軟件無(wú)線電技術(shù)

1、基于Matlab軟件平臺(tái)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線通信仿真摘 要：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信中，發(fā)送信息由發(fā)送端經(jīng)信道編碼，信道到達(dá)接收端。在接收端通過(guò)均衡、抽樣判決、信道譯碼和字符轉(zhuǎn)換得到發(fā)送信息。本實(shí)驗(yàn)將點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信系統(tǒng)進(jìn)行MATLAB仿真分析。關(guān)鍵字：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)；仿真分析一、 系統(tǒng)模型在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（P2P）通信可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)任意兩個(gè)用戶之間的信息交換。本次實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)單向單工通信，即在發(fā)送端發(fā)送信號(hào)時(shí)，接收端只能進(jìn)行接收，并且通信方向不可逆。具體模塊上，可分為發(fā)送模塊，接收模塊，信道模塊。其系統(tǒng)模型框圖如下所示：圖1.1 系統(tǒng)整體框圖二、 簡(jiǎn)述原理本次實(shí)驗(yàn)通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，具體實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)中信息的轉(zhuǎn)換，信道編碼，封裝成幀，并

2、通過(guò)瑞利信道。在接收端作信道估計(jì)，并通過(guò)估計(jì)的信道信息反卷積得到發(fā)送波形。另外，在接收端可以通過(guò)觀察眼圖和統(tǒng)計(jì)直方圖來(lái)更好地分析信道和發(fā)送、接收波形。最后，通過(guò)信道譯碼和比特與文本轉(zhuǎn)換，得到發(fā)送的文本信息。2.1 發(fā)送模塊信息轉(zhuǎn)換部分用來(lái)將待發(fā)送的文本信息轉(zhuǎn)換為其ASIC碼對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制比特序列。信道編碼部分采用（3,1,3）重復(fù)編碼，即每個(gè)比特使用三位相同的比特來(lái)表示。0編碼為000,1編碼為111。該編碼方式增加了信息的可靠性，降低誤碼率，可以用來(lái)對(duì)抗信道的影響。信道編碼結(jié)束后，將信息封裝成長(zhǎng)度為1282位的幀，其中包含起始位1和終止位0。為了簡(jiǎn)單表示，將超出幀長(zhǎng)的部分刪去。在幀前加入長(zhǎng)度為

3、1500位的導(dǎo)頻序列，其由500位二進(jìn)制1,500位二進(jìn)制0和500位二進(jìn)制1構(gòu)成。導(dǎo)頻序列的加入是用來(lái)進(jìn)行波形同步和信道估計(jì)。接下來(lái)，利用SPB將發(fā)送幀擴(kuò)展為發(fā)送波形，并傳至已經(jīng)構(gòu)建好的瑞利信道。2.2 信道模塊將發(fā)送波形和信道做卷積之后可以得到接收波形。信道為瑞利信道，具體表達(dá)式如下：H=(randn(1,L)+j*randn(1,L)/sqrt(2)2.3 接收模塊接收到波形最大值和最小值之和的1/2作為判決門(mén)限值。在收到接收波形的基礎(chǔ)上，利用導(dǎo)頻序列進(jìn)行同步，找到接收波形的起始點(diǎn)位置。從起始點(diǎn)位置起，依據(jù)SPB，對(duì)波形進(jìn)行抽樣和判決，高于門(mén)限值的判定為1，低于門(mén)限值的判定為0。至此，完

4、成波形到編碼序列的轉(zhuǎn)換。依據(jù)信道編碼的規(guī)則，可以完成信道譯碼。將之前得到的編碼序列去掉重復(fù)位即可得到原序列。由于信息經(jīng)過(guò)信道，由此會(huì)產(chǎn)生誤碼，這里可依據(jù)重復(fù)碼的校驗(yàn)方式對(duì)信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單的檢錯(cuò)和糾錯(cuò)。三位碼的碼重有0、1、2、3四種，根據(jù)最短距離準(zhǔn)則，碼重為0、1的判定為000型碼字，碼重為2、3的判定為111型碼字。得到的信道譯碼序列再經(jīng)過(guò)字符轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為字符串。完成了字符串從發(fā)送端到接收端的全過(guò)程。 三、 仿真分析本實(shí)驗(yàn)利用MATLAB軟件進(jìn)行仿真，在仿真中，我采用了兩種信道。第一種是源文件給出的“doubleexp”信道，另一種則是瑞利信道疊加高斯噪聲。3.1 “doubleexp”信道下的

