《移动通信原理与应用》实验三——直接序列扩频实验与解扩实验（实验箱）

目录

一、实验目的

1.1、直接序列扩频实验实验目的：

1.2、解扩实验实验目的：

二、实验主要内容及原理

2.1、直接序列扩频实验：

2.2、解扩实验

三、实验器材

3.1、直接序列扩频实验：

3.2、解扩实验：

四、实验步骤

4.1、直接序列扩频实验：

4.2、解扩实验：

五、实验过程原始记录(数据、图表、计算等)

5.1、直接序列扩频实验：

5.2、解扩实验：

六、实验结果及分析

6.1、直接序列扩频实验结果分析：

6.2、解扩实验结果分析：

6.3、思考题：

6.4、心得体会：

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一、实验目的

1.1、直接序列扩频实验实验目的：

（1）通过本实验掌握基带信号m序列扩频原理及方法，掌握扩频前后信号在时域及频域上的变化。

（2）通过本实验掌握基带信号Gold序列扩频原理及方法，掌握扩频前后信号在时域及频域上的变化

1.2、解扩实验实验目的：

（1）通过本实验掌握载波已调信号m序列解扩原理及方法，掌握解扩前后信号在时域及频域上的变化。

（2）通过本实验掌握载波已调信号Gold序列解扩原理及方法，掌握解扩前后信号在时域及频域上的变化。

二、实验主要内容及原理

2.1、直接序列扩频实验：

（1）实验内容：

1、观察扩频前后信息码的时域变化。

2、观察扩频前后信息码的频域变化。

3、观察已调信号在扩频前后的频域变化。

（2）基本原理：

        扩展频谱通信系统是指将待传输信息的频谱用某个特定的扩频函数扩展成为宽频带信号后送入信道中传输，在接收端利用相应手段将信号解压缩，从而获取传输信息的通信系统。也就是说在传输同样信息时所需的射频带宽，远比我们已熟知的各种调制方式要求的带宽要宽得多。扩频带宽至少是信息带宽的几十倍甚至几万倍。信息不再是决定调制信号带宽的一个重要因素，其调制信号的带宽主要由扩频函数来决定。

        这一定义包括以下三方面的意思：

        （1）信号频谱被展宽了。在常规通信中，为了提高频率利用率，通常都是采用大体相当带宽的信号来传输信息，即在无线电通信中射频信号的带宽和所传信息的带宽是属于同一个数量级的，但扩频通信的信号带宽与信息带宽之比则高达100～1000，属于宽带通信，原因是为了提高通信的抗干扰能力，这是扩频通信的基本思想和理论依据。扩频通信系统扩展的频谱越宽，处理增益越高，抗干扰能力就越强。

        （2）采用扩频码序列调制的方式来展宽信号频谱。由信号理论知道，脉冲信号宽度越窄，其频谱就越宽，信号的频带宽度和脉冲宽度近似成反比，因此，所传信息被越窄的脉冲序列调制，则可产生很宽频带的信号。扩频码序列就是很窄的脉冲序列。  

（3）在接收端用与发送端完全相同的扩频码序列来进行解扩。

    扩频技术的理论依据定性的讨论有以下几点：

    首先，扩频技术的理论基础可用香农信道容量公式来描述：

 

式中：C为信道容量；

      W为系统传输带宽；

      S/N为传输系统的信噪比。

        该公式表明，在高斯信道中当传输系统的信噪比S/N下降时，可用增加系统传输带宽W的办法来保持信道容量C不变。对于任意给定的信噪比可以用增大传输带宽来获得较低的信息差错率。扩频技术正是利用这一原理，用高速率的扩频码来达到扩展待传输的数字信息带宽的目的。故在相同的信噪比条件下，具有较强的抗噪声干扰的能力。

        香农指出：在高斯噪声干扰下，在限平均功率的信道上，实现有效和可靠通信的最佳信号是具有白噪声统计特性的信号。目前人们找到的一些伪随机序列的统计特性逼近于高斯白噪声的统计特性。使用于扩频系统中，可以使得所传输信号的统计特性逼近于高斯信道要求的最佳信号形式。

         早在50年代，哈尔凯维奇就从理论上证明：要克服多径衰落干扰的影响，信道中传输的最佳信号形式也应该是具有白噪声统计特性的信号形式。由于扩频函数逼近白噪声的统计特性，因此扩频通信又具有抗多径干扰的能力。

        常用的扩展频谱方式可分为：

        a、直接序列扩频CDMA（DS-CDMA）：用待传信息信号与高速率的伪随机码序列相乘后，去控制射频信号的某个参量而扩展频谱。

        b、跳频扩频CDMA（FH-CDMA）：数字信息与二进制伪随机码序列模二相加后，去离散地控制射频载波振荡器的输出频率，使发射信号的频率随伪随机码的变化而跳变。

        c、跳时扩频CDMA（TH-CDMA）：跳时是用伪随机码序列来启闭信号的发射时刻和持续时间。发射信号的“有”、“无”同伪随机序列一样是伪随机的。

        d、混合式：由以上三种基本扩频方式中的两种或多种结合起来，便构成了一些混合扩频体制，如FH/DS，DS/TH，FH/TH等。

1、m序列扩频实验

        在本实验中我们采用的是直接序列扩频，及用m序列。我们以一个最简单的7位伪随机的m序列为例加以说明。

        按照伪随机m序列的定义有：m＝23－1=7，即它可以由最简单的3节移位寄存器产生。其生成多项式为 

 

