無線通信技術(shù)課程設(shè)計

1、 無線通信課程設(shè)計報告 學(xué) 生 梁佳健 學(xué) 號 11211157 班 級 通信1107班 第十組 實驗一、DQPSK和GMSK信號調(diào)制實驗一、實驗?zāi)康模?了解GRC的信號處理模塊、流程圖及其使用方法了解DPSK、DQPSK調(diào)制解調(diào)原理了解GMSK調(diào)制解調(diào)原理觀察DPSK、DQPSK信號分別通過 AWGN 信道情況下的星座圖失真情況二、實驗設(shè)備： PC兩臺、RFX2400 USRP1兩臺三、實驗內(nèi)容：1. 了解grc的基本操作方法，要求仿真的流程中信號調(diào)制方式使用DPSK、DQPSK。2. 通過單機實驗和GnuRadio+USRP的實驗兩種實驗方式進(jìn)行仿真。3. 比較同一調(diào)制方式，在不同SNR下

2、的誤碼率，并且分析結(jié)果。4. 畫出信號通過信道前后的時域波形圖、頻譜圖、星座圖、比較兩者的不同并且分析原因。5. 畫出不同信噪比情況下的星座圖，解釋其對于誤碼率的影響。四、實驗原理：1、DQPSK： DQPSK調(diào)制原理是利用載波的四種不同相位來表示輸入的數(shù)字信息，也就是四進(jìn)制相位鍵控，它規(guī)定了四種調(diào)制相位：。所以需要將二進(jìn)制數(shù)字序列中的數(shù)據(jù)劃分為每兩個比特為一組，也就是有00,01,10和11四種情況，經(jīng)過差分編碼后，分別對應(yīng)上面的四個相位，其具體對應(yīng)關(guān)系如表1所示。而調(diào)制之后的符號星座圖的相位路徑轉(zhuǎn)換圖如圖2.1所示。解調(diào)端根據(jù)星座圖和載波相位來判斷發(fā)送端發(fā)送的信息數(shù)據(jù)。表1 相位轉(zhuǎn)換二進(jìn)制

3、比特1二進(jìn)制比特2相位11+/401+3/400-3/410-/4調(diào)制符號星座圖和可能變換路徑2、GMSK：將基帶信號經(jīng)過高斯濾波器之后，再進(jìn)行MSK（Minimum Shift Keying）即最小頻移鍵控調(diào)制，從而形成調(diào)制信號的過程教叫做GSMK（Gaussian Filtered Minimum Shift Keying）即高斯濾波最小頻移鍵控調(diào)制。它具有良好的頻譜和功率特性。高斯濾波原始數(shù)據(jù)經(jīng)過高斯濾波器之后的響應(yīng)可由下式來表示： 其中，調(diào)頻指數(shù)，意味著對應(yīng)調(diào)制數(shù)據(jù)源，一個碼元內(nèi)的最大相移為。下式為GMSK調(diào)制符號表達(dá)式。 五、實驗步驟和結(jié)果分析。1.DQPSK實驗1.1單機實驗(1)

4、實驗框圖：(2)不同信噪比下的誤碼率。下面這些圖是在保證其他參數(shù)不變的條件下，通過逐漸增大噪聲的幅度值，即不斷減小信噪比SNR，觀測到的誤碼率數(shù)值和星座圖。我們發(fā)現(xiàn)，隨著信噪比的不斷減小，誤碼率的值不斷增加。噪聲幅度Amplitude=0.12噪聲幅度Amplitude=0.25同時，我們還發(fā)現(xiàn)問題，就是噪聲幅度的取值必須在一定的范圍內(nèi)才能夠觀測到誤碼率的取值。 （3）信號通過信道前后的時域波形圖：信號通過信道前后的頻譜圖：信號通過信道前后的星座圖我們觀察上面的圖形發(fā)現(xiàn)：信號在經(jīng)過信道以后的時域波形較之原來發(fā)生了失真，而頻譜圖的主瓣也有較大衰減，星座圖與信號在經(jīng)過信道前的情況相比也一定程度上偏

