无线课程设计实验报告

1、扩频实验报告学 院：电子信息工程学院专 业：通信工程组员：12211008 吕兴孝12211010 牟文婷12211096 郑羲12211004 冯顺任课教师：姚冬萍实验四 扩频实验一、实验目标在本实验中你要基于LabVIEW+USRP平台实现一个扩频通信系统，你需要在对扩频技术有一定了解的基础上编写程序，完成所有要求的实验任务。在这一过程中会让你对扩频技术有更直接和感性的认识，并进一步掌握在LabVIEW+USRP平台上实现通信系统的技巧。二、实验环境与准备软件环境：LabVIEW 2012（或以上版本）；硬件环境：一套USRP和一台计算机；实验基础：了解LabVIEW编程环境和USRP的基

2、本操作；知识基础：了解扩频通信的基本原理。三、实验介绍1、扩频通信技术简介扩频通信技术是一种十分重要的抗干扰通信技术，可以大大提高通信系统的抗干扰性能，在电磁环境越来越恶劣的情况下，扩频技术在诸多通信领域都有了十分广泛的应用。扩频技术简单来讲就是将信息扩展到非常宽的带宽上确切地说，是比数据速率大得多的带宽。在扩频系统中，发端用一种特定的调制方法将原始信号的带宽加以扩展，得到扩频信号；然后在收端对接收到的扩频信号进行解扩处理，把它恢复为原始的窄带信号。扩频系统之所有具有较强的抗干扰能力，是因为接收端在接收到扩频信号后，需要通过相关处理对接收信号进行带宽的压缩，将其恢复成窄带信号。对于干扰信号而言

3、，由于与扩频信号不相关，所以会被扩展到很宽的频带上，使之进入信号带宽内的干扰功率大幅下降，即增加了相关器输出端的信号/干扰比。因此扩频系统对大多数人为干扰都具有很强的抵抗能力。2、发射端程序简介本实验包括发射端和接收端两个主程序，其中发射端主程序top_tx的前面板如图1所示。图1 发射端程序前面板前面板上部的选项卡控件中可以配置各项参数。在硬件参数部分中可以配置USRP的IP地址、载波频率等参数；在信号参数部分中可以配置调制方式、设配采样速率、成型滤波器等参数；在信道模型参数部分中你可以选择不同的信道模型并设置噪声功率；在右侧你可以设置扩频码的长度。在前面板下方为显示界面，包括发送信号的时域

4、/频域波形以及星座图和眼图。发射端的程序框图主要由两部分组成。主程序框图左侧的transmitter子程序完成发射信号的生成、扩频、调制等功能，程序框图如图2所示。图2 transmitter的程序框图图中source子程序产生固定长度的随机比特流；条件结构内完成信源的扩频操作；其中的DSSS子程序用来对信源数据进行扩频；MOD子函数完成比特流的调制；Add control子函数的作用是添加训练序列，以便接收端进行同步；Pulse shaping子函数用来完成脉冲成形；最后TX apply channel实现发送端的信道自适应。output complex waveform即为输出的波形。发射

5、端主程序框图其余部分的功能是将transmitter子程序产生的output complex waveform通过USRP进行发射。3、接收端程序简介接收端主程序top_rx的前面板如图3所示。图3 接收端程序前面板与发射端程序类似，接收端主程序前面板上部为各项参数的输入，例如硬件参数、扩频参数、同步参数等。前面板下部显示生成的图形，包括星座图、眼图、信噪比/误码率曲线等。接收端端的程序框图也主要由两部分组成。主程序框图右侧的receiver.vi子程序主要完成发射信号的接受、同步、解扩和解调等功能，程序框图如图3所示。图3 receiver.vi 的程序框图其中RX init子程序是接收机的

6、初始化；matched filter子程序完成匹配滤波；synch子程序使同步模块，完成收发同步；channel estimated子程序完成信道估计；equalize子程序的作用是信道均衡；strip control子程序用来删除控制信息，即训练序列；decode子程序实现信号的解调；DE-DSSS子程序用来实现解扩；error detect子程序的作用是计算误码率。接收端主程序框图的其他部分主要用来完成USRP的配置、计算信噪比/误码率曲线以及生成所需的图形。四、实验任务1、DS-SS.vi子程序DS-SS子程序的作用是对信源进行直接扩频（Direct Sequence Spread Sp

7、ectrum）。其原理是利用10个以上的chips来代表原来的0或1，使得原来较高功率、较窄的频谱变成具有较宽频的低功率频谱，这种特性类似于噪声功率谱，因此接收端只有知道正确的扩频码才能进行正确的接收，进而增加了传输的可靠性。它是一种数字调制方法，具体说，就是将信源与一定的PN码（伪随机码、chip）进行同或运算。例如，在发射端用11000100110代替"1"，用00110010110代替"0"，这个过程就实现了扩频。上述过程如图4所示。图4 扩频的实现过程前面板：图6 DS-SS前面板DS-SS程序框图：图7 DS-SS程序框图实验步骤：1、 首先产

