元 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 2、 双踪示波器 3、 连接线 各一块 一台 若干

三、实验原理
1、m 序列 ⑴ 实验原理框图
m序列 产生 PN1 G1 序列1 序列相乘 积分 m序列 产生 相关函数值

PN3

G2

序列2

m 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
R ?? ? ? A ? D

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

? (? ) ?
n

A? D A? D ? P A? D

对于 m 序列,其码长为 P=2 -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
A ? 2n ?1 ? 1

“1”的个数(即不同位)D 为
D ? 2 n ?1

m 序列的自相关系数为
?1 ? ?? p ?

? ?0 ? ? 0,? ? 1, 2,…,p-1

? (? ) ? ? 1

Pxx (? )

-2 -1 0 -1/P

1 2 3 4

P

?
Tc

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 G1 序列1 序列相乘 积分 Gold序 列产生 相关函数值

G2

序列2

Gold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 ⒉ 双踪示波器 ⒊ 连接线 各一块 一台 若干

三、实验原理
1、扩频实验原理框图

S7 复位 NRZ-CLK1 NRZ1 CDMA1 BSOUT

Walsh序列 选择1 S1

Walsh 序列 PN1

W1(Walsh序列) 序列1 G1(Gold序列)

PN序列1 PN序列 选择1 S2 PN序列2

127位

S6

PN2 积分 起始指示 序列相乘

128位

PN序列 选择2 S3

PN序列2 PN序列1

PN4 G2(Gold序列) PN3

Walsh序列 选择2 S4

序列2 W2(Walsh序列)

相关函数值

Walsh 序列

NRZ-CLK1

NRZ2

CDMA2

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

512K 序列产生单元 同步 序列 解扩输出 判决门限 调节 包络 检波 捕获支路 超前 序列 跟踪支路 包络 检波 滞后 序列 包络 检波 相关3 PN初始状态设置 扩频信号输入 接收天线 增益调节 Walsh序列设置 压控偏置 调节 相关2 VCXO 减 法 运 算 压控电压 127位 128位 PN序列 长度设置 门限 判决 滑动控制 单元 ÷ 32 分频 复位

相关1

LED 捕获指示

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 同步序列 捕获支路 解扩输出 相关 1 输出解扩序列 输出解扩信号,是 BSPK 的数字调制信号 同步序列与扩频信号相关计算输出 端口说明

512K 接收天线 扩频信号输入 超前序列 跟踪支路 滞后序列 相关 2 相关 3 压控电压

解扩序列的时钟信号 解扩天线接收端口 解扩同轴电缆输入端口 与同步序列相比相位超前 1/2 码元 与同步序列相比相位滞后 1/2 码元 超前序列与扩频信号相关计算输出 滞后序列与扩频信号相关计算输出 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
12# 模块
模拟源 语音 压缩

14# 模块
扩频

10# 模块
调制

扩频码


数字源

多路 码道 扩频

. . ).
扩频 调制

扩频码

CDMA发射系统框图
15# 模块
解扩

11# 模块
解调

12# 模块
语音 解压缩

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 CDMA 扩频通信系统, 认识和掌握 CDMA 通信系统的框 架以及相关原理知识点。 (一)搭建 CDMA 发射系统。 该系统中有两路信号源, 一路是主控信号源模块提供的 PN 数字序列, 另一路是 12 号模 块的麦克输入的音频模拟信号。音频信号经 12 号模块的编码压缩处理后输出 8K 数字信号。 PN 序列此时的速率也是 8K。 1、关电,按表格所示,完成 CDMA 通信系统发送端的连线。 先将话筒接入到 12 号模块的话筒接口,作为模拟源。 源端口 模块 12:TH6(编码时钟) 模块 12:TH5(编码输出) 信号源:CLK 信号源:PN 模块 14:TH4(CDMA1) 模块 14:TH5(CDMA2) 模块 10:TH7(I-OUT) 模块 10:TH9(Q-OUT) 目的端口 模块 14:TH1(NRZ-CLK1) 模块 14:TH3(NRZ1) 模块 14:TH6(NRZ-CLK2) 模块 14:TH2(NRZ2) 模块 10:TH3(DIN1) 模块 10:TH2(DIN2) 模块 10:TH6(I-IN) 模块 10:TH8(Q-IN) 连线说明 提供第一路时钟 提供第一路数据 提供第二路时钟 提供第二路数字数据 送入 DBPSK 成形滤波 送入 DBPSK 成形滤波 I 路成形信号送入调制 Q 路成形信号送入调制

