無線課程設(shè)計實驗報告

1、擴(kuò)頻實驗報告學(xué) 院：電子信息工程學(xué)院專 業(yè)：通信工程組員：12211008 呂興孝12211010 牟文婷12211096 鄭羲12211004 馮順任課教師：姚冬萍實驗四 擴(kuò)頻實驗一、實驗?zāi)繕?biāo)在本實驗中你要基于LabVIEW+USRP平臺實現(xiàn)一個擴(kuò)頻通信系統(tǒng)，你需要在對擴(kuò)頻技術(shù)有一定了解的基礎(chǔ)上編寫程序，完成所有要求的實驗任務(wù)。在這一過程中會讓你對擴(kuò)頻技術(shù)有更直接和感性的認(rèn)識，并進(jìn)一步掌握在LabVIEW+USRP平臺上實現(xiàn)通信系統(tǒng)的技巧。二、實驗環(huán)境與準(zhǔn)備軟件環(huán)境：LabVIEW 2012（或以上版本）；硬件環(huán)境：一套USRP和一臺計算機(jī)；實驗基礎(chǔ)：了解LabVIEW編程環(huán)境和USRP的基

2、本操作；知識基礎(chǔ)：了解擴(kuò)頻通信的基本原理。三、實驗介紹1、擴(kuò)頻通信技術(shù)簡介擴(kuò)頻通信技術(shù)是一種十分重要的抗干擾通信技術(shù)，可以大大提高通信系統(tǒng)的抗干擾性能，在電磁環(huán)境越來越惡劣的情況下，擴(kuò)頻技術(shù)在諸多通信領(lǐng)域都有了十分廣泛的應(yīng)用。擴(kuò)頻技術(shù)簡單來講就是將信息擴(kuò)展到非常寬的帶寬上確切地說，是比數(shù)據(jù)速率大得多的帶寬。在擴(kuò)頻系統(tǒng)中，發(fā)端用一種特定的調(diào)制方法將原始信號的帶寬加以擴(kuò)展，得到擴(kuò)頻信號；然后在收端對接收到的擴(kuò)頻信號進(jìn)行解擴(kuò)處理，把它恢復(fù)為原始的窄帶信號。擴(kuò)頻系統(tǒng)之所有具有較強(qiáng)的抗干擾能力，是因為接收端在接收到擴(kuò)頻信號后，需要通過相關(guān)處理對接收信號進(jìn)行帶寬的壓縮，將其恢復(fù)成窄帶信號。對于干擾信號而言

3、，由于與擴(kuò)頻信號不相關(guān)，所以會被擴(kuò)展到很寬的頻帶上，使之進(jìn)入信號帶寬內(nèi)的干擾功率大幅下降，即增加了相關(guān)器輸出端的信號/干擾比。因此擴(kuò)頻系統(tǒng)對大多數(shù)人為干擾都具有很強(qiáng)的抵抗能力。2、發(fā)射端程序簡介本實驗包括發(fā)射端和接收端兩個主程序，其中發(fā)射端主程序top_tx的前面板如圖1所示。圖1 發(fā)射端程序前面板前面板上部的選項卡控件中可以配置各項參數(shù)。在硬件參數(shù)部分中可以配置USRP的IP地址、載波頻率等參數(shù)；在信號參數(shù)部分中可以配置調(diào)制方式、設(shè)配采樣速率、成型濾波器等參數(shù)；在信道模型參數(shù)部分中你可以選擇不同的信道模型并設(shè)置噪聲功率；在右側(cè)你可以設(shè)置擴(kuò)頻碼的長度。在前面板下方為顯示界面，包括發(fā)送信號的時域

