使用RTL-SDR和Matlab Simulink玩转软件无线电（十六）

3.9 移动（蜂窝）电话信号——2G、3G和4G

我们大多数人都是用移动电话，但是并不一定知道它们的灵活性。移动通信标准在过去30年发展了很多，还在不停地进化以应对消费者需求。第一代移动信号（只有语音通话功能）在英国首次使用是在80年代，现在已经全部停止了。第二代、第三代、第四代信号还在传输，我们可以用RTL-SDR来接收这些信号。

不同国家的管理机构对移动运营商的许可不同，移动信号的频率也不同。如图3.12展示了英国的2G、3G和4G信号的范围。

3.9.1 2G信号

在英国，2G标准仍然是网络中重要的部分，它在890到960MHz中使用，载波频率间隔是200kHz。GSM标准提供了语音通话、短信、图像信息（SMS,MMS）以及低速网络连接(WAP)。GSM信号从移动基站发出后到达你的手机，这被称作下行链路，在英国下行链路的频率范围是935到960MHz。信号从你的手机发出后到达基站，这被称作上行链路，在英国上行链路的范围是890到915MHz。GSM信号使用TDMA时分多址，这样用户能够不同时隙使用同一个链路来进行通信。具体信息请看[16]。

练习3.5 观察移动信号频谱：2G GSM (800-1000MHz)

练习聚焦在GSM信号上。在英国这个范围是890到960MHz，不同国家可能不一样。如果你不在英国，你应该能在网上找到你的GSM上下行频率。

(a)打开Matlab。设置工作文件夹。然后打开模型。

(b)调整窗口，运行程序。你现在应该可以调整窗口运行程序了。如果不行，请看一下前面的练习。保证你选择的天线接到RTL-SDR上，RTL-SDR连接到你的电脑，并且Matlab可以与其通信。点击开始运行按钮启动程序。

(c)找到GSM信号。如果你的国家的GSM信号在800MHz到1000MHz，点击GUI里的GSM Mobile Signals按钮，会自动把载波频率设置为900MHz。如果GSM在范围外（但是仍然在RTL-SDR的25MHz到1.75GHz的范围内），你可以手动输入频率值到中心频率文本框里。就像你查找FM电台一样，调节滑块来查找GSM信号。

(d)你可以扫描这个区域来寻找GSM信号，这些信号的宽度是200kHz左右，集中在一起。每个信号互相都是独立的，这种类型的信号会以突然出来一下又消失的方式显示。下图中显示了GSM上行链路，我们调谐到945MHz。瀑布图很有用，你可以看到信号断断续续地出现。这与帧传输过程中的TDMA的多址方式有关。

(e)把GSM信号和练习3.4里的FM信号比较，你可以发现它们非常不同！如果你需要确认，你可以直接调谐到对应频段来观察。

(f)尝试看看你周围有多少GSM链路。然后在网上查找你周围应该有多少个，看看你是否把所有的都找出来了。

(g)观察GSM信号。我们录制了一段视频，里面是GSM基站发出的信号，离我们200米远，比较一下你自己的信号和我们的信号。

3.9.2 3G移动信号

UMTS 3G标准是移动通信技术的进化标准，用于提供更大量的数据包。使用WCDMA宽带码分多址。GSM频道宽度是200kHz，UMTS是5MHz宽，而且信号在整个频段上是扩频信号。这个标准的宽频能够提供更大的数据传输速率，与此同时效率也很高，因为多名用户都能同时使用这个频率。不是用时隙来区分，而是使用编码来区分用户。更多的信息可以查询[83][16]。

在英国，尽管大多数信号都在1700MHz以上频段传输，还是有一部分3G信号在800~900MHz。不幸的事，RTL-SDR的带宽不够，如果只使用一个RTL-SDR，你不能同时完整看到5MHz的频带，但是你还是能够看到足够的扩频信号，认识出它与GSM信号的差异。

