GSM移动通信系统试验系统试验指导书

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1、GSM移动通信系统试验系统试验指导书目 录第一章 感知性试验3第二章 原理性试验10 试验一 调制与解调试验10 试验二 频谱分析原理与试验24 试验三 信道编码与解码试验32 试验四 FDD TDMA原理试验.58第三章 系统试验部分70试验一 手机入网、手机主呼和手机被呼试验70试验二 移动台发信机技术指标及测试78附录1：GSM900无线接口信道号与频率值对应表.82附录2：各个测试点波形.84附录3：各个测试点波形说明.89附录4：测试点分布图90第一章 感知性试验一、实验目的1、使学生了解整个试验箱整体结构框架；2、使学生了解射频部分使用的一些特殊器件（如穿心电容、射频连接器等）的作

2、用；3、使学生了解人机接口部分的器件功能。二、实验器材1、GSM移动通信系统试验箱三、试验原理实验箱的结构GSM移动通信系统实验箱（简称GSM试验箱，下同）整体布局图和整机控制图如图111和112所示。旋转编码器RESETPOWER亮度旋钮射频输入/输出射频收/发 整机时钟 射频双工 /衰减器 显示屏频谱 中央 测量单元 控制单元 基带部分 测试区图111 试验箱整机布局图112 整机控制图人机接口单元中央控制单元 基带部分接收部分发射部分频谱测量单元各部分完成的功能如下：1、 射频部分射频部分包括接收部分和发射部分。接收部分的作用使将接收的高频信号下变到1MHz的中频，并解调出模拟I、Q信号

3、；发射部分的作用是将基带I、Q信号调制到高频载波上去。2、 频谱测量部分频谱测量部分的作用是分析接收信号的频谱，确定接收信号的质量。3、 中央控制单元中央控制单元的作用是控制整机的工作进程。4、 基带部分基带部分的作用是进行信道编解码，GMSK调制与解调，以及TDMA帧形成。5、 整机时钟整机时钟主要是给中央控制单元提供时钟，给射频部分提供参考频率。6、 射频率减器部分射频率减器为发射部分和接收部分共用，最大衰减量为60dBm。7、 人机接口单元 人机接口单元主要作用是便于整机操作和观察试验现象。8、 测试区测试区中设置很多测试钩，便于测试各试验中所需观察的信号。射频板结构射频部分的接收和发射

4、各为一个PCB板，分别装在两个屏蔽盒中，屏蔽盒与盒盖接触处开有凹槽，槽内装有屏蔽网线，以便屏蔽盒和盖子之间进行可靠接触，从而达到良好的屏蔽效果。中央控制单元的控制信号经盒壁上的穿心电容接入，穿心电容能将控制信号在传输途中感应的高频信号滤除掉。射频信号的输入和输出是通过射频连接头和射频电缆进行的。穿心电容的外壳为金属封装，它能可靠地与屏蔽盒接触，不至于使屏蔽盒因为信号的接入而使屏蔽效果下降。射频连接头中心为信号接点，四周被金属包围，起屏蔽作用，并与其内部绝缘材料共同形成一50同轴线。射频电缆中间有一层屏蔽网线层，对信号起屏蔽作用。人机接口部分1、 操作面板介绍ZY12GSMSys23BC1 GS

5、M移动通信系统试验箱人机接口部分的操作面板如图113所示。电源指示灯电源开关键复位键旋转编码器功能键亮度旋钮射频指示灯射频接口液晶显示屏POWERRESET图113 人机接口操作面板示意图（1） 液晶显示屏：用于显示测试条件、测试结果和曲线、工作状态和功能键的标签。（2） 液晶显示屏右侧的五个无印字功能键：在不同的显示界面中有不同的功能定义。它们在不同时刻的功能与各显示界面中右侧的功能键标签一致。（3） 射频接口（RF IN/OUT）:使GSM试验箱和手机的射频连接通道。（4） 射频指示灯：用来指示有足够强的手机射频信号从射频接口输入本试验箱中。（5） 亮度旋钮：用来调节液晶显示屏的亮度，以便

6、清晰显示字幕。（6） 旋转编码器：主要有三项功能。 移动光标：转动光标控制旋钮，可将光标移动到所需栏目。屏幕上光标可以指到的黑底白字栏目，其内容可修改的。不是黑底白字的栏目，其内容是不可修改的。 修改栏目内容：将光标移到所需栏目处，再按光标控制旋钮会使该栏目输入区闪烁。这时转动光标控制旋钮，可选择不同的值。当该区显示处所需的值时，按下光标控制旋钮就可确认输入。当所选栏目输入内容为数字时，屏幕右侧的功能键显示为数值调整倍率，例如按“X10”功能键，则光标控制旋钮每转动一格，输入数值变化10。这样可以方便快速地输入数值。 移动标记：在显示频谱曲线时，如果选择“标记”，则转动光标控制旋钮就可移动曲线

7、上地三角形选点标记，从而选择任意数据点，查看其具体测试结果。（7） 电源开关键：用于开关本机电源。（8） 电源指示灯：当按电源开关键开机时，该指示灯发绿色光。按电源开关键关机后，该指示灯发红色光。（9） 复位建（RESET）：用来将测试仪复位，并显示初始屏幕界面。2、显示屏工作界面介绍 液晶显示屏（LCD）共有11个工作界面，依次用0011表示，其中：00为开机界面；01为“同步工作模式”界面；02为“基站主叫”界面；03为“通话”界面；04为“手机主叫”界面；05为“实时频谱监测”连续工作界面；06为“实时频谱监测”设置界面1；07为“实时频谱监测”设置界面2；08为“实时频谱监测”设置界面