7位m序列产生器如图12-1所示，其周期m=7。

 

图12-1  7位m序列产生器 

将图中0、1序列转换成实值序列： 

 

，即有下列对应关系 ：

        若在理想情况下，不考虑多径传输的影响，则7位码每移一位可供一个用户做地址码，这样可提供7个用户，分别为：C0=（－1 －1 1 －1 1 1 －1），C1=（－1 －1 －1 1 －1 1 1），C2=（1 －1 －1 －1 1 －1 1），C3=（1 1 －1 －1 －1 1 －1），C4=（－1 1 1 －1 －1 －1 1），

C5=（1 －1 1 1 －1 －1 －1），C6=（－1 1 －1 1 1 －1 －1），C7=（－1 －1 1 －1 1 1 －1）= C0。

        若用上述7位码进行扩频，其扩频前后的波形图如图12-2所示。m=23－1=7序列的自相关函数波形如图12-3所示        

 

 

扩频后性能分析

        有效性性能：扩频后频带扩展7倍，直接有效性下降7倍，但是若不考虑实际多径影响，7位扩频码每错开一位可供一个新用户，共可供7个用户，这正好抵消了扩展频带的7倍下降位。但实际上必须要考虑多径影响，这时有效性能会下降

        可靠性性能：根据伪码自相关特性，当码位对齐时可以将7位伪码信号能量累加起来增加7倍，码位不对齐时均下降至－1。若采用自相关接收，其接收门限可定在3.5V上（假设信号电平均归一化为1V），然而若不扩频，接收信号的门限值只能定在0.5V上，两者相比，扩频后抗干扰能力增加7倍。实际在扩频系统中，抗干扰的改善是与扩频成正比的。

        图12-4和12-5分别是扩频前后PSK信号的频谱。

图12-4 扩频前PSK信号的频谱 

 图12-5 扩频后PSK信号的频谱

通过对比可以发现PSK信号的频谱大大展宽了。

图12-6为直接序列扩频的示意图： 

图12-6  直接序列扩频 

        直接序列扩频通信的过程是将待传送的信息码元与伪随机序列相乘，在频域上将二者的频谱卷积，将信号的频谱展宽，展宽后的频谱呈窄带高斯特性，经载波调制之后发送出去。在接收端，一般首先恢复同步的伪随机码，将伪随机码与调制信号相乘，这样就得到经过信息码元调制的载波信号，再作载波同步，解调后得到信息码元。

        我们采用“扩频增益”GP的概念来描述扩频系统抗干扰能力的优劣，其定义为解扩接收机输出信噪比与其输入信噪比的比值，即：

 

        它表示经扩频接收处理之后，使信号增强的同时抑制输入到接收机的干扰信号能力的大小，越大，则抗干扰能力愈强。在直接序列扩频通信系统中，扩频增益GP为： 

 

从上式中可以看到，提高扩频码速率或者降低信息码速率都可以提高扩频增益。

2、Gold序列扩频实验

        应该说Gold序列扩频与m序列扩频的本质区别仅仅在于扩频码的不同，在前面我们已经提到过，虽然m序列有优良的自相关特性，但是使用m序列作CDMA（码分多址）通信的地址码时，其主要问题是由m序列组成的互相关特性好的互为优选的序列集很少，对于多址应用来说，可用的地址数太少了。而Gold序列具有良好的自、互相关特性，且地址数远远大于m序列的地址数，结构简单，易于实现，在工程上特别是第三代移动通信系统中得到了广泛的应用。

        Gold序列是m序列的复合码，它是由两个码长相等、码时钟速率相同的m序列优选对模二和构成的。其中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最接近或达到互相关值下限（最小值）的一对m序列。这里我们定义优选对为：设A是对应于n级本原多项式f（x）所产生的m序列，B是对应于n级本原多项式g（x）所产生的m序列，当他们的互相关函数满足：

 

则f（x）和g（x）产生的m序列A和B构成一对优选对。

        在Gold序列的构造中，每改变两个m序列相对位移就可得到一个新的Gold序列。当相对位移2n－1比特时，就可得到一族（2n－1）个Gold序列。再加上两个m序列，共有（2n＋1）个Gold序列。由优选对模二和产生的Gold族2n－1个序列已不再是m序列，也不具有m序列的游程特性。但Gold码族中任意两序列之间互相关函数都满足（12-1）式。由于Gold码的这一特性，使得码族中任一码序列都可作为地址码，其地址数大大超过了用m序列作地址码的数量。所以Gold序列在多址技术中得到了广泛的应用。