5、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信在發(fā)送端，首先確定，發(fā)送信息為“hello world”，經(jīng)過(guò)字符轉(zhuǎn)換后變成總長(zhǎng)為88位的二進(jìn)制序列。對(duì)該二進(jìn)制序列進(jìn)行信道編碼，即每個(gè)碼字?jǐn)U展成三位后再封裝成幀。通過(guò)SPB將發(fā)送序列轉(zhuǎn)換為波形，并通過(guò)“doubleexp”信道。在接收端首先對(duì)接收到的波形進(jìn)行均衡，已知信道模型為yn = c + k*1-an-d ndyn=c nd通過(guò)導(dǎo)頻序列可以求出參數(shù)c、k、d、a的值，而通過(guò)對(duì)式y(tǒng)n = a*yn-1+1-a*x(n) 進(jìn)行迭代求解，可以得到均衡后的接收波形，x(n)。均衡前后的效果對(duì)比可以通過(guò)觀察眼圖來(lái)進(jìn)行分析。圖3.1 均衡前后的眼圖對(duì)比設(shè)定參數(shù)：距離為15，SPB為10，

6、起始點(diǎn)位置為1509。此時(shí)眼圖如上所示。上方的圖為均衡前的眼圖，下方的圖為均衡后的眼圖。兩者對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，均衡后的眼圖眼睛張開(kāi)的更大，眼圖更加清晰。同時(shí)上下陰影區(qū)的間隔距離更大，也就意味著噪聲容限更大，提高了判決的準(zhǔn)確性，進(jìn)而降低誤碼率。另外，由于利用遞推關(guān)系式計(jì)算時(shí)疊加的噪聲更大，造成了眼圖的線條變粗。均衡之后進(jìn)行波形到比特的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的過(guò)程中需要進(jìn)行抽樣判決，判決門(mén)限選取12（rmax+rmin）。接下來(lái)完成信道譯碼，最后再將比特轉(zhuǎn)換為字符串。在信道譯碼后可以統(tǒng)計(jì)誤碼率，由于該實(shí)驗(yàn)信道的特性，導(dǎo)致誤碼率為0，而在接收端可以有效的譯碼出發(fā)送信息“hello world”。實(shí)驗(yàn)發(fā)送比特和接收比

7、特如下圖：圖3.2 發(fā)送比特序列和接收比特序列實(shí)驗(yàn)發(fā)送波形和接收波形如下圖：圖3.3 發(fā)送波形和接收波形3.3 瑞利信道疊加高斯噪聲由于上述實(shí)驗(yàn)的信道模型過(guò)于簡(jiǎn)單，因此在此實(shí)驗(yàn)中考慮瑞利信道模型?；驹O(shè)置和“doubleexp”信道相同，區(qū)別在于使用的信道為瑞利信道。設(shè)定瑞利信道L=5，即為5徑。發(fā)送波形和信道進(jìn)行卷積可以得到輸出波形。同時(shí)，在輸出波形上疊加上功率為0.2dBw的高斯白噪。本次實(shí)驗(yàn)發(fā)送信息為“helasdofn asdf”，發(fā)送比特序列和接收比特序列如下圖：圖3.4 發(fā)送和接收比特序列圖發(fā)送和接收的波形圖如下：圖3.5 發(fā)送和接收的波形圖在設(shè)定判決門(mén)限時(shí)，由于信號(hào)為復(fù)數(shù)，所以選

8、取其接收波形前1000個(gè)點(diǎn)的最大值和最小值的模值，即abs(max(rx_wave(1:1000)+min(rx_wave(1:1000)/2）作為判決門(mén)限。此相較于直接取(max(rx_wave(1:1000)+min(rx_wave(1:1000)/2或者Real(max(rx_wave(1:1000)+min(rx_wave(1:1000)/2）而言均具有更低的誤碼率。接收信息和誤碼率如下圖：圖3.6 發(fā)送與接收信息及誤碼率實(shí)驗(yàn)六-均衡一、 實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介均衡是是指對(duì)信道特性的均衡，即接收端的均衡器產(chǎn)生與信道相反的特性，用來(lái)抵消信道的傳播特性引起的干擾。本次實(shí)驗(yàn)主要包括四個(gè)子實(shí)驗(yàn)，分別是：信道

