GSM通信系统实验

实验一GSM 通信系统实验

• 实验目的

通过这个实验，将正交调制和解调的单元实验串起来，让学生建立起来 GSM 通信系统的概念，

了解 GSM 通信系统的组成和特点。

• 实验内容
  1. 搭建 GSM 数据通信系统。
  2. 观察 GSM 通信系统各部分的信号。
• 基本原理

由于GSM它是一个全数字系统，声音和不同速率数据的传输应该是数字化的。需要几个连续的过程来将源数据转换为最终信号并通过无线电波发射。相反，原始数据需要通过一系列过程才能在接收端重现。下面我们主要描述数据传输过程。

信源端的主要工作有：

1. 信道编码

信道编码用于提高传输质量，克服各种干扰因素对信号的不利影响，但以增加比特和降低信息量为代价。

信道编码的基本原理是在原始数据上添加一些冗余比特信息，这些比特是通过一些协议从成熟数据中计算出来的。这些冗余比特用于检测误码，并尽可能纠正误码。如果收到的数据通过相同的计算获得的冗余比与收到的不同，我们可以确定传输是错误的。在无线传输中，根据传输方式的不同，使用了不同的码型。

GSM 使用的编码方法主要包括块卷积码、纠错循环码和奇偶码。块卷积码主要用于纠正错误。当解调器采用最大的似然估计方法时，可以产生非常有效的纠错结果。纠错循环码主要用于检测和纠正组中的错误代码，通常与块卷积码混合，以捕捉和纠正遗漏组中的错误。奇偶码是检测错误代码最简单的方法。

2.交织

比特错误通常发生在移动通信中的变参信道上。这是由于持续较长的深衰落谷点会影响到相继一串的比特。然而，信道编码只有在检测和纠正单个错误和不太长的错误串时才有效。为了解决这个问题，我希望找到一种方法来将消息中的比特分开，即消息的比特以非连续的方式发送，使突然的错误信道变成离散信道。这样，即使出现差错，也仅是单个或者很短的比特出现错误，也不会导致整个突发脉冲甚至消息块都无法被解码，这时可再用信道编码的纠错功能来纠正差错，恢复原来的消息，这种方法就是交织技术。

3.调制

调制和解调是信号处理的最后一步。简单地说 GSM 使用的调制是 BT＝0.3 的 GMSK 调制速率为技术 270.833kbit/s，使用的是 Viterbi 解调算法。调制功能是按照一定的规则将某些特性强加到电磁波上，这是我们要发射的数据。GSM 系统中承载信息的是电磁场的相位，即调相。从发送的角度来看，首先完成二进制数据到低频调制信号的转换，然后进一步将其转换为电磁波。

接收端通过解调、解交织、信道译码等一系列反过程重现原始数据。

• 实验原理
  1. 实验模块简介 

GSM 系统联调实验需多台实验箱共同完成，一台实验箱作发射用，其余所有实验箱作接收用。 

发射用实验箱需用到基带成形模块、IQ 调制解调模块、信道编码模块及信源模块。 

接收用实验箱需用到 IQ 调制解调模块、PSK 载波恢复模块、MSK/GMSK 非相干解调模块、码元再生模块、信道译码模块及信源模块。 

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。 

1. 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。 

1. 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。 

1. 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。 

1. 信道编码及交织模块：本模块主要功能：产生 PN31 伪随机序列作为信源，并进行（2，1，4）卷积编码，然后可选择有无块交织，再加上帧同步信号组成成帧数据后输出，输出的码可以选择有无差错、随机差错或突发差错。 
   1. MSK、GMSK 非相干数字解调模块： 

本模块主要功能：输入非相干解调 IQ 基带信号，A/D 采样后，用数学运算方法完成

MSK 及 GMSK 信号解调。 

1. 信源编码模块： 

本模块主要功能：音频信号放大、音频信号 CVSD 编译码及射频信号发射、接收。 

1. 实验系统组成框图 

 

图 1-1  GSM 系统组成框图 

 

 图 1-2  MSK 调制实验框图 

MSK 调制实验框图如图 1-2 所示，基带成形模块产生的 PN 码（由 PN31 端输出）输入到串并转换电路中（由 NRZ-IN 端输入）进行差分编码，然后进行串并转换，串并转换后 I 路直接输出，Q 路经半个码元延迟后输出，输出的 IQ 两路数字基带信号，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 DSB 调制，然后相加形成 MSK 调制信号，经放大后输出。MSK 已调信号载波为 10.7MHz，是由 21.4MHz 本振源经正交分频产生。 

