移动实验讲义

RZ6001型 移动通信综合实验教程 移动通信实验箱 RZ6001型 RZ6001移动通信实验箱是南京润众科技有限公司新近推出的新型移动通信实验箱，它既可自成系统完成相当于CDMA手机的所有实验；也可作为一个移动终端和移动基站、移动交换机配合构成一个完整的CDMA移动通信系统。 一、技术指标 发送： (1)拨号呼叫实现移动终端信令交换。 (2)完成语音的模数转换，实验箱采用AD73311线性16位A/D变换，采样率32K/S。 (3)AMBE2000对前级的语音数据进行压缩编码，语音速率为2350bps，FEC速率为50bps。 (4)CDMA编码。 (5)各种调制方式。 (6)射频调制、发射。 (7)完成短消息的收发。 (8)对语音数据进行线路编码：卷积编码。 接收： 为上述过程的逆过程。 实验 目录 工贸企业有限空间作业目录特种设备作业人员作业种类与目录特种设备作业人员目录1类医疗器械目录高值医用耗材参考目录 第1章 伪随机序列产生实验 实验一 m序列码产生及特性分析实验 实验二 GOLD序列码产生及特性分析实验 实验三 WALSH码产生及特性分析实验 第2章 语音变换和性能测试实验 实验四 语音变换模块实验 实验五 语音压缩编码实验 实验六 语音压缩编码性能测试实验 第3章 扩频通信基础实验 实验七 直接序列扩频（DS）编解码实验 实验八 跳频（FH）通信实验 实验九 DS／CDMA码分多址实验 第4章 数字调制和解调实验 实验十 PSK调制解调实验 实验十一 QPSK调制解调实验 实验十二 OQPSK调制解调实验 实验十三 MSK调制解调实验 第5章 数据和话音业务通信实验 实验十四 短信收发实验 实验十五 移动终端语音自环通信实验 实验十六 数据接入CDMA信道的收发实验 第6章 GSM/GPRS通信模块 实验十七 移动终端与GSM设备短信收发实验 实验十八 移动终端呼叫GSM设备的实验 实验十九 PC机和GSM设备通信实验 实验二十 GPRS数据通信实验 第七章 用户二次开发说明 仪器配置 序号 设 备 名 称 型 号 数 量（台） 备 注 1 移动通信实验箱 RZ6001 1 每组1台 2 50MHz示波器 ———— 1 每组1台 3 200MHz频谱仪 ———— 1 每5组1台 4 微 机 ———— 1 每组1台 第一章 伪随机序列产生实验 在扩频通信系统中，信号频谱的扩展是通过扩频码（或伪随机序列）来实现的。从理论上讲，用纯随机序列去扩展信号的频谱是最理想的，但接收机为了解扩还应当有一个同发送端扩频码同步的副本。所以实际工程中多用伪随机序列作为扩频码。 根据Shannon编码定理可知：只要信息速率Rb小于信道容量C，总可以找到某种编码 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ，在码周期相当长的条件下，能够几乎无差错地从受到高斯噪声干扰的信号中恢复出原发送的信号。Shannon在证明编码定理时提出用具有白噪声统计特性的信号来编码。白噪声是一种随机过程，它的瞬时值服从正态分布，功率谱在很宽的频带内都是均匀的，具有及其优良的相关特性。 之所以选择随机信号来传输信号，是为了实现多址通信，信号间必须正交或者准正交。这样信号之间不容易发生干扰。但是由于随机信号的不可复制性，接收端无法恢复原始的发送序列，所以采用一个周期性的、足够随机的序列来逼近白噪声性能。这就是伪随机序列，也被成为PN码。 伪随机序列具有类似于随机序列的性质，归纳起来有下列三点： 1．平衡特性：随机序列中0和1的个数接近相等； 2．游程特性：把随机序列中连续出现0或1 的子序列称为游程。连续的0或1 的个数称为游程长度。随机序列中长度为1 的游程约占游程总数的1／2，长度为2的游程约占游程总数的1／22，长度为3的游程约占游程总数的1／23 ，… 3．相关特性：随机序列的自相关函数具有类似于白噪声自相关函数的性质。 伪随机序列具有类似于随机序列的性质，但它的结构或形式是预先可以确定的，并且可以重复地产生和复制。扩频码中应用最广的是m序列，又称最大长度线性序列。通常还有GOLD序列和WALSH序列。由于m序列在扩频码中占据特别重要的地位。所以我们先对m序列的性质及m序列的产生进行讨论。 实验一 M序列码产生及特性分析实验 一 实验目的 1. 了解m序列的性质和特点； 2. 熟悉m序列的产生方法； 3. 了解m序列的DSP实现方法。 二 实验内容 1. 熟悉m序列的产生方法； 2. 测试m序列的波形； 3．采用DSP来产生m序列。 三 实验原理 m序列是最长线性反馈移存器序列的简称,是伪随机序列的一种。它是由带线性反馈的移存器产生的周期最长的一种序列。 m序列在一定的周期内具有自相关特性。它的自相关特性和白噪声的自相关特性相似。虽然它是预先可知的，但性质上和随机序列具有相同的性质。比如：序列中“0”码与“1”码等抵及具有单峰自相关函数特性等。 1． m序列的产生 m序列是由带线性反馈的移存器产生的。结构如图： 图1-1 反馈移位寄存器的结构 其中an-i为移位寄存器中每位寄存器的状态，Ci为第i位寄存器的反馈系数。Ci＝1 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示有反馈，Ci＝0表示无反馈。 我们先给出一个m序列的例子。在图1-1中示出一个4级反馈移存器。若其初始状态为（a3, a2 , a1 , a0 ）=（1，0，0，0），则在移位一次时，由a3和a0模2相加产生新的输入a4=1⊕0=1新的状态变为（a4 , a3 , a2 , a1 ）=( 1, 1, 0, 0)这样移位15次后又回到初始状态（1，0，0，0），不难看出，若初始状态为全“0”，即“0，0，0，0”，则移位后得到的仍为全“0”状态。