        在具体的扩频的实现原理方面，可以完全参考m序列的扩频。

2.2、解扩实验

（1）实验内容：

1、观察解扩时本地扩频码与扩频时扩频码的同步情况。

2、观察已调信号在解扩前后的频域变化。

（2）基本原理：

        m序列解扩的是在接收到的RF信号上进行的，其实解扩的原理很简单，即用一个与发送端完全相同的m序列与接收到的信号直接相乘就可以完成信号的解扩，当然，这里所指的与发送端完全相同，除了序列必须一样之外，更重要的是两个m序列的相位必须一致，也就是，接收端产生的m序列必须进行捕获和跟踪，以使其速率和相位与发送端m序列保持一致，

        发射机和接收机采用高精确度和高稳定度的时钟频率源，以保证频率和相位的稳定性。但在实际应用中，存在许多事先无法估计的不确定因素，如收发时钟不稳定、发射时刻不确定、信道传输时延及干扰等，尤其在移动通信中，这些不确定因素都有随机性，不能预先补偿，只能通过同步系统消除。因此，在CDMA扩频通信中，同步系统必不可少。

        PN码序列同步是扩频系统特有的，也是扩频技术中的难点。CDMA系统要求接收机的本地伪随机码与接收到的PN码在结构、频率和相位上完全一致，否则就不能正常接收所发送的信息，接收到的只是一片噪声。若实现了收发同步但不能保持同步，也无法准确可靠地获取所发送的信息数据。因此，PN码序列的同步是CDMA扩频通信的关键技术。

        CDMA系统中的PN码同步过程分为PN码捕获和PN码跟踪两部分。PN码捕获是精调本地PN码的频率和相位，使本地产生的PN码与接收到的PN码间定时误差小于1个码片间隔Tc，可采用基于滑动相关的串行捕获方案或基于时延估计问题的并行捕获方案。PN码跟踪则自动调整本地码相位，进一步缩小定时误差，使之小于码片间隔的几分之一，达到本地码与接收PN码频率和相位精确同步。典型的PN码跟踪环路分基于迟早门定时误差检测器的延迟锁定环及T抖动环两种。

        接收信号经宽带滤波器后，在乘积器中与本地PN码进行相关运算。捕获器件调整压控时钟源，用以调整PN码发生器产生的本地PN码序列的频率和相位，捕获有用信号。一旦捕获到有用信号，启动跟踪器件，用以调整压控钟源，使本地PN码发生器与外来信号保持精确同步。如果由于某种原因引起失步，则重新开始新一轮捕获和跟踪。图13-1为同步系统捕获与跟踪原理图

 

图13-1  同步系统捕获与跟踪原理图 

        同步过程包含捕获和跟踪两个阶段闭环的自动控制和调整。

1、PN序列的捕获

        PN码序列捕获指接收机在开始接收扩频信号时，选择和调整接收机的本地扩频PN序列相位，使它与发送的扩频PN序列相位基本一致，即接收机捕捉发送的扩频PN序列相位，也称为扩频PN序列的初始同步。在CDMA系统接收端，一般解扩过程都在载波同步前进行，实现捕获大多采用非相干检测。接收到扩频信号后，经射频宽带滤波放大及载波解调后，分别送往2N扩频PN序列相关处理解扩器（N是扩频PN序列长）。2N个输出中哪个输出最大，该输出对应的相关处理解扩器所用的扩频PN序列相位状态，就是发送的扩频信号的扩频PN序列相位，从而完成扩频PN序列捕获。

        扩频系统的典型同步捕获方法有相位滑动法（又称顺序搜索法（Serial Search Acquisition）和匹配滤波器法（Matched Filtering）等。下面我们主要介绍相位滑动法。

         接收系统在搜索同步时，它的码序列发生器以与发射机码序列发生器不同的速率工作，致使这两个码序列在相位上互相滑动，只有在达到一致点时，才停下来，因此称之为相位滑动法。

        图13-2（a）为滑动相关器的方框图。接收到的信号与本地PＮ码相乘后再积分，即求出它们的互相关值，然后在门限检测器中与某一门限值比较，以判断是否己捕获到有用信号。这里利用了PN码序列的相关特性，当两个相同的码序列在相位上一致时，其相关值具有最大的输出。一旦确认搜索完成，则搜索指示信号的同步脉冲控制搜索控制钟，从而调整PN码发生器产生的PN码的重复频率和相位，使之与收到的信号保持同步。图13-2（b）为滑动相关器的流程图。由于滑动相关器对两个PN码序列是顺序比较相关的，所以，这种方法又称为顺序搜索法。由于滑动相关器结构简单，因此应用很广。它的缺点在于当两端PN码钟频相差不多时，相对滑动速度很慢，导致搜索时间过长。现在常用的一些捕获方法大多在此基础上，采取一些措施来限定搜索范围或加快搜索时间，从而改善其性能。目前的研究表明，将扩频多址技术应用到地面移动通信中，其频谱利用率是在使用的模拟调频及频多分址移动电话系统的20倍左右，每一小区容纳的用户数可达2500个。

 

