無線通信原理實驗報告

1 無線通信原理實驗報告摘要：BPSK（BinaryPhaseShiftKeying）即雙相頻移鍵控，是把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)值的轉(zhuǎn)換方式之一。利用偏離相位的復(fù)數(shù)波浪組合來表現(xiàn)信息鍵控移相方式的一種。本實驗將簡要介紹BPSK調(diào)制方式的特點，調(diào)制解調(diào)方法，以及在Matlab中在AWGN信道中的誤碼性能。在載波相位調(diào)制中，通信信道傳輸?shù)男畔⒓脑⒃谳d波相位中，于二進制相位調(diào)制而言，兩個載波的相位即θ=0和θ=π，用以代表二進制“1”和“0”，而載波振幅和頻率保持不變?；贛ATLAB的MonteCarlo仿真可用于分析BPSK調(diào)制在AWGN信道中的誤碼性能。OFDM技術(shù)是一種多載波傳輸技術(shù)，其主要特點是把高速的信息分割到多個正交子載波上并進行低速傳送;由于子載波互相交疊和正交，它們可以獨立并行傳送信息符號而不互相干擾，同時保持較高頻譜利用率。OFDM系統(tǒng)一方面提高了對時域脈沖噪聲的魯棒性;另一方面，基于塊傳輸技術(shù)的OFDM技術(shù)在每個OFDM信息符號之間加上保護間隔(Time

Interval

Guard,

TGI

)，只要保護間隔的長度大于信道沖激響應(yīng)(Channel

ImpulseResponse,

CIR)的最大時延擴展，系統(tǒng)的所有子載波之間的正交性在通過信道之后就能夠得到保持。OFDM這種基于塊傳輸?shù)恼欢噍d波傳送方式使它具有抗符號間串?dāng)_(Inter-symbol

Interference,ISI)能力，同時也可以將信道均衡從復(fù)雜的時域處理轉(zhuǎn)化到簡單易行的頻域處理。在OFDM系統(tǒng)中，系統(tǒng)可以根據(jù)子載波的工作環(huán)境在子載波間靈活應(yīng)用自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)、自適應(yīng)功率分配技術(shù)等，來進一步提高系統(tǒng)的傳輸效率和傳輸性能。[關(guān)鍵詞]BPSK;QPSK;OFDM;16QAM；MATLAB;載波；誤碼率一引言1.BPSK（BinaryPhaseShiftKeying），BPSK使用了基準(zhǔn)的正弦波和相位反轉(zhuǎn)的波浪，使一方為0，另一方為1，從而可以同時傳送接受2值(1比特)的信息。由于最單純的鍵控移相方式雖抗噪音較強但傳送效率差，所以常常使用利用4個相位的QPSK和利用8個相位的8PSK。與模擬通信系統(tǒng)相比，數(shù)字調(diào)制和解調(diào)同樣是通過某種方式，將基帶信號的頻譜由一個頻率位置搬移到另一個頻率位置上去。不同的是，數(shù)字調(diào)制的基帶信號不是模擬信號而是數(shù)字信號。