这就意味着在这种反馈移存器中应避免出现全“0”状态。不然移存器的状态将不会改变。因为4级移存器共有24=16种可能的不同状态。除全“0”状态外，只剩15种状态可用。即由任何4级反馈移存器产生的序列的周期最长为15。 我们常常希望用尽可能小的级数产生尽可能长的序列。由上例可见，一般说来，一个n级反馈移存器可能产生的最长周期等于（2n –1）。我们将这种最长的序列称为最长线性反馈移存器序列，简称m序列。 图1-1 m序列的产生 一个线性反馈移位寄存器能否产生m序列，取决于它的反馈系数Ci(例如上图的C3)。对于m序列，Ci的取值必须按照一个本原多项式： 中的二进制系数来取值。n级移位寄存器可以产生的m序列个数由下式决定： 其中φ(x)为欧拉函数，表示小于等于x并与x互质的正整数个数（包括1在内）。 表1－1列出了部分m序列的反馈系数Ci，按照下表中的系数来构造移位寄存器，就能产生相应的m序列。 表1－1 m序列的反馈系数表 m序列的级数n m序列的周期P 反馈系数Ci(八机制) 3 7 13 4 15 23 5 31 45,67,75 6 63 103,147,155 7 127 203,211,217,235,277,313,325,345,367 8 255 435,453,537,543,545,551,703,747 9 511 1021,1055,1131,1157,1167,1175 10 1023 2011,2033,2157,2443,2745,3271 11 2047 4005,4445,5023,5263,6211,7363 12 4095 10123,11417,12515,13505,14127,15053 13 8192 20033,23261,24633,30741,32535,37505 14 16383 42103,51761,55753,60153,71147,67401 15 32765 100003,110013,120265,133663,142305 m序列的具有以下性质： （1）均衡性。m序列中0和1的数目基本相等。 （2）游程分布 （3）移位相加性 （4）相关特性。自相关波形如图1－2所示 图1－2 m序列的自相关波形 （5）周期性 （6）伪随机性。分布无规律，具有与白噪声相似的伪随机特性。 四、实验步骤 1．观测现有的m序列 在液晶的主菜单中按下键盘“1”，则选择“一.伪随机序列”，出现的界面如下所示： 选择“1”，则产生一个周期为15的m序列。 2．在测试点TP201测试输出的时钟，在测试点TP202测试输出的m序列码。 3．自主设计通过DSP产生m序列 1）将DSP的仿真器JTAG接口与DSP模块板的双排针相连，注意连接方向。 2）将CCS2.0仿真软件打开 3）建立一个工程文件，学生在main.c中编写产生m序列的源代码 4）编译和链接程序。 5）通过仿真器加载.out文件，并执行DSP程序 6）在TP201观测时钟输出 7）在TP202观测产生的m序列波形 五、实验任务 1．画出TP202测试点的波； 2．比较TP202输出的序列和图1－1中的m序列是否一致； 3．分析和验证m序列的周期性、均衡性、游程分布和移位相加性等特性。 实验二 GOLD序列码产生及特性分析实验 一、实验目的 1. 了解Gold码的性质和特点； 2. 熟悉Gold码的产生方法； 3. 测试Gold码的的波形，了解Gold序列的DSP实现方法。 二、实验内容 1. 熟悉Gold码的的产生方法； 2. 测试Gold码的的波形； 3．采用DSP来产生Gold码的。 三、实验原理 m序列虽然性能优良，但同样长度的m序列个数不多，且m序列之间的互相关函数值并不理想（为多值函数）。1967年，R．Gold提出和讨论了一种新的序列，即Gold码序列。这种序列有较为优良的自相关和互相关特性，构造简单，产生的序列数多，因而得到广泛的应用。 1． m序列优选对 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满足下式的两条n阶m序列： 表2－1给出了部分m序列优选对。 表2－1 部分优选对码表 级数 基准本原多项式 配对本原多项式 7 211 217,235,277,325,203,357,301,323 9 1021 1131,1333 10 2415 2011,3515,3177 11 4445 4005,5205,5337,5263 2．Gold码的产生方法 Gold码是m序列的组合码，由同步时钟控制的两个码字不同的m序列优选对逐位模2加得到，其原理如图2-1所示。这两个码发生器的周期相同，速率也相同，因而两者保持一定的相位关系，这样产生的组合码与这两个子码序列的周期也相同。当改变两个m序列的相对位移时，会得到一个新的Gold码。Gold码虽然是m序列模2加得到的，但它已不再是m序列，不过仍具有与m序列近似的优良特性，各个码组之间的互相关特性与原来两个m序列之间的互相关特性一样，最大的互相关值不会超过原来两个m序列间最大互相关值。Gold码最大的优点是具有比m序列多得多的独立码组。 图2-1 Gold码序列发生器 Gold码序列具有以下性质： （1）两个m序列优选对经不同移位相加产生的新序列都是Gold序列，两个n级移位寄存器可以产生2n+1个Gold序列，周期均为2n-1。 （2）Gold码序列的周期性自相关函数是一个三值函数，与m序列相比，具有良好的互相关特性。 Gold码的产生有两种形式：并联形式和串联形式。例如m序列本原多项式为： 和 ，构成的并联和串联形式的Gold码发生器如2－2图所示。（a）为并联形式，（b）为串联形式。 （a）并联结构 （b）串联结构 图2－2Gold码发生器 （a） 并联形式（b）串联形式 为了观测方便，本实验用两个周期为31的m序列优选对采用并联结构产生一个Gold序列，如下图2－3所示。 图 2－3 并联结构的Gold码发生器 四、实验步骤 1．观测现有的Gold序列波形 在液晶的主菜单中按下键盘“1”，则选择“一.伪随机序列”，出现的界面如下所示： 选择“2”，则产生一个级数为31的Gold序列。 2．在测试点TP201测试输出的时钟，在测试点TP202、TP203测试用于产生GOLD序列的周期为31的m序列优选对 3．在TP204测试输出的Gold序列码。 4．自主设计通过DSP产生Gold序列 1）将DSP的仿真器JTAG接口与DSP模块板的双排针相连，注意连接方向。 2）将CCS2.0仿真软件打开 3）建立一个工程文件，学生在main.c中编写产生Gold序列的源代码 4）编译和链接程序 5）通过仿真器加载.out文件，并执行DSP程序 6）在TP201观测时钟输出 7）在TP202、TP203观测用于产生的Gold序列的m序列优选对波形。 8）在TP204测试输出的Gold序列码。 五、实验任务 1. 观测测试点TP202、TP203和TP204的信号波形，对照测试点TP201数据输出的时钟，写出对应的信号序列； 2. 根据图2－3中结构，计算出该图中的m序列优选对的信号序列； 3. 比较测试点TP202、TP203与上一步计算出来的信号序列是否一致； 4. 分析TP204的波形与TP202、TP203之间的关系； 5. 比较根据图2－3计算出来的GOLD码和TP204测试的波形序列是否一致。 实验三 WALSH码产生及特性分析实验 一．实验目的 1．了解Walsh码的性质和特点； 2．熟悉Walsh码的产生方法； 3．了解Walsh码的DSP实现方法。 二．实验内容 1．熟悉Walsh码的产生方法； 2．测试Walsh码的波形； 3．采用DSP来产生Walsh码。 三．实验原理 1．Walsh码的基本概念 Walsh码是正交的扩频码，是根据Walsh函数集而产生。Walsh函数的取值为＋1或者－1。图3－1展示了一个典型的8阶Walsh函数的波形W1。n阶Walsh函数表明在Walsh函数的周期T内，由n段Walsh函数组成。n阶的Walsh函数集有n个不同的Walsh函数，根据过零的次数，记为W0、W1、W2等等。 图3-1 Walsh函数 Walsh函数集的特点是正交和归一化，正交是同阶不同的Walsh函数相乘，在指定的区间积分，其结果为0；归一化是两个相同的Walsh函数相乘，在指定的区间上积分，其平均值为1。 可以将－1和＋1转换为二进制的0和1，这样一个n阶Walsh函数在周期T内取值就转换为由n个码元表示的序列。8阶Walsh序列内容如表3－1所示。 表3－1 8阶Walsh序列 编号 Walsh函数表示 Walsh码序列表示 0 －1 －1 －1 －1，－1 －1 －1 －1 0 0 0 0， 0 0 0 0 1 －1 1 －1 1，－1 1 －1 1 0 1 0 1， 0 1 0 1 2 －1 －1 1 1，－1 －1 1 1 0 0 1 1， 0 0 1 1 3 －1 1 1 －1，－1 1 1 －1 0 1 1 0， 0 1 1 0 4 －1 －1 －1 －1， 1 1 1 1 0 0 0 0， 1 1 1 1 5 －1 1 －1 1， 1 －1 1 －1 0 1 0 1， 1 0 1 0 6 －1 －1 1 1， 1 1 －1 －1 0 0 1 1， 1 1 0 0 7 －1 1 1 －1， 1 －1 －1 1 0 1 1 0， 1 0 0 1 Walsh函数的自相关特性并不理想，但是互相关特性很好，为了改善自相关特性，实际系统中，序列经Walsh函数调制后，再用自相关特性好的PN序列进行扩频。由于Walsh函数之间的正交性，可以使用不同的Walsh码对不同的信道进行调制，在接收端再用相同的Walsh码提取信号，从而接收到所发送的信息。用这种方法，我们可以使多个信道在同一频率上发送而不会相互干扰，这也正是码分多址得以实现的基础。 2．Walsh码序列的产生 生成Walsh序列有很多种方法，通常是通过哈达码矩阵来产生Walsh序列。利用哈达码矩阵产生Walsh序列的过程是采用迭代的方法。迭代过程如下： , 将上式矩阵中的第j行用二进制序列{HN,j}表示，可以得到相应的Walsh码序列。 四、实验步骤 1．观测现有的Walsh序列波形； 在液晶的主菜单中按下键盘“1”，则选择“一.伪随机序列”，出现的界面如下所示： 选择“3”，则产生四个阶数为16的Walsh码。 2．在测试点TP201测试输出的时钟，分别在测试点TP202、TP203、TP204、TP205测试16位的WALSH序列； 3．自主设计通过DSP产生Walsh序列； 1）将DSP的仿真器JTAG接口与DSP模块板的双排针相连，注意连接方向； 2）将CCS2.0仿真软件打开； 3）建立一个工程文件，学生在main.c中编写产生Walsh码的源代码； 4）编译和链接程序； 5）通过仿真器加载.out文件，并执行DSP程序； 6）在TP201观测时钟输出； 7）在TP202、TP203、TP204、TP205观测产生的Walsh码波形。 五、实验任务 1. 分别画出测试点TP202、TP203、TP204、TP205的信号波形； 2. 分析WALSH码的特点，分析这四个Walsh码之间的正交关系。 第二章 语音变换和性能测试实验 实验四 语音模数转换实验 一、实验目的 1. 了解模拟/数字,数字/模拟信号的转换过程； 2. 了解PCM的编译码原理； 3．