無線通信第二次Labview實(shí)驗(yàn)

1、無線通信基礎(chǔ)課程研究性學(xué)習(xí)手冊(cè)數(shù)字調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn) 時(shí) 間：2016年5月15日 目 錄一實(shí)驗(yàn)任務(wù)11. 發(fā)送端top_tx主程序12. 發(fā)送端top_rx主程序13. 添加QPSK調(diào)制解調(diào)模塊1 二. 理論分析21. 發(fā)送端介紹22. 接收端介紹4 三. 實(shí)驗(yàn)步驟71. 設(shè)置IP72. 更改參數(shù)73. 運(yùn)行程序7 四. 結(jié)論及分析71. BPSK信號(hào)發(fā)送接收實(shí)驗(yàn)72. QPSK調(diào)制解調(diào)8五遇到的問題及解決9六擴(kuò)展問題9七. 心得與體會(huì)10八. 參考文獻(xiàn)11一實(shí)驗(yàn)任務(wù)本實(shí)驗(yàn)的目的是使用USRP來實(shí)現(xiàn)發(fā)射和接收射頻信號(hào)，并且通過LabVIEW來實(shí)現(xiàn)對(duì)不同調(diào)制信號(hào)的同步性能的對(duì)比，由于在實(shí)驗(yàn)一中已經(jīng)完

2、成了數(shù)字調(diào)制的實(shí)驗(yàn)，所以在做這部分實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要用到之前的調(diào)制解調(diào)模塊。該實(shí)驗(yàn)將通過配置USRP的參數(shù)來使你了解把基帶信號(hào)上變頻到射頻信號(hào)以及把射頻信號(hào)下變頻到基帶信號(hào)的過程，并熟悉LabVIEW中的各種USRP模塊的配置方法。本次實(shí)驗(yàn)中需要完成的有top_tx和top_rx兩個(gè)主程序，完成實(shí)驗(yàn)后。完成的任務(wù)是下面這三個(gè)，目標(biāo)是在進(jìn)行完這三個(gè)任務(wù)后得到一個(gè)完整的程序，使其可以實(shí)現(xiàn)全部的功能。1. 發(fā)送端top_tx主程序?qū)嶒?yàn)要求描述:在學(xué)生版程序中，BPSK的調(diào)制解調(diào)模塊是完整的，需要在BPSK選板中完成發(fā)送和接收的USRP配置工作。程序中通過USRP發(fā)送數(shù)據(jù)所需的VI都已經(jīng)添加好，把這些VI與

3、數(shù)據(jù)流和這些VI之間通過適當(dāng)?shù)倪B線相連，同時(shí)修改一些發(fā)送所需的參數(shù)。2. 發(fā)送端top_rx主程序這也是基于BPSK調(diào)制解調(diào)完整的情況下，在接收端完成USRP模塊的連接，同時(shí)修改接收所需的參數(shù)。之后通過USRP發(fā)送和接收BPSK信號(hào)來檢驗(yàn)?zāi)闩渲玫腢SRP是否正確。在確認(rèn)USRP配置正確后，再進(jìn)行任務(wù)。3. 添加QPSK調(diào)制解調(diào)模塊實(shí)驗(yàn)要求描述：在程序中完成QPSK的調(diào)制和解調(diào)。實(shí)現(xiàn)方式可以參考BPSK或者上一個(gè)實(shí)驗(yàn)。在整個(gè)完成實(shí)驗(yàn)的過程中，要注意自己添加的調(diào)制解調(diào)模塊的數(shù)據(jù)類型與提供給你的模塊之間的數(shù)據(jù)類型的匹配。二. 理論分析本實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了BPSK的調(diào)制解調(diào)和QPSK的調(diào)制解調(diào)，并使用USRP

4、發(fā)送和接收。調(diào)制與解調(diào)的原理與上一個(gè)實(shí)驗(yàn)一樣，本次實(shí)驗(yàn)的不同之處再與使用了USRP發(fā)送和接收，實(shí)現(xiàn)了實(shí)際信道中信號(hào)的傳輸。BPSK的調(diào)制就是直接將數(shù)字基帶信號(hào)映射到對(duì)應(yīng)的載頻相位上，使用labview仿真實(shí)現(xiàn)需要將輸入的01數(shù)字碼元用數(shù)組索引并且輸出一個(gè)符號(hào)流，然后進(jìn)入下級(jí)模塊調(diào)制并發(fā)送。BPSK解調(diào)只需求收到的碼元與0或者1之間的歐式距離，使用最大似然判決規(guī)則即可。此外也可使用匹配濾波器來實(shí)現(xiàn)。QPSK需要將原始的二進(jìn)制比特流對(duì)應(yīng)為四進(jìn)制的比特流去調(diào)制相位。將輸入比特流串并變換后，高位乘以2，加上低位即可實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制到四進(jìn)制的對(duì)應(yīng)。使用求出的對(duì)應(yīng)序列去索引一個(gè)事先設(shè)置好的復(fù)數(shù)，用它最終輸出去調(diào)