4、/頻域波形以及星座圖和眼圖。發(fā)射端的程序框圖主要由兩部分組成。主程序框圖左側(cè)的transmitter子程序完成發(fā)射信號的生成、擴(kuò)頻、調(diào)制等功能，程序框圖如圖2所示。圖2 transmitter的程序框圖圖中source子程序產(chǎn)生固定長度的隨機(jī)比特流；條件結(jié)構(gòu)內(nèi)完成信源的擴(kuò)頻操作；其中的DSSS子程序用來對信源數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)頻；MOD子函數(shù)完成比特流的調(diào)制；Add control子函數(shù)的作用是添加訓(xùn)練序列，以便接收端進(jìn)行同步；Pulse shaping子函數(shù)用來完成脈沖成形；最后TX apply channel實現(xiàn)發(fā)送端的信道自適應(yīng)。output complex waveform即為輸出的波形。發(fā)射

5、端主程序框圖其余部分的功能是將transmitter子程序產(chǎn)生的output complex waveform通過USRP進(jìn)行發(fā)射。3、接收端程序簡介接收端主程序top_rx的前面板如圖3所示。圖3 接收端程序前面板與發(fā)射端程序類似，接收端主程序前面板上部為各項參數(shù)的輸入，例如硬件參數(shù)、擴(kuò)頻參數(shù)、同步參數(shù)等。前面板下部顯示生成的圖形，包括星座圖、眼圖、信噪比/誤碼率曲線等。接收端端的程序框圖也主要由兩部分組成。主程序框圖右側(cè)的receiver.vi子程序主要完成發(fā)射信號的接受、同步、解擴(kuò)和解調(diào)等功能，程序框圖如圖3所示。圖3 receiver.vi 的程序框圖其中RX init子程序是接收機(jī)的

6、初始化；matched filter子程序完成匹配濾波；synch子程序使同步模塊，完成收發(fā)同步；channel estimated子程序完成信道估計；equalize子程序的作用是信道均衡；strip control子程序用來刪除控制信息，即訓(xùn)練序列；decode子程序?qū)崿F(xiàn)信號的解調(diào)；DE-DSSS子程序用來實現(xiàn)解擴(kuò)；error detect子程序的作用是計算誤碼率。接收端主程序框圖的其他部分主要用來完成USRP的配置、計算信噪比/誤碼率曲線以及生成所需的圖形。四、實驗任務(wù)1、DS-SS.vi子程序DS-SS子程序的作用是對信源進(jìn)行直接擴(kuò)頻（Direct Sequence Spread Sp

7、ectrum）。其原理是利用10個以上的chips來代表原來的0或1，使得原來較高功率、較窄的頻譜變成具有較寬頻的低功率頻譜，這種特性類似于噪聲功率譜，因此接收端只有知道正確的擴(kuò)頻碼才能進(jìn)行正確的接收，進(jìn)而增加了傳輸?shù)目煽啃?。它是一種數(shù)字調(diào)制方法，具體說，就是將信源與一定的PN碼（偽隨機(jī)碼、chip）進(jìn)行同或運(yùn)算。例如，在發(fā)射端用11000100110代替"1"，用00110010110代替"0"，這個過程就實現(xiàn)了擴(kuò)頻。上述過程如圖4所示。圖4 擴(kuò)頻的實現(xiàn)過程前面板：圖6 DS-SS前面板DS-SS程序框圖：圖7 DS-SS程序框圖實驗步驟：1、 首先產(chǎn)

8、生所需長度的偽隨機(jī)序列（PN序列）：PN序列（Pseudo-noise Sequence）即偽噪聲序列，這類序列具有類似隨機(jī)噪聲的一些統(tǒng)計特性，但和真正的隨機(jī)信號不同，它可以重復(fù)產(chǎn)生和處理，故稱作偽隨機(jī)噪聲序列。PN碼最見的用途是在擴(kuò)頻系統(tǒng)中用來擴(kuò)展信號頻譜；此外PN碼也可以用來作為信源信息。在實際應(yīng)用中，常利用MT Generate Bits函數(shù)來生成PN序列，它位于函數(shù)選板的RF Communications>>Modulation>>Digital中。MT Generate Bits.函數(shù)的輸入輸出如圖8所示：圖8 MT Generate Bits輸入輸出其中to