8、3；09为“异步工作模式”编解码界面；10为编码模式下数据更改界面；11为解码后的数据界面。四、实验内容 1、加电操作 2、手机入网操作 3、手机与GSM试验箱通信操作 4、挂机操作 5、频谱实时测量操作 6、编解码操作五、实验步骤 1、加电操作 将GSM移动通信系统试验箱接通电源，此时人机接口部分的电源指示灯亮（呈红色）。当按下开关“POWER”键时，电源指示灯由红色转成绿色，同时主板上的5V，12V电源指示灯亮，显示屏显示开机界面00。 在该界面下，延时2秒钟后，试验箱将自动进入“同步工作模式”界面，如界面01所示。注：如显示屏字幕不清晰，请调节人机接口控制面板上的“亮度”旋钮，使LCD背

9、景亮度适中（能清晰显示字幕）。 2、手机入网操作 第一步：将GSM试验箱随机配备的SIM卡放入手机中，将天线与人机接口部分的射频输入/输出（RF IN/OUT）相连，同时将手机靠近天线（或用天线耦合器代替天线，并将手机插入天线耦合器中）。 第二步：打开GSM试验箱电源，试验箱进入“同步工作界面”（如界面01所示），预热10分钟，然后用旋转编码器对显示屏中处于反白状态的项目进行选择和设置。 在界面01上可以用旋转编码器进行选择、设置的项目如下：（1） 无线标准：在无线标准中可选择项为GSM900、E-GSM和DCS1800。（2） 广播信道号（BCCH）广播信道号对应于标准GSM900时，为11

10、24；对于标准E-GSM时，为9751023；对于标准DCS1800时为512885。（3） 频率：频率根据所选信道号自动生成。生成公式为：GSM900标准：f(n)=890+0.2n MHz (1n124)；E-GSM标准：f(n)=890+0.2n MHz (0n124)；f(n)=890+(n-1024) MHz (975n1023)；DCS1800标准:f(n)=1710.2+0.2(n-512) MHz (512n885)。（4）通话信道（即业务信道）号：在GSM试验箱中，通话信道与广播信道设置为同一频率，所以在对广播信道设置时自动生成通话信道号，相应的频率业自动生成。（5）功率控制

11、：功率控制时对手机发射功率进行控制，其选择范围为：5：33dBm-19 :+5dBm(GSM900/E-GSM)或0：30dBm-14: +2dBm(DCS1800)。 （6）射频开关选择：有开（ON）和关（OFF）两种状态，将其设置为开（ON）；（7）联网：有开和关两种状态，仅在双机联网时打开。（8）射频输出：射频输出时指GSM试验箱的发射功率。可选范围是：110dBm到50dBm。第三步：在设置好GSM试验箱各参数后，将手机开机，等待入网。入网成功后在手机的显示屏会显示GSM网络号，网络号为“00101”；GSM试验箱的LCD显示手机的国际移动用户号（IMSI）（即SIM卡的编号）和手机的

12、国际移动设备号（IMEI）（即手机的机身号）。注：（1）假如出现SIM卡未注册的现象，处理的方法时，将GSM试验箱处于同步工作状态，按上述步骤设置好各项参数。将手机靠近天线（或插入天线耦合器中），开机，用手机菜单键选择“网络选择”一栏，进行网络查找，当查找到“00101”时选择“注册”即可。（2）如手机无法入网，解决的方法有：a、将试验箱复位（或关机重启）、手机关机后，再进行上述操作；b、重新切换信道频率（避开空中同频无线电波的干扰），再进行手机入网操作。（3）GSM试验箱每次刚开始启动时必须预热10分钟。基站主叫第一步：如1.4.2中操作，等待手机入网成功。第二步：在界面01中，按“基站主叫

13、”，工作界面切换到“02”号界面。在“02”号界面上，“基站主叫”字样闪烁。第三步：当手机与GSM试验箱之间接续成功后，会听见手机振铃声，此时按下手机接听电话确认键，界面会切换到“03”号界面。在界面03三，“通话/射频测试”字样闪烁。这时对手机讲话可以听见延时后的回声。手机主叫第一步：如1.4.2中操作，等待手机入网成功。第二步：在界面01中，按“手机主叫”，工作界面切换到“04”号界面。在“04”号界面上，“手机主叫”字样闪烁，并且等待手机拨号。第三步：用手机拨号。当手机与试验箱接续成功的瞬间，会从手机上听到一声鸣叫，同时工作界面切换到“03”号界面上。在界面03上，显示手机拨号号码。这时

14、对手机讲话可以听见延时后的回声。 4、挂机操作 当手机与GSM试验箱之间通话完毕需要挂机时，在“03”号界面上，按“基站挂机”键时，则试验箱回到主界面（同步模式），同时手机挂机；当按“手机挂机”键时，需要手机按“挂机”键，才能使GSM试验箱回到主界面。 注：直接按手机“挂机”键亦可进行挂机操作。 5、频谱实时测量操作第一步：如1.4.2中操作，等待手机入网成功。第二步：如1.4.3中操作（基站主叫、手机主叫均可），实现手机与试验箱之间的通信。第三步：在通话状态（如界面03所示）下，用旋转编码器选中“频谱检测”项目并按下旋转编码器确认，则进入频谱测模式（如界面05所示），在此界面上显示GSM试验