5、制相位，從而實(shí)現(xiàn)了QPSK的調(diào)制，在星座圖上的體現(xiàn)就是將00、01、11、10對(duì)應(yīng)到四個(gè)星座點(diǎn)上。QPSK解調(diào)也使用了最大似然的方式，求最終得到的含有噪聲的數(shù)據(jù)與星座圖上點(diǎn)的距離，把在距離最小的點(diǎn)作為實(shí)際接收到的數(shù)據(jù)。然后進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換，就可以得到輸出比特流。本實(shí)驗(yàn)中還是用了脈沖成型技術(shù)，脈沖成型就是將輸出的調(diào)制信號(hào)與一個(gè)脈沖成型濾波器相乘，從而可以有效的防止ISI(碼間串?dāng)_)，其基本原理是使用了滿足奈奎斯特定理的脈沖成型濾波器在其余抽樣點(diǎn)上的抽樣值為0。1. 發(fā)送端介紹本實(shí)驗(yàn)發(fā)送端的調(diào)制主程序包含4個(gè)功能模塊，其功能分別如下所述，配圖為我們自己連接的程序。1.1 TX_init本模塊主要實(shí)現(xiàn)U

6、SRP的初始化，是配置一些基本USRP參數(shù)的模塊。主要分三個(gè)模塊：niUSRP Open Tx Session,niUSRP Configure Signal和niUSRP Commit。niUSRP Open Tx Session將設(shè)備的ip地址作為設(shè)備名稱輸入得到所有子NI-USRP之間的會(huì)話認(rèn)證。niUSRP Configure Signal是對(duì)輸入信號(hào)的各種參量（如采樣率，天線增益，載頻）的認(rèn)證。niUSRP Commit起到一個(gè)對(duì)任意改變參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，并將會(huì)話認(rèn)證轉(zhuǎn)成ip地址輸出的作用。程序中給信號(hào)加上了error，我們可在最后的error out中查看輸出。1.2 transmit

7、terMod本模塊是調(diào)制程序的核心，實(shí)現(xiàn)的是基帶信號(hào)的產(chǎn)生，包括信源編碼，調(diào)制，脈沖成形等重要功能。首先通過TX_init得到符號(hào)速率和數(shù)量從而繪出星座圖和眼圖，然后將輸入的符號(hào)序列通過調(diào)制轉(zhuǎn)換為基帶信號(hào)，再在前面加入保護(hù)間隔和控制序列，進(jìn)行脈沖成型，然后通過設(shè)置的AWGN信道輸出。1.3 Tx-prepare-for-transmit本模塊的作用是對(duì)調(diào)制完的信號(hào)幅度進(jìn)行歸一化。確保IQ數(shù)據(jù)沒有超過1，否則發(fā)生數(shù)據(jù)溢出。1.4 TXRF_send圖 7 TXRF send本模塊實(shí)現(xiàn)的功能是把調(diào)制完的數(shù)據(jù)寫入U(xiǎn)SRP，實(shí)現(xiàn)發(fā)送。將參數(shù)傳遞到NiUSRP Write TX data，之后以CDB的

8、形式發(fā)送。2. 接收端介紹本實(shí)驗(yàn)接收端端的解調(diào)主程序包含5個(gè)功能模塊，其功能分別如下所述。2.1 RXRF_init本模塊的作用實(shí)現(xiàn)USRP初始化。與發(fā)送端相似，先通過niUSRP Open Tx Session將設(shè)備的ip地址轉(zhuǎn)成會(huì)話認(rèn)證，再將會(huì)話和相干頻率與時(shí)基時(shí)鐘源作為niUSRPcommit的會(huì)話認(rèn)證輸入，然后才能允許輸出。2.2 RXRF_config本模塊的作用是配置USRP的參數(shù)。正常接收時(shí)，將設(shè)置好的調(diào)制參數(shù)與usrp的配置參數(shù)傳遞過來，經(jīng)niUSRP Configure Signal認(rèn)證后輸出。2.3 RXRF_recv 本模塊的作用是接收射頻信號(hào)，并且下采樣到中頻。將接收端

9、的采樣率和捕捉時(shí)間相乘取整作為采樣點(diǎn)數(shù)，會(huì)話，觸發(fā)電平等參量傳遞給收端的觸發(fā)捕捉模塊進(jìn)行接收得到IQ波形。將相干位置作為參量控制捕捉的停止，以便其他程序開啟運(yùn)行，同時(shí)通過檢測(cè)包確保如果沒有出現(xiàn)error接收端將不發(fā)生超時(shí)。2.4 receiver 本模塊是解調(diào)程序的核心，實(shí)現(xiàn)的是恢復(fù)出原數(shù)據(jù)流。包括匹配濾波，同步，信道估計(jì)，均衡，解調(diào)，檢測(cè)誤碼率等重要功能。它主要完成三個(gè)任務(wù)，首先通過確定符號(hào)速率從而得到保護(hù)序列和訓(xùn)練序列，然后把基帶信號(hào)通過匹配濾波，同步，信道估計(jì)和均衡解調(diào)得到比特流，并畫出接收信號(hào)的星座圖和眼圖。2.5 RXRF_close.(SubVI)本模塊的作用是關(guān)閉USRP會(huì)話。將