9、tal bits為生成的偽隨機(jī)序列的總長度、PN sequence order用來設(shè)定PN序列的循環(huán)周期（如果PN sequence order設(shè)為N，則周期為）、seed in指定PN序列生成器移位寄存器的初始狀態(tài)（默認(rèn)為0xD6BF7DF2）；output bit stream為偽隨機(jī)序列的輸出。此外MT Generate Bits函數(shù)還有User Defined模式，在此模式下函數(shù)可以根據(jù)用戶自定義的輸入序列生成所需長度的循環(huán)序列。其輸入輸出如圖9所示：圖9 User Defined模式的輸入輸出其中user base bit pattern為用戶指定的序列，控件會不斷循環(huán)用戶指定的序列

10、直到輸出序列的長度達(dá)到total bits所設(shè)定的值。output bit stream為生成序列的輸出。本例中用到了三個MT Generate Bits函數(shù)，分別用來生成保護(hù)序列、同步序列和信息序列。2、 利用產(chǎn)生的序列對信源序列進(jìn)行擴(kuò)展：圖10 擴(kuò)頻模塊輸入信源bit碼、PN擴(kuò)頻碼、誤差；輸出擴(kuò)頻碼、誤差。2、DE-DSSS.vi子程序DE-DSSS子程序的作用是在接收端實現(xiàn)對信號的解擴(kuò)。解擴(kuò)操作即擴(kuò)頻操作的逆過程。繼續(xù)使用上面的例子，當(dāng)你在發(fā)射端用11000100110代替"1"，而用00110010110代替"0"后，在接收機(jī)處只要把收到的序列是

11、11000100110恢復(fù)成"1"，而00110010110恢復(fù)成"0"，這就是解擴(kuò)。上述過程如圖0所示。圖11 解擴(kuò)的實現(xiàn)過程前面板：圖12 DE-DSSS前面板DE-DSSS程序框圖： 圖13 DE-DSSS程序框圖五、實驗步驟：1、產(chǎn)生所需長度的并與發(fā)射端相同偽隨機(jī)序列（PN序列），同DS-SS；2、然后利用產(chǎn)生的序列對接收信號進(jìn)行解擴(kuò)：輸入：將信源與PN序列通過“數(shù)組大小”模塊返回其長度，相除得到的商作為搜索深度；輸入經(jīng)信道傳輸后的擴(kuò)頻碼、與發(fā)送端同步的擴(kuò)頻序列以及誤差。輸出得解擴(kuò)后碼序列以及誤差。3、實驗驗證在DS-SS子程序中，你可以手動輸入

12、一串0/1作為信源序列，并設(shè)置好PN序列的長度（設(shè)為N）。單獨(dú)運(yùn)行DS-SS子程序，觀察輸出的序列長度是否擴(kuò)展了N倍，并注意輸出序列中PN碼是否與相應(yīng)的0或者1對應(yīng)。驗證成功的話便表明你的DS-SS子程序編寫正確。并利用類似的方法驗證DE-DSSS子程序的正確性。然后驗證發(fā)射端主程序是否能正確的發(fā)射我們想要的擴(kuò)頻信號。首先正確的連接USRP并合理的配置發(fā)射端的各項參數(shù)，運(yùn)行程序。然后你可能會看到如圖至圖所示的發(fā)射信號時域波形和頻域波形。20圖14不擴(kuò)頻的時域信號圖15不擴(kuò)頻的頻域信號圖16擴(kuò)頻后的時域信號圖17擴(kuò)頻后的頻域信號可以看出經(jīng)過擴(kuò)頻的發(fā)射信號與不經(jīng)過擴(kuò)頻的發(fā)射信號相比，在頻域上進(jìn)行了

