現(xiàn)代通信技術(shù)實驗報告二

1、信息與通信工程學(xué)院現(xiàn)代通信技術(shù)實驗報告題目：微波通信與CDMA演示班級： 姓名： 學(xué)號： 序號： 日期：目錄實驗一 微波通信3一、實驗相關(guān)知識31、微波通信概述32、微波通信特點33、微波通信組成和原理44、微波通信技術(shù)的應(yīng)用55、微波通信的發(fā)展方向5二、實驗過程6三、實驗心得6實驗二 CDMA移動通信演示7一、實驗內(nèi)容7二、實驗過程71、對移動通信的思考72、移動通信系統(tǒng)架構(gòu)73、信道和頻點的觀察84、信令流程85、軟切換和硬切換106、其他實驗內(nèi)容11三、心得體會112實驗一 微波通信一、實驗相關(guān)知識1、微波通信概述微波通信技術(shù)問世已半個多世紀(jì)。早期的微波通信系統(tǒng)都是模擬制式的，其與當(dāng)時的

2、同軸電纜載波傳輸系統(tǒng)同為通信網(wǎng)長途傳輸干線的重要傳輸手段，例如我國城市間的電視節(jié)目傳輸主要依靠的就是微波傳輸。 我國的微波通信是從20世紀(jì)50年代開始的。1956年北京保定建立了國內(nèi)第一條微波接力線路；70年代中期全國已建成數(shù)萬千米的微波接力線路，聯(lián)通了國內(nèi)絕大多數(shù)省、市、自治區(qū)。在此期間，還進行了散射通信與毫米波波導(dǎo)通信試驗并開始發(fā)展衛(wèi)星通信。70 年代后期，中國人民解放軍已裝備一定數(shù)量的裝備與戰(zhàn)術(shù)微波通信設(shè)備，建成了若干條對流層散射通信線路和數(shù)字衛(wèi)星通信線路，并將數(shù)字微波接力通信用于地域通信網(wǎng)中。80年代后期至90年代，充分利用現(xiàn)代微波通信技術(shù)的微波通信網(wǎng)路已具有相當(dāng)?shù)?/p>

3、規(guī)模并日臻完善。 近年來我國開發(fā)成功點對多點微波通信系統(tǒng)，其中心站采用全向天線向四周發(fā)射，在周圍50公里以內(nèi)，可以有多個點放置用戶站，從用戶站再分出多路電話分別接至各用戶使用。其總體容量有100線、500線和1000線等不同的容量的設(shè)備，每個用戶站可以分配十幾或數(shù)十個電話用戶，在必要時還可通過中繼站延伸至數(shù)百公里外的用戶使用。這種點對多點微波通信系統(tǒng)對于城市郊區(qū)、縣城至農(nóng)村村鎮(zhèn)或沿海島嶼的用戶、對分散的居民點也十分合用，較為經(jīng)濟。2、微波通信特點頻率范圍寬，通信容量大，傳播相對較穩(wěn)定，通信質(zhì)量高，采用高增益天線時可實現(xiàn)強方向性通信，抗干擾能力強，可實施點對點、一點對多點或廣播等形式的

4、通信聯(lián)絡(luò)。它是現(xiàn)代通信網(wǎng)的主要傳輸方式之一，也是空間通信的主要方式。微波通信還具有良好的抗災(zāi)性能，對水災(zāi)、風(fēng)災(zāi)以及地震等自然災(zāi)害信息預(yù)警報告，微波通信一般都不受影響。在同一微波電路上不能使用相同頻率于同一方向，因此微波電路必須在無線電管理部門的嚴(yán)格管理之下進行建設(shè)。此外由于微波直線傳播的特性，在電波波束方向上，不能有高樓阻擋，因此城市規(guī)劃部門要考慮城市空間微波通道的規(guī)劃，使之不受高樓的阻隔而影響通信。3、微波通信組成和原理3.1組成及各部分功能一個典型的微波通信系統(tǒng)通常由終端站，樞紐站，分路站，和若干個中繼站組成，長度在幾百公里甚至達(dá)一二千公里。其中終端站的作用是將數(shù)字復(fù)用設(shè)備送來的基帶信號或