2、设置 14 号模块上两路信号的不同扩频码序列:拨码开关 S2 为 0001,拨码开关 S3 为 0010,拨码开关 S1 和 S4 全置为 0,序列长度设置开关设置为 127 位。此时第一路扩频信 号 CDMA1 则对应开关 S1 为 0001 的扩频码序列, 第二路扩频信号 CDMA2 则对应开关 S2 为 0010 的扩频码序列。(注:待系统开电后需按复位键 S7,以便系统加载 14 号模块的拨码开关的 对应码值功能。)

注: 有兴趣的同学可以设置 14 号 CDMA 发送模块上两路不同扩频序列, 保证二者不同即 可,同时在后面的接收端也应注意接收不同码道信息而对应设置不同的扩频码。
此时 CDMA 发射系统的信号输出端口为:10 号模块的 P1(调制输出),以及经过功放后 的 P2(发射天线)。 (二)搭建 CDMA 接收系统并联调。 本实验中可根据所需接收的信号搭建接收系统。用于接收 PN 序列的系统和用于接收麦 克音频信号的系统在实验连线上有些许联系和区别。 (注:为方便系统的调试,建议先搭建 用于接收 PN 序列的 CDMA 接收系统。) 1、搭建用于接收 PN 序列的接收系统并联调。 (1)按下面表格所示,完成用于接收 PN 数字信号的 CDMA 接收系统的连线。 根据发送端的拨码情况,设置接收端 15 号 CDMA 接收模块中拨码开关 S1=0010,拨码开 关 S4=0000。(注:待系统开电后需按复位键 S2,以便系统加载 15 号模块的拨码开关的对 应码值功能。) 源端口 模块 10: P1(调制输出) 模块 15: J3(解扩输出) 目的端口 模块 15:J4(扩频信号输入) 模块 11:P1(解调输入) 连线说明 将扩频信号送入解扩单元 送入解调单元

(2)开电,设置主控菜单,选择【移动通信】→【CDMA 扩频通信系统实验】。按 14 号模块和 15 号模块的复位开关。 此时信号源的 PN 序列和 12 号模块的编码输出都为 8K 数字 信号,作为扩频前的信号源。系统接收端用于恢复 PN 序列。 (3)联调系统,直至 11 号模块的 Dout 与信号源 PN 的码型一致。 联调操作说明:用示波器探头分别接信号源 PN 和 11 号模块的 Dout,并以连接 PN 序列 的探头作为触发源。联调过程中应注意对比观测 Dout 和 PN 的码元。先慢慢调节 15 号模块 的判决门限调节旋钮 W2,注意捕获指示灯 LED1 的变化,捕获指示灯应从灭、到闪、然后保 持长亮即可。(有兴趣的同学此时可以观察一下测试点“相关 1”的变化情况。当指示灯灭 时,“相关 1”有相关峰出现,表明此时解扩码的码型与扩频码相同但是相对滑动的,相对

滑动的序列无法用于后续解扩。当继续调节 W2 至指示灯长亮时,“相关 1”的相关峰消失, 表明此时解扩码与扩频码同步了,此时对于码型相同且同步的解扩码则可用于后续解扩。) 然后缓慢调节 11 号模块的 W1,W1 主要用于相干解调时所需载波的相位调整,微调 W1 时应 关注 Dout 输出码元的变化,并和 PN 序列比较;调节过程中可配合按一下复位开关 S3 让系 统 重 新 识 别 载 波 相 位 。 最 后 直 到 11 号 模 块 的 Dout 与 信 号 源 PN 的 码 型 一 致 。