15、箱接收信号的频谱（手机发射频谱）。 如果想对“触发”模式进行设置，则按“返回”键，进入“06号”界面。 在“06”号界面上，可以对“触发”模式进行设置，设置完成按“开始”键，开始测量。如果设置为单步，则每按一次“开始”键测量一次，并保持测量结果。如果设置为“连续”，则一直测量，并刷新测量结果。按“返回”键回到“03”号界面。 如果项对“旋钮”，“标记”和“RBW”进行设置，按“更多设置（1/2）”键，进入频谱设置界面2（如界面07所示）。 （1）“旋钮”设置为“光标”时，可对处于反白的项目（如“信道”，“频率”，“功率控制”和“平均”）进行设置；设置为“标记”时，可在所测的频谱曲线上滑动光标，

16、左边的“标记”显示光标所对应的幅值。 （2）“标记”设置为“粗调”时，光标步进6kHz；设置为“细调”时，光标步进1kHz。（3）“RBW”设置为“30kHz”，则测得的频谱很光滑（如界面0507所示）；如果将“RBW”设置为“10kHz”，则测得的频谱上有噪声，如界面08所示。6、编辑码操作在界面01中，按“模式”键切换到异步工作模式下，进入编解码状态（如界面09所示）。 在此界面下可以进行编解码试验，此时，只有中央控制单元和人机接口单元在工作。在编解码模式下可以模拟广播控制信道（BCCH），独立专用控制信道（SDCCH），慢速随路控制信道（SACCH）和快速随路控制信道（FACCH）的信道

17、编码过程，模拟信道传输过程（设置误码）以及信道解码过程。 （1）编码方法： 用旋转编码器选择输入码字，输入码字有五种，分别为：a. AA 60 98 00 40 54 4C 44 46 C5 44 64 54 4C 44 46 C5 44 00 83 00 00 D4b. C0 00 B0 A0 18 40 D4 D4 D4 D4 D4 D4 D4 D4 D4 D4 D4 D4 D4 D4 D4 D4 D4c. C0 00 B8 C0 A0 20 20 20 05 FC D4 D4 D4 D4 D4 D4 D4 D4 D4 D4 D4 D4 D4d. A0 00 C0 C0 80 D4 D4

18、D4 D4 D4 D4 D4 D4 D4 D4 D4 D4 D4 D4 D4 D4 D4 D4e. C0 00 90 C0 F0 D4 D4 D4 D4 D4 D4 D4 D4 D4 D4 D4 D4 D4 D4 D4 D4 D4 D4 每种码字均为184bit（用16进制表示）。其中： 第一种码字用于广播控制信道（BCCH）；第二、三种码字用于独立专用控制信道（SDCCH）；第四种码字用于慢速随路控制信道（SACCH）；第五种码字用于快速随路控制信道（FACCH）。当按“编码”键时，它们分别经过（224，184）法尔码编码，得到224bit的信息位，在224bit信息位后加4各尾比特0成为2

19、28bit。228bit经过（2，1，4）卷积码编码后形成456bit的码块。456bit经正交4度交织后形成4各突发序列子块（详见2.3节）。（2）信道传输当编码完成时，信道传输后的码字即为交织后的码字。用旋转编码器选中信道传输后的码字，则界面切换到数据更改界面“10”界面。在“10”界面上，用旋转编码器选择想修改的数据，按下旋转编码器，被选择的数据位闪烁；转动旋转编码器进行修改（在本试验箱中能将数据更改位“0”到“F”间任一值）；当修改好数据后，按旋转编码器进行确认；还可以接续进行其它数据的修改。按“返回”工作界面返回到“09”号界面，此时可以进行信道译码工作。注：对交织后的码字进行更改，

20、目的时模拟信道传输中引起的误码。 （3）译码 当更改好传输后的码字后，按下“译码”键，进行译码。如界面11所示。 进行信道的译码过程、方法与编码过程正好相反。当完成法尔码译码后，将说得的码字与输入的码字进行比较，如果完全一样，则在显示屏右下角显示“正确”字样；否则，显示“出错”字样。 在编解码模式下，按“模式”键，则返回同步工作状态。第二章 原理性试验试验一 调制与解调试验一、试验目的1、 了解正交调制与解调的基本原理。2、 了解GMSK调制与解调的基本原理及它们在GSM数字蜂窝移动通信中的应用。二、试验器材1、 频谱仪（选配）2、 数字存储式示波器（60MHz以上）3、 GSM移动通信试验箱

21、三、试验原理1、 正交调制与解调的基本原理所谓正交调制就是将基带信号通过正交调制器调制到高频载波上的过程。正交调制器的构成框图如图211所示。Cos(2ft)X(t)调制波Y(t)-Sin(2)图211 正交调制器X和Y分别为同相调制分量与正交调制分量，是基带波形数据，它们分别与载波f的同相分量Cos(2)和正交分量-Sin(2)进行混频，再相加得到调制波，完成将基带调制到载波的过程。所谓正交解调就是将接收信号提供正交解调器调出同相和正交的基带波形的过程。正交解调器的框图如图212所示。XX（t）LPF同相分量I载波CosS(t)90移相正交分量Q-SinLPFYY(t)图212 正交解调器设