图13-2 滑动相关器的原理 

        本实验是采用相位滑动法进行捕获的。

2、PN码序列跟踪

        跟踪是一种在码序列捕获之后，实现进一步调整本地时钟的过程。目的是使同步误差尽可能地小，至少保持在一个子码范围之内。跟踪的基本方法是利用锁相环路来调整本地时钟的相位，常用的跟踪锁相环有以下几种。

        ①延迟锁相环：DS收信机常用的同步跟踪电路，框图如图13-3所示，这种电路称为延迟锁相环DLL（Delay Locked Loop）。

        DLL由2个相关器构成，2个相关器的输入信号相对于本地PN序列相位分别超前Tc /2的Ｅ－code和滞后Tc /2的Ｌ－code。为了消除调制所产生的影响，则采用包络检波器，经检波后输出2个相关器差信号，但这里采用的包络检波消除调制影响只限于1次调制时采用恒定包络检波方法的情况（例如PSK等），对于振幅调制方式，由于包络波动，则此DLL锁相环不能进行同步跟踪。

 

图13-3  延迟锁相环框图 

        由于提供给DLL是2种相位不同的PN码序列，因此，顺序改变基准的PN码序列的振荡相位，就可得到与接收信号互相关函数的形式，如图13-4（b）所示。DLL输出是2个相关器相减，其2个输出合成特性如图13-4（c）所示。由此可以看到仅在±Tc / 2范围内，输出（纵轴）对于相位移（横轴）的响应为线性关系。2个相关器合成输出反馈到PN码序列产生器，如果输出为正，就控制PN序列发生器产生的相位滞后；若输出为负，就控制PN序列发生器产生的相位超前；若输出为0，就使PN产生的相位正好为0而使DLL系统稳定工作。

        此电路正常工作的条件是，跟踪开始时接收信号的PN序列与收信机内的PN序列之间相位差在±Tc /2以内。若超出此范围，相位差就发散，失去同步。为此，还要自动确定在跟踪前同步捕获电路的精度，需要把误差控制在±Tc /2以内。

        如图13-4（c）所示的相关特性曲线称为S曲线，Ｅ-code与Ｌ-code的相位差为Tc ，有时为2 Tc ，S曲线形状随基带波形不同而异。

 

图13-4  DLL的S曲线 

        DLL的跟踪性能主要与环路滤波器（图13-5中的LPF）的带宽与次数有关。带宽越窄DLL对噪声越不敏感，噪声与调制对同步影响不大，但跟踪速度慢，因此，它适用于移动通信环境中同步位置不断变化的应用场合。

        ②抖动锁相环：抖动锁相环TDL（Tau Dither Loop）只用1个相关器，TDL的构成如图13-7所示。在同步附近TDL的自相关函数为三角形，在接收端产生的PN序列的相位仅前后移动，利用取出由于前后移动产生的相关值的变化（解扩后信号振幅的变化），使其变化量为0，就可控制整个振荡相位。

        抖动锁相环只使用一个相关器，因而没有由于两个支路分别用一个相关器带来的不平衡问题。不过，这种锁相环即使在完全同步的位置上，由于本地时钟的抖动，其同步性能也不及延迟锁相环。

 

图13-5 抖动锁相环 

        同m序列的解扩一样，Gold序列的解扩也存在着捕获和跟踪的过程，其捕获和跟踪的原理以及解扩的原理可以参考m序列解扩实验。 

三、实验器材

3.1、直接序列扩频实验：

1、移动通信原理实验箱：

CDMA发送模块及IQ调制解调模块，以及若干台阶插座线、同轴视频线、示波器。

（1）CDMA发送模块：

本模块主要功能：产生PN31伪随机序列，将伪随机序列或外部输入的其它数字序列扩频，扩频增益为32，扩频后输出码速率为512kbps，可输出两路不同扩频码信号。

（2）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。

2、实验框图及电路说明

        CDMA发送模块上产生的PN码（由PN31端输出），速率为16K，作为信源输入进模块中（由NRZ IN端输入）。模块内部产生PN序列（m序列或Gold序列），速率为512K，作为扩频码，与输入信源模2加，完成扩频操作后输出，扩频增益为32。经扩频后的码送入IQ调制模块中进行PSK调制，经放大后输出。PSK已调信号载波为10.7MHz，是由21.4MHz本振源经2分频产生。 

3.2、解扩实验：

1、移动通信原理实验箱：

CDMA发送模块、CDMA接收模块及IQ调制解调模块，以及若干台阶插座线、同轴视频线、示波器。

（1）CDMA发送模块：

本模块主要功能：产生PN31伪随机序列，将伪随机序列或外部输入的其它数字序列扩频，扩频增益为32，扩频后输出码速率为512kbps，可输出两路不同扩频码信号。

（2）CDMA接收模块：

本模块主要功能：完成10.7MHz射频信号的选频放大，当本地扩频码设置为与发送端扩频码相同时，可完成扩频码的捕获及跟踪，进而完成扩频信号的解扩。

（3）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。

2、实验框图及电路说明

扩频部分原理同上一实验。

        扩频后的PSK已调信号分为三路送入CDMA接收模块中，分别与接收模块中产生的m序列（gold序列）的超前、同相、滞后序列相乘。在扩频码没有捕获到时，同相支路的捕获输出为低电平，扣码电路工作，每周期扣掉1/4个码元，使发送端和接收端的两个PN序列产生相对滑动，当滑动到两个序列的相位差小于一个码元时，同相支路包络检波后出现相关峰，经门限判决，若相关峰超过门限，捕获输出为高电平，扣码电路停止工作，系统进入跟踪状态。此时超前-滞后支路产生的复合相关特性（S曲线）出现，经低通滤波后控制VCO，使收发端PN序列完全同步。此后跟踪过程一直存在，维持PN序列的同步。