5、從電視臺送來的。電視信號經(jīng)微波設(shè)備處理后由微機發(fā)信機發(fā)射給中繼站，同時將微波接收機接收到的信號經(jīng)微波設(shè)備處理后變成基帶信號送給數(shù)字復(fù)用設(shè)備。樞紐站處在微波通信線路的中間，處于有兩條以上微波通信線路匯接的城市，既可以進行本線路的用戶間信息交換，也可以與其他線路的用戶進行信息交流構(gòu)成通信網(wǎng)。分路站是為了適應(yīng)一些地方的小容量的信息交換而設(shè)置，這種站型一般很少設(shè)置。中繼站的作用是將信號進行再生、放大處理后，再轉(zhuǎn)發(fā)給下一個中繼站，以確保傳輸信號的質(zhì)量。一般來說，由于地球幽面的影響以及空間傳輸?shù)膿p耗，每隔50公里左右，就需要設(shè)置中繼站，將電波放大轉(zhuǎn)發(fā)而延伸，這種通信方式，也稱為微波中繼通信或微波接力通信。

6、長距離微波通信干線可經(jīng)過幾十次而傳至數(shù)千公里仍保持很高的通信質(zhì)量。3.2工作原理用戶設(shè)備把各種要傳輸?shù)男畔⒆儞Q成基帶信號或把基帶信號變換成原信息。多路復(fù)用設(shè)備可使多個用戶的信號共用一個傳輸信道。調(diào)制器把基帶信號調(diào)制到中頻（頻率一般為數(shù)十至數(shù)百兆赫）上，也可直接調(diào)制到射頻上。解調(diào)器的功能與調(diào)制器相反。上、下變頻器實現(xiàn)中頻信號與微波信號之間的頻率變換。高功率放大器把發(fā)射信號提高到足夠的電平，以滿足在信道中傳輸?shù)男枰?。百瓦以下的設(shè)備中，功率放大器采用固態(tài)微波功放；當(dāng)射頻輸出電平在百瓦以上直至數(shù)十千瓦時，通常采用行波管或速調(diào)管放大器。低噪聲放大器用于提高接收機的靈敏度，主要采用微波低噪聲場效應(yīng)管放大器

7、。天饋線設(shè)備是傳輸和輻射（或接收）射頻電磁波的裝置。微波通信天線一般為強方向性、高效率、高增益的反射面天線，常用的有拋物面天線、卡塞格倫天線等。饋線主要采用波導(dǎo)或同軸電纜。傳播媒介為視距空間、人造中繼轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)施（如人造衛(wèi)星）或大氣層中特定的氣象體（如湍流團）。除了與主信號流程有關(guān)的各部分外，在系統(tǒng)中還有其它一些部件和輔助電路，如：勤務(wù)、監(jiān)（遙）控、自檢、人-機對話和自動化操作等功能。軍用微波系統(tǒng)還具有獨立加密、專用抗干擾模塊等。4、微波通信技術(shù)的應(yīng)用 1干線光纖傳輸?shù)膫浞菁把a充   如點對點的SDH微波、PDH微波等。主要用于干線光纖傳輸系統(tǒng)在遇到自災(zāi)害時

8、的緊急修復(fù)，以及由于種種原因不適合使用光纖的地段和場合。    2農(nóng)村、海島等邊遠(yuǎn)地區(qū)和專用通信網(wǎng)中為用戶提供基本業(yè)務(wù)的場合    這些場合可以使用微波點對點、點對多點系統(tǒng)，微波頻段的無線用戶環(huán)路也屬于這一類。    3城市內(nèi)的短距離支線連接      如移動通信基站之間、基站控制器與基站之間的互連、局域網(wǎng)之間的無線聯(lián)網(wǎng)等環(huán)  的微波數(shù)字?jǐn)U頻系統(tǒng)。例如，基于IEEE802.11系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)

