移动通信系统组成及功能
实验一移动通信系统组成及功能
一、实验目的
1．了解移动通信系统的组成。
2．了解移动通信系统的基本功能。
3．了解基带话音的基本特点。
二、实验内容
1．按网络结构连接各设备，构成移动通信实验系统。
2．完成有线→有线、有线→无线及无线→有线呼叫接续，观察呼叫接续过程，熟悉移动通信系统的基本功能。
3．用双路无线综合测试仪(以下简称综测仪)及示波器观测空中传输的话音波形。三、基本原理
图1-1是与公用电话网(PSTN)相连的移动电话网方框图。各模块之间的信道，包括MS--BS的无线信道，到BS--MSC、MSC--EX、EX--TEL的有线信道都包含信令通道及话音通道。各段信令通道互连，逐段传输、转发信令，才能完成一次呼叫接续，最后在主、被呼用户间分配，建立一条逐段互连而成的话务信道，实现双方通话(以传输话音为例，亦可传数据等信息)。TACS模拟蜂窝移动通信系统移动台主呼接续过程如图1-2所示。GSM数字蜂窝移动通信系统的呼叫接续虽然复杂一些，但总体上是类似的。
图1-1 移动通信系统方框图
这样庞大复杂的系统无法放在实验桌上由同学自己动手做实验。将系统合理简化得到图1-3，它与图1-1实际系统在上述系统网络结构及功能等基本特征方面是完全一样的。
常用的移动通信系统主要有四类：蜂窝移动通信系统、集群移动通信系统、无绳电话系统及无线寻呼系统，它们的功能及应用场合各不相同，但它们的基本原理及技术是相同的。
移动通信的多址方式主要有FDMA、TDMA、CDMA三大类。FDMA系统一般为模拟移动通信制式，TDMA及CDMA为数字移动通信制式。FDMA发展早，已成功应用于各种
移动通信系统多年，目前在一些领域仍在广泛应用。数字移动通信是在模拟移动通信基础上发展、演化而来的，在网络组成、设备配置、系统功能和工作方式上二者都有许多相同之处。
图1-2 TACS蜂窝移动通信系统移动台主呼接续过程
图1-3 简化的移动通信系统方框图
基于上述原因，为了得到体积小巧、价格低廉、可放在实验桌上由学生动手操作的移动通信教学实验系统。在图1-3中，BS、MS实际选用基于FDMA技术、采用数字信令的CTI 无绳电话，EX选用小型程控交换机，TEL为有线电话。
为了测试上述小型移动通信系统无线部分的功能，采用了一台双路无线综合测试仪(SDT)，构成一套完整的移动通信教学实验系统，如图1-4所示。
这个系统具有二方面意义：
(1)实际使用的CTI无绳电话，其座机通过用户线接入公用电话网(PSTN)的交换机，则本系统是缩小的实际无绳电话系统。
图1-4 移动通信系统教学实验系统
(2)在网络基本结构、信令组成及多信道共用方式等主要技术上也是蜂窝移动通信系统及集群移动通信系统缩小的相似系统。
下面对图1-4各部分及本实验内容介绍如下：
1．CTl无绳电话
CTI无绳电话属于FDMA系统，数十个双工频道被全部无绳电话共用，采用话音模拟调频及数字信令技术。系统有一个基地台，即无绳电话座机，通过用户线接入电话网交换机；可带1到4部移动台，即无绳电话手机(每一时刻，只能有一部手机通话)。无绳电话是为方便有线电话用户而提出的，它将有线电话座机与通话手柄之间的电缆(绳)去掉，用无线信道代替之，通话手柄成为无绳电话手机。用户持无绳手机在以座机为中心的小范围内移动通话，十分方便。虽然从使用功能上看，无绳电话是有线电话的无线延伸，但其工作原理及使用的技术都属于移动通信范畴，CTI无绳电话及在其后发展起来的各种数字无绳电话组成无绳电话大家族，成为常用的四类移动通信系统之一。我国的CTI无绳电话技术标准、工作原理及手机使用方法见附录1。
2．程控交换机
本系统中程控交换机采用1拖4双绳路小型用户程控交换机，一条外线可接4部内部电话，任何1部电话都可呼叫外线电话或内部其它电话。本系统中不使用其外线端口，只使用内部4条用户线端口，其技术参数与使用方法与PSTN程控交换机相同，相当于4门PSTN程控交换机。
图1-5 小型程控交换机接线图
图1-5为小型程控交换机的接线图。四个用户线插座可连接四部电话(包括无绳电话座机)，插座下方号码为对应电话的号码。交换机由220V市电供电，通电后电源指示LED灯
连续闪烁，用户电话摘机后对应的LED指示灯亮。
3．双路无线综合测试仪
双路无线综合测试仪(以下简称综测仪)包含的电路模块很多，功能齐备，它既是测量仪器，又可作为被测量对象，其电路原理及使用方法详见附录2。
本实验用综测仪观测无绳电话发射在空中的话音波形，了解话音的特点。
4．移动通信教学实验系统的组成及功能