        PN码同相支路的相乘信号经带通滤波后即为解扩后的信号。该信号是一个基带信元的PSK调制信号，扩频码调制部分已经被去除。

四、实验步骤

4.1、直接序列扩频实验：

（一）m序列扩频实验

1. 在实验箱上正确安装CDMA发送模块（以下简称发送模块）及IQ调制解调模块（以下简称IQ模块）。
2. 关闭实验箱电源，用台阶插座线完成如下连接：

源端口	目的端口	连线说明
发送模块：PN31	发送模块： DATA1 IN	提供PN31伪随机序列
发送模块：PN31	IQ模块：I-IN	进行PSK调制

* 检查连线是否正确，检查无误后打开电源。

1. 将发送模块上“GOLD1 SET”拨码开关第一位置“1”，其他位置“0”（拨向下）。
2. 对比观察m序列扩频前后的信号波形、频谱

a、示波器探头分别接发送模块上“DATA1 IN”测试点及该模块上“DS1”测试点，观察扩频前后信息码及扩频码的变化。（示波器释抑为491.8ms～492.0ms）

b、如果具备条件，可观察“DATA1 IN”测试点及“DS1”测试点的频谱及其变化情况。（选做）

c、为避免扩频后信号带宽过大，在发送模块中将扩频后信号进行了限带滤波，测试点为“DS1 OUT”，观察该点信号并与“DS1”测试点信号进行比较。

1. 对比观察扩频前后的已调信号波形、频谱

a、示波器探头接IQ模块调制单元上的“输出”测试点，观察未经扩频的PSK调制信号，如果条件具备，可观察此时的谱状况。

b﹑断开发送模块上“PN31”端与IQ模块上“I-IN”端连线，将发送模块上“DS1 OUT”端连到IQ模块上“I-IN”端。

c、示波器探头接IQ模块调制单元上的“输出”测试点，观察扩频后的已调信号，如果条件具备，可观察此时的谱状况，并与扩频前的信号谱进行比较

（二）GOLD序列扩频实验

a、保持上面实验步骤2的连线不变，将发送模块上“GOLD1 SET”拨码开关2-8位拨为任意非全0二进制数，（向上拨为1，向下拨为0）。

b、重复m序列扩频实验步骤的4、5的实验内容。

4.2、解扩实验：

（一）m序列解扩实验

1. 在实验箱上正确安装CDMA发送模块（以下简称发送模块）、CDMA接收模块（以下简称接收模块）及IQ调制解调模块（以下简称IQ模块）。
2. 关闭实验箱电源，按如下方式连线：

a﹑用台阶插座线完成如下连接：

源端口	目的端口	连线说明
发送模块：PN31	发送模块：DATA1 IN	提供PN31伪随机序列
发送模块：DS1 OUT	IQ模块：I-IN	进行PSK调制

b﹑用同轴视频线完成如下连接：

源端口	目的端口	连线说明
IQ模块：输出(J2)	接收模块：输入(J2)	将扩频后的PSK已调信号进行解扩

* 检查连线是否正确，检查无误后打开电源

        3.将发送模块上“GOLD1 SET”拨码开关拨为全0，（拨向下，扩频码为m序列）。将接收模块上“GOLD SET”拨码开关拨为全0，按复位键以完成设置。

        4.示波器探头接接收模块“输出2”测试点，调整“幅度”电位器使该点信号电压峰峰值为1.6V左右。

        5.观察扩频码同步现象

a、将接收模块上“捕获”电位器逆时针转到底，此时捕获指示灯“LED1”应灭。

b、示波器探头接接收模块“VCO”测试点，观察延迟滞后锁相环的复合相关特性。

c、示波器探头接CDMA接收模块“TX2”测试点，此时可看到序列的自相关特性情况。

d、慢慢顺时针旋转接收模块上“捕获”电位器，同时注意观察“LED1”指示灯，从不亮到闪亮直至全亮的过程，该过程即为扩频码捕获过程，指示灯全亮后捕获过程结束，进入扩频码跟踪过程，此时示波器上显示一条直线。

e、将示波器探头分别接发送模块“DS1”测试点及接收模块“TX1”测试点，比较两者是否相同，是否同相，若是则表示跟踪正常，已完成扩频码同步，若有少许不同相，则调整接收模块上“跟踪”电位器使其同相。（示波器释抑为245.7~246.0ms）