5、離了理想點。我們分析，信號在經(jīng)過信道前后變化的原因主要是信道中存在高斯噪聲，而且噪聲的幅度越大，經(jīng)過信道后的信號波形失真越嚴(yán)重，頻譜衰減越厲害。（4）不同信噪比情況下的星座圖：下面是在保持其他參數(shù)不變的情況下，通過不斷增加噪聲的幅度，即不斷減小SNR的值，觀察到的信號經(jīng)過信道后的星座圖。分析結(jié)果：噪聲對信號的影響很大，噪聲幅度越大，引起的損傷越大，符號點相對于中心點隨機向外擴(kuò)散的越嚴(yán)重。即符號點相對集中的時候，誤碼率較小；反之，符號點相對分散的時候，誤碼率較大。1.2雙機實驗(1)發(fā)送框圖：接收框圖： (2)誤碼率：分析：實驗中，我們通過不斷調(diào)整信號的增益，以此改變SNR，來觀察誤碼率的變化。

6、我們發(fā)現(xiàn)，隨著SNR的取值變大，BER也在變大。(3)信號經(jīng)過信道后的時域波形圖和頻譜圖：我們觀察上面的圖形發(fā)現(xiàn)：與單機實驗類似，信號在經(jīng)過信道以后的時域波形較之原來發(fā)生了比較大的失真，而頻譜圖的主瓣也有一定程度的衰減，經(jīng)過信道后的信號的星座圖的符號點一定程度上偏離了理想點。我們分析，信號在經(jīng)過信道前后變化的原因主要是信道中存在高斯噪聲，而且噪聲的幅度越大，經(jīng)過信道后的信號波形失真越嚴(yán)重，頻譜衰減越厲害，星座圖符號點擴(kuò)散越嚴(yán)重。（4）不同信噪比下的星座圖： 圖a 圖b 圖c 圖d 分析：上圖為不同信噪比情況下的星座圖，圖a到圖d顯示的是隨著信噪比的減小（通過改變發(fā)送模塊的增益值），星座圖符號點

7、隨機分布情況更加分散。同時，誤碼率增加。2.GMSK調(diào)制實驗2.1單機實驗(1)實驗框圖：(2)不同信噪比下的誤碼率：Amplitude=0.12Amplitude=0.25分析：以上這些圖是在保證其他參數(shù)不變的條件下，通過逐漸增大噪聲的幅度值，即不斷減小信噪比SNR，觀測到的誤碼率數(shù)值。我們發(fā)現(xiàn)，隨著信噪比的不斷減小，誤碼率的值不斷增加。同DQPSK的實驗，這個實驗在調(diào)整噪聲的幅度值時，同樣是有一定的取值范圍。（3）信號經(jīng)過信道前后的時域波形圖：信號經(jīng)過信道前后的頻譜圖：信號經(jīng)過信道前后的星座圖： 結(jié)果分析：我們觀察上面的圖形發(fā)現(xiàn)：信號在經(jīng)過信道以后的時域波形較之原來發(fā)生了失真，而頻譜圖的主

8、瓣也有較大衰減，星座圖與信號在經(jīng)過信道前的情況相比也一定程度上偏離了理想點。我們分析，信號在經(jīng)過信道前后變化的原因主要是信道中存在高斯噪聲，而且噪聲的幅度越大，經(jīng)過信道后的信號波形失真越嚴(yán)重，頻譜衰減越厲害。（4）不同信噪比情況下的星座圖：分析結(jié)果：噪聲影響信號的信噪比，噪聲幅度越大，信噪比越小，引起的損傷越大，符號點相對于中心點隨機向外擴(kuò)散的越嚴(yán)重。即符號點相對集中的時候，誤碼率較??；反之，符號點相對分散的時候，誤碼率較大。2.2雙機實驗(1)發(fā)送框圖：接收框圖：(2)信號經(jīng)過信道后的時域波形圖和頻譜圖：信號經(jīng)過信道前后的星座圖：我們觀察上面的圖形發(fā)現(xiàn)：信號在經(jīng)過信道以后的時域波形較之原來發(fā)