根据上面介绍的各设备原理，按照图1-4的布局放置设备，并连接系统，就构成了移动通信实验系统。本系统可实现以下呼叫通话功能：
(1)无绳手机呼叫有线电话(无线呼叫有线)；
(2)有线电话呼叫无绳手机(有线呼叫无线)；
(3)有线电话呼叫有线电话(有线呼叫有线)。
在同时满足以下两个条件时，主、被呼用户才可能建立话路，进入通话：
(1)被呼用户空闲；
(2)主、被呼用户之间至少有一条空闲路径。
由以上实验可了解移动通信系统的基本网络结构及功能。
另外，在手机与有线电话通话时，用示波器在综测仪上观测发射在空中的话音波形，可了解话音的基本特征。
话音是由发音器官中的声音激励源和口腔声道形状的不同而形成的。话音分为浊音和清音，浊音包括元音及浊辅音。浊音对应于声带振动，每个单词中至少包括1个浊音。
浊音，又称有声音。发浊音时声带在气流作用下准周期地闭合或开启，从而在声带中激励起准周期的声振动，形成浊音声波，如图1-6所示。图中Tp为基音周期，则基音频率fp=1/Tp。通常fp在70~300Hz范围内，则Tp=3~13ms．基音频率一般女声较高，男声较低。清音又称无声音。发清音时声带不振动，声道被气流冲击产生较小辐度的声波，其波形与噪声相似，清音信号没有准周期性。包括浊音及清音的话音能量主要集中在300-3400Hz频率范围内。
图1-6 浊音的准周期波形
5．二类移动通信教学实验系统
移动通信教学实验系统分为学生实验型及教师演示型二类。
5.1 学生实验型移动通信教学实验系统
学生做实验时，同一实验室内有许多组实验系统，相距很近，必须降低无绳电话的发射功率及接收机灵敏度，以减小电磁波作用范围，防止互相干扰。在此条件下，为了保证同一套实验系统内部接收信号足够强，能正常完成各实验，必须加强无线设备间的无线耦合：
①无绳座机BS的天线垂直竖立但不要拉出。综测仪BS测量收发信机天线放置在无绳
座机天线与座机外壳之间的缝隙中，使二者无线紧耦合。
②无绳手机MS的天线不要拉出。将综测仪MS测量收发信机天线的芯线与地线夹在一起后套在无绳手机天线上，使二者无线紧耦合。
5.2 教师演示型移动通信教学实验系统
教师演示型的无绳电话发射功率及接收灵敏度保持生产厂家出厂值不变。做实验时，无绳手机可在距无绳座机及综测仪1-3米范围内自由移动，方便教师演示。
四、实验步骤
1．按图1-4的布局放置设备并连接成系统：两部有线电话用户线插入交换机号码801、802的用户线插孔；无绳电话座机用户线插入交换机号码804的用户线插孔。这些号码就是各部电话对应的号码。将交换机、无绳电话座机及手机充电器都接通220V电源。无绳电话座机、手机及综测仪使用上次实验已经对好码的同一套系统或由教师实验前完成对码，使三者识别码及呼叫信道一致(对码步骤详见实验四的实验步骤1)。
2．有线电话1摘机，交换机上对应的LED指示灯亮，用户听拨号音。用户拨号呼叫有线电话2，有线电话2振铃，有线电话1听回铃。有线电话2摘机通话，通话完毕挂机，未挂机的一方听忙音。若有线电话2忙(已摘机)，则有线电话1摘机拨号后听忙音。若有线电话2用户线从交换机上拔下，有线电话1拨号后听回铃。
3．有线电话2拨号呼叫有线电话1，通话完毕挂机。
4．无绳手机按“通话”键摘机，听到拨号音后拨有线电话1或有线电话2的号码，有线电话振铃，无绳手机听回铃。有线电话摘机通话，通话完毕挂机(其中，无绳手机再按“通话”键或将手机放回充电器则挂机)。
5．有线电话摘机拨号呼叫无绳手机，手机振铃，有线电话听回铃。手机按“通话”键摘机通话，通话完毕挂机。
6．将双踪示波器两个探头分别接至综测仪BS及MS测量面板上Afo输出端口。接通综测仪电源(K5置ON)，综测仪发出三短声、一长声峰鸣后进入系统测量自动工作方式，SYST 灯常亮，综测仪守候在无绳电话控制信道。关发射机(K6置OFF)，关信令存贮显示模块(K10置OFF)。
手机按“通话”键摘机，与座机一起由控制信道转移到某空闲通话信道，综测仪检测到摘机信令后自动跟踪扫描，锁定于该通话信道。若综测仪因误码未检测到手机摘机信令仍停在控制信道，则按控制面板扫描(SCAN)键K3启动综测仪扫描信道，最后锁定于该通话信道。综测仪锁定于通话信道的标志是：信道扫描停止并且BS及MS测量面板同时显示接收频率。
手机拨号呼叫有线电话进入通话后，示波器可观测到通话双方的话音波形，记录浊音波形，测出浊音的基音频率。
五、实验报告要求
1、画出移动通信实验系统的网络结构方框图，列出系统功能。
2、总结主呼方从摘机、拨号、通话到挂机的各个阶段听到哪些信号音？
3、由实验结果回答，有线电话挂机时用户线是处于开路状态吗?