在大多數(shù)情況下，數(shù)字調(diào)制是利用數(shù)字信號的離散值去鍵控載波。對載波的幅度、頻率或相位進行鍵控，便可獲得ASK、FSK、PSK等。這三種數(shù)字調(diào)制方式在抗干擾噪聲能力和信號頻譜利用率等方面，以相干PSK的性能最好，目前已在中、高速傳輸數(shù)據(jù)時得到廣泛應(yīng)用。調(diào)制原理二進制相移鍵控（BPSK）是利用載波的相位的變換來傳遞信息，而振幅和頻率保持不變，BPSK的時域表達式為：0（發(fā)送“0”時）或1（發(fā)送“1”時）改寫之后為或另外BPSK信號一般用雙極性（bipolarity）全占空矩形脈沖序列與一個正弦載波相乘表征。PSK各信號具有相同的能量，即表示每個傳輸符號能量，定義為一個矩形脈沖，0≤t≤T于是在符號區(qū)間0≤t≤T內(nèi)傳輸?shù)男盘柌ㄐ慰杀硎緸椋ㄆ渲蠥=）則如果將其看成兩相角之和，即可表示為其中是兩個正交基函數(shù)，定義為并把改兩個基函數(shù)能量歸一化到1BSK星座圖如下：BPSK星座圖BPSK相位解調(diào)與檢測AWGN信道中，接受信號可表示為：=其中和是加性噪聲的兩個正交分量。將接受信號與和做互相關(guān)，兩個相關(guān)器的輸出即可產(chǎn)生受噪聲污染的信號分量，可表示為=，m=0,1,2,3其中且兩正交噪聲分量是零均值互不相關(guān)的高斯隨機過程，于是和的方差是：最佳檢測器將接受信號向量r投射到所有可能的傳輸信號向量之一上，并選對應(yīng)于最大投影的向量，據(jù)此相關(guān)準(zhǔn)則即為m=0,1,2,3由于全部信號都具有相等的能量，因此數(shù)字相位調(diào)制的一種等效檢測器標(biāo)準(zhǔn)就是計算接收信號向量的相位：并從信號集中選取其相位最接近的信號。在AWGN信道中，二相相位調(diào)制與二進制PAM相同，差錯概率為：，其中為每比特能量.基于MATLAB中的BPSK誤碼性能研究BPSK（BinaryPhaseShiftKeying）即雙相頻移鍵控，是把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)值的轉(zhuǎn)換方式之一。利用偏離相位的復(fù)數(shù)波浪組合來表現(xiàn)信息鍵控移相方式的一種。本實驗將簡要介紹BPSK調(diào)制方式的特點，調(diào)制解調(diào)方法，以及在Matlab中在AWGN信道中的誤碼性能。（1）BPSK調(diào)制原理二進制相移鍵控（BPSK）是利用載波的相位的變換來傳遞信息，而振幅和頻率保持不變，BPSK的時域表達式為：0（發(fā)送“0”時）或1（發(fā)送“1”時）改寫之后為或另外BPSK信號一般用雙極性（bipolarity）全占空矩形脈沖序列與一個正弦載波相乘表征。PSK各信號具有相同的能量，即表示每個傳輸符號能量，定義為一個矩形脈沖，0≤t≤T于是在符號區(qū)間0≤t≤T內(nèi)傳輸?shù)男盘柌ㄐ慰杀硎緸椋ㄆ渲蠥=）則如果將其看成兩相角之和，即可表示為其中是兩個正交基函數(shù)，定義為并把改兩個基函數(shù)能量歸一化到1BPSK相位解調(diào)與檢測AWGN信道中，接受信號可表示為：=其中和是加性噪聲的兩個正交分量。將接受信號與和做互相關(guān)，兩個相關(guān)器的輸出即可產(chǎn)生受噪聲污染的信號分量，可表示為=，m=0,1,2,3其中且兩正交噪聲分量是零均值互不相關(guān)的高斯隨機過程，于是和的方差是：最佳檢測器將接受信號向量r投射到所有可能的傳輸信號向量之一上，并選對應(yīng)于最大投影的向量，據(jù)此相關(guān)準(zhǔn)則即為m=0,1,2,3由于全部信號都具有相等的能量，因此數(shù)字相位調(diào)制的一種等效檢測器標(biāo)準(zhǔn)就是計算接收信號向量的相位：并從信號集中選取其相位最接近的信號。在AWGN信道中，二相相位調(diào)制與二進制PAM相同，差錯概率為：，其中為每比特能量。3、M-QAM調(diào)制在高斯信道和Rayleigh衰落信道中的平均誤碼率性能研究(1)QAM的調(diào)制和相干解調(diào)框圖如圖（1）、圖（2）所示。在調(diào)制端，輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過串/并變換后分成兩路。為了抑制已調(diào)信號的帶外輻射，兩路電平映射出的信號還要經(jīng)過預(yù)調(diào)制低通濾波器，才分別與相互正交的各路載波相乘。最后兩路信號相加就可以以得到已調(diào)輸出信號y。圖（1）正交調(diào)制原理框圖解調(diào)是調(diào)制的逆過程，在接收端解調(diào)器中可以采用正交的相干解調(diào)方法。