9、生了失真，而頻譜圖的主瓣也有較大衰減，星座圖與信號在經(jīng)過信道前的情況相比也一定程度上偏離了理想點。我們分析，信號在經(jīng)過信道前后變化的原因主要是信道中存在高斯噪聲，而且噪聲的幅度越大，經(jīng)過信道后的信號波形失真越嚴(yán)重，頻譜衰減越厲害。(3)不同信噪比的星座圖： 實驗結(jié)論同上述DQPSK。即隨噪聲增加，信噪比降低，星座圖符號點隨機分散情況更加嚴(yán)重，同時誤碼率也增加。六、實驗中遇到的問題及體會 從開始對新軟件的一無所知，到漸漸熟悉，再到后來能夠熟練掌握基本流程，我們都從中學(xué)到了很多。在實驗過程中我們遇到了不少的問題，一開始甚至連如何進(jìn)入軟件都不會，后來在畫流程圖時很多模塊的參數(shù)設(shè)置只能完成按照實驗指導(dǎo)

10、書設(shè)置，導(dǎo)致實驗進(jìn)展緩慢，特別是雙機實驗一直沒能順利開展。多虧了助教的耐心細(xì)致講解才使我們突破了一個又一個障礙。比如雙機實驗時需要鍵入命令sudo grc而不是單純的grc，這樣可以提高用戶權(quán)限以使用usrp進(jìn)行實驗，同時，usrp不能完全按照指導(dǎo)書上的參數(shù)設(shè)置，接收端usrp的Decimation(采樣率)應(yīng)設(shè)置為發(fā)端的一半，這是由于硬件所決定的，還有在使用GMSK解調(diào)模塊時，Samples應(yīng)該大于等于2等等,其中最惱人的還是各個模塊間類型不匹配的問題，后來我們熟記了不同數(shù)據(jù)類型對應(yīng)的顏色，再加上熟能生巧使得實驗效率明顯提高。這次無線通信課程設(shè)計鍛煉了我們彼此間溝通配合的能力，更培養(yǎng)了我們嚴(yán)

11、謹(jǐn)求實的科研精神，使我們受益匪淺。實驗二、卷積碼一、實驗?zāi)康模?.了解grc仿真中的信號處理模塊、流程圖以及使用方法2.了解卷積碼的基本原理3.了解GunRadio實現(xiàn)信道編碼的方法4.了解不同SNR對于誤碼率的影響5.了解卷積碼對于誤碼率的影響6.了解不同的卷積碼對于誤碼率的影響二、實驗設(shè)備： PC兩臺、RFX2400 USRP1兩臺三、實驗要求：1.了解Grc的基本操作方法，要求仿真的流程中信道編碼部分使用卷積編碼。2.通過單機實驗和GnuRadio+USRP的實驗兩種實驗方式進(jìn)行仿真。3.搭建有信道編碼與無信道編碼的Grc仿真模型。4.比較上述兩種情況下的誤碼率，并且分析結(jié)果。5.比較不

12、同的卷積碼對于誤碼率的影響，并且分析結(jié)果(比較(2,1,3)碼與(2,1,8)碼的性能)。四、實驗原理： 卷積碼將k個信息比特編碼成n個比特，但k和n通常很小，特別適合以串行形式進(jìn)行傳輸，時延小。與分組碼不同，卷積碼編碼后的n個碼元不僅與當(dāng)前段的k個信息有關(guān)，還與前面的N-1段信息有關(guān)，編碼過程中互相關(guān)聯(lián)的碼元個數(shù)為nN。卷積碼的糾錯性能隨N的增加而增大，而差錯率隨N的增加而指數(shù)下降。卷積碼的糾錯能力不僅與約束長度有關(guān)，還與采用的譯碼方式有關(guān)。 GRC提供譯碼方式是維特比譯碼，它是卷積碼譯碼方式中非常經(jīng)典的以及廣泛使用的一種譯碼方式。該實驗可以考察編碼前后數(shù)據(jù)有什么變化，譯碼后能不能恢復(fù)原來數(shù)