22、S（t）Cos(),为载波角频率，为附加相位函数（包含信息）。如图，信号与载波的同相分量相乘，则有： X(t)=Cos()*Cos=1/2Cos()+1/2Cos()=1/2Cos(2)+1/2Cos(t)经低通滤波后，滤除高频成分，则得到同相分量载波X(t)=1/2Cos(t)。同时信号与载波的正交分量相乘，则有： Y(t)=Cos()*(-Sin) =-1/2Sin(2)+1/2*Sin(t)经低通滤波后，滤除高频成分，则得到正交分量载波Y（t）=1/2Cos(t)。2、 GSM试验箱中所使用的正交调制和解调（1）调制部分GSM试验箱的发射系统中的U1是一种集成的射频I/Q正交调制器，它将

23、基带送来的I/Q信号直接调制到射频上。它的载波工作范围为0.8G-2.5G。正交调制器的内部框图如图213所示：如框图所示，LOIN和LOIP是本振的差分输入端（在GSM试验箱中，本振即为发射载波）。相位分离器1（PHASE SPLITT1）是将本振信号分成同相各正交两路，相位分离器2（PHASE SPLITT2）是增加相位分离器1的正交精度；经过缓冲放大后分别接到混频输入端（基极），作为载波信号；基带输入信号分别是四个V-TO-I单元（电压到电流转换器）相连，将输入的电压转换成电流，作为调制器的基带调制信号。两个混频器的输出均连到0TO-S单元（双端到单端转换），最终从VOUT输出已调波。（

24、2）解调部分在GSM试验箱的接收系统中的U8是一种正交解调器，它的射频工作频率高达500MHz，中频工作频率范围为400kHz到12MHz，它包含一个混频器，中频放大器，I/O解调器，锁相正交振荡器和一个偏置系统。正交解调器的内部框图如图214所示。在本试验中只用到框图214所示的右上角一小部分功能，即正交解调部分，它由一个频率可变的正交振荡器（VFQO），两个解调器和两个截至频率为2MHz的低通滤波器组成。GMSK已调波经混频器混频得到1MHz的中频信号，该信号经滤波、放大等处理后由U8的DMIP端输入。13MHz的整机时钟经13分频后得到1MHz的脉冲波作为参考信号。VFQO的相位锁定到该

25、参考信号上，产生同相和正交的载波。该载波与DMIP输入信号分别作用于两个解调器；解调器输出的信号经截至频率为2MHz的低通滤波器滤波后由U8的IOUT、QOUT端输出。设从DMIP输入的信号为S(t)=Acos() S S虽然输入信号于本振均为1MHz，但本振并没有锁定到输入信号，存在相差，所以用表示各自的角频率。经同相和正交解调后，从IOUT和QOUT得到的信号分别为X和Y，其中 X Y其中，a经信道传输后，信号波形都有一定程度的失真。如果失真严重，经信道解码后不一定能将错误都排除掉。3、 GMSK调制与解调基本原理和性能所谓高斯滤波最小移频键控（GMSK）就是将高斯滤波器作调制前基带滤波器

26、，将基带信号成形为高斯脉冲再进行最小移频键控（MSK）的调制方式。GMSK调制方式能满足移动通信环境对邻道干扰的严格要求，它以其良好的性能而被泛欧数字蜂窝移动通信系统（GSM）所采用。下面我们将讨论GMSK的基本原理，性能及调制解调的实现。（1） GMSK基本原理和性能GMSK调制原理如图215所示。调制器输出已调波的频谱由前置滤波器的特性来控制，为了使输出频谱密集，前置滤波器必须具有以下特征：A、窄带和尖锐的截至特性，以抑制FM调制器输入信号中的高频分量；B、脉冲响应过冲量小，以防止FM调制器瞬时频偏过大；C、保持滤波器输出脉冲响应曲线下的面积对应于/2的相移，以使调制指数为1/2。前置滤波

27、器以高斯型最能满足上述条件，这也是高斯滤波最小移频键控（GMSK）的由来。GMSK已调信号 频率调制器（VCO）非归零数据高斯低通滤波器Cos()图215 GMSK调制器原理框图实现GMSK调制的关键斯高斯低通滤波器的设计。其单位冲击响应为 H(f)exp(-f)传输函数为 h(t)=exp-(t/) 式中,是与滤波器3dB带宽B有关的参数它们之间的关系为： 0.5887如果输入为双极性不归零矩形脉冲序列s(t):s(t)=,a=1其中，T为码元间隔。高斯预调制滤波器的输出为 x(t)=s(t)*h(t)= 式中，g(t)为高斯预调制滤波器的脉冲响应： g(t)=b(t)*h(t)=1/TX(

28、t)加于压控振荡器，直接调频后即得GMSK信号。 SACOS（t+(t)）而附加的相位函数(t)为(t)=K=K =由上式可以看出，已调信号的相位路径取决于高斯滤波器输出脉冲的形状，或者说在一个码元内已调波相位变化值取决于其内脉冲的面积。由于脉冲宽度大于T，即相邻脉冲脉冲间有重叠，因此在决定一个码元内脉冲面积时要考虑相邻码元的影响。为了简便，可考虑脉冲宽度为3T，那么在连续三个码元不同情况下的相位路径，可由如下规则决定：A、一个码元内相位变化增加还是减少取决于这个码元脉冲波形叠加后面积的正负性。若面积为正，则相位增加；反之，则相位减小。B、一个码元内相位变化值取决于这个码元内叠加后的脉冲面积大