接受到的信號分兩路進入兩個正交的載波的相干解調(diào)器，再分別進入判決器形成L進制信號并輸出二進制信號，最后經(jīng)并/串變換后得到基帶信號。圖（2）相干解調(diào)原理框圖對于方型QAM來說，它可以看成是兩個脈沖振幅調(diào)制信號之和，因此利用脈沖振幅調(diào)制的分析結(jié)果，可以得到M進制QAM的誤碼率公式：為每個碼元內(nèi)的比特數(shù)，為每比特的平均信噪比。在AWGN信道中BPSK的誤碼性能基于前面的仿真原理，利用MATALB的MC仿真進行理論的實際驗證。并將理論值與仿真值進行對比，分析數(shù)學(xué)理想模型建立的合理性，首先由MATLAB程序產(chǎn)生信號源，再模擬AWGN平坦衰落信道中疊加加性高斯白噪聲，在接收端對接收信號進行檢測與估值，并對信號進行判決恢復(fù)原始信號。得到仿真比特誤碼率和理論比特誤碼率如下：分析：從上圖可以看出，仿真比特誤碼率和理論比特誤碼率非常接近，不管是在信噪比較低的情況下，還是信噪比較高的情況下，兩者都符合得很好，但可以看出，隨著信噪比逐漸加大，兩者漸漸有了“分歧”，慢慢顯示出差距來，這說明在大信噪比的情況下，理論值還是會偏離實際值的，但是誤碼率越來越小，越來越向好的方向發(fā)展。2.QBSK誤碼率的仿真下面則給出了三種調(diào)制方式的誤碼性能比較(3)在AWGN信道中BPSK的誤碼率分析基于前面的仿真原理，將理論值與仿真值進行對比，分析合理性，首先由MATLAB程序產(chǎn)生信號源，再模擬AWGN平坦衰落信道中疊加加性高斯白噪聲，在接收端對接收信號進行檢測與估值，并對信號進行判決恢復(fù)原始信號。得到仿真比特誤碼率和理論比特誤碼率如下：分析：從上圖可以看出，仿真比特誤碼率和理論比特誤碼率非常接近，不管是在信噪比較低的情況下，還是信噪比較高的情況下，兩者都符合得很好，但可以看出，隨著信噪比逐漸加大，兩者漸漸有了分叉，慢慢顯示出差距來，這說明在大信噪比的情況下，理論值還是會偏離實際值的，但是誤碼率越來越小，越來越向好的方向發(fā)展。下面則給出了三種調(diào)制方式的誤碼性能比較分析：將QPSK，BPSK，16QAM，F(xiàn)SK四種調(diào)制方式，包括理論值與實際值，放在同一個圖下，對他們進行對比，可以很清晰地發(fā)現(xiàn)，QPSK在信噪比較小時，仿真值和理論值就有了偏離，且兩者數(shù)值都比較大，當(dāng)信噪比越來越大時，仿真值成直線幾乎沒變化，而實際值的Pe值逐漸變小，這種調(diào)制方式不是很可?。?6QAM的性能跟QPSK相比，在低信噪比時，Pe值較大（還要大于QPSK的），隨著信噪比逐漸增大，16QAM的Pe值逐漸減小，且理論值與實際值比較契合，在大信噪比情況下，誤碼性能略遜與QPSK的；FSK的理論值和實際值在各種信噪比下都比較契合，兩者幾乎沒有大的差距，非常理想，無論是在低，高信噪比下，性能都要比QPSK的優(yōu)越一些；BPSK性能最優(yōu)！理論值與實際值契合得比較理想，而在低，高信噪比情況下，Pe值都是最低的，且隨著信噪比逐漸增大，Pe實際值迅速減小，實現(xiàn)起來性能十分優(yōu)越。因此在選擇對誤碼性能要求較高的系統(tǒng)時，BPSK可作為首選，F(xiàn)SK次之，QPSK和16QAM再考慮實際情況選擇，而在其他狀態(tài)時，也可優(yōu)先選擇BPSK。分析：將QPSK，BPSK，16QAM，F(xiàn)SK四種調(diào)制方式，包括理論值與實際值，放在同一個圖下，對他們進行對比，可以很清晰地發(fā)現(xiàn)，QPSK在信噪比較小時，仿真值和理論值就有了偏離，且兩者數(shù)值都比較大，當(dāng)信噪比越來越大時，仿真值成直線幾乎沒變化，而實際值的Pe值逐漸變小，這種調(diào)制方式不是很可??；16QAM的性能跟QPSK相比，在低信噪比時，Pe值較大（還要大于QPSK的），隨著信噪比逐漸增大，16QAM的Pe值逐漸減小，且理論值與實際值比較契合，在大信噪比情況下，誤碼性能略遜與QPSK的；FSK的理論值和實際值在各種信噪比下都比較契合，兩者幾乎沒有大的差距，非常理想，無論是在低，高信噪比下，性能都要比QPSK的優(yōu)越一些；BPSK性能最優(yōu)！理論值與實際值契合得比較理想，而在低，高信噪比情況下，Pe值都是最低的，且隨著信噪比逐漸增大，Pe實際值迅速減小，實現(xiàn)起來性能十分優(yōu)越。因此在選擇對誤碼性能要求較高的系統(tǒng)時，BPSK可作為首選，F(xiàn)SK次之，QPSK和16QAM再考慮實際情況選擇，而在其他狀態(tài)時，也可優(yōu)先選擇BPSK。QAM調(diào)制方式，信道為高斯信道的系統(tǒng)誤碼率分析圖：QAM調(diào)制方式，信道為瑞利衰落信道的系統(tǒng)誤碼率分析圖：2.OFDM的基本原理