通过观测A/D、D/A波形，加深对模数转换的理解。 二、实验内容 1．观测A/D转换前后及D/A转换前后的波形； 2．通过改变输入模拟信号，观测A/D波形的变换。 三、实验原理 1．模数转换的基本原理 在现代数字通信系统中，传输的信号都是数字信号，而我们通信的主要业务——语音是模拟信号，要想在数字通信的网络中传输，必须进行信号的模数转换，将模拟信号转换为数字信号。 在现代通信系统中以PCM为代表的编码调制技术被广泛应用于模拟信号的数字传输。PCM的主要优点是：抗干扰能力强；失真小；传输特性稳定，尤其是远距离信号再生中继时噪声不累积，而且可以采用压缩编码、纠错编码和保密编码等来提高系统的有效性、可靠性和保密性。另外，PCM还可以在一个信道上将多路信号进行时分复用传输。 脉冲编码调制（PCM）是把模拟信号变换为数字信号的一种调制方式，其最大的特点是把连续输入的模拟信号变换为在时间和振幅上都离散的量，然后将其转化为代码形式传输。 PCM编码通过抽样、量化、编码三个步骤将连续变化的模拟信号转换为数字编码。为便于用数字电路实现，其量化电平数一般为2的整数次幂，有利于采用二进制编码表示。采用均匀量化时，其抗噪声性能与量化级数有关，每增加一位编码，其信噪比增加约6dB，但实现的电路复杂程度也随之增加，占用带宽也越宽。因此实际采用的量化方式多为非均匀量化，通常使用信号压缩与扩张技术来实现非均匀量化。在保持信号固有的动态范围前提下，在量化前将小信号进行放大而对大信号进行压缩。通常的压缩方法有13折线A律和μ律两种 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ，国际通信中多采用A律。采用信号压缩后，用8位编码实际可以表示均匀量化11位编码时才能表示的动态范围，能有效提高小信号时的信噪比。图示为脉冲编码调制的原理框图。 （1）抽样定理及其应用 低通信号均匀抽样定理：一个频带限制在0到 以内的低通信号，如果以 的抽样速率进行均匀抽样，则x(t)可以由抽样后的信号 完全地确定[指 包含有x(t)的成分，可以通过适当地理想低通滤波器不失真地恢复x(t)]。而最小抽样速率 称为奈奎斯特速率，1/(2 )称为奈奎斯特间隔。 （2）量化 量化的过程是指模拟信号f(t)按照适当抽样速率 进行均匀抽样，抽样周期 。第k个抽样值为f(k )。抽样值在量化时转换为Q个规定电平 中的一个。量化后的信号是对原来信号的近似。当抽样速率一定时，量化级数目增加和量化电平选择适当，可以使与f(t)近似程度提高。 量化过程分为均匀量化和非均匀量化。在均匀量化中，量化噪声与信号电平大小无关。量化误差的最大瞬时值等于量化阶距的一半。所以信号电平越低，信噪比越小。当信号的振幅动态范围越宽，需要的量化电平数就越多。为了克服均匀量化的缺点，需要量化阶距跟随输入信号电平的大小而改变。在低电平时分层细一些，用小的量化阶去近似，对大信号则用大的量化阶去近似。这样就使输入信号与量化噪声之比在小信号到大信号的整个范围内基本一致。因此，就要使用压扩技术来实现非均匀量化。 （3）编码 信号经过抽样、量化以后成为可以编码的量化信号。量化信号经过模/数变换可以转换成各种各样的编码信号，然后就可以将它们送到信道中去传输，这就是基带信号。代码的形式通常采用二进制，而多进制代码只是用在线路的信噪比较好，可以利用的频带比较窄的情形。 （4）数模转换 数模转换为模数的反过程，通过将模数转换的数据通过内插和低通滤波来完成。 2．A/D和D/A转换芯片AD73311 在语音变换实验中，我们采用了Analog Device公司的芯片—AD73311。AD73311具有线性A/D和D/A转换功能，采样频率为8kHZ～64kHZ，可以编程控制，采样字长为16位。具有大信噪比、输入输出增益可编程控制、低工作电压(2.7V～5.5V)，并且一片两用的特点，是一种很受欢迎的芯片。 AD公司的AD73311用起来非常灵活，内部有五个控制寄存器(CRA,CRB,CRC, CRD,CRE)，工作时先对其进行一些必要的参数设置。前两个控制寄存器（CRA和CRB）是用来进行参数设置的，例如设置内部计数器、序列时钟分频率和主时钟分频率。其他三个寄存器用来设置模数、数模控制以及设备的电源控制等。这些寄存器的配置是由和AD73311直接相连的语音压缩芯片AMBE2000来自动完成的。AD73311的主时钟频率是16.384MHZ，采样频率是经过主时钟分频得到的，是AD73311的输出信号。A/D转换电路如图4－3所示。 图4－3 AD73311电路外围电路设计 模拟语音信号通过麦克分到达AD73311的模拟输入端口VIN，经过内部的A/D转换，完成采样量化和编码，通过SDO端口串行数字输出，每个采样点16比特，同时芯片的SDI端口可以接收数字化后的语音信号，进行D/A转换，通过VOUT端口，到达喇叭。可以听到相应的声音。其中SDOFS和SDIFS分别为发送和接收数据的帧同步信号。 四、实验步骤 1. 给实验箱加电，通过键盘和液晶选择“菜单”中的“二 语音变换”。 2. 在语音变换实验中选择“1. 语音模数变换”。 3. 按下AMBE2000的复位按钮，对AMBE2000进行复位。 4. 将K501拨到“SIN”， 将输入的模拟信号设置为2kHZ的正弦信号，通过测试点TP501可以观测到输入给AD73311的模拟信号。调节面板上的W501，可以改变输入信号的幅度。 5. 通过测试点TP502观测AD73311中A/D和D/A变换的时钟输出，为1024kHZ。 6. 通过测试点TP503观测AD73311中数字输出和输入的帧同步信号。 7. 通过测试点TP504观测AD73311的A/D转换后的数字输出信号。 8. 