        6.示波器探头接接收模块上“输出1”测试点，该点为解扩后已调信号，此时该信号相当于未扩频前NRZ码进行PSK调制后的信号，观察该信号的特征，如果条件具备，可观察该信号的谱以确定解扩情况，并与IQ模块上调制单元的“输出”测试点的信号进行比较。

（二）Gold序列解扩实验

1. 保持实验连线不变，将发送模块上拨码开关“GOLD1 SET”和接收模块上拨码开关“GOLD SET”的2-8位拨为任意相同的非全0二进制数，（向上拨为1，向下拨为0）。
2. 重复m序列解扩实验步骤4～7的实验内容。

五、实验过程原始记录(数据、图表、计算等)

5.1、直接序列扩频实验：

1、示波器探头分别接发送模块上“DATA1 IN”测试点及该模块上“DS1”测试点，观察扩频前后信息码及扩频码的变化：

 2、为避免扩频后信号带宽过大，在发送模块中将扩频后信号进行了限带滤波，测试点为“DS1 OUT”，观察该点信号并与“DS1”测试点信号进行比较：

 

3、示波器探头接IQ模块调制单元上的“输出”测试点，观察未经扩频的PSK调制信号，如果条件具备，可观察此时的谱状况：

4、示波器探头接IQ模块调制单元上的“输出”测试点，观察扩频后的已调信号，如果条件具备，可观察此时的谱状况，并与扩频前的信号谱进行比较： 

 

5、保持上面实验步骤2的连线不变，将发送模块上“GOLD1 SET”拨码开关2-8位拨为任意非全0二进制数，（向上拨为1，向下拨为0）。重复m序列扩频实验步骤的4、5的实验内容：

5.1、示波器探头分别接发送模块上“DATA1 IN”测试点及该模块上“DS1”测试点，观察扩频前后信息码及扩频码的变化：

5.2、为避免扩频后信号带宽过大，在发送模块中将扩频后信号进行了限带滤波，测试点为“DS1 OUT”，观察该点信号并与“DS1”测试点信号进行比较： 

 5.3、示波器探头接IQ模块调制单元上的“输出”测试点，观察未经扩频的PSK调制信号，如果条件具备，可观察此时的谱状况：

 5.4、示波器探头接IQ模块调制单元上的“输出”测试点，观察扩频后的已调信号，如果条件具备，可观察此时的谱状况，并与扩频前的信号谱进行比较：

5.2、解扩实验：

1、示波器探头接接收模块“输出2”测试点，调整“幅度”电位器使该点信号电压峰峰值为1.6V左右：

 2、示波器探头接接收模块“VCO”测试点，观察延迟滞后锁相环的复合相关特性：

 3、示波器探头接CDMA接收模块“TX2”测试点，此时可看到序列的自相关特性情况：

 4、慢慢顺时针旋转接收模块上“捕获”电位器，同时注意观察“LED1”指示灯，从不亮到闪亮直至全亮的过程，该过程即为扩频码捕获过程，指示灯全亮后捕获过程结束，进入扩频码跟踪过程，此时示波器上显示一条直线：

 

5、将示波器探头分别接发送模块“DS1”测试点及接收模块“TX1”测试点，比较两者是否相同，是否同相，若是则表示跟踪正常，已完成扩频码同步，若有少许不同相，则调整接收模块上“跟踪”电位器使其同相。（示波器释抑为245.7~246.0ms）：

6、示波器探头接接收模块上“输出1”测试点，该点为解扩后已调信号，此时该信号相当于未扩频前NRZ码进行PSK调制后的信号，观察该信号的特征，如果条件具备，可观察该信号的谱以确定解扩情况，并与IQ模块上调制单元的“输出”测试点的信号进行比较： 

 7、保持实验连线不变，将发送模块上拨码开关“GOLD1 SET”和接收模块上拨码开关“GOLD SET”的2-8位拨为任意相同的非全0二进制数，（向上拨为1，向下拨为0）。重复m序列解扩实验步骤4～7的实验内容:
7.1、示波器探头接接收模块“输出2”测试点，调整“幅度”电位器使该点信号电压峰峰值为1.6V左右：

 7.2、示波器探头接接收模块“VCO”测试点，观察延迟滞后锁相环的复合相关特性：

 7.3、示波器探头接CDMA接收模块“TX2”测试点，此时可看到序列的自相关特性情况：

 7.4、慢慢顺时针旋转接收模块上“捕获”电位器，同时注意观察“LED1”指示灯，从不亮到闪亮直至全亮的过程，该过程即为扩频码捕获过程，指示灯全亮后捕获过程结束，进入扩频码跟踪过程，此时示波器上显示一条直线：

 7.5、将示波器探头分别接发送模块“DS1”测试点及接收模块“TX1”测试点，比较两者是否相同，是否同相，若是则表示跟踪正常，已完成扩频码同步，若有少许不同相，则调整接收模块上“跟踪”电位器使其同相：