13、據(jù)，通過Number Sink考察加噪聲后誤碼率怎么樣，對性能有什么提高，并且劃出BER圖形。五、實驗步驟及結(jié)果分析：1、單機實驗：1.1 以（2，1，3）卷積碼為信道編碼，用DBPSK進(jìn)行調(diào)制。實現(xiàn)框圖：（2，1，3）卷積碼單機實驗框圖首先是Vector Source，即信源，我們設(shè)置的數(shù)據(jù)是1，0，0，1，1。然后是Throttle限流模塊。接下來是Packed_to_Unpakce模塊，它將pack成byte或short型的數(shù)據(jù)以unpacked型的數(shù)據(jù)輸出。然后就是卷積碼編碼模塊，這里需要注意的是路徑選擇。接下來模塊為Packet_encoder，然后便是調(diào)制模塊DBPSK Mod，我

14、們使用的便是DPSK調(diào)制。在噪聲模塊中可以設(shè)置噪聲大小，我們可以通過改變噪聲大小觀察其解碼誤碼率大小，來分析卷積碼的抗干擾能力。下面模擬的就是接收端，首先是DPSK demod模塊，相應(yīng)于DPSK編碼模塊，這個模塊進(jìn)行解碼。Packet_decoder相應(yīng)于Packet_encoder。然后需要加上一個模塊Chunks to Symbols，用于后面的映射。接下來便是維特比譯碼模塊，我們選擇了一個將兩個模塊合二為一的模塊，其中維度設(shè)置為1，映射與前一模塊相同，路徑與卷積碼編碼時路徑相同。然后是Unpacked_to_Packed，將unpacked 的數(shù)據(jù)（bit）以byte或short型的數(shù)

15、據(jù)輸出。接下來就是將發(fā)送的數(shù)據(jù)輸入到Error Rate的ref端，將解調(diào)譯碼之后的數(shù)據(jù)輸入到in端，通過Error Rate模塊進(jìn)行誤碼率的計算，并將結(jié)果存到一個file中，設(shè)置好它的路徑和名稱用于后面畫圖使用。最后一個模塊是Number Sink，主要用于顯示數(shù)據(jù)的具體數(shù)值，可用于計算誤碼率時顯示誤碼率的時候等。運行結(jié)果： 上圖顯示的分別為信號源及信宿（通過編碼、調(diào)制、信道、解調(diào)、譯碼等一過程）的時域波形，通過觀察完全一致，符合我們所設(shè)置的矢量源。接下來我們觀測了其誤碼情況。隨信噪比不同降低誤碼率增大。1.2 以（2，1，8）卷積碼為信道編碼，用DBPSK進(jìn)行調(diào)制。實現(xiàn)框圖：（2，1，8）

16、卷積碼單機實驗框圖相比（2，1，3）卷積碼單機框圖，只需要修改碼型及路徑。其余一致。運行結(jié)果同理，上圖顯示的分別為信號源及信宿（通過編碼、調(diào)制、信道、解調(diào)、譯碼等一過程）的時域波形，通過觀察也完全基本一致，符合我們所設(shè)置的矢量源。通過前后的時域波形，很難比較它與（2，1，3）卷積碼的性能。不過通過觀察誤碼率，（2，1，8）卷積碼的誤碼率，相對于（2，1，3）碼其性能有所改善。這也是源于其約束長度的增加。1.3 無信道編碼，同樣用 DBPSK進(jìn)行調(diào)制。實現(xiàn)框圖： 與實驗一中調(diào)制實驗基本相同，調(diào)制方式改為DBPSK，并且矢量源設(shè)置為1,0,0,1,1，便于與有信道編碼情況下進(jìn)行比較。運行結(jié)果：上圖