通过测试点TP505观测AD73311的D/A转换前的数字输入信号。 9. 通过测试点TP506观测AD73311完成D/A转换后的模拟信号，可以通过调节面板上的W502改变输出信号的幅度。 10. 将K501拨到“MIC”， 将输入的模拟信号设置为麦克风输入的语音信号，插入麦克风和耳机，对着麦克风说话，观测TP501、TP504、TP505和TP506的信号变换，可以从耳机中听到麦克风的声音。 五．实验任务 1．测试各点的波形； 2．计算A/D输出速率。 实验五 语音压缩编码实验 一、实验目的 1．了解语音信号压缩的性质和特点； 2．熟悉音信号压缩的方法； 3．了解AMBE2000完成语音压缩和解压实现方法。 二、实验内容 1．熟悉语音压缩和解压的过程； 2．测试AMBE2000语音压缩和解压的波形； 3．通过麦克风和耳机来观测语音压缩和解压之后的语音。 三、实验原理 1．语音压缩基本概念 语音编码技术可分为两大类：波形编码和参量编码。波形编码是将时间域信号直接变换为数字代码，其特点是再建信号的质量，即信号的信噪比高，而其变换的比特率在64kb/s－16kb/s范围，PCM、△M等均属于这一类。参量编码，又叫变换域编码，是在信源信号的频率域或其它正交域抽取其特征参量变换为数字代码进行传输。在接收端从数字代码恢复特征参量，再从参量重建语音信号。这种方法的特点是质量较前者低，但可大大压缩比特速率，多用于窄带信道，如在移动通信、卫星通信、军事通信中应用日益广泛。 通用的PCM数码率为64kb/s，语音质量可达到长途通信网的标准要求。ADPCM在数码率为32kb/s，可达到64kb/s的PCM系统的通话质量，而且压缩了数码率。△M系统虽然也压缩了数码率，可工作在32kb/s或16kb/s，但其话音质量不如PCM和ADPCM。理论和实践证明，采用上述语音编码方法，若进一步降低数码率，语音质量会明显下降，达不到电话通信的质量要求，在很低码率时，甚至无法实现通话。通常，降低数码率的语音编码方法，叫语音压缩编码。 压缩编码共分为两大类：一类叫中速率压缩编码，指数码率4.8kb/s－16kb/s范围的语音编码。其语音质量较好，达到常用数字电话通信中等质量要求，清晰度很高、自然度能达到基本要求，通信质量有少许失真，且与语音特征有一定程度关系。谐波压扩ADPCM、子带编码、自适应变换域编码(ATC)、多脉冲预测编码和矢量编码等均属于这一类。另一类叫低速率压缩编码，其数码率从100b/s左右到4.8kb/s。这种编码技术又叫声码器技术，其语音质量比前者差，尤其时自然度较差，较难从声音辨认出讲话人声音的特点；同时，它和语音特征有较大关系，不同人讲话，其质量不同。研究表明：语音编码的极限压缩率为80－100b/s。这是只能传送句子内容，讲话人的音质，情绪等信息就丧失了。 广泛应用的早期声码器形式是通道声码器。发端对输入语音进行粗略的频谱分析，而收端产生一信号，其频谱与发端规定的频谱相匹配。目前较常采用的是线性预测声码器，它们不仅语音质量大为提高，同时数码率也得到充分降低。发端包括两个子系统：一个是线性预测编码滤波器；另一个是提取基音和判决清浊音系统。由发端传输清浊音参数，在收端利用这些参数控制激励源。和通道声码器一样，收端激励源或者产生随机噪声，或者产生基音周期脉冲序列，激励幅度取决于输入增益。然后通过合成恢复语音信号。也可以用语音激励来取代基音提取和清浊音判决，构成声激励线性预测(VELP)声码器。多脉冲激励声码器模型是用一串脉冲来代替LPC声码器中的周期脉冲和白噪声序列。用于中速(9.6－16kb/s)语音编码得到了质量很好的合成语音，其优点之一是不必象LPC声码器那样需要精确提取基音信息和清浊音判决信息。多脉冲激励编码要传送脉冲位置和幅度信息，故编码速率不能压得太低。通常用于中速编码，进一步压低比特率，一般要采用矢量量化(VQ)技术。 2．AMBE-2000TM声码器芯片的应用 本实验采用的语音压缩编码芯片为Digital Voice Systems, Inc公司的AMBE2000TM语音编码芯片。该芯片是一种灵活性好，高性能，低功耗的单片实时全双工语音压缩解压芯片。它能在低速率下提供良好的语音质量，并且提供实时，全双向的标准AMBE语音压缩算法。经过证明该语音压缩技术在性能上已经超过了CELP，RELP，VSELP，MELP，ECELP，MP-MLQ，LPC-10和其它的一些压缩技术。 AMBE2000TM语音编码芯片在语音速率和前向纠错数据率的选择上具有很高的灵活性。在总的速率从2.0kbps到9.6kbps之间用户可以以50bps为单位任意的进行这些参数的选择。且具有FEC（前向纠错）、VAD（语音激活检测）和DTMF（双音多频信号检测）等功能。该芯片可以保持自然语音的质量甚至在2.0kbps的低速率下也可以保证会话内容的可理解性。AMBE算法的低复杂度使得该算法可以集成到低功耗，低价格的集成电路中。 （1）声码器和语音接口设计     AMBE-2000 TM可以看作由两个分立元件编码器和解码器组成。编码器接收8KHz的语音采样数据流（16位线性，8位A律，8位μ率），并且在给定速率下输出通道数据流。解码器接收通道数据流，然后合成语音数据流。AMBE-2000TM编码器和解码器接口时序是完全异步的。 语音接口是外置的A/D-D/A芯片，流入和流出的语音数据流格式应该匹配。也就是说，它们必须具有统一的格式。在我们做设计的时候，首先考虑的就是A/D-D/A芯片选择、通道接口选择、语音和FEC速率。本设计中所使用的是上个实验介绍的AD公司生产的AD73311。图5－1为AMBE2000和AD73311的接口电路。其中CO_RX_DATA从AD73311接收待压缩的语音数据，CO_TX_DATA将解压缩后的语音数据交给AD73311完成D/A转换。 