9、估計(jì)、均衡、均衡的影響和均衡效果的評(píng)估。二、 實(shí)驗(yàn)原理2.1 信道估計(jì)已知信道模型如下：yn = c + k*1-an-d ndyn=c nd接收波形的前400位是導(dǎo)頻序列包括前150位0和后250位1，該導(dǎo)頻序列可以用來(lái)做信道估計(jì)。由于信道噪聲影響，標(biāo)準(zhǔn)階躍序列在接收端產(chǎn)生失真，例如幅值偏移。利用定義好的長(zhǎng)度為400的階躍序列和接收信號(hào)的前400位進(jìn)行匹配，即可得到相關(guān)參數(shù)值c、k、d、a，從而估計(jì)出信道。其中c為縱坐標(biāo)幅度偏置量，可通過(guò)前150個(gè)點(diǎn)取平均得到。k為接收波形上端與下端的差值，可通過(guò)后150點(diǎn)的均值與前150點(diǎn)均值做差得到。d為橫軸上采樣點(diǎn)的偏置量，由于本實(shí)驗(yàn)所用信道模型dou

10、bleexp在采樣點(diǎn)上沒(méi)有時(shí)延，因此d的取值即為導(dǎo)頻序列中0的個(gè)數(shù)150。a是實(shí)驗(yàn)中重點(diǎn)要得到的值，他表征擬階躍序列上升沿的上升速率，a值可以通過(guò)迭代法求解匹配波形和接收波形在150-200點(diǎn)之間的最小均方根誤差得到。2.2 均衡在信道估計(jì)的基礎(chǔ)上，加入均衡，可以降低信道對(duì)于接收波形的影響，減小誤碼率。其中a的值在2.1中依據(jù)MMSE準(zhǔn)則得到。輸出和輸入的關(guān)系通過(guò)如下所示方程描述：yn = a*yn-1+1-a*x(n) y為輸出，x為輸入，利用上述遞推公式可以得到輸入序列，即均衡后的結(jié)果。均衡前后的眼圖可以用來(lái)觀察均衡效果。2.3 均衡的影響因素這個(gè)實(shí)驗(yàn)通過(guò)給定不同的單比特采樣點(diǎn)數(shù)（samp

11、le per bit），通過(guò)均衡后得到眼圖。觀察眼圖信息，就可以得到SPB對(duì)于均衡的影響程度。2.4 均衡的評(píng)估均衡的評(píng)估依賴(lài)于誤碼率的計(jì)算，通過(guò)計(jì)算均衡前和均衡后的誤碼率，即可對(duì)均衡效果進(jìn)行評(píng)估。同時(shí)，該實(shí)驗(yàn)還將不同SPB的誤碼率以圖像的形式表示出來(lái)。三、 仿真分析3.1 信道估計(jì)首先，選定的缺省參數(shù)為：c = 0; d = 200; k = 1; a = 0.8。此時(shí)的接收波形和匹配波形如下所示：圖 3.1 未調(diào)參數(shù)時(shí)的接收波形和匹配波形其中，橫坐標(biāo)為采樣點(diǎn)數(shù)，縱坐標(biāo)為幅度值。藍(lán)線所示為接收波形圖，由于噪聲影響，標(biāo)準(zhǔn)階躍序列的底端0序列部分上升，頂端1序列部分下降。上升沿部分變得平滑，有類(lèi)

12、似于升余弦的波形出現(xiàn)。紅線為匹配波形。顯然，在缺省參數(shù)設(shè)置時(shí)，匹配效果不佳。下圖為調(diào)整參數(shù)值之后的接受波形和匹配波形，橫坐標(biāo)仍為采樣點(diǎn)數(shù)，縱坐標(biāo)為幅度值。參數(shù)值設(shè)定為：c = 0.23; d = 150; k = 0.6; a = 0.917。其中，c、d、k的取值在上一部分有論述。a的取值通過(guò)循環(huán)函數(shù)計(jì)算。計(jì)算流程圖如下：圖3.2 a的計(jì)算過(guò)程通過(guò)上述方法可以得到a=0.917。將更新后的a的值帶入方程可以觀察到，此時(shí)的兩個(gè)波形幾乎重合，證明匹配成功。圖3.3 已調(diào)參數(shù)后的接收波形和匹配波形3.2 均衡信道模型為doubleexp，已知發(fā)送波形，可以得到接收波形。又由信道估計(jì)方程yn = c