9、工作在微波頻段。  4 無線寬帶業(yè)務(wù)接入(如MDS)  無線寬帶業(yè)務(wù)接入以無線傳播手段來替代接入網(wǎng)的局部甚至全部，從而達(dá)到降低成本、該曬系統(tǒng)靈活性和擴展傳輸距離的目的。 多點分配業(yè)務(wù)(MDS)是一種固定無線接入技術(shù)，其包括運營商設(shè)置的主站和位于用戶處的子站，可提供數(shù)十MHZ的帶寬，該帶寬由所有用戶共享。MDS包括兩類業(yè)務(wù)：多信道多點分配業(yè)務(wù)（MMDS）和本地多點分配業(yè)務(wù)（LMDS）。5、微波通信的發(fā)展方向 1 提高QAM調(diào)制級數(shù)及嚴(yán)格限帶    為了提高頻譜利用率，一般多采用

10、多電平QAM調(diào)制技術(shù)，目前已達(dá)到256和512QAM，很快就可實現(xiàn)1024/2048QAM。與此同時，對信道濾波器的設(shè)計提出了極為嚴(yán)格的要求：在某些情況下，其余弦滾降系數(shù)應(yīng)低至0.1。現(xiàn)已可做到0.2左右。   2 網(wǎng)格編碼調(diào)制及維特比檢測技術(shù)    為降低系統(tǒng)誤碼率，必須采用復(fù)雜的糾錯編碼技術(shù)，但由此會導(dǎo)致頻帶利用率的下降。為了解決這個問題，可采用網(wǎng)格編碼調(diào)制（TCM）技術(shù)。采用TCM技術(shù)需利用維特比算法解碼。在高速數(shù)字信號傳輸中，應(yīng)用這種解碼算法難度較大。   3 自適應(yīng)

11、時域均衡技術(shù)     使用高性能、全數(shù)字化二維時域均衡技術(shù)減少碼間干擾、正交干擾及多徑衰落的影響。4 多載波并聯(lián)傳輸      多載波并聯(lián)傳輸可顯著降低發(fā)信碼元的速率，減少傳播色散的影響。運用雙載波并聯(lián)傳輸可使瞬斷率降低到原來的1/10。   5.   SDH新型數(shù)字微波通信技術(shù) SDH幀結(jié)構(gòu)中安排了豐富的開銷比特，因而使得網(wǎng)絡(luò)的OAM能力大大加強。由于SDH中的DXC和ADM等一類網(wǎng)元是智能化的，通過嵌入

12、的控制通路可以使部分網(wǎng)絡(luò)管理能力分配到網(wǎng)元，實現(xiàn)分布式管理，使新特性和新功能的開發(fā)變得比較容易。SDH網(wǎng)與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)能完全兼容，即可以兼容現(xiàn)有準(zhǔn)同步數(shù)字體系的各種速率，同時還能容納各種新的業(yè)務(wù)信號等等。  6 其它技術(shù)如多重空間分集接收、發(fā)信功放非線性預(yù)校正、自適應(yīng)正交極化干擾消除電路等。二、實驗過程本實驗數(shù)字微波通信系統(tǒng)為：34Mbit/s QPSK系統(tǒng) ,中頻頻率是70MHz，射頻頻率是6GHz。在實驗中信號不是直接發(fā)送出去，而且通過實體線路連接到接收方，通過信道衰減器模擬微波的遠(yuǎn)距離傳輸。實驗室有太頻譜儀雖然老，但是它能觀察到的頻譜范圍很寬

13、，能觀察到6GHz的頻譜。我們在頻譜儀上觀察了射頻的頻譜。三、實驗心得在實驗課的開頭，老師帶我們回憶了通信原理的框圖，信源編碼，信道編碼，調(diào)制，解調(diào)，信道解碼，信源解碼，線路碼，交織等等，幫助我們從整體框架上理解通信原理。老師指著微波站，介紹說這個微波站就是典型的通信原理框圖。實驗室的微波站是比較老式的，比較大，所以我們能看到微波站的各個部分和通信原理的框圖對應(yīng)的很好。通過對微波站各個部分的介紹，我們對通信原理的框圖有了感性的認(rèn)識。 老師還幫我們回顧了采樣，量化，編碼等。通信里面的定理并不多，比如香農(nóng)定理，奈奎斯特采樣定理等。奈奎斯特采樣定理架起了模擬信號與數(shù)學(xué)信號之間的橋梁，將信源