2、搭建用于接收音频信号的接收系统并联调。 在用于接收 PN 序列的接收系统的基础上增加若干连线,即可搭建成用于接收音频信号 的接收系统。并按下表所示增加的实验连线: (1)根据发送端的拨码情况,先设置接收端 15 号 CDMA 接收模块中拨码开关 S1=0001, 拨码开关 S4=0000。(注:待系统开电后需按复位键 S2,以便系统加载 15 号模块的拨码开 关的对应码值功能。)并按下表所示,增加实验连线: 源端口 模块 11:TH5(BS-out) 模块 11:TH4(Dout) 目的端口 模块 12:TH4(译码时钟) 模块 12:TH3(译码输入) 连线说明 提供译码时钟信号 送入信源译码单元

将耳机插入接收端的 12 号模块的耳机接口。 (2)参考用于接收 PN 序列的接收系统的操作步骤和联调方法,完成音频信号传输,用 耳机感受话音效果。注意,12 号模块的复位键 S1 用于处理语音压缩编码和译码时序,在系 统开电联调过程中需按一下复位键 S1。建议:可先用 PN 序列作为信源,将本路扩频与解扩 系统调通,再用 12 号模块的编码输出信号替换数字信号。 (三)搭建无线收发系统。(选做) 步骤(一)(二)完成的是 CDMA 有线通信系统。若想搭建 CDMA 无线通信系统,只需做 如下调整。

(1)除去以下连线: 源端口 模块 10: P1(调制输出) 目的端口 模块 15:J4(扩频信号输入) 连线说明 将扩频信号送入解扩单元

(2)分别将 10 号模块的 P2(发射天线)和 15 号模块的 J2(接收天线)接拉杆天线。 注:系统联调时,建议先以有线通信系统进行联调,再转为无线收发。 适当顺时针调节 15 号模块的增益调节旋钮 W1(用于接收信号的前级放大),再参考步 骤(一)(二)中操作说明和联调方法,尝试调通整个无线收发系统。 注: 本实验中虽没有涉及 2 号模块的连线, 但应将 2 号模块也开电。 2 号模块的 DoutMUX 和 BSOUT 也可作为扩频输入端的数字信号和时钟信号, 替代 PN 序列或替代 12 号模块的编码 输出。

五、实验结果及分析
经过调试, 确实可以通过耳机听到在麦克风中输入的声音, 而且较为清晰, 这说明 CDMA 扩频通信系统能够较好地实现信息的传输。该实验的难点在与联调系统中调节 11 号模块的 Dout 与信号源 PN 的码型一致, 只要联调系统调试成功, 语音信号的传输会进行地比较顺利。

实验四:FH-CDMA(跳频码分多址)通信系统实验
时间:4 月 23 号
一、实验目的
1、了解跳频(FH)通信系统架构及特性。

二、实验器材
1、 主控&信号源、12、10、11、16 号模块 2、 双踪示波器 3、 连接线 各一块 一台 若干

三、实验原理
1、实验原理框图

主控&信号源
信号源

12# 模块 10# 模块
语音 压缩 调制 混频

16# 模块
混频

11# 模块
解调

12# 模块
语音解 压缩

跳频本振

跳频本振

FH序列

跳 频

同步FH 序列

解 跳 频

跳频通信系统实验原理框图 2、实验框图说明 跳频通信系统发送端是将模拟信号源经过12号模块语音压缩转换成数字信号, 然后通过 10号模块的调制功能, 将信号搬移到高频上进行传输, 再与跳频信号发生器的信号进行混频, 形成跳频信号输出;跳频的方法是把一个宽频段分成若干个频率间隔(称为频道或频隙), 发信机在某一特定的事件间隔中,用哪一个频道发信号,是由一个伪随机序列控制的。 跳频通信系统接收端是将跳频信号送入解跳频单元, 收信机的本地振荡信号频率如果能 与输入信号的频率按同一规律同步地跳变,那么,经过变频以后,得到的中频信号将把原来 的频率跳变解除,也称解跳或去跳。解调后的信号再经过11号模块的解调功能,完成数字信 号的解调输出,最后通过12号模块的语音解压缩功能,将原始模拟信号还原出来。 3、模块原理框图
发射输入 跳频输出