13、 + k*1-an-d可以得到輸出yn、yn-1以及輸入xn的關(guān)系式。在這里，由于c和k都是偏置量，為了方便計(jì)算，我們可以假定c=0、k=1。這樣，我們就得到了遞推關(guān)系式：yn = a*yn-1+1-a*x(n) 由上式，我們就可以導(dǎo)出信道均衡后的輸出波形x(n)。注意到，由于在n=1時(shí)，y(0)是沒(méi)有定義的，所以需要預(yù)先假設(shè)y(0) = y(1)。接下來(lái)，為了觀察均衡后接收波形相較于均衡前的性能提升，我們可以觀察兩個(gè)波形的眼圖。圖3.4 均衡前和均衡后的眼圖上圖是SPB=20時(shí)，均衡前和均衡后的眼圖對(duì)比。由上圖可以觀察到，均衡后的眼圖相較于均衡前更加清晰，眼睛張開(kāi)的更大，同時(shí)上下陰影區(qū)的間隔

14、距離更大，也就意味著噪聲容限更大，提高了判決的準(zhǔn)確性，進(jìn)而降低誤碼率。另外，由于利用遞推關(guān)系式計(jì)算時(shí)疊加的噪聲更大，造成了眼圖的線條變粗。3.3 均衡的影響因素此實(shí)驗(yàn)取SPB值分別為20、15、10、3，來(lái)觀察不同SPB值對(duì)于均衡的影響，仿真圖如下：圖3.5 SPB為20時(shí)的眼圖從圖中可以觀察到，均衡后相較于均衡前，眼圖更加清晰，重合的更好，并且噪聲容限更大。圖3.6 SPB15時(shí)的眼圖此時(shí)的均衡效果更加明顯。未均衡時(shí)，噪聲容限較低，容易產(chǎn)生誤判，導(dǎo)致誤碼率上升。同時(shí)，由于碼間串?dāng)_，掃描跡線未完全重合。均衡后噪聲容限有了較大改善，同時(shí)消除了之前的碼間串?dāng)_。圖3.7 SPB為10時(shí)的眼圖觀察上圖

15、可以發(fā)現(xiàn)，在SPB為10時(shí)，由于采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)過(guò)少，導(dǎo)致未進(jìn)行均衡的波形碼間串?dāng)_十分嚴(yán)重，波形嚴(yán)重失真。而均衡后有了極大的改善。圖3.8 SPB為3時(shí)的眼圖此時(shí)，由于SPB過(guò)低，對(duì)于發(fā)送信息的讀取度嚴(yán)重不足，導(dǎo)致均衡前后的眼圖都很不清晰，此時(shí)接收端已無(wú)法進(jìn)行判決?？偨Y(jié)，當(dāng)SPB較小時(shí)，信道均衡可有效改善波形。但是當(dāng)SPB小于一定值時(shí)，由于已知信息過(guò)少，信號(hào)傳輸速率過(guò)快，會(huì)導(dǎo)致均衡后的改善有限。因此，在發(fā)送端，SPB的取值不宜過(guò)小。2.4 均衡的評(píng)估利用誤碼率可以進(jìn)行均衡的評(píng)估。本實(shí)驗(yàn)給出了不同SPB時(shí)均衡前后的誤碼率比較，具體如下圖：圖3.9 誤碼率比較上圖中，紅線為均衡后的誤碼率，藍(lán)線為均衡前的

16、誤碼率。從上圖中可以看出，當(dāng)SPB值小于10時(shí)，均衡可以有效降低誤碼率。但是當(dāng)SPB值大于10后，均衡與否對(duì)于誤碼率沒(méi)有影響，此時(shí)在接收端都可以正確接收。實(shí)驗(yàn)7-統(tǒng)計(jì)分布一、 實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介概率密度函數(shù)是一個(gè)描述某個(gè)隨機(jī)變量的輸出值，在某個(gè)確定的取值點(diǎn)附近的可能性的函數(shù)。對(duì)概率密度函數(shù)進(jìn)行積分則可以得到累計(jì)分布函數(shù)。本實(shí)驗(yàn)的目的是觀察不同因素在接收端對(duì)于信號(hào)分布的影響。主要由四部分組成：接收信號(hào)的統(tǒng)計(jì)分布，取樣點(diǎn)對(duì)于直方圖的影響，發(fā)送信號(hào)分別為“0”和“1”時(shí)的統(tǒng)計(jì)分布，傳輸距離對(duì)于接收信號(hào)分布的影響。二、 實(shí)驗(yàn)原理2.1 接收信號(hào)的統(tǒng)計(jì)分布系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖如下：圖1 實(shí)驗(yàn)原理圖發(fā)送的為全“0”信號(hào)，對(duì)