10、ip地址作為參數(shù)確保相應(yīng)的USRP關(guān)閉，再將信號(hào)調(diào)制解調(diào)過程中的錯(cuò)誤和保護(hù)序列以及訓(xùn)練序列對(duì)應(yīng)的錯(cuò)誤一起合并輸出，作為最終error。三. 實(shí)驗(yàn)步驟1. 設(shè)置IP經(jīng)過查詢我們得知所用的USRP的IP地址為192.168.10.55，所以我們將電腦IP地址改為同一網(wǎng)段的192.168.10.1。2. 更改參數(shù)我們實(shí)驗(yàn)過程中主要更改的前面板的參數(shù)有IP地址：192.168.10.55Oversample factor：調(diào)到30和25無法正常運(yùn)作，后改成20和18都可以Capture time：我們嘗試找最低臨界值，在30ms時(shí)程序崩潰，50及以上乃至400ms都可以，不過越大程序運(yùn)行越慢此外，我們

11、用的頻率是980MHz。3. 運(yùn)行程序點(diǎn)擊tx端的連續(xù)運(yùn)行，然后點(diǎn)擊rx端的單步運(yùn)行，等待，就可以看到收到的文本和星座圖，眼圖。四. 結(jié)論及分析1. BPSK信號(hào)發(fā)送接收實(shí)驗(yàn)完整的發(fā)送端和接收端BPSK運(yùn)行截圖如下。運(yùn)行時(shí)，先運(yùn)行top-tx發(fā)送前面板，然后連續(xù)運(yùn)行top-rx前面板即可。 2. QPSK調(diào)制解調(diào)QPSK信號(hào)發(fā)送端和接收端完整前面板如圖所示： 與BPSK同樣的道理，由于實(shí)際信道中的噪聲，收端的星座圖星座點(diǎn)變大，眼圖中眼皮也變厚了，但是只要信噪比在一定的范圍內(nèi)，仍然可以正常的解調(diào)。五遇到的問題及解決問題1：我們連好程序之后，無法正常接收，錯(cuò)誤顯示卻是在給定程序中而不是自己設(shè)計(jì)的模

12、塊里。如圖所示。 解決：通過請(qǐng)教助教，我們得到解答。是前面參數(shù)有錯(cuò)誤才導(dǎo)致這種現(xiàn)象的發(fā)生，所以我們仔細(xì)檢查了每個(gè)模塊，更改好參數(shù)問題得到解決。問題2：為了更深入的探究我們嘗試更改了很多參數(shù)，尋找其影響特性，結(jié)果導(dǎo)致程序多次崩潰。解決：因?yàn)閷?shí)驗(yàn)程序模塊較多，所以在捕捉時(shí)間不合理等情況發(fā)生時(shí)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)會(huì)崩潰，所以在我們選取合適范圍內(nèi)的參數(shù)時(shí)程序就可以運(yùn)行了。六擴(kuò)展問題1. 發(fā)送端與接收端USRP參數(shù)的配置都有什么意義？USRP參數(shù)的設(shè)置對(duì)結(jié)果有什么影響？答：參數(shù)主要有以下幾個(gè)：1) IP 地址的配置：計(jì)算機(jī)和USRP要屬于同一網(wǎng)段，但是不能完全相同。2) carrier frequency：頻率需

13、要設(shè)置成相同值，不能太低，大約900以上3) 發(fā)端的發(fā)送天線設(shè)置為tx1,收端的接收天線設(shè)置為rx2。tx1因?yàn)榧瓤梢宰霭l(fā)送端也可以做接收端，但是rx2天線只能接收不能發(fā)送。4) oversample factor和sample rate兩個(gè)參數(shù)，收發(fā)端要調(diào)整為一致，不一致的話無法正確接收5) 接收端的capture time要設(shè)置的大一點(diǎn)，以保證對(duì)文本和信號(hào)有足夠時(shí)間來捕捉接收。6) 收發(fā)端的調(diào)制方式要選擇相同。否則無法運(yùn)行。2. 在本實(shí)驗(yàn)中，控制序列的調(diào)制方式是QPSK，改變控制序列的調(diào)制方式對(duì)同步結(jié)果有什么影響？答：QPSK的同步性能要優(yōu)與BPSK,。由于接收端控制序列的解調(diào)方式也是QPSK，改變控制序列的調(diào)制方式將不能實(shí)現(xiàn)正常解調(diào)，同步結(jié)果將產(chǎn)生錯(cuò)誤。除非將收發(fā)端的調(diào)制方式都統(tǒng)一改變，這樣才能實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的正確接收。七. 心得與體會(huì)本次試驗(yàn)分為兩個(gè)模塊，即發(fā)送端與接收端。我們小組遇到最大的問題就是發(fā)送端可以工作，接收端無論怎樣調(diào)整程序都無法成功接收，找不到哪里出錯(cuò)，實(shí)驗(yàn)無法繼續(xù)進(jìn)行，非常苦惱。這就要考驗(yàn)我們的耐心，涉及到參數(shù)的配置問題，稍有不同，就得不到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。此外我們對(duì)Labview的使用及其不熟練，我們還