29、小。当相邻三个码元为1，1，1时，则一个码元内相位增加/2；当相邻三个码元为1，1，1时，则一个码元内相位减少/2；在其他码元情况下，由于正负极性的抵消，叠加后脉冲波形面积小于上述两种情况，即相位变化值小于/2或-/2。在考虑连续三个码元不同图案下的附加相位增量如表21所示。输入码元图案1111 1 11 1 11 1 11 1 1111附加相位增量0/4/20/4/2表21 不同码序列的附加相位增量图216显示了但输入数据为1、1、1、1时的MSK和GMSK信号的相位路径，由图可见GMSK信号再码元转换时刻其信号相位不仅时连续的，而且时平滑的。这样就确保了GMSK信号比MSK信号具有跟优良的

30、频谱特性。MSK 1 2 3 4 t/TGMSK图216 MSK和GMSK信号的相位路径（2）GMSK信号的产生产生GMSK信号的最简单的方法是采用图215所示的锁相环调制。事实上，这种方法需要VCO进度很高，否则调制指数（波特速率与频率偏置之比）很难精确保持，在接收端不能进行同步检波。因此这种方法较少使用。在实际中，大多数采用先对基带信号进行波形变换、再正交调制的方法产生GMSK信号，即用数字电路处理基带波形，其输出经D/A转换后去驱动正交调制器。其电路框图如图217所示。数据D/A转换运算电路cost发送数据波形数据ROM运算电路D/A转换-sint图217 GMSK信号的产生方法图中的运

31、算电路相当于图21所示的高斯滤波器的脉冲响应，加上由于前后比特引起的码间干扰，就可以获得基带波形。对于GMSK滤波器产生的码间干扰可考虑为当前传送的1bit与其前后各自送2bit，即5bit图案响应波形预先预存入ROM中，使用时从ROM中取出送入运算电路中进行处理即可。3、GMSK信号解调GMSK信号可采用同步检波、频率检波与时延检波等来进行解调，但由于衰落引起接收信号相位的波动，因此，一般宜采用频率检波和时延检波的解调方式来进行解调。A、频率检波：频率检波器是由输出瞬时角频率的限幅鉴频器与低通滤波器等构成。低通滤波器的输出电压信号分量可表示为：V（t）=式中，G（t）是低通滤波器对g(t)的

32、响应，g(t)是滤波器的输入脉冲信号，在23比特时出现码间干扰，因此，如果进行原样码判决，误码率特性就会变坏。为此采用判决反馈，即反馈以前的判决结果，按照下式对来自以前n比特码间干扰进行补偿，然后进行码判决。这种检波器称为采用判决反馈的频率检波解调器，如图212所示。（t）=V(t)采样W(t)g(t)判决接收波滤波器限幅鉴频器系数TTT图218 采用判决反馈的频率检波解调器若正确判决以前的数据，就可以完全消除码间干扰，码判决规则为： B、时延检波：时延检波是用1个码元的检波器输入信号的相位差，进行码判决的解调方式。它分为IF频带时延检波、基带时延检波、限幅鉴频时延检波和相位时延检波4种类型。

33、（a） IF频带时延检波（如图219（a）所示）：IF频带时延检波接收信号波形与其时延波形相乘，用滤波器滤除载波频率中心的2倍载波频率分量。延迟线采用移位寄存器，它对输入信号进行高速采样，由移位寄存器延迟1个符号的时间。码判决t时，检波器输入信号r可表示为：r（X）式中为相位调制，x及y分别表示热噪声时的同相分量及正交分量，R为调制波与热噪声之和的包络，为噪声引起的相位波动：。时延检波器输出为：I=cos,Q=sin式中（）（）表示发送2比特数据时相对应的信号相位差。由I与Q可求得tan(Q/I).根据相位平面上的码判决法则有： （）I和Q输出的极性与2比特发送数据a和b的正负一致，因此，也可

34、以按照下式那样进行正负判决：GMSK是2值调制，因此，宜采用1比特时延检波。正弦时延检波的输出特性与发送数据a的正负一致，因此，可根据正弦时延检波进行码判决。若BT（低通滤波器归一化的3dB带宽）变小，由于码间干扰的影响使时隙变窄，则误码率特性变坏。这时，宜采用利用2比特间相位差为0或者的2比特余弦时延检波。（b）基带时延检波(如图219（b）所示)：用IF频带的接收信号跟中心频率一致的本振信号cos2进行准同步检波，获得基带分量i=cosq=sin式中为任意相位。由下式可求得I与Q：与IF频带时延检波一样，由上式进行码判决，这种方式适用于数字信号处理。 （c）限幅鉴频时延检波（如图219（c

35、）所示）：如果对瞬时角频率进行积分，则获得相位差，采样限幅鉴频器与积分时间为T的积分滤波器，求得I码元间相位变化，进行码判决的检波就是限幅鉴频时延检波。限幅鉴频输出经常产生卡塔噪声，因此，积分滤波器输出为：式中，N（）为1符号区间产生的卡塔噪声数。因此，若采用限幅鉴频，则产生2弧度整数倍的跳跃，根据的运算就能消除卡塔噪声的影响，求得与IF频带时延检波和基带时延检波一样的，并进行码判决。 （d）相位时延检波（如图219（d）所示）：IF频带时延检波使根据IF频带的时延乘积运算求得、，而基带时延检波使根据正交坐标表示的基带运算求得和，由采用限幅鉴频器瞬时角频率的积分求得。对于相位时延检波，首先要求