14、進行數(shù)字化，發(fā)揮了重大的作用。通過這次微波通信的實驗，我們對通信系統(tǒng)用了比較完整的了解，讓我們在通信原理里面學(xué)的理論知識在現(xiàn)實中有了對應(yīng)，理解了通原里的框圖在現(xiàn)實中是如何實現(xiàn)的。實驗二 CDMA移動通信演示一、實驗內(nèi)容本次實驗屬于演示實驗類別，意在向我們展示移動通信的全過程、信令流程以及切換過程，讓我們對移動通信有更加切身的體會。實驗內(nèi)容概要歸納如下：1. 對移動通信的思考與交流；2. 移動通信系統(tǒng)的組成介紹；3. 移動通信信道和頻點的測量與觀察；4. CDMA2000（2.5G系統(tǒng)）的演示，為實驗重點，演示內(nèi)容包括：a) 實驗基站的頻點與現(xiàn)在商用系統(tǒng)頻點測試與對比；b) 基站模擬監(jiān)視與管理平

15、臺的操作演示；c) 通話信令流程在監(jiān)視平臺的記錄，短信收發(fā)的信令流程記錄，通話業(yè)務(wù)信道占用與短信在控制信道和業(yè)務(wù)信道傳輸?shù)膶Ρ龋籨) 軟切換和硬切換的演示；e) 通話過程手機端發(fā)送信號強度變化的觀察。二、實驗過程下面對課堂實驗內(nèi)容進行總結(jié)與歸納，形成系統(tǒng)的理解框架，同時加入了個人對移動通信的一些理解和感受。1、對移動通信的思考移動通信的發(fā)展勢頭十分迅猛，老師意在引導(dǎo)我們從身邊的變化中去觀察和體會，不論是從通信展的絢麗的新技術(shù)與產(chǎn)品還是博物館歷史資料的陳列，都能感受到通信方式的進步和通信帶給社會的變化。我們這一代人已經(jīng)經(jīng)歷了2G到2.5G的大發(fā)展期，正在經(jīng)歷3G的擴展期，即將面對4G時代的到來，

16、將來還有更多的演變。關(guān)注通信，除了技術(shù)層面的學(xué)習(xí)與理解，更重要的是要有自己獨立的思考，要關(guān)注行業(yè)，關(guān)注整個通信的發(fā)展。我們的理解尚為粗淺，老師引導(dǎo)大家去思考，和大家一同討論，不求一統(tǒng)天下的觀點，而是每個人有獨立的見解。我們討論了3G市場定位與需求，討論了業(yè)務(wù)定價與消費者的傾向。2、移動通信系統(tǒng)架構(gòu)作為通信專業(yè)的學(xué)生，應(yīng)該對移動通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有一定的認(rèn)識，多門課程反復(fù)提到了系統(tǒng)結(jié)果，下面對GSM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)給出示意圖并作分析。如圖1所示。圖1. GSM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖GSM系統(tǒng)主要由移動臺（MS）、移動網(wǎng)子系統(tǒng)（NSS）、基站子系統(tǒng)（BSS）和操作支持子系統(tǒng)（OSS）四部分組成?；咀酉到y(tǒng)（BSS）在移

17、動臺（MS）和移動網(wǎng)子系統(tǒng)（NSS）之間提供和管理傳輸通路，特別是包括了MS與GSM系統(tǒng)的功能實體之間的無線接口管理。NSS是整個GSM系統(tǒng)的控制和交換中心，它負(fù)責(zé)所有與移動用戶有關(guān)的呼叫接續(xù)處理、移動性管理、用戶設(shè)備及保密性等功能，并提供GSM系統(tǒng)與其他網(wǎng)絡(luò)之間的連接。MS、BSS和NSS組成GSM系統(tǒng)的實體部分，操作支持子系統(tǒng)（OSS）則提供運營部門一種手段來控制和維護這些實際運行部分。3、信道和頻點的觀察實驗中使用NetTek分析儀對業(yè)務(wù)信道和控制信道進行了觀察?？梢郧逦乜吹缴逃镁W(wǎng)絡(luò)和實驗室網(wǎng)絡(luò)的信道直觀分布情況。同時可以觀察到突發(fā)的呼叫業(yè)務(wù)和短消息業(yè)務(wù)的持續(xù)脈沖（bursts）。4、