17、于接收到的波形，對(duì)其進(jìn)行抽樣，該波形中所含信息完全為噪聲信息。因?yàn)樵肼暦母咚狗植迹钥梢詮牟ㄐ沃械玫皆肼暤木岛头讲钚畔?，從而繪制出理論上噪聲的概率密度曲線。而實(shí)際的噪聲統(tǒng)計(jì)分布直方圖則是通過(guò)對(duì)接搜到的信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到的。2.2取樣點(diǎn)數(shù)對(duì)于直方圖的影響一般而言，取樣點(diǎn)數(shù)的多少會(huì)直接影響對(duì)于信息了解的程度。取樣點(diǎn)越多，則已知信息越多，在進(jìn)行匹配時(shí)可以有效避免失配的發(fā)生。實(shí)驗(yàn)2是在實(shí)驗(yàn)1的基礎(chǔ)上，通過(guò)改變接收端的采樣點(diǎn)數(shù)，來(lái)觀察統(tǒng)計(jì)分布直方圖和概率密度曲線的匹配程度好壞。對(duì)已有理論認(rèn)識(shí)進(jìn)行驗(yàn)證。2.3發(fā)送信號(hào)分別為“0”和“1”時(shí)的統(tǒng)計(jì)分布設(shè)定發(fā)送信號(hào)的前640位為“0”，后640位為“1”。

18、在接收端對(duì)接收信號(hào)的前640位和后640位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和理論估值，可以繪制統(tǒng)計(jì)分布直方圖和理論概論密度曲線。就本實(shí)驗(yàn)而言，由于其實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的光源通信，所以傳輸距離對(duì)其影響十分明顯。實(shí)驗(yàn)選取的傳輸距離為15，觀察發(fā)送信號(hào)為“0”的部分可以得到噪聲信息。觀察發(fā)送信號(hào)為“1”的部分可以得到噪聲對(duì)于信號(hào)的影響。2.4傳輸距離對(duì)于接收信號(hào)分布的影響該實(shí)驗(yàn)是2.3的延伸，主要討論了傳輸距離對(duì)于信號(hào)統(tǒng)計(jì)分布和理論估值的影響。距離越近，則噪聲影響越小，發(fā)送“0”和發(fā)送“1”的差別應(yīng)該越大。三、 仿真分析3.1接收信號(hào)的統(tǒng)計(jì)分布傳輸距離為15，比特時(shí)間為50，采樣點(diǎn)數(shù)為1280。仿真結(jié)果如下所示：圖2 統(tǒng)計(jì)分

19、布直方圖其中，紅線為理論概論密度曲線圖，藍(lán)色直方圖為對(duì)各個(gè)取值作統(tǒng)計(jì)后得到的結(jié)果。由于受噪聲的影響，發(fā)送全“0”信號(hào)時(shí)，在接收端得到的信號(hào)分布在0.2-0.4之間。此時(shí)，由于采樣點(diǎn)數(shù)較大，兩者擬合程度很高。3.2取樣點(diǎn)數(shù)對(duì)于直方圖的影響傳輸距離為15，比特時(shí)間為50，觀察不同采樣點(diǎn)數(shù)對(duì)統(tǒng)計(jì)分布直方圖的影響。仿真結(jié)果如下所示：圖3 采樣點(diǎn)為200時(shí)的統(tǒng)計(jì)分布直方圖由于對(duì)接收信號(hào)采樣過(guò)少，很多點(diǎn)的信息無(wú)法獲取，從而導(dǎo)致誤判。此時(shí)理論值紅線和實(shí)際值藍(lán)色直方圖有較大差距。圖4 采樣點(diǎn)為800時(shí)的統(tǒng)計(jì)分布直方圖由于采樣點(diǎn)數(shù)的提高，兩者匹配程度也較采樣點(diǎn)數(shù)為200時(shí)有了較大的提高。由此我們可以得到結(jié)論，采樣點(diǎn)數(shù)越大，