图5－1 AMBE2000和AD73311的接口电路 （2）声码器和主机接口设计 AMBE2000TM与主机的接口有两种模式：主动模式和被动模式。在主动模式下，数据选通信号由AMBE2000TM声码器芯片内部产生；而在被动模式下，数据选通信号由外部提供。声码器与主机接口的数据格式分为两种：一种是有格式，另一种是无格式。有格式形式在每20ms输出一帧数据，每帧由24个16bit的字组成，总共为48字节或384位。同时解码器接收到24个字。其中前12个16bit字组成头，包括ID状态和控制信息。格式字0固定为0x13EC；格式字1用于芯片功率控制；格式字2～6用于指定和表示芯片的压缩数据率；格式字12～23为压缩数据信息。根据数据率的不同，其数据位数也不相同。在信道上只传输格式字12～23。。在大多数语音传输系统中，从编码器输出的语音帧系统头信息被抽去，把真正的语音编码数据送到传输信道，接收时，再把头信息、控制信息和语音编码信息进行重新组合，然后再送给解码器，这样输入解码器的语音帧就和编码器输出的就一样了。 本设计中，使用了TI公司的C55X系列的DSP—TMS320VC5509作为主机和AMBE2000TM之间进行通信。是利用了DSP的MCBSP0进行串行通信。接口电路设计如图5－2所示。 图5－2 AMBE2000和主机之间的接口电路 从上图可以看出，AMBE2000工作于有格式的主动模式，数据传输接口的时钟由DSP提供，数据选通信号CH_TX_STRB由AMBE2000产生，传输给DSP的FSR0、FSX0以及AMBE2000自身的CH_RX_STRB。每隔20ms数据转换结束，EPR都会向DSP发送中断，来通知DSP来读取要传输的语音数据和发送接收的语音数据。 四．实验步骤 1．给实验箱加电，通过键盘和液晶选择“菜单”中的“二 语音变换”； 2．在语音变换实验中选择“2. 语音压缩编码”； 3．按下AMBE2000的复位按钮，对AMBE2000进行复位； 4．将K501拨到“SIN”， 将输入的模拟信号设置为2kHZ的正弦信号，通过测试点TP501可以观测到输入给AD73311的模拟信号，调节面板上的W501，可以改变输入信号的幅度； 5. 通过测试点TP601观测AMBE2000的语音数据传输的时钟信号； 6．通过测试点TP602观测AMBE2000的语音数据传输的帧同步信号； 7．通过测试点TP603观测AMBE2000发送的语音压缩数据的波形； 8．通过测试点TP604观测AMBE2000接收的语音压缩数据的波形； 9．通过测试点TP506观测AD73311完成D/A转换后的模拟信号，并可以通过调节面板上的W502改变输出信号的幅度； 10．将K501拨到“MIC”， 将输入的模拟信号设置为麦克风输入的语音信号，插入麦克风和耳机，对着麦克风说话，观测TP501、TP504、TP505和TP506的信号变换，可以从耳机中听到麦克风的声音。 五．实验任务 1．用数字示波器保存并观察一帧数据； 2．分析一帧数据的结构及每个比特的意义。 实验六 语音压缩编码性能测试实验 一、实验目的 1．了解语音压缩芯片AMBE2000的一些特性； 2．了解语音压缩芯片AMBE2000数据传输格式； 3．熟悉语音压缩芯片AMBE2000参数改变之后语音性能的变换。 二、实验内容 1．了解语音压缩芯片AMBE2000的特点和数据传输格式； 2．学习如何改变AMBE2000的语音缩编编码的性能； 3．通过麦克风和耳机来体验AMBE2000参数变换带来的解压语音变化。 三、实验原理 AMBE2000语音压缩解压芯片具有以下特点 语音品质优良 低开销 不需要外部存储器 有效抑止比特误码和背景噪声 数据速率在2.0kbps－9.6kbps之间可变 前向纠错数据率可在50bps到7.2kbps之间变化 低功耗 AMBE2000将AD73311的数据以20ms分段，每20ms将压缩的数据输出。压缩和解压的输入和输出数据可以有两种选择：有格式数据和无格式数据。AMBE2000可以工作于主动方式和被动方式。本实验台采用了有格式数据和主动方式，由AMBE2000产生压缩数据传输的帧同步信号。图6－1为每20ms的有格式数据输出包。每个数据包包含24个字，每个字16比特。其中第0个字为0x13EC，表示包头，第2～5个字表示压缩后的数据速率，具体意义在后面描述。第12~23个字，表示具体压缩后语音的数据值。 图6－1 AMBE2000有格式数据输出的压缩包格式 第1个字的后8比特和第11个字，都是表示一些控制比特，具体意义见AMBE2000手册说明。图6－2为AMBE2000接收的数据包格式。 图6－2 AMBE2000有格式数据输入的压缩包格式 AMBE2000压缩的语音数据速率是可以选择的，在2.0kbps－9.6kbps之间可变。可以通过两种方式来选择，一是在硬件设计中将AMBE2000的RATE_SEL0~RATE_SEL4的引脚接不同的电平，这样在AMBE2000工作时会测试这些值，根据这些值设置为相应的数据速率，具体如图6－3所示。用户也可以在工作过程中通过改变AMBE2000接收数据包中第2～5个字内容，来修改AMBE2000的语音压缩速率。具体见ABME2000数据手册。 图6－3 AMBE2000的速率选择引脚和压缩速率的关系 通过修改AMBE2000的引脚VAD_EN、ECHOCAN_EN和SLIP_EN的电平值也可以改变语音信号的压缩性能。AMBE2000在启动过程中，会检测这些引脚的值，来设置压缩编码的性能。同时用户也可以在工作过程中通过改变AMBE2000接收数据包中第11个字（控制字2）的内容，来完成上述的工作。具体见ABME2000数据手册。 