17、為無信道編碼情況下，直接用DBPSK調(diào)制，得出的誤碼率，為0.3321Unit,比上步驟中（2，1，3）卷積碼單機實驗中的誤碼率大，得出結(jié)論通過信道編碼可以改善誤碼率。2、雙機實驗：2.1 以（2，1，3）卷積碼為信道編碼，用DBPSK進(jìn)行調(diào)制。實現(xiàn)框圖：（2，1，3）卷積碼雙機實驗發(fā)送框圖 流程圖與上述單機實驗類似，不同的是在信源后去掉Throttle模塊，并且在發(fā)送之前要加上一個Multiply Const模塊，用于信號放大，這里我們設(shè)置的是12k。最后就是USRP Sink模塊，我們設(shè)置的發(fā)送頻率是2.45GHz，DAC內(nèi)插的數(shù)值是128。（2，1，3）卷積碼雙機實驗接收框圖首先是USR

18、P Source，ADC抽樣的數(shù)值為64，接收頻率為2.45GHz，下面的流程圖與單機時是完全一致的。運行結(jié)果：下圖為（2，1，3）卷積碼雙機實驗發(fā)送端信源時域圖以及信道前時域圖。 下圖為（2，1，3）卷積碼雙機實驗接收端信宿圖以及信號經(jīng)過信道后的時域波形圖及誤碼率數(shù)值。 2.2 以（2，1，8）卷積碼為信道編碼，用DBPSK進(jìn)行調(diào)制。實現(xiàn)框圖：（2，1，8）卷積碼雙機實驗發(fā)送框圖（2，1，8）卷積碼雙機實驗接收框圖相對于（2，1，3）卷積碼雙機實驗，同樣只是碼型及其路徑選擇的變化。運行結(jié)果：上圖為（2，1，8）卷積碼雙機實驗接收端信宿時域圖以及信道后的時域圖，并且給出了誤碼率大小。2.3 無

19、信道編碼雙機實驗，同樣用DBPSK進(jìn)行調(diào)制。實現(xiàn)框圖： 與實驗一調(diào)制實驗相同，將調(diào)制方式改為DBPSK，并且信號源改為矢量源1，0，0，1，1，便于與上述有信道編碼的相比較。運行結(jié)果： 上圖為無信道編碼情況下，直接用DBPSK調(diào)制，得出的誤碼率，為0.5375Unit,比上步驟中（2，1，3）卷積碼雙機實驗中的誤碼率大，得出結(jié)論通過信道編碼可以改善誤碼率。6、 實驗所遇到問題及感想：本次實驗中我們發(fā)現(xiàn)最大的問題就是首先對于linux系統(tǒng)以及GNU軟件的不熟悉，其次是對于相關(guān)通信原理以及無線通信的理論知識理解不深，知識不夠鞏固。具體來說在實驗中我們遇到了很多問題，比如說不清楚畫流程圖各個模塊參數(shù)

20、的含義以及如何設(shè)置，導(dǎo)致一直報錯，另外是細(xì)節(jié)問題，比如說雙機實驗時候忘記了發(fā)送端設(shè)置為enable。實驗過程中我們也發(fā)現(xiàn)了一點小問題，有時候總是提示can't open usrp，在排除畫圖或者參數(shù)錯誤之后我們發(fā)現(xiàn)在此重新啟動，結(jié)果運行正常，這點我們不太明白。通過這次實驗使我們更加熟悉了通信鏈路過程中每一環(huán)節(jié)的作用及重要性，鞏固了理論知識，同時也增強了我們的動手能力，發(fā)現(xiàn)問題解決問題以及分析問題的能力，這是一次很有價值的課程設(shè)計，我們都收獲頗多。實驗三、直接序列擴(kuò)頻通信技術(shù)的仿真一、實驗?zāi)康牧私鈓序列產(chǎn)生及相關(guān)性原理。了解直接序列擴(kuò)頻通信模型。了解應(yīng)用m序列進(jìn)行擴(kuò)頻通信的原理。擴(kuò)頻增益

