GSM通信系统实验

实验一  GSM 通信系统实验 

• 实验目的 

通过本实验将正交调制及解调的单元实验串起来，让学生建立起 GSM 通信系统的概念，

了解 GSM 通信系统的组成及特性。 

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

由于GSM是一个全数字系统，话音和不同速率数据的传输都要进行数字化处理。为了将源数据转换为最终信号并通过无线电波发射出去，需要经过几个连续的过程。相反，在接收端需要经过一系列的反过程来重现原始数据。下面我们主要针对数据的传输过程进行描述。

信源端的主要工作有：

1. 信道编码 

信道编码用于改善传输质量，克服各种干扰因素对信号产生的不良影响，但它是以增加比特降低信息量为代价的。 

信道编码的基本原理是在原始数据上附加一些冗余比特信息，增加的这些比特是通过某种约定从圆熟数据中经计算产生的，接收端的解码过程利用这些冗余的比特来检测误码并尽可能的纠正误码。如果收到的数据经过同样的计算所得的冗余比特同收到的不一样时，我们就可以确定传输有误。根据传输模式不同，在无线传输中使用了不同的码型。 

GSM 使用的编码方式主要有块卷积码、纠错循环码、奇偶码。块卷积码主要用于纠错，当解调器采用最大似然估计方法时，可以产生十分有效的纠错结果，纠错循环码主要用于检测和纠正成组出现的误码，通常和块卷积码混合使用，用于捕捉和纠正遗漏的组误差。奇偶码是一种普遍使用的最简单的检测误码的方法。 

2.交织 

在移动通信中这种变参的信道上，比特差错通常是成串发生的。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。但是，信道编码仅在检测和校正单个差错和不太长差错串时才有效，为了解决这一问题，希望找到把一条消息中的相继比特分开的方法，即一条消息的相继比特以非相继的方式被发送，使突发差错信道变为离散信道。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。简单的说 GSM 所使用的调制是 BT＝0.3 的 GMSK 技术，其调制速率是 270.833kbit/s，使用的是 Viterbi 算法进行的解调。调制功能就是按照一定的规则把某种特性强加到电磁波上，这个特性就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，即采用调相方式。从发送角度看，首先要完成二进制数据到一个低频调制信号的变换，然后在进一步把它变到电磁波的形式。 

接收端则是经过解调，解交织，信道译码等一系列的反过程来重现原始数据。 

• 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