四、实验步骤 1. 给实验箱加电，通过键盘和液晶选择“菜单”中的“二 语音变换”； 2. 在语音变换实验中选择“3. 语音编码性能”； 拨动SW601来设置AMBE2000的语音压缩速率。如下所示： 根据图6－3来设置RSEL0~RSEL4的值，设置需要的语音压缩速率。当开关拨下表示是高电平，开关拨上去表示低电平。 4．按下AMBE2000的复位按钮，对AMBE2000进行复位。 5．将K501拨到“SIN”， 将输入的模拟信号设置为2kHZ的正弦信号，通过测试点TP501可以观测到输入给AD73311的模拟信号。调节面板上的W501，可以改变输入信号的幅度。 6．在测试点TP603来观测压缩后传输的语音数据波形，比较当拨动开关SW601的RSEL0~RSEL4变换时语音数据的变换。注意：每次改变RSEL0~RSEL4后，都需要对AMBE2000重新复位。 7．通过TP506观测解压缩和D/A转换后模拟波形。 8．将K501拨到“MIC”， 将输入的模拟信号设置为麦克风输入的语音信号，插入麦克风和耳机，对着麦克风说话，通过耳机来感觉改变语音压缩速率后的语音性能的变化。 9．分别拨动SW601的VAD(第6个开关)、ECHO(第7个开关)、SLIP(第8个开关)来测试TP506的波形变换和耳机插孔的语音性能的变化。 注意：每次改变SW601开关的设置后，都需要对AMBE2000重新复位。 五．实验任务 1．观测一帧数据，验证数据速率和波动开关SW601设置的是否一致； 2．改变压缩率开关SW601的速率设置，重新分析实验五中的内容； 3．改变压缩率开关SW601,确定是否加入FEC，测试并恢复的语音有无变化。 第三章 扩频通信基础实验 所谓扩展频谱技术一般是指用比信号带宽宽得多的频带宽度来传输信息的技术。CDMA给每一用户分配一个唯一的码序列（扩频码），并用它对承载信息的信号进行编码。知道该码序列用户的接收机对收到的信号进行解码，并恢复出原始数据，这是因为该用户码序列与其它用户码序列的互相关是很小的。由于码序列的带宽远大于所承载信息的信号的带宽，编码过程扩展了信号的频谱，所以也称为扩频调制，其所产生的信号也称为扩频信号。CDMA通常也用扩频多址（SSMA）来表征。对所传信号频谱的扩展给予CDMA以多址能力。扩频通信最大的优点是对信道中窄带干扰的抑制。当信道中存在窄带干扰时，由于干扰是在发射信号扩频之后加入的，所以接收端的解扩操作在将期望信号缩回到原带宽的同时，还会将非期望信号（即窄带干扰）的带宽扩频同一倍数，从而使窄带干扰变成了宽带干扰，减小了其功率谱密度。因此，扩频可以用来减小干扰对接收机性能的影响，实现抑制窄带干扰对接收机性能的影响，实现抑制干扰的目的，并且扩频越宽，窄带干扰的抑制能力就越强。因此，对扩频信号的产生及其性能的了解十分重要。扩频调制技术必须满足两条基本要求： 1．所传信号的带宽必须远大于信息的带宽； 2．所产生的射频信号的带宽与所传信息无关。 3．由于扩频信号扩展了信号的频谱，所以它具有一系列不同于窄带信号的性能： 4．多址能力； 5．抗干扰性能好； 6．抗多径衰落能力强； 7．系统容量增大； 8．通信质量好； 9．频率利用率高； 10．高度可靠的保密安全性 11．手机功耗小。 CDMA按照其采用的扩频调制方式的不同，可以分为直接序列扩频（DS）、跳频扩频（FH）、跳时扩频（TH）和复合式扩频，其中直扩方式与其它方式相比，实现数谱扩展更方便。目前采用扩频技术的通信系统大多采用直扩方式工作，所以我们先研究直扩技术，然后再讨论跳频。 实验七 直接序列扩频（DS）编解码实验 一、实验目的 1. 了解直扩扩频和解扩的原理和系统组成； 2. 熟悉通过DSP完成直扩扩频解扩和数据传输的过程。 二、实验内容 1．熟悉直扩扩频和解扩的过程； 2．测试直扩扩频和解扩的工作波形，认真理解其工作原理； 3． 通过设计DSP程序来完成直扩扩频和解扩。 三、实验原理 直接序列扩频是将要发送的信息用伪随机序列(PN)扩展到一个很宽的频带上去，在接收端用与发送端相同的伪随机序列对接收到的扩频信号进行处理，恢复出原来的信息。干扰信号由于和伪随机序列不相关，在接收端被扩展，使落入信号频带内的干扰信号功率大大降低，从而提高了系统的输出信噪比，达到抗干扰的目的。 1．直接序列(DS)扩频系统的组成 图7－1为直扩系统的组成原理框图。信源输出的信息流与伪随机码产生器产生的伪随机码相乘（或者模二相加即异或），产生一个速率与伪随机码速率相同的扩频序列，然后再用扩频序列去调制载波，这样就得到了已扩频调制的射频信号。 图7－1 直扩系统的组成框图 在接收端，接收到的扩频信号，经高放和混频后，用与发送端同步的伪随机序列对扩频信号进行解扩，经信号的频带滤波器滤波，便得到所传输的信息。干扰信号由于和伪随机序列不相关，在接收端频谱被扩展，使落入信号频带内的干扰信号功率大大降低，从而提高了系统的输出信噪比。图7－2为相应的信号波形。 图7－2直扩的信号扩频和解扩波形（扩频和解扩采用异或运算） 2．直扩系统的实现 在实验中用TMS320VC5509的DSP来完成数据的直扩扩频和解扩。原始数据和伪随机序异或，产生相应的扩频数据。通过DSP的MCBSP通道发送，再经过D/A转换为模拟信号，经射频发送模块传输。射频接收模块接收到扩频信号后，经下变频，恢复为基带信号，经A/D变换后，由DSP的MCBSP口接收。接收方采用和发送方一样的伪随机序列进行解扩（异或），得到了原始的发送数据。 四、 实验步骤 1．通过键盘和液晶选择“菜单”中的实验“三. 扩频通信基础”； 2．通过键盘和液晶选择实验“1. 直扩编解码”； 3．通过测试点TP201观测和伪随机序列频率相同的时钟信号； 4．通过测试点TP202观测原始数据的波形； 5．