 7.6、示波器探头接接收模块上“输出1”测试点，该点为解扩后已调信号，此时该信号相当于未扩频前NRZ码进行PSK调制后的信号，观察该信号的特征，如果条件具备，可观察该信号的谱以确定解扩情况，并与IQ模块上调制单元的“输出”测试点的信号进行比较：

 

六、实验结果及分析

6.1、直接序列扩频实验结果分析：

        1、示波器探头分别接发送模块上“DATA1 IN”测试点及该模块上“DS1”测试点，观察扩频前后信息码及扩频码的变化：

        从时域上分析波形，发现扩频前波形在时域上偏正常，波形周期较大，波形较稀疏；扩频后波形在时域上波形周期很小，波形很密集。

        2、为避免扩频后信号带宽过大，在发送模块中将扩频后信号进行了限带滤波，测试点为“DS1 OUT”，观察该点信号并与“DS1”测试点信号进行比较：

        发现相较于限带滤波前的波形，限带滤波后的波形有一定的失真，特别是在幅值最大处失真最为明显；总体来说，限带滤波前后的波形基本上一致，时序正常，周期一样，并且无延迟。

        3、示波器探头接IQ模块调制单元上的“输出”测试点，观察未经扩频的PSK调制信号：

        从实验结果看出，此时未经扩频的PSK调制信号的波形正常，为正弦波。

        4、示波器探头接IQ模块调制单元上的“输出”测试点，观察扩频后的已调信号：

        从实验结果看出，此时经扩频的PSK调制信号的波形正常，也为正弦波；与未经扩频的PSK调制信号相比，发现均为正弦波，但是扩频后波形的幅度增大以及周期增大，波形较稀疏；未扩频后波形的幅度较小以及周期较小，波形较密。

        5、保持上面实验步骤2的连线不变，将发送模块上“GOLD1 SET”拨码开关2-8位拨为任意非全0二进制数。示波器探头分别接发送模块上“DATA1 IN”测试点及该模块上“DS1”测试点，观察扩频前后信息码及扩频码的变化：从时域上分析波形，发现扩频前波形在时域上偏正常，波形周期较大，波形较稀疏；扩频后波形在时域上波形周期很小，波形很密集。

        6、保持上面实验步骤2的连线不变，将发送模块上“GOLD1 SET”拨码开关2-8位拨为任意非全0二进制数。为避免扩频后信号带宽过大，在发送模块中将扩频后信号进行了限带滤波，测试点为“DS1 OUT”，观察该点信号并与“DS1”测试点信号进行比较：

        发现相较于限带滤波前的波形，限带滤波后的波形有一定的失真，特别是在幅值最大处失真最为明显，但是限带滤波前的波形也存在轻微的波形失真；总体来说，限带滤波前后的波形基本上一致，时序正常，周期一样，并且无延迟。

        7、保持上面实验步骤2的连线不变，将发送模块上“GOLD1 SET”拨码开关2-8位拨为任意非全0二进制数。示波器探头接IQ模块调制单元上的“输出”测试点，观察未经扩频的PSK调制信号：

        从实验结果看出，此时未经扩频的PSK调制信号的波形正常，为正弦波。

        8、保持上面实验步骤2的连线不变，将发送模块上“GOLD1 SET”拨码开关2-8位拨为任意非全0二进制数。示波器探头接IQ模块调制单元上的“输出”测试点，观察扩频后的已调信号：

        从实验结果看出，此时经扩频的PSK调制信号的波形正常，也为正弦波；与未经扩频的PSK调制信号相比，发现均为正弦波，但是扩频后波形的幅度增大以及周期增大，波形较稀疏；未扩频后波形的幅度较小以及周期较小，波形较密。

6.2、解扩实验结果分析：

        1、示波器探头接接收模块“输出2”测试点，调整“幅度”电位器使该点信号电压峰峰值为1.6V左右：

        从观察结果看出，此时信号的波形正常，为正弦波。

        2、示波器探头接CDMA接收模块“TX2”测试点，此时可看到序列的自相关特性情况：

        由实验结果波形看出，gold序列的自相关特性好，但是波形在峰值处存在一定失真。

        3、慢慢顺时针旋转接收模块上“捕获”电位器，同时注意观察“LED1”指示灯，从不亮到闪亮直至全亮的过程，该过程即为扩频码捕获过程，指示灯全亮后捕获过程结束，进入扩频码跟踪过程，此时示波器上显示一条直线：

        指示灯全亮后捕获过程结束，进入扩频码跟踪过程，此时示波器上观察并未得到实验指导书上说明的显示一条直线，而是观察到显示了有一定失真的非线性的波形，说明本实验箱存在一定的误差。

        4、将示波器探头分别接发送模块“DS1”测试点，比较两者是否相同，是否同相，若是则表示跟踪正常，已完成扩频码同步，若有少许不同相，则调整接收模块上“跟踪”电位器使其同相：

        由实验结果观察得，发送模块“DS1”及接收模块“TX1”的波形基本上相同，波形同相，则得出波形跟踪正常以及同步度高。只是观察到发送模块“DS1”的波形存在一定的失真，特别在赋值最大处最为明显。