8、生所需长度的伪随机序列（PN序列）：PN序列（Pseudo-noise Sequence）即伪噪声序列，这类序列具有类似随机噪声的一些统计特性，但和真正的随机信号不同，它可以重复产生和处理，故称作伪随机噪声序列。PN码最见的用途是在扩频系统中用来扩展信号频谱；此外PN码也可以用来作为信源信息。在实际应用中，常利用MT Generate Bits函数来生成PN序列，它位于函数选板的RF Communications>>Modulation>>Digital中。MT Generate Bits.函数的输入输出如图8所示：图8 MT Generate Bits输入输出其中to

9、tal bits为生成的伪随机序列的总长度、PN sequence order用来设定PN序列的循环周期（如果PN sequence order设为N，则周期为）、seed in指定PN序列生成器移位寄存器的初始状态（默认为0xD6BF7DF2）；output bit stream为伪随机序列的输出。此外MT Generate Bits函数还有User Defined模式，在此模式下函数可以根据用户自定义的输入序列生成所需长度的循环序列。其输入输出如图9所示：图9 User Defined模式的输入输出其中user base bit pattern为用户指定的序列，控件会不断循环用户指定的序列

10、直到输出序列的长度达到total bits所设定的值。output bit stream为生成序列的输出。本例中用到了三个MT Generate Bits函数，分别用来生成保护序列、同步序列和信息序列。2、 利用产生的序列对信源序列进行扩展：图10 扩频模块输入信源bit码、PN扩频码、误差；输出扩频码、误差。2、DE-DSSS.vi子程序DE-DSSS子程序的作用是在接收端实现对信号的解扩。解扩操作即扩频操作的逆过程。继续使用上面的例子，当你在发射端用11000100110代替"1"，而用00110010110代替"0"后，在接收机处只要把收到的序列是

11、11000100110恢复成"1"，而00110010110恢复成"0"，这就是解扩。上述过程如图0所示。图11 解扩的实现过程前面板：图12 DE-DSSS前面板DE-DSSS程序框图： 图13 DE-DSSS程序框图五、实验步骤：1、产生所需长度的并与发射端相同伪随机序列（PN序列），同DS-SS；2、然后利用产生的序列对接收信号进行解扩：输入：将信源与PN序列通过“数组大小”模块返回其长度，相除得到的商作为搜索深度；输入经信道传输后的扩频码、与发送端同步的扩频序列以及误差。输出得解扩后码序列以及误差。3、实验验证在DS-SS子程序中，你可以手动输入

12、一串0/1作为信源序列，并设置好PN序列的长度（设为N）。单独运行DS-SS子程序，观察输出的序列长度是否扩展了N倍，并注意输出序列中PN码是否与相应的0或者1对应。验证成功的话便表明你的DS-SS子程序编写正确。并利用类似的方法验证DE-DSSS子程序的正确性。然后验证发射端主程序是否能正确的发射我们想要的扩频信号。首先正确的连接USRP并合理的配置发射端的各项参数，运行程序。然后你可能会看到如图至图所示的发射信号时域波形和频域波形。20图14不扩频的时域信号图15不扩频的频域信号图16扩频后的时域信号图17扩频后的频域信号可以看出经过扩频的发射信号与不经过扩频的发射信号相比，在频域上进行了

13、展宽，在时域上变得更加密集。这与扩频的基本原理相符，说明发射端的设计基本正确。在接收端，我们需要使得参数能够与发射端匹配，这样才能正常的接收。特别需要注意Capture Time、packet length和RX Sample Rate这几个参数，你首先需要理解它们的意义，这样才能够正确的配置它们。如果你在发射端没有修改默认参数的话，接收端的默认参数恰好能够与发射端匹配。你需要同时运行发射端和接收端程序，在发射端正确运行时观察接收端能否正确接收。程序会计算当前信噪比下的误码率，并逐渐增大信噪比、最终得出一条信噪比/误码率曲线，如图3-4- 11所示。你可能需要稍等一段时间才能够看到程序运行完成

14、的结果。在接收端程序运行的同时，你可以进入receiver子程序中的Ber detected子程序，在里面观察当前信噪比接收到的数据数和误码数，如图3-4- 12所示。 图18误码率曲线 图19运行时的数据显示然后你可以尝试改变收发端的各项参数，观察不同参数对运行结果的影响。最后你需要按照要求完成实验报告。6、 实验结果 QPSK:将USRP连接电脑，更改IP地址等参数。频率使用915MHz避免干扰。如下图20：发送端前面板调制参数以及发送星座图发送时域波形如下图21：发送端眼图和发送端频域波形如下，眼图的尖锐程度和发送频率有关，如图22：接收端的硬件参数和误码率如下图，如图23：接收端眼图如