36、得与中心频率一致的基准信号cos(2()的相位差。采样点的可表示为：因为恒定，若求得与I符号前时刻的相位差的差值，则得： 因此，可以得到与一致的相位差。采用同步检波的载波恢复过程的相位时延检波成为ACT（Adaptive Carrier Tracking）检波。由上述可知，基准信号的频率与调制波的载波频率一致。若频率偏移为，则时延检波输出为2时则截止，因此，码判决时易出错。采样滤波器正负判 决时钟1符号延时IF信号P/S正负判 决滤波器（a）IF频带时延检波采样正负判 决IIiQ=t=t时钟P/SIF信号本振信号Q正负判 决(b) 基带时延检波积分滤波器限幅鉴频IF信号 （）恢复数据（c）限幅

37、鉴频时延检波采样相位检波IF信号T本振信号 （）恢复数据（d）相位时延检波图219 时延检波器的构成3、 GSM试验箱中所使用的GSM信号调制与解调GSM试验箱中的基带部分使用了一片BU8，用来完成发射部分的GMSK调制和接收部分的采样和保持。（1）GMSK调制BU8中的GMSK调制框图如图210所示。四阶贝塞尔低通滤波器I_TX10bit D/AGMSK PULSESHAPING ROMTxDATAQ_TX四阶贝塞尔低通滤波器10bit D/A图2110 BU8内部GMSK调制框图 GMSK PULSE SHAPING ROM单元功能框图如图2111所示。Cos函数查找表10bit积分器高斯

38、滤波器差分编码器TxDATASin函数查找表图2111 GMSK PULSE SHAPING ROM单元功能框图可预制的高斯基带滤波器的归一化带宽0.3（B是高斯滤波器的3dB带宽，T为码元长度），数据传输速率为270.833kbit/s。它的工作原理如下：经信道的编码后的数据流在时钟TX-CK的作用下，输入进电路。发射数据流在电路中首先进行差分编码（编码格式如表22所示），编码后的码流经过高斯滤波器得到每个码元的冲击响应，经积分器得到每个码元内实际的脉冲面积；以16倍的发射数据速率（即16270.833kbit/s）采样查Cos函数表和Sin函数表，产生各10bit的同向和正交数据I_DAT

39、A和Q_DATA，此数据代表的是调制信号的相位；I_DATA和Q_DATA分别送往D/A转换器（精度为10位），由D/A转换器将数字信号变成模拟信号，然后经过四阶贝塞尔低通滤波器（低通滤波器的截至频率为300KHz），对D/A转换输出的信号进行平滑，从I_TX和Q_TX输出模拟基带信号波形。该模拟基带信号经差分形成电路形成差分I、Q信号。最后，I、Q信号在正交调制器中用正交调制的方法经上变频后相加得到GMSK信号。Differemtially Encoded Data00+101-110-111+1（2）GMSK解调GMSK解调方案采用前面介绍过的基带时延检波法。它共有三部分，第一部分是正交调

40、制，第二步分为采样，第三部分恢复数据。第一部分已在正交调制与解调中讲过；第二部分是利用BU8中的接收部分实现采样、量化；第三部分由DSP用团见完成数据恢复。这里只介绍第二部分和第三部分。1、 采样部分工作原理如下：采样部分的系统框图如图212所示。I CHANNELDIGITAL FIR FILTEROFFSET REGISTERRECEIVECHANNELSERIALINTERFACEI_RxSWITCH-CAPFILTER- MODULATORQ_RxI CHANNELDIGITAL FIR FILTEROFFSET REGISTER- MODULATORSWITCH-CAPFILTER图

41、2112 BU8内部接收部分框图其中，调制器是一个A/D转换器，将从I_RX和Q_RX输入的模拟信号经采样量化成12bit的数据流，并且将量化噪声移出有用带之外。数字滤波器的截至频率为122kHz，能有效的滤除带外噪声。偏移量寄存器对经信道传输后的失真信号进行校正。2、 经过正交解调器解调除的I、Q信号分别到达BU8的I_RX和Q_RX端，在BU8中进行采样，量化得到12bit的I和Q数据流。此数据流在接收同步（BFRO）和接收时钟（BCRO）的作用下，经接口电路串行地从RxDATA端输出到达BU1（DSP）地BDRO端， 在BU1中完成GMSK解调的剩余工作。数据恢复部分的原理如下：如图21

42、9（b）所示，在Q通道中，用算式Q=q来获得前后码元之间相位差的正弦函数值；在I通道用I=来获得前后码元相位差的余弦函数值。下面说明是如何获得的。在正交解调器中得到的同相和正交分量分别为：X=aCos(t)+tY=aSin(t)+t因为同相和正交分量是平衡的且我们只考虑相位，所以设a=1,则有Q=q=SinCos -CosSin =Sin+Sin-Sin+1/2Sin=Sin+ t是一个码元的传输时间，为定值。而为载波和本振的误差，是极小的，所以后一项可以省略，则Q=Sin(=为前后码元的相位差)，同样可得I=Cos。因为正弦时延检波的输出极性与发送数据a的正负一致，所以采用正交通道的相位差函