21、與擴(kuò)頻因子的概念及與m序列長度的關(guān)系。了解直接序列擴(kuò)頻頻譜擴(kuò)展原理。了解解擴(kuò)同步和判決的方法。了解不同擴(kuò)頻增益對系統(tǒng)抗干擾能力的影響。了解不同信道條件下的系統(tǒng)性能。二、實驗內(nèi)容搭建GNU Radio中m序列相關(guān)性檢測流程圖，掌握GNU Radio產(chǎn)生m序列的方法。利用代碼生成新的GRC block。搭建單機擴(kuò)頻通信流程圖，檢測相關(guān)性，檢測最終獲得的數(shù)據(jù)與信號源數(shù)據(jù)是否一致，檢測信號的BER并分析結(jié)果。搭建雙機通過USRP進(jìn)行擴(kuò)頻通信流程圖，檢測相關(guān)性，檢測最終獲得的數(shù)據(jù)與信號源數(shù)據(jù)是否一致，檢測信號的BER并分析結(jié)果。三、實驗原理直接序列擴(kuò)頻擴(kuò)頻通信是在信號發(fā)送端，首先將信息調(diào)制形成數(shù)字信號，

22、該數(shù)字信號經(jīng)擴(kuò)頻發(fā)生器產(chǎn)生的擴(kuò)頻碼序列調(diào)制后，信號的頻帶被展寬，展寬后的信號再調(diào)制到射頻發(fā)送出去。在接收端收到的寬帶射頻信號，經(jīng)變頻至中頻，然后由本地產(chǎn)生的與發(fā)端相同的擴(kuò)頻碼序列去相關(guān)解擴(kuò)，再經(jīng)過信息解調(diào)，恢復(fù)成原始信息輸出。直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)是將要發(fā)送的信息用偽隨機（PN）序列擴(kuò)展到一個很寬的頻譜上去，在接收端，用與發(fā)端擴(kuò)展用的相同的偽隨機序列對接收到的擴(kuò)頻信號進(jìn)行相關(guān)處理，恢復(fù)出原來的信息。干擾信號由于與偽隨機序列不相關(guān)，在接收端被擴(kuò)展，使落入信號頻帶內(nèi)的干擾信號功率大大降低，從而提高了系統(tǒng)的輸出信噪比，達(dá)到抗干擾的目的。下圖是擴(kuò)頻通信的原理圖：圖1四、GRC實現(xiàn)圖根據(jù)直接序列擴(kuò)頻通信技術(shù)的

23、仿真圖（如下），分別連接GRC單機仿真電路和利用USRP進(jìn)行實際收發(fā)的電路，分別進(jìn)行實驗。圖2圖2各個模塊的參數(shù)及說明：1. Vector Source：雙極性碼信源，從一個向量中獲取數(shù)據(jù)輸出。實驗中單機仿真選取的數(shù)據(jù)輸出為-1，1，-1循環(huán)輸出，用USRP實際收發(fā)時用過3位、4位并試驗過7位、8位循環(huán)碼。2. GLFSR Source（Generalized Linear-Feedback Shift Register）：PN碼發(fā)生源，產(chǎn)生PN偽隨機碼。級數(shù)選取為3級，產(chǎn)生7位PN序列。3. Repeat：實現(xiàn)數(shù)據(jù)內(nèi)插功能模塊，與PN序列位數(shù)保持一致，重復(fù)七次數(shù)據(jù)。4. Mutiply：乘法器，使數(shù)據(jù)和PN碼相乘，實現(xiàn)擴(kuò)頻功能。DeDSSS_ff：解擴(kuò)模塊，需要自己編寫生成并加入。5. Packet Encoder，DPSK Mod，DPSK Demod，Packet Decoder：分別實現(xiàn)打包編碼，信號調(diào)制，信號解調(diào)和打包解碼的功能。6. PN Correlator：m序列相