 

图 1-3  MSK 解调实验框图 

MSK 解调实验框图如图 1-3 所示。MSK 已调信号送入 IQ 调制解调模块中的 IQ 解调电路分别进行 DSB 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整形及抽样判决，转换为数字信元后再进行并串转换，经差分译码后输出。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 两路抽样判决的位同步信号相差半个码元。 

    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。 

 

图 1-4  MSK 非相干数字解调实验框图 

MSK 非相干数字解调实验框图如图 1-4 所示，MSK 已调信号送入 IQ 调制解调模块中的 IQ 解调电路分别进行解调，载波由 PSK 载波恢复模块中的压控载波源提供，该载波标称频率为 21.4MHz，与 IQ 调制模块相同，该载波经正交分频产生同相及正交载波用于解调。解调输出的 IQ 两路模拟基带信号送入 MSK/GMSK 非相干解调模块中，分别经 A/D 采样后（采样频率等于码元速率，即16K），送入单片机中完成如下运算：，对信号进行过零判决即可完成解调。由于基带成形模块和 MSK/GMSK 非相干解调模块分别使用不同的时钟源，存在频率及相位偏差，因此对信号进行判决时，还需根据判决结果调整 A/D 采样时刻，使判决出的码元信号与发端码元信号相位锁定。

 

运算式 成立，要求发端与收端的载波频率偏差必须足够小，

 

因此在实验中需调整收端载波源频率，即调整 PSK 载波恢复模块上的压控载波源的频率，使收发端载波频率偏差满足要求。 

五、实验步骤 

（一）MSK 调制及解调实验 

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）、MSK、GMSK 非相干解调模块（以下简称非相干解调模块）、码元再生模块（以下简称再生模块）和 PSK 载波恢复模块。 
2. MSK 调制实验。 

1. 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	将基带成型后的 I 路信号进行调制
基带模块：Q-OUT	IQ 模块：Q-IN	将基带成型后的 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。 

1. 按基带成形模块上“选择”键，选择 MSK 模式（MSK 指示灯亮）。 
2. 用示波器对比观察“NRZ-IN”和“NRZ-OUT”信号，写出差分编码规则。 

【信号波形】 

 

     “NRZ-IN”和“NRZ-OUT”信号对比

波形分析：

假设图中最中间虚线箭头处是一个周期的起点，用1表示高电平，0表示低电平，则“NRZ-IN”（黄色波形）在一个周期内的编码为11010111001001101。“NRZ-OUT”（蓝色波形）的编码为01001101011……，从“NRZ-IN”的第2位开始分析，可以观察出本位与下一位的同或可以得到“NRZ-OUT”的编码，所以差分编码规则为同或。

1. 用示波器观察基带模块上“NRZ-I”及“NRZ-Q”测试点，并分别与“NRZ-OUT”测试点的信号进行对比，观察串并转换情况。 

【信号波形】

 

 

“NRZ-I”与“NRZ-OUT”波形	“NRZ-Q”与“NRZ-OUT”波形

【波形分析】

以图中方框标记为起点，“NRZ-I”的波形编码为1011110001001101，“NRZ-Q”的波形编码为00111011，“NRZ-OUT”的波形编码为10000111110011011，可以发现经过串并转换后，“NRZ-I”对应奇数位置的码元，“NRZ-Q”对应奇数位置的码元。 

1. 用示波器观测基带模块上“I-OUT”和“Q-OUT”点信号，并分别与“NRZ-I”、“NRZ-Q” 对比，说明 MSK 信号成形规则。 

【波形输出】

 

 

“NRZ-I”和“I-OUT”波形	“NRZ-Q”和“Q-OUT”波形

【波形分析】

MSK调制是一种改变波载频率来传输信息的调制技术，由上图（蓝色波形图）可知，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数据相同，数据第一次保持时，输出的成形信号不变，从第二次保持开始，输出的成形信号与前一信号相反(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，数据第一次跳变时，输出的成形信号与前一信号相反，发生跳变。从数据第二次跳变开始，输出的成形信号不变(如果前一数据对应波形1，那么当前数据仍对应波形1)。

f、用频谱分析仪观测调制后 MSK 信号频谱（可用数字示波器上 FFT 功能替代观测），

观测点为 IQ 模块调制单元的“输出”端（TP4） 

【信号波形】

 