43、数Q=Sin来进行正负判决。 假设判决准则如下:b = 即当Sin时，前一个码元为1；当Sin0时，前一个码元为-1，进行数据恢复。假设的判决准则的极性正确与否，是由后面信道解码后恢复的训练序列的极性来决定的。当正确时，则说明极性正确；若每位刚好为取反后的值，则说明极性反了，即判决准则因为Sin0，b;Sin0, b,此时将恢复的数据按位取反即可。四、试验内容1、 观察正交调制信号频谱。2、 构成经GMSK调制后的同相、正交分量和差分分量。3、 观察接收信号（手机发射信号）经正交解调后同相和正交分量，并与经GMSK调制后的同相和正交分量进行比较。五、试验步骤1、 观察正交调制信号频谱（1） 开

44、机，进入同步模式的工作界面，如界面01上述。（2） 通过旋转编码器选择所观察频谱的中心频率（也即四选择信道号），用频谱仪观察正交调制信号。（3） 间频谱仪的中心频率设置为接收信号的本振频率（显示屏欣赏的频率减去1MHz的中频），用带BNC偷的射频连接线间人机接口部分的射频输入/输出端（RF IN/OUT）与频谱仪的输入端相连，在频谱仪上观察道的频谱即为GMSK频谱。2、 观察经GMSK调制后的同相、正交分量和差分分量（1） 观察同相和正交分量发射信号经GMSK调制后的同相和正交分量之间的相位差为90度，用双踪存储式示波器同时观察同相和正交分量。测试点为IP_TX和QP_TX。测试方法为：使GS

45、M试验箱处于同步工作模式，用示波器探头同时测IP_TX和QP_TX。（2） 观察经差分电路后的差分分量同相分量形成的差分信号分别为IP_TX和IN_TX，它们的相位差为180度。正交分量形成的差分信号分别为QP_TX和QN_TX，她们的相位差也为180度。则四路信号之间的相位差分别为：IP_TX与IN_TX为180度IP_TX与QP_TX为90度IP_TX与QN_TX为270度；QP_TX与IN_TX为90度，QP_TX与QN_TX为180度；IN_TX与QN_TX为90度。IP_TX、IN_TX、QP_TX、QN_TX对应的测试点分别为IP_TX、IN_TX、QP_TX、QN_TX。测试方法

46、和使用设备均和前次试验一样。3、 观察接收信号经正交解调后同相和正交分量（1） 观察接收信号经正交解调后同相和正交分量。接收信号经正交解调后同相和正交分量之间的相位差应为90度，用双踪存储式示波器同时观察同相分量和正交分量。测试点为I_RX和Q_RX。测试方法为：使手机入网，并使手机与GSM试验箱之间处于通话状态，用示波器的探头同时测I_RX和Q_RX两个测试点。（2） 比较接收模拟基带信号和发射模拟基带信号。测试点为I_RX和IP_TX（或Q_RX和QP_TX）测试方法为：使手机入网，并使手机与GSM试验箱之间处于通话状态，用示波器的探头同时测I_RX和IP_TX两个测试点。注：各测试点的波

47、形参看附录2。试验二 频谱分析原理与试验一、试验目的1、 进一步掌握快速傅立叶变换（FFT）的原理。2、 了解快速傅立叶变换在频谱分析中的应用原理。3、 了解计算法频谱分析仪的构成原理。4、 了解GSM试验箱中频谱分析部分构成的原理。二、试验器材 1、GSM移动通信系统试验箱三、试验原理1、 快速傅立叶变化的基本原理快速傅立叶变换是快速计算DFT的算法的简称。对一个有限长序列，起傅立叶表示称为离散傅立叶变化（DFT），而一个周期序列的傅立叶表示称为DFS。对于周期序列的DFT可以从DFS中切出一个周期即是。一个长度为N的有限长序列x(n)（即在0的区间内x(n)有非零值，其他区域x(n)为零）

48、的离散傅立叶变换（DFT）的表示式为： （221）其中，W，x(n)为加权值（即每个分量的系数）在一般情况下，x(k)式一个复量，可表示为 或|X（k）|e （222）式中，X为实部，X为虚部， （223）将式（221）用矩阵表示X=W其中，XX(O),X(1),X(2),X(n-1) xx(O),x(1),x(2),x(n-1)W=由式（223）可以看出，计算一个X(k)值需要N此复乘法和（N-1）次复加法。因为k共有N各值，所以直接计算DFT，需要N次复乘法和N次复加法，当N取值很大时，直接计算DFT的计算量非常大。对W进行分析，可知W具有周期性和对称性，即：W 周期性 （224）（nk）

49、是nk的运算，上式也可表示为W（225） 对称性 （226）由此可知，在W与x(n)相乘过程中，存在着不必要的重复计算，避免这种重复，则是简化运算的关键。基于上述分析，可以将N电DFT运算分成为两组点的DFT运算，然后求和。其中一组取n为偶数，另一组取n为奇数（设N=2,M为正整数）。将式（221）重写如下X（k）=DFTx(n)= （227）以符号2r表示偶数n，2r+1表示奇数n，r的范围式0，1，则有X（k）= = =G(k)+W其中，W,G(k)= H(k)= （229）由G（k）和H（k）的重复性可知 G（，H（）H（k）同时，由由上式可得：其中，k=0,1，由此可以看出，由G（k）