混频 频道显示
VCO

BPF

功放

MCU 跳频序列选择 (“选择”) 速率选择 (“K1”)
接收输出

PLL

VCO

接收输入

放大

BPF

混频

跳频模块原理框图 4、模块框图说明 模块中按键开关S2可以切换设置跳频序列,不同的跳频序列表示不同的频点变化情况; 开关K1可以选择频点的跳变速度,可分为10跳/S和1跳/S两种。 跳频模块发射部分:10.7M已调信号,送入跳频模块中与跳频载波进行混频,由带通滤 波器选出跳频信号,放大后输出。

跳频模块接收部分:跳频信号送入跳频模块中与跳频载波进行混频,由带通滤波器选 出 10.7M 固定频率已调信号,放大后输出,完成解跳频。 跳频本振源部分:由单片机控制 PLL(锁相环电路)的分频器,由 PLL 电路输出跳频载 波。 可输出 7 个频率点, 频率分别为: 21.3231M、 21.3692M、 21.4154M、 21.4615M、 21.5077M、 21.5538M、21.6000M。由按键 S2 控制频点跳变顺序。 中心频率为 10.7M 的已调信号与跳频本振源混频后,选出差频信号,中心频率分别为: 10.6231M、10.6692M、10.7154M、10.7615M、10.8077M、10.8538M、10.9000M,对应信道号 分别为 1-7,信道间隔约为 46KHz。 5、跳频相关知识 扩频信号是一种经过伪随机码序列调制的宽带信号, 其带宽通常比原始信号的带宽高几 个量级。常用的扩频信号有两类:跳频信号和直接序列扩频信号(简称直扩信号)。 跳频的方法是把一个宽频段分成若干个频率间隔(称为频道或频隙),发信机在某一特 定的事件间隔中,用哪一个频道发信号,是由一个伪随机序列控制的。收信机的本地振荡信 号频率如果能与输入信号的频率按同一规律同步地跳变,那么,经过变频以后,得到的中频 信号将把原来的频率跳变解除,也称解跳或去跳。下图是跳频通信系统的原理框图。图(a) 为跳频发射系统,图(b)为跳频接收系统。

载波

调制器

频率 合成器

数据

FH码 发生器 (a)

混频

中放

解调器

频率 合成器 (b)