通过测试点TP203观测发送方的伪随机码的波形； 6．通过测试点TP204观测扩频后的数据波形； 7．通过测试点TP205观测解扩后的数据波形； 8．通过测试点TP206观测解扩方的伪随机码波形。 五、 实验任务 1． 描述直接扩频通信的过程； 2． 画出各点波形； 3． 验证解扩后的数据和原始基带数据的关系； 4． 设计DSP扩频和解扩的程序，修改扩频码，来观测上述测试点的波形变化。 实验八 跳频（FH）通信实验 一、实验目的 1. 了解跳频和解跳的基本原理； 2．了解DSP（数字信号处理器）在移动通信中的应用； 3. 熟悉通过DSP完成跳频、解跳和数据传输的过程。 二、实验内容 1．熟悉跳频和解跳的过程，并通过信道进行传输； 2．测试跳频和解跳的工作波形，认真理解其工作原理。 三、实验原理 1．跳频(FH)系统的基本原理 跳频系统的载频受一伪随机码的控制，不断地、随机地跳变，可以看成载频按照一定规律变化的多频频移键控（MFSK）。与直扩相比，跳频系统中的伪随机序列并不直接传输，而是用来选择信道。跳频电台已经成为未来战术通信设备的趋势。 跳频系统的组成如图8－2所示。 图8－2 跳频系统组成框图 发送端由信源产生的信息流去调制频率合成器产生的载频，得到射频信号。频率合成器产生的载频受伪随机序列控制，按照一定的规律跳变。在接收端的本振信号是一个和发送端跳变规律一致的频率跳变信号，经过混频后，就可以解调出原始信号。 一般跳频系统可以根据跳频速率分为快速跳频、中速跳频和慢速跳频。跳频系统的频率跳变，受到伪随机序列的控制，时间不同，伪随机序列的相位不同，对应的频率合成器产生的频率也不同。跳频系统的频率跳变规律成为跳频图案。如图8－2为一个随时间跳频的跳频图案。纵向表示频率，横行表示时间，不同的时间，频率在跳变。 图8－2 跳频图案 跳频系统具有以下的特点： （1）有较强的抗干扰能力，采用了躲避干扰的方法抗干扰。 （2）用于组网，实现码分多址，频谱利用率高。 （3）快跳频系统用的伪随机码速率比直扩系统低的多，同步要求比直扩低，因而时间短、入网快。 2．跳频系统的实现 在实验中用TMS320VC5509的DSP来编程，软件完成跳频。具体过程如下： （1）预先设定四个频率点，再用伪随机序列按照一定的规律产生一个指针，指向这四个频率中的一个； （2）发送方对原始数据信息进行BPSK调制，原始信号对选择的跳频频率进行调制，并通过射频传输； （3）接收方将接收的信号下变频后，采用和发送方一样的伪随机序列，通过同样的规律获得相同的频率，进行解调，再经过BPSK解调，获得原始数据。 四、 实验步骤 1．通过键盘和液晶选择“菜单”中的实验“三. 扩频通信基础”； 2．通过键盘和液晶选择实验“2. 跳频”； 3．通过测试点TP202观测原始数据的波形； 4．通过测试点TP308测试跳频并完成D/A转换后的波形； 5． 通过测试点TP204观测解跳后的数据波形。 五、 实验任务 1．描述跳频通信的过程； 2．画出各点波形； 3．验证解跳后的数据和原始基带数据的关系； 4．设计DSP跳频和解跳的程序，修改根据扩频码产生跳频的规则，来观测上述测试点的波形变化。 实验九 DS／CDMA码分多址实验 一、实验目的 1. 了解CDMA基本原理； 2．了解软件完成DS-CDMA的整个通信过程； 3. 熟悉DS-CDMA的特点，加强对CDMA的理解。 二、实验内容 1．熟悉CDMA的原理； 2．测试DS-CDMA各点的波形； 3．通过DSP来完成DS-CDMA的过程。 三、实验原理 1．DS-CDMA基本原理 DS-CDMA利用高速率的正交码或准正交码来作为地址码，与用户信息数据相乘（模二相加），得到数据信息的直接序列扩频信号，经过相应的信道传输后，在接收端与本地产生的地址码进行相关检测，从中将地址码和本地地址码一致的用户数据选出，把不一致的用户数据滤除掉。码分多址通信系统可以完成时域、频域及空间上混叠的多个用户直扩数据的同时传输。 图9－1为一个典型的CDMA系统框图。 图 9－1 典型的CDMA系统框图 从该图看出，在CDMA系统中，对每个用户来讲分为上行链路和下行链路。在上行链路中，为每一个移动用户分配一个地址码，且这些地址码相互正交（或者准正交）。移动台MS1、MS2、…、MSk分别分配有地址码C1’、C2’、…、CK’。利用移动码型和移动用户的一一对应关系，基站便可以区分不同用户的信号。同样，在下行通信链路中，基站发往不同移动用户的信号也用一组正交的地址码C1、C2、…、CK来进行区分。移动用户根据分配给自己的对应地址码从下行链路中提取出发送给自己的信号。地址码可以选择m序列、Gold序列和WALSH序列等。 CDMA系统具有以下的优点： · 大容量 · 软容量 · 采用多种分集技术 · 软切换 · 保密性能好 · 话音质量高 · 较低的发射功率 2．DS-CDMA系统的实验 在实验中用TMS320VC5509的DSP来编程，软件完成简易的DS-CDMA的功能。具体过程如下： （1） 发送方 1）将原始数据进行直扩； 2）对扩频后的数据进行BPSK调制； 3）通过DSP的MCBSP串口来传输数据； 4）对串口数据进行D/A转换，变成模拟信号； 5）对发送的模拟信号进行上变频，通过射频发送出去。 （2） 接收方 1）通过射频模块来接收信号，并进行下变频； 2）对信号进行A/D转换，转换为数字信号； 3）通过DSP的MCBSP串口接收数据； 4）对接收的数据进行BPSK解调； 5）对解调后的数据选择相应的本地扩频码进行解扩，得到接收的数据。 四、实验步骤 1．通过键盘和液晶选择“菜单”中的“四. 码分多址”，将看到以下菜单： 2．选择菜单1，则发送方选择扩频序列1作为发送地址码