练习3.6 观察移动信号频谱：3G UMTS (800-900MHz)

这个练习重点在寻找UMTS信号。在英国，这些信号在不同频率传输，有一些是800～900MHz。你可以上网查一下你那里的UMTS信号。

(a)打开Matlab。设置工作文件夹。然后打开模型。

(b)调整窗口，运行程序。你现在应该可以调整窗口运行程序了。如果不行，请看一下前面的练习。保证你选择的天线接到RTL-SDR上，RTL-SDR连接到你的电脑，并且Matlab可以与其通信。点击开始运行按钮启动程序。

(c)寻找一些UMTS信号。使用GUI中的按钮来跳到mobile区域，然后用滑块来调整到UMTS频段。在英国，这个范围是915到935MHz。再仔细找一下比较宽的信号，比如下方的UMTS信号。

前面说了UMTS信号5MHz宽，RTL-SDR只能显示一部分。我们捕获了信号的开头，你可以看到信号和噪声的区别。要查看整个频段，你要移动频率滑块。左边的灰色部分是UMTS防护频带，也就是说这里没有信号，而是用来分离活动频道的。

(d)浏览整个频道，你可以看到信号的强度（功率）是保持不变的。与GSM信号不同，UMTS信号的帧之间没有明显的间隔，这是因为用户不根据时隙来区分，而是根据编码来区分。也就是说强度或者活动保持不变，因为有很多用户在同时使用。

(e)观察UMTS信号的录像。我们录制了UMTS下行链路的录像，你可以观察一下并与自己周边的信号进行比较。

3.9.3 4G移动信号

LTE是一种进来出现的4G通信标准，全世界范围都已经应用。它在之前的基础上构建，还是致力于提高数据传输速率，因为人们对这个需求很大。4G的标准规定静止情况下，数据下载速率要达到1Gbps，差不多是以太网的10倍速度，LTE还达不到。LTE-A可以接近这个要求。

LTE使用正交频分多址。同时使用时间和频率来分割资源给不同用户，这样可以提供最高的效率。在欧洲，Tx和Rx频道可以是800,900,1800或者2600MHz，世界上其它国家还使用别的频率。它们可以占用不同的带宽，从1.4MHz到20MHz，还可以进行载波聚合，提供更大带宽见[73]。

练习3.7 观察移动信号频谱：4G LTE (700-900MHz)

这个练习旨在寻找LTE信号。世界上其它国家的这个信号可能在别的频率，大多数都不在RTL-SDR的覆盖范围内。一些国家，包括英国在较低频率传输4G信号，比如700到900MHz，你可以上网查一下你们那里有没有，如果没有你还是能看看我们提供的录像。

(a)打开Matlab。设置工作文件夹。然后打开模型。

(b)调整窗口，运行程序。你现在应该可以调整窗口运行程序了。如果不行，请看一下前面的练习。保证你选择的天线接到RTL-SDR上，RTL-SDR连接到你的电脑，并且Matlab可以与其通信。点击开始运行按钮启动程序。

(c)寻找LTE信号。最后我们要找的移动信号是4G信号。调整到800MHz，或者其它你查到的频率，把频率输入文本框，然后用滑块来调节，直到你看到一个类似下方截图的信号。你可以清楚的看到LTE信号有很多高功率的OFDM载波，它们均匀分布在这个带宽内。这个宽度可以最低到1.4MHz也可以最宽到20MHz。所以最好通过OFDM载波来找出LTE信号，而不是看带宽。

(d)前面说过，LTE资源同时用时间和频率来划分。每个OFDM载波可以清楚地在瀑布图上看到，或者FFT上的尖峰。OFDM的载波分城各种时隙，你可以看到不同强度之间断开了。

(e)观看LTE信号录像。我们录制了一个视频来展示LTE信号下行链路的频谱图。看一下录像，比较一下你实际观察到的信号。