        5、示波器探头接接收模块上“输出1”测试点，该点为解扩后已调信号，并与IQ模块上调制单元的“输出”测试点的信号进行比较：

        由实验结果观察得，发现接收模块上“输出1”与IQ模块上调制单元的“输出”的信号波形完全一致，均为同步度很高的正弦信号：幅值、周期、波形密集度无明显差异，基本上一致。

        6、保持实验连线不变，将发送模块上拨码开关“GOLD1 SET”和接收模块上拨码开关“GOLD SET”的2-8位拨为任意相同的非全0二进制数。示波器探头接接收模块“输出2”测试点，调整“幅度”电位器使该点信号电压峰峰值为1.6V左右：

        从观察结果看出，此时信号的波形正常，为近似正弦波，有些像锯齿波。

        7、保持实验连线不变，将发送模块上拨码开关“GOLD1 SET”和接收模块上拨码开关“GOLD SET”的2-8位拨为任意相同的非全0二进制数。示波器探头接CDMA接收模块“TX2”测试点，此时可看到序列的自相关特性情况：

        由实验结果波形看出，gold序列的自相关特性好，波形在大部分区域有少量微小起伏近似一条直线，有微小失真；在少量区域起伏变化大。

        8、保持实验连线不变，将发送模块上拨码开关“GOLD1 SET”和接收模块上拨码开关“GOLD SET”的2-8位拨为任意相同的非全0二进制数。慢慢顺时针旋转接收模块上“捕获”电位器，同时注意观察“LED1”指示灯，从不亮到闪亮直至全亮的过程，该过程即为扩频码捕获过程，指示灯全亮后捕获过程结束，进入扩频码跟踪过程，此时示波器上显示一条直线：

        指示灯全亮后捕获过程结束，进入扩频码跟踪过程，此时示波器上观察并未得到实验指导书上说明的显示一条直线，而是观察到显示了有一定失真的非线性的波形，在一定地方有幅值起伏，起伏不大。总体来看，还是可以说总体大致显示一条直线，但是本实验箱存在一定的误差。

        9、保持实验连线不变，将发送模块上拨码开关“GOLD1 SET”和接收模块上拨码开关“GOLD SET”的2-8位拨为任意相同的非全0二进制数。将示波器探头分别接发送模块“DS1”测试点及接收模块“TX1”测试点，比较两者是否相同，是否同相，若是则表示跟踪正常，已完成扩频码同步，若有少许不同相，则调整接收模块上“跟踪”电位器使其同相：

        由实验结果观察得，发送模块“DS1”及接收模块“TX1”的波形基本上相同，波形有少许不同相，则得出波形跟踪正常以及同步度较高。只是观察到发送模块“DS1”的波形存在一定的失真，特别在赋值最大处最为明显。

        10、保持实验连线不变，将发送模块上拨码开关“GOLD1 SET”和接收模块上拨码开关“GOLD SET”的2-8位拨为任意相同的非全0二进制数。示波器探头接接收模块上“输出1”测试点，该点为解扩后已调信号，并与IQ模块上调制单元的“输出”测试点的信号进行比较：

        由实验结果观察得，发现接收模块上“输出1”与IQ模块上调制单元的“输出”的信号波形完全一致，均为同步度很高的正弦信号：幅值、周期、波形密集度无明显差异，基本上一致。

6.3、思考题：

1. 延迟-滞后锁相环的复合相关特性是怎样形成的？

        解扩实验延迟-滞后锁相环的复合相关特性形成于延迟元件引入的时间延迟和滞后锁相环的反馈控制。延迟元件创造输入输出时间差，滞后锁相环通过相位比较和参数调节使输出信号同步输入信号。这种协同机制允许系统有效追踪和调整输出，即便存在延迟，保持复合相关特性。

2、滑动相关器的滑动速度对捕获及跟踪过程有什么样的影响？

        解扩实验中，滑动相关器的滑动速度直接影响捕获和跟踪。快速速度可加快捕获，但可能牺牲精度，慢速提高精度但延长时间。对跟踪而言，快速速度适应快变化信号，慢速更精确。选择速度需平衡捕获时间、跟踪精度及系统响应速度。

6.4、心得体会：

        直接序列扩频与解扩技术在通信领域扮演着关键角色。通过实验，我深刻理解了扩频技术对数据传输的重要性。在扩频过程中，信息信号被与高速伪随机序列相乘，使信号带宽增大，从而提高抗干扰能力和安全性。这种方法在传输过程中保护了数据，使其对外界干扰具有一定的免疫性。

        实验中，我发现直接序列扩频技术不仅提高了数据传输的可靠性，而且减小了单个数据比特传输时所需的能量。然而，解扩技术也是至关重要的，它能够还原原始信号，去除扩频过程中引入的噪声和干扰。这种技术在信号传输后期的恢复过程中发挥了关键作用。

        通过这次实验，我对扩频与解扩技术有了更深入的了解，也意识到在实际通信中它们的重要性。扩频技术不仅仅是为了提高数据传输速率，更重要的是提高了通信的安全性和可靠性。