调制后 MSK 信号频谱图

1. MSK 相干解调实验。 
   1. 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。 

1. 1. 示波器探头分别接 IQ 解调单元上的“I-OUT”及“Q-OUT”端，观察解调后的波形。 

【信号波形】

 

 

 I-OUT输出波形图                 Q-OUT”两端波形     

1. 1. 对比解调前后 I 路信号示波器探头分别接 IQ 模块的“I-OUT”端及“I-IN”端，注意观察两者是否一致。（若一致表示解调正确，若不一致则可能是载波相位不对，可按 IQ 模块复位键 S1 复位或重新开关该模块电源复位。)

【信号波形】

IQ模块的“I-OUT”端及“I-IN”端两路码元图

由输入输出图像对比可知，解调正确。

d、对比观测解调前后 Q 路信号 

示波器探头分别接 IQ 模块的“Q-OUT”端及“Q-IN”端，注意观察两者是否一致。（若一致表示解调正确，若不一致则可能是载波相位不对，可将按 IQ 模块复位键 S1 复位或重新开关该模块电源复位。） 

【信号波形】

 

“Q-OUT”端及“Q-IN”端波形图

IQ 模块的“Q-OUT”端及“Q-IN”端两路码元如下图所示。由图可知，两者一致，只是在幅度上有一定衰减，解调正确。 

1. MSK 再生信号观察 
   1. 关闭实验箱总电源，保持步骤 2、3 中的连线不变，用台阶插座线完成如下连接： 

源端口	目的端口	连线说明
IQ 模块：I-OUT	再生模块：I-IN	将解调后的 I 路信号进行抽样判决
IQ 模块：Q-OUT	再生模块：Q-IN	将解调后的 Q 路信号进行抽样判决

* 检查连线是否正确，检查无误后打开电源。 

1. 1. 按再生模块上“选择”键，选择 MSK 模式（MSK 指示灯亮）。 
   2. 对比观测原始 NRZ 信号与再生后的 NRZ 信号，示波器探头分别接再生模块上“NRZ” 端和基带模块上“NRZ-IN”端，观察两路码元是否一致。若一致表示解调正确，若不一致可回到步骤 2 重新实验。 

【信号波形】

 

NRZ”端和基带模块上“NRZ-IN”端两路码元波形图

由输入输出图像对比可知，两路码元一致，但有一定延迟，表示解调正确。

6、 MSK 非相干解调实验 

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	基带成形后的 I 路信号输入
基带模块：Q-OUT	IQ 模块：Q-IN	基带成形后的 Q 路信号输入
IQ 模块：I-OUT	非相干解调模块：I-IN	非相干解调后的 I 路信号输入
IQ 模块：Q-OUT	非相干解调模块：Q-IN	非相干解调后的 Q 路信号输入

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)：输出（J2）	IQ 模块(IQ 调制单元)：输入（J3）
PSK 载波恢复：VCO-OUT（J1）	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。 

1. 按基带成形模块上“选择”键，选择 MSK(MSK 指示灯亮)。 
2. 示波器探头接 IQ 解调模块上的“I-OUT”及“Q-OUT”端，观察波形失真情况（此时为不稳定波形） 

【信号波形】

 

 

                               I-OUT”及“Q-OUT”端两路信号波形图

1. 将示波器探头分别接非相干解调模块的观测点“I”和“Q”，分别调节电位器“I 幅度”和“Q幅度”使两点信号峰峰值一致，约为 2.8V
2. 用示波器对比观测载波恢复模块上“VCO OUT”端和 IQ 模块载波单元的“输出”端的信号，调节载波恢复模块上“锁相”电位器，使二者频率一致。 

【信号波形】

 

“VCO OUT”端和 IQ 模块载波单元波形图

f、观测非相干解调波形 

示波器探头分别接非相干解调模块上“NRZ OUT”端和基带模块上“NRZ IN”端，观察两路码元是否一致（注意解调出的 NRZ 码比输入的 NRZ 码有延迟）。若一致表示解调正确，若不一致可回到步骤 b 重新实验。 

【信号波形】

 

非相干解调模块上“NRZ-OUT”端和基带模块上“NRZ-IN”端如上图所示，两路码元是一致的，只是在时间上存在延迟。

g、示波器探头分别接非相干解调模块上“NRZ-OUT”端和该模块上“”端，观察信号的特点及与 NRZ-OUT 信号的关联。 

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