發(fā)送端把被傳輸?shù)臄?shù)字信號轉(zhuǎn)換成子載波幅度和相位的映射，并將進行快速傅利葉反變換（IFFT）或者離散傅里葉反變換（IDFT）（IFFT的計算效率比IDFT高）將數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)的頻譜表達式變到時域上。如圖1-1所示，上半部分是發(fā)送的鏈路的框圖，下半部分是接受的鏈路的框圖。

OFDM的原理主要是把高速的數(shù)據(jù)流通過串并變換，分配到傳輸速率相對較低的若干個子信道中進行傳輸。由于每個子信道中的符號周期會相對增加，因此可以減輕由無線信道的多徑時延擴展所產(chǎn)生的時間彌散性對系統(tǒng)造成的影響。并且還可以在OFDM符號之間插入保護間隔，令保護間隔大于無線信道的最大時延擴展，這樣就可以最大限度地消除由于多徑而帶來的符號間干擾(ISI)。而且，一般都采用循環(huán)前綴作為保護間隔，從而可以避免由多徑帶來的子載波間干擾((ICI)

。圖1.

OFDM收發(fā)原理框圖實驗結(jié)果：我的收獲本文簡要介紹了BPSK的性質(zhì)原理及調(diào)制與解調(diào)方法，以及在AWGN信道中的誤碼分析，并在MATLAB下進行了MonteCarlo仿真，驗證了模型的正確性，從誤碼率曲線圖中我們可以清楚地知道不同信噪比下BPSK系統(tǒng)的誤碼性能。且信噪比越大，理論圖形與仿真圖形偏離越大，但是Pe值越小。并且將QPSK，BPSK，F(xiàn)SK，16QAM四種調(diào)制方式放在一個圖形下進行比較，顯示各自優(yōu)缺點，得到結(jié)論，從而知道實際應(yīng)用，這個是非常有現(xiàn)實意義的。參考文獻劉樹棠譯.現(xiàn)代通信系統(tǒng).使用MATLAB.北京：電子工業(yè)出版社.2006.樊昌信.通信原理.第六版.北京：國防工業(yè)出版社.2008JohnG.Proakis通信系統(tǒng)原理.:北京電子工業(yè)出版社.2006[5]王玲，逯貴禎，肖懷寶.基于Matlab的OFDM仿真實現(xiàn)及性能分析.北京：中國傳媒大學(xué)信息工程學(xué)院,[6]馬一森，李智，趙建華，徐煒，張東.OFDM通信系統(tǒng)的分析及其Simulink仿真研究.成都：四