15、图24所示：BPSK：调制参数如下：BPSK:发送端硬件参数发送端星座图：接收端眼图：接收端星座图及误码率曲线（信噪比较低）：五、实验扩展1、解释接收端同步模块的具体实现方式及其利用的基本原理。（1）初始同步，或称粗同步、捕获。它主要解决载波频率和码相位的不确定性，保证解扩后的信号能通过相关器后面的中频滤波器，这是所有问题中最难解决的问题。 （2）跟踪，或称精同步。接收机对接收到的信号，首先进行搜索，对收到的信号与本地码相位差的大小进行判断，若不满足捕获要求，即收发相位差大于一个码元，则调整时钟再进行搜索。直到使收发相位差小于一个码元时，停止搜索，转入跟踪状态。图3-4- 5同步流程图图3-4

16、- 6跟踪流程图2、扩频通信技术除了有较强的抗干扰能力外，还具有哪些优点？逐一例举出来并简述扩频技术具有这些优点的原因。（1）易于重复使用频率，提高了无线频谱利用率无线频谱十分宝贵，虽然从长波到微波都得到了开发利用，仍然满足不了社会的需求。在窄带通信中，主要依靠波道划分来防止信道之间发生干扰。为此，世界各国都设立了频率管理机构，用户只能使用申请获准的频率。扩频通信发送功率极低，采用了相关接收技术，且可工作在信道噪声和热噪声背景中，易于在同一地区重复使用同一频率，也可与各种窄道通信共享同一频率资源。所以，在美国及世界绝大多数国家，扩频通信无须申请频率，任何个人与单位都可以无执照使用。（2）抗干扰

17、性强，误码率低扩频通信在空间传输时所占用的带宽相对较宽，而接收端又采用相关检测的办法来解扩，使有用宽带信息信号恢复成窄带信号，而把非所需信号扩展成宽带信号，然后通过窄带滤波技术提取有用的信号。这样，对于各种干扰信号，因其在接收端的非相关性，解扩后窄带信号中只有很微弱的成分，信噪比很高，因此抗干扰性强。在商用的通信系统中，扩频通信是唯一能够工作在负信噪比条件下的通信方式。（3）隐蔽性好，对各种窄带通信系统的干扰很小由于扩频信号在相对较宽的频带上被扩展了，单位频带内的功率很小，信号湮没在噪声里，一般不容易被发现，而想进一步检测信号的参数如伪随机编码序列就更加困难，因此说其隐蔽性好。再者，由于扩频信

18、号具有很低的功率谱密度，它对使用的各种窄带通信系统的干扰很小。（4）可以实现码分多址扩频通信提高了抗干扰性能，但付出了占用频带宽的代价。如果让许多用户共用这一宽频带，则可大大提高频带的利用率。由于在扩频通信中存在扩频码序列的扩频调制，充分利用各种不同码型的扩频码序列之间优良的自相关特性和互相关特性，在接收端利用相关检测技术进行解扩，则在分配给不同用户码型的情况下可以区分不同用户的信号，提取出有用信号。这样一来，在一宽频带上许多对用户可以同时通话而互不干扰。（5）抗多径干扰这两种技术在扩频通信中都易于实现。利用扩频码的自相关特性，在接收端从多径信号中提取和分离出最强的有用信号，或把多个路径来的同

19、一码序列的波形相加合成，这相当于梳状滤波器的作用。另外，在采用频率跳变扩频调制方式的扩频系统中，由于用多个频率的信号传送同一个信息，实际上起到了频率分集的作用。（6）能精确地定时和测距电磁波在空间的传播速度是固定不变的光速，人们自然会想到如果能够精确测量电磁波在两个物体之间的传播时间，也就等于测量两个物体之间的距离。在扩频通信中如果扩展频谱很宽，则意味着所采用的扩频码速率很高，每个码片占用的时间就很短。当发射出去的扩频信号在被测量物体反射回来后，在接收端解调出扩频码序列，然后比较收发两个码序列相位之差，就可以精确测出扩频信号往返的时间差，从而算出两者之间的距离。测量的精度决定于码片的宽度，也就是扩展频谱的宽度。码片越窄，扩展的频谱越宽，精度越高。（7）适合数字话音和数据传输，以及开展多种通信业务扩频通信一般都采用数字通信、码分多址技术，适用于计算机网络，适合于数据和图像传输。（8）安装简便，