4、画出自己话音浊音波形，给出所测基音频率，与同组同学比较。
实验二无线数字信令
一、实验目的
通过对无绳电话的测量，了解一般移动通信系统无线数字信令的基本概念，包括信令、数字信令帧结构及传输协议等概念。
二、实验内容
1．用双踪示波器通过综测仪观测无绳电话无线数字信令波形，了解数据的副载波调制方式及数字信令帧结构。
2．用双踪示波器通过综测仪观测无绳电话无线数字信令传输协议。
三、基本原理
通信系统中除用户信息(如话音)外的一系列控制信号称为信令。信令系统与用户信息传输系统是二个相伴随的系统，共同构成整个通信系统。信令完成呼叫接续的建立、拆除、监控等一系列的操作与控制，保证用户信息有效且可靠的传输。因此，信令可以看作是整个通信网络的神经中枢。
对于电路交换通信系统，用户信息是在呼叫接续完成后建立的逐段连接的信息通道中传输。与此对应，信令也是在信令通道中逐段传输、转发及实施控制。
按信令通道与用户信息通道在物理上是否独立，信令分为共路信令及随路信令。共路信令集中在独立的信令通道中传输。随路信令在用户信息通道中采用时分、频分等方式随同用户信息一起在信息通道中传输。
按信令形式不同，信令分为模拟信令和数字信令两类。模拟信令包括音频信令及其它形式的模拟信号，它应用早，现在仍应用在许多通信系统中，例如PSTN模拟用户线信令全为模拟信令。数字信令具有速度快、容量大等一系列明显优点，已成为目前通信系统中采用的主要形式。
典型的移动通信系统无线数字信令帧结构如图2-1所示，它包括位同步码(又称为前置码)，帧同步(又称为字同步)、有效数据(包括地址、命令和其它数据)及纠错码四部分，分别介绍如下。
图2．1 典型的数字信令帧结构
(1)位同步：数字通信收端必须从接收的数据流中提取位同步，才能对数据准确进行积分、采样和判决，正确恢复发端数据。位同步建立需要时间，而数字信令是突发的数据串，收端必须在帧同步及有效数据收到之前建立位同步，因此在信令的帧同步前集中加入一段位同步码。
(2)帧同步：帧同步位于一个信令帧有效数据的起点，相当于时分多路通信中的帧同步，作为帧同步的特殊码组必须具有尖锐峰值的自相关函数，便于与随机的数字信息相区别。常用的有巴克码和m序列。
位同步及帧同步统称同步码。
(3)有效数据：包括地址、命令、拨号等效据，统称为消息。信令的控制、全由有效数据完成。
(4)纠错码：对有效数据进行纠(检)错编码后产生的监督位。
基于纠(检)错编码的数据传输差错控制方法，常用的有以下二种：
①前向纠错FEC(Forward Error Correction)：发端对数据进行纠错编码，收端进行纠错解码，对未超过纠错范围的误码予以纠正，超出纠错范围的无法纠正。
②检错重发，常称为自动请求重发ARQ(Automatic Repeat Request)：发端对数据进行纠、检错编码，收端发现有纠正不了的误码时，自动请求发端重发，直到收到正确数据为止。
显然，后一纠错方式的可靠性要高得多，但付出的代价是降低了信息的传输速率。
发端在没有收端请求的情况下，按事先规定主动重发多帧信令，收端对其纠检错之后再进行大数判决，亦可提高信令数据传输可靠性。这可认为是对ARQ重发次数作硬性规定后与FEC组合而成的一种方法。
作为构成图1-4移动通信教学实验系统无线部分的我国的CTI无绳电话，相关技术标准只规定了其工作频率、调制方式等射频技术要求(见附录l表1)，但对其信令结构、传输协议及多信道共用方式未作规定，由各生产厂家自行定义、开发。因而，各厂家生产的无绳电话这方面技术各不相同，座机与手机一般不能交换配对使用。本实验系统中采用的一种无绳电话的信令结构及多信道共用方式是国内外很多厂家所采用的，十分可靠实用，也比较规范，便于观测。
1．无绳电话无线数字信令副载频调制方式及帧结构
信令数据先对副载频进行FSK调制，即一次调制，如表2-1所示。然后再对45／48MHz 的主载频调频(FM)。由于每个码元只调制为1个周期的副载频，故与经典的FSK调制相比，码元宽度随0／1数据而变化。
表2-1 信令数据的FSK调制方式
2-3，其中有效数据有12位，分为三个部分：
ID
（1）
H