18、信令流程這是本次實驗演示的重點內(nèi)容之一。主要包括呼叫的信令流程和短消息的信令流程。下面分別予以總結(jié)。圖2所示為UE呼叫UE的總體流程圖。圖2. UE呼叫UE總體流程圖在基站模擬監(jiān)視平臺的可以觀察到具體的信令流程記錄。演示實驗中沒有截圖和拷貝日志，此處無法詳細(xì)說明觀察到的具體流程。短消息存在三種信令：1) MO（Mobile Originated ）移動臺發(fā)起的短消息業(yè)務(wù)；2) MT（Mobile Terminated ）移動臺終止的短消息業(yè)務(wù)；3) ALERT_SC（Alert Service Center ）短消息中心提醒。如圖3所示為MO消息流程圖。圖3. MO消息流程如圖4所示為MT消息

19、流程圖。圖4. MT消息流程圖以上是實驗中涉及的兩種重要的短消息流程的簡要總結(jié)。實驗中演示了短消息的兩種處理方式與信令流程，一是消息序列較長時，由于傳輸?shù)男畔⒘勘容^大，基站啟用了新的業(yè)務(wù)信道傳輸信息，但此過程十分短暫；二是消息序列很短時，基站并不啟用業(yè)務(wù)信道承載信息，而是直接在控制信道中發(fā)送信息給接收端，這樣利于節(jié)約信道資源，體現(xiàn)了通信中一貫的復(fù)用的思路。5、軟切換和硬切換此為本次演示實驗的核心內(nèi)容。下面對軟切換和硬切換作總結(jié)。CDMA系統(tǒng)由于采用碼分多址技術(shù)，在相鄰小區(qū)采用同頻，故可以有軟切換和硬切換兩種基本方式（演變的如更軟切換原理基本一致）。軟切換是指移動臺在從一個小區(qū)進入另一個小區(qū)時，

20、先建立與新基站的通信，直到接收到原基站信號低于一個門限值時再切斷與原基站的通信的切換方式。而硬切換則是移動臺在從一個小區(qū)進入另一個小區(qū)時，先斷掉與原基站的聯(lián)系，然后再尋找新進入的小區(qū)基站進行聯(lián)系的切換方式。軟切換一般情況下需要切換前后頻率一致，當(dāng)切換前后頻率不一致時，通常只有采用硬切換。硬切換斷開時間為幾百毫秒，在正常情況下人們無法感覺到，只是一旦手機因進入屏蔽區(qū)或信道繁忙而無法與新基站聯(lián)系時，就會產(chǎn)生掉話；而軟切換是在確保與新基站接入之后才切換，相對的掉話率會更小。如果遭遇將要切換的小區(qū)容量負(fù)荷達(dá)到極限時可能會掉話。CDMA自干擾系統(tǒng)容量可以在犧牲一定通話質(zhì)量的情況下動態(tài)擴容，因而掉話率比GSM時代硬切換小很多。切換過程中涉及到的基本原理是：手機和基站同時檢測信號的強度，可以手機主動發(fā)出切換請求或者由基站發(fā)出切換指令。手機端維持一個激活集，存放可用的基站和信道，當(dāng)在小區(qū)邊緣時，激活集一般有至少兩個元素。軟切換是在切換前同時維持和激活集中的基站的通信，完成切換時選擇新的基站，與原有基站斷開連接，這在演示中通過對手機端的檢測能清楚看到激活集的變化。硬切換時激活集中將有短暫的空白時間，即與先前的基站斷開，而新的基站還未接入。激活集中最多只有一個元素。實驗室空間有限，且不能與商用系統(tǒng)沖突，為了達(dá)到演示的效果，采用了變通的解決思路。基站分為三個扇區(qū)