FH码 发生器

跳频系统原理框图 跳频系统主要是由码产生器和频率合成器两部分组成。 快速响应的频率合成器是跳频系

统的关键部件。跳频系统有慢跳和快跳两种,简述如下: 假设数据调制采用频移键控调制,T 是一个信息比特宽度,每 nb 秒数据调制器输出 2
n

频率中的一个。每隔 TC 秒跳频调制器把数据调制器输出的频率变换到一个新的频率。若

TC ? nb ,则此跳频系统称为慢跳系统。
在慢跳频系统中, 跳频速度比数据调制器输出符号变化速度慢。 如果在每个符号中频率 跳变多次,这样的跳频系统称为快跳系统。 在跳频系统中,频率跳变数和跳变率主要决定下列三个因素: (1)欲传送的信息类型及信息率。 (2)要求的冗余度。 (3)同最近的潜在干扰器的距离。 跳频系统可用多个频率解决传输信息的误码率。 为了减小误码率可用多个频率传送一个 比特的信息,收信机根据参数原则进行判决,例如“5 中择 3”判决。用 5 个频率传输一个 比特的信息, 只要收到 3 个正确频率就认为接收的是正确信息, 而不管另两个频率是否正确。 这增加了冗余度,但比起简单跳频系统抗干扰性能提高了三个量级,而跳变频率要提高 3 倍。从减小误码率出发,要每比特信息送出的频率数越多越好,但这要受到频率合成器带宽 和频率容量的限制。 影响跳频速率选择的另一个因素是不同方向的同频信号的干扰。 这样的信号可能来自多 路径或应答式干扰。在大多数情况下,到达收信机的多路径信号远小于有用信号,因此,对 多路径信号一般可不考虑。应答式干扰机在收到跳频信号后,对它先放大再用噪声调制,或 者在干扰者知道跳变编码时发射补码信号,这都会引起严重干扰。为了对付这一威胁,频率 跳变率必须大于 1/(Tτ -Td),这里 Tτ 是从跳频发信机到干扰机,再从干扰机到接收机的总 传输时间,Td 是直达信道传输时间。在这种情况下,就可以保证当干扰信号到达收信机时, 有用信号已跳到另一个新频率。 概括起来说,跳变频率具有如下特点: (1)从干扰机理来说,跳频系统不同于扩频系统。扩频系统是将干扰能量均匀地分配 在被扩展的频带上从而降低干扰的功率谱密度, 而有用信号经解扩处理后能量集中于信息带 宽内。跳频系统只有当干扰频率正处于跳频频道上时才能起到干扰作用。因此,瞄准式干扰 对跳频系统作用不大,而对扩频系统系统有严重威胁。 (2)易于解决邻近强电台的干扰,即所谓远近效应。 (3)具有多址和高的频带利用率。 (4)易于和其它扩频系统结合构成混合扩频系统。 (5)信息调制方式灵活,易于和现有常规通信体制兼容。

(6)由于用很多很多频率辐射,可以提高频率分集的效果。

四、实验步骤
概述: 该项目主要是通过自行搭建跳频通信系统, 认识和掌握跳频通信系统的框架以及 相关原理知识点。 1、关电,按表格所示,完成跳频通信系统连线。 先将话筒接入到 12 号模块的话筒接口,作为模拟源。 源端口 模块 12:TH6(编码时钟) 模块 12:TH5(编码输出) 模块 10:TH7(I-Out) 模块 10:TH9(Q-Out) 模块 10:P2(发射天线) 模块 16:J5(跳频输出) 模块 16:J4(接收输出) 模块 11:TH5(BS-out) 模块 11:TH4(Dout) 目的端口 模块 10:TH1(BSIN) 模块 10:TH3(DIN1) 模块 10:TH6(I-In) 模块 10:TH8(Q-In) 模块 16:J2(发射输入) 模块 16:J3(接收输入) 模块 11:P2(接收天线) 模块 12:TH4(译码时钟) 模块 12:TH3(译码输入) 连线说明 提供成型时钟 送入成型滤波 I 路成形信号送入调制 Q 路成形信号送入调制 送入跳频 送入解跳频 送入解调 提供译码时钟信号 送入信源译码单元

将耳机插入接收端的 12 号模块的耳机接口。 2、开电,设置主控菜单,选择【移动通信】→【FH-CDMA 跳频码分多址移动通信】。 开关 S1 拨至“1/S”档。按下复位开关,保证“锁相”指示灯亮。 3、用数字示波器的 FFT 功能(或者用频谱分析仪)观测 16 号模块的测试点 TP1 即跳频 输入端口,了解跳频前调制信号的频谱情况。

4、观察“信道号”数码管显示的数字,记下信号跳变序列顺序。

5、用数字示波器的 FFT 功能(或者用频谱分析仪)观测 16 号模块的测试点 TP2 即跳频 输出端口,了解加跳频后信号的频谱跳变情况。

6、点击“选择”按键切换跳变顺序,再观测跳频输出。 7、将开关 K1 切换至“10/S”档,观测跳频输出的跳变速度变化情况。 8、用数字示波器的 FFT 功能(或者用频谱分析仪)观测 16 号模块的测试点 TP4 即解跳 频输出端口,了解解跳频后信号的频谱情况。

9、感受语音传输效果。 10、有兴趣的同学可以用主控信号源模块的 PN 输出信号替换掉 12 号模块的模块输出 信号,调节【功能 1】中的 PN 使其输出提供 8K 数字信号。采用示波器对比观测系统的输入 信号和最后恢复的信号。

五、实验结果及分析
跳频系统其跳变顺序可变,速率可变,能有效地防止敌方的干扰。


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