50、和H（k）获得X（k）的过程中，共需N/2次复数乘法和N次复数减法，而当N2时，FFT的全部预算工作量为：复数乘法：次复数加法：NMNMInN次而原始的直接DFT方法需要 复数乘法：N次 复数加法：N（N-1）次当N较高时，FFT算法得到很客观的改善2、 利用FFT对信号进行频谱分析为了了解信号的特点，对信号进行频谱分析时相当重要的。所以谱分析就是计算信号的频谱，并由此计算出振幅谱，相位谱和功率谱。（1）谱分析中的参数选择设离散信号x(n)是从连续时间信号x(t)取样得到的，为此定义一些参数：T取样周期，单位为秒取样频率（Hz），1/T。连续时间信号的频率分辩间隔或称为分辩力，单位为Hz，它的

51、含义是对的振幅谱|取离散观察时，离散值的间隔不能大于F，故当两个频率之差大于F时，对所包含的这两个频率成分就可以分辩开。当x的振幅谱|曲线摆动比较大时，F就要取得小些，当|曲线比较平滑时，F就可取得大些。信号的最小记录长度（秒），。N一个记录长度的取样数。为了避免混迭失真，要求 （一般情况下为了避免过高，均将高频信号通过下变频变到低频段）。因此T应选择为T最小记录长度必须按所需要的分辩率来选择。由上式可以看出，高频容量和分辨率之间，在N不变的情况下，是不可兼顾的。在保持一个不便的情况下，增加高频容量或提高分辨率的唯一办法是增加在记录长度内的取样数N，如果和F都给定，N必须满足N.（3） 谱分析

52、步骤A、设待分析的信号为任意长度的连续时间信号，若已知信号的最高频率为，频率分辨率为F那么根据上式分别求出取样周期T，最小记录长度和取样点数N。因为要利用2为基的FFT算法，所以由上式计算得到的N不是2的整数倍，则应该增加N的值，使N等于2的整数幂。在一个记录长度中对取样，取样点数为N，于是得x(n)= 0B、用FFT计算频谱用FFT计算x(n)得频谱，即计算C、由频谱X(k)求振幅谱，相位谱和功率谱由上式可以求出振幅谱|X(k)|，相位谱，分别为3、计算法频谱仪得构成原理计算法频谱仪构成框图如图221所示A/DDSP显示记录LP模拟输入图221 计算法频谱仪构成框图它由数字采集、数字信号处理

53、、结构读出显示与记录三大部分组成。（1）、数据采集部分：数据采集部分由抗混低通滤波LP和模数转化ADC组成。如果被采样得模拟信号中所含最高频率为F,根据采样定理，应使采样频率F满足：F，数字分析仪得采样速度受ADC限制，因此在采样之前，应先用低通滤波器滤除被采样信号中高于F/2的频率分量。否则高于F/2的频率分量将以F/2频率点为对称，以折叠的形式混入低于F/2的频带区域，使频谱产生混迭误差。数据要考虑的另一个问题是采用同步采集以防止泄漏相象。对被截取的一段信号作频谱分析，其谱将是元信号的谱与矩形窗函数的谱卷积。窗函数的谱在n/T或-n/T(n0)频率处皆为零。若原信号也只是在n/T处由谱值，

54、则相卷积后，谱不变。这种情况相当于在T的截取长度内正好由整数个原信号周期。如果T与信号周期不成整数倍关系，则意味着周期信号的基波和各次谐波不在n/T的频率上，卷积后，各频率分量将泄漏到其他谱线位置上造成所谓泄漏误差，如图222所示。对于非周期信号，它的频谱是连续取值，因截取带来的泄漏不可避免，只能在进行频谱计算之前对采用序列进行窗函数加权，使泄漏现象得到改善。所采集数据的精度由二进制量化等级决定，这这样取决于ADC字长，常用的ADC字长为814倍。输入动态范围与数据二进制字长K的关系可由下式近似估计。D20log2当ADC字长为12倍时，输入部分的动态范围约为72dB,经运算后，可输出频谱的动

55、态达80dB以上。以正弦波采样为例，其不同条件下采样，获得的频谱如图222所示。 （a） 整周期采样，获得准确频谱（b） 非整周期采样，形成频谱泄漏现象（c）加窗后，边缘泄漏减少频谱顶部增宽图222 泄漏现象及其改善 （2）、数字信号处理（DSP）部分 该部分的核心为FFT运算，通过他进行包括频谱分析在内的各种运算。主要过程如图223所示：功率谱S振幅谱A相位谱频域平滑时域平均FFT图 223 FFT计算频谱过程样本序列的离散傅立叶变换由FFT实现，获得由实部X和虚部X构成的复函数谱，它包含了相位谱和振幅谱信息： SX A通过平滑与平均，可以提供谱的质量，频率轴方向的平滑可减少频谱中的干扰成分，多张谱作总体平均用于减少平稳随机过程信号频谱的统计误差。（3）、结果显示输出4、GSM试验箱中频谱分析构成原理GSM试验箱中之所以要做频谱分析部分，是考虑到GSM无线接口协议中对临道干扰的规定。协议规定在200kHz处，谱功率应小于30dBm，在250kHz处谱功率应小于40dBm。通过观察功率谱，可以看出一个移动台的信号质量的好坏。从而判断移动台是否发生故障。GSM试验箱中频谱分析部分框图如图224所示。1MHzPJPWRA/D电平转换DSP系统显示比较器中断形成片选译码图224 GSM试验箱中频谱分析部分框图它的工作原理如下：接收信号经下变频后，经低通滤波器得