13、展寬，在時域上變得更加密集。這與擴(kuò)頻的基本原理相符，說明發(fā)射端的設(shè)計基本正確。在接收端，我們需要使得參數(shù)能夠與發(fā)射端匹配，這樣才能正常的接收。特別需要注意Capture Time、packet length和RX Sample Rate這幾個參數(shù)，你首先需要理解它們的意義，這樣才能夠正確的配置它們。如果你在發(fā)射端沒有修改默認(rèn)參數(shù)的話，接收端的默認(rèn)參數(shù)恰好能夠與發(fā)射端匹配。你需要同時運(yùn)行發(fā)射端和接收端程序，在發(fā)射端正確運(yùn)行時觀察接收端能否正確接收。程序會計算當(dāng)前信噪比下的誤碼率，并逐漸增大信噪比、最終得出一條信噪比/誤碼率曲線，如圖3-4- 11所示。你可能需要稍等一段時間才能夠看到程序運(yùn)行完成

14、的結(jié)果。在接收端程序運(yùn)行的同時，你可以進(jìn)入receiver子程序中的Ber detected子程序，在里面觀察當(dāng)前信噪比接收到的數(shù)據(jù)數(shù)和誤碼數(shù)，如圖3-4- 12所示。 圖18誤碼率曲線 圖19運(yùn)行時的數(shù)據(jù)顯示然后你可以嘗試改變收發(fā)端的各項參數(shù)，觀察不同參數(shù)對運(yùn)行結(jié)果的影響。最后你需要按照要求完成實驗報告。6、 實驗結(jié)果 QPSK:將USRP連接電腦，更改IP地址等參數(shù)。頻率使用915MHz避免干擾。如下圖20：發(fā)送端前面板調(diào)制參數(shù)以及發(fā)送星座圖發(fā)送時域波形如下圖21：發(fā)送端眼圖和發(fā)送端頻域波形如下，眼圖的尖銳程度和發(fā)送頻率有關(guān)，如圖22：接收端的硬件參數(shù)和誤碼率如下圖，如圖23：接收端眼圖如

15、圖24所示：BPSK：調(diào)制參數(shù)如下：BPSK:發(fā)送端硬件參數(shù)發(fā)送端星座圖：接收端眼圖：接收端星座圖及誤碼率曲線（信噪比較低）：五、實驗擴(kuò)展1、解釋接收端同步模塊的具體實現(xiàn)方式及其利用的基本原理。（1）初始同步，或稱粗同步、捕獲。它主要解決載波頻率和碼相位的不確定性，保證解擴(kuò)后的信號能通過相關(guān)器后面的中頻濾波器，這是所有問題中最難解決的問題。 （2）跟蹤，或稱精同步。接收機(jī)對接收到的信號，首先進(jìn)行搜索，對收到的信號與本地碼相位差的大小進(jìn)行判斷，若不滿足捕獲要求，即收發(fā)相位差大于一個碼元，則調(diào)整時鐘再進(jìn)行搜索。直到使收發(fā)相位差小于一個碼元時，停止搜索，轉(zhuǎn)入跟蹤狀態(tài)。圖3-4- 5同步流程圖圖3-4

16、- 6跟蹤流程圖2、擴(kuò)頻通信技術(shù)除了有較強(qiáng)的抗干擾能力外，還具有哪些優(yōu)點(diǎn)？逐一例舉出來并簡述擴(kuò)頻技術(shù)具有這些優(yōu)點(diǎn)的原因。（1）易于重復(fù)使用頻率，提高了無線頻譜利用率無線頻譜十分寶貴，雖然從長波到微波都得到了開發(fā)利用，仍然滿足不了社會的需求。在窄帶通信中，主要依靠波道劃分來防止信道之間發(fā)生干擾。為此，世界各國都設(shè)立了頻率管理機(jī)構(gòu)，用戶只能使用申請獲準(zhǔn)的頻率。擴(kuò)頻通信發(fā)送功率極低，采用了相關(guān)接收技術(shù)，且可工作在信道噪聲和熱噪聲背景中，易于在同一地區(qū)重復(fù)使用同一頻率，也可與各種窄道通信共享同一頻率資源。所以，在美國及世界絕大多數(shù)國家，擴(kuò)頻通信無須申請頻率，任何個人與單位都可以無執(zhí)照使用。（2）抗干擾

17、性強(qiáng)，誤碼率低擴(kuò)頻通信在空間傳輸時所占用的帶寬相對較寬，而接收端又采用相關(guān)檢測的辦法來解擴(kuò)，使有用寬帶信息信號恢復(fù)成窄帶信號，而把非所需信號擴(kuò)展成寬帶信號，然后通過窄帶濾波技術(shù)提取有用的信號。這樣，對于各種干擾信號，因其在接收端的非相關(guān)性，解擴(kuò)后窄帶信號中只有很微弱的成分，信噪比很高，因此抗干擾性強(qiáng)。在商用的通信系統(tǒng)中，擴(kuò)頻通信是唯一能夠工作在負(fù)信噪比條件下的通信方式。（3）隱蔽性好，對各種窄帶通信系統(tǒng)的干擾很小由于擴(kuò)頻信號在相對較寬的頻帶上被擴(kuò)展了，單位頻帶內(nèi)的功率很小，信號湮沒在噪聲里，一般不容易被發(fā)現(xiàn)，而想進(jìn)一步檢測信號的參數(shù)如偽隨機(jī)編碼序列就更加困難，因此說其隱蔽性好。再者，由于擴(kuò)頻信

18、號具有很低的功率譜密度，它對使用的各種窄帶通信系統(tǒng)的干擾很小。（4）可以實現(xiàn)碼分多址擴(kuò)頻通信提高了抗干擾性能，但付出了占用頻帶寬的代價。如果讓許多用戶共用這一寬頻帶，則可大大提高頻帶的利用率。由于在擴(kuò)頻通信中存在擴(kuò)頻碼序列的擴(kuò)頻調(diào)制，充分利用各種不同碼型的擴(kuò)頻碼序列之間優(yōu)良的自相關(guān)特性和互相關(guān)特性，在接收端利用相關(guān)檢測技術(shù)進(jìn)行解擴(kuò)，則在分配給不同用戶碼型的情況下可以區(qū)分不同用戶的信號，提取出有用信號。這樣一來，在一寬頻帶上許多對用戶可以同時通話而互不干擾。（5）抗多徑干擾這兩種技術(shù)在擴(kuò)頻通信中都易于實現(xiàn)。利用擴(kuò)頻碼的自相關(guān)特性，在接收端從多徑信號中提取和分離出最強(qiáng)的有用信號，或把多個路徑來的同

19、一碼序列的波形相加合成，這相當(dāng)于梳狀濾波器的作用。另外，在采用頻率跳變擴(kuò)頻調(diào)制方式的擴(kuò)頻系統(tǒng)中，由于用多個頻率的信號傳送同一個信息，實際上起到了頻率分集的作用。（6）能精確地定時和測距電磁波在空間的傳播速度是固定不變的光速，人們自然會想到如果能夠精確測量電磁波在兩個物體之間的傳播時間，也就等于測量兩個物體之間的距離。在擴(kuò)頻通信中如果擴(kuò)展頻譜很寬，則意味著所采用的擴(kuò)頻碼速率很高，每個碼片占用的時間就很短。當(dāng)發(fā)射出去的擴(kuò)頻信號在被測量物體反射回來后，在接收端解調(diào)出擴(kuò)頻碼序列，然后比較收發(fā)兩個碼序列相位之差，就可以精確測出擴(kuò)頻信號往返的時間差，從而算出兩者之間的距離。測量的精度決定于碼片的寬度，也就是擴(kuò)展頻譜的寬度。碼片越窄，擴(kuò)展的頻譜越寬，精度越高。（7）適合數(shù)字話音和數(shù)據(jù)傳輸，以及開展多種通信業(yè)務(wù)擴(kuò)頻通信一般都采用數(shù)字通信、碼分多址技術(shù)，適用于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，適合于數(shù)據(jù)和圖像傳輸。（8）安裝簡便，