无线实验一-数字调制解调

《无线通信根底》实验一2016年4月目录 1实验一数字调制解调实验Ⅰ 2一、实验根本情况与任务 21、实验目标 22、实验环境与准备 23、实验介绍 24、实验任务 65、理论分析 86、实验步骤及原理图 127、效果展示〔结论〕 158、遇到的问题及解决方法 189、实验扩展 1910、心得 1911、参考资料 1912、程序 19实验一数字调制解调实验Ⅰ 一、实验根本情况与任务1、实验目标在本实验中你要完成一个LabVIEW程序，它能够将PN序列或文本作为信源并对其进行数字调制解调。实验的目的是让你进一步熟悉LabVIEW编程软件的根本操作，并且在编程的过程中可以加深对常见数字调制方式的理解，稳固根底知识。2、实验环境与准备软件环境：LabVIEW2012〔或以上版本〕；硬件环境：无；实验根底：掌握LabVIEW编程环境的根本操作技巧；知识根底：了解常见的调制解调技术以及相关概念。3、实验介绍本实验的程序设计流程如REF_Ref414219971\h图1所示。图SEQ图6-\*ARABIC1程序设计流程图在程序中首先要完成对信源的生成和调制方式的选择，再按照所选的调制方式对信源进行调制；然后对调制后的信号添加噪声；之后对信号进行数字解调来恢复信源信息；最后比照解调后的数据和原始的信源数据，计算误码率。本实验包含一个主程序和假设干子程序。其中主程序为Digitalmodulation，它的前面板如REF_Ref414219997\h图2所示。图SEQ图6-\*ARABIC2主程序前面板前面板中左上角是参数配置选项卡，其中信源参数界面可以设置信源的类型、文本的内容以及PN序列的长度；调制参数界面可以配置调制类型、采样率、过采样率等参数；滤波参数界面用来配置脉冲成型和匹配滤波器的相关参数，例如滤波器类型和滤波器长度等。前面板右上角可以观察发送端和接收端的星座图。前面板其余的局部用来显示接收端的各种信息，包括当信源为文本时解调后恢复的文本内容；当前的信噪比以及实时的误码数、接收点数和误码率数据；接收端接收到的解调前的I/Q数据；根据信噪比和误码率生成的误码率曲线。Digitalmodulation主程序的核心程序框图如REF_Ref414220026\h图3所示。图SEQ图6-\*ARABIC3Digitalmodulation程序框图主程序中包括四个子程序。subTX子程序用来实现信源的产生、调制和滤波，输出是经过调制后的信号；subAddAWGN子程序的作用是向信号添加AWGN噪声；subRX子程序实现subTX子程序的逆过程，即对接收信号进行匹配滤波、解调并复原信源信息；最后subGetBer子程序用来根基信源数据和接收数据计算当前信噪比下的误码率。程序最主要的局部是subTX和subRX两个子程序。subTX子程序的程序框图如REF_Ref414220056\h图4所示。图SEQ图6-\*ARABIC4subTX程序框图其中subSource子程序的作用是根据要求的信源类型生成信源信息，输出是bit序列；subMOD子程序用来对生成的信源bit序列进行调制，输出是调制后的符号数据；subAddControl子程序的作用是对调制后的符号添加控制序列；subPulseShaping子程序用来对符号数据进行上采样和脉冲成型；最后通过subMakeWave子程序生成输出的已调信号波形。subRX子程序的程序框图如REF_Ref414220082\h图5所示。图SEQ图6-\*ARABIC5subRX程序框图其中subRXint子程序的作用是计算并调整一些参数；subMatchFilter子程序用来对接收波形进行匹配滤波；subSync子程序的作用是对接收的信号进行同步并去除训练序列，输出是数据符号；subDemod子程序的作用是对接收的数据符号进行解调，输出是解调后的PN序列或是根据bit序列恢复的文本内容。4、实验任务本实验主程序的前面板是完整的，程序结构和大局部的子程序也都已经提供应你，需要你自己完成的只有subMOD、subPulseShaping、subMatchFilter、subDemod这四个子程序。你需要按照下面的步骤正确的完成这四个子程序，在完成实验后你需要上交完整的程序以及实验报告。〔1〕subMOD子程序这个子程序的作用是实现BPSK或QPSK的基带调制，即将输入的信源bit序列映射到符号域，输出是复数形式的符号。以BPSK为例，BPSK把一个信息位表示成一个符号，即映射出的符号有两种可能的相位。在数学上，每比特调制信号表示为： (4.1)式中，是基带调制的频率，是b=0或1时的相位偏移。如果我们选择的两个相位分别是π/2和3π/2的话，可以将调制信号表示为：(4.2)对应前面所说的将每一个bit映射成一个复数符号，可以很容易的看出BPSK的映射关系为：将信源0映射成0+i，信源1映射成0-i。当调制方式为QPSK时，原理与BPSK类似。不同的是QPSK是将信源的2个bit映射成一个复数符号，因此有四种可能的表示符号。例如我们选择相位偏移分别为π/4、3π/4、5π/4和7π/4，那么对应的复数符号分别为0.707+0.707i、-0.707+0.707i、0.707–0.707i和-0.707-0.707i。因此你在subMOD子程序中需要做的就是把输入的信源bit数据流映射到符号域上。例如输入bit数据为11011000，调制方式为QPSK的话，那么输出的符号应该为、、-0.707+0.707i和0.707+0.707i。〔2〕subPulseShaping和subMatchFilter子程序这两个子程序的功能类似，分别是实现发端的脉冲成型滤波和收端的匹配滤波。信号通过滤波器就相当于信号和滤波器的时域脉冲响应做卷积。以发端为例，你首先需要做的就是根据设置的滤波器类型、滤波器长度等输入参数生成脉冲成型滤波器系数。然后根据设置的上采样率对输入符号进行上采样。最后将上采样后的信号与生成的滤波器系数做卷积。得到的便是成型滤波后的输出信号。接收端的实现过程与发射端类似，主要区别在于接收信号已经在发端进行了上采样，因此在收端匹配滤波前不再需要上采样操作。〔3〕subDemod子程序subDemod子程序实现对接收符号的解映射，即发送端subMOD子程序的逆过程。子程序的输入是同步后的数据符号，输出是解调后的bit数据。如果是BPSK调制，你需要将每个输入的数据符号解映射成一位bit数据；如果是QPSK调制，那么需要将每个输入符号解映射成两位bit数据。要注意在发送端进行映射的图谱要与接收端解映射的图谱对应，这样才能够正确的解调出数据。〔4〕实验结果验证完成以上几个子程序后，可以通过运行主程序来验证编写的模块是否正确。首先你需要在前面板上合理的设置各项参数，例如信源为文本并使用QPSK调制，你还可以通过信噪比范围参数来设置所计算信噪比的最大值。之后运行程序，如果程序正确的话你可以观察到星座图、误码率数据、接收端恢复的文本等输出信息。如REF_Ref414220229\h图6至REF_Ref414220234\h图9所示。然后你可以改变参数，验证在不同参数下程序是否能够正确运行，并比照运行的结果有何异同。最后按照要求完成实验报告。图2-4-7恢复的文本内容图2-4-6接收星座图2-4-9实时误码数据图2-4-8误码率曲线5、理论分析1、subMOD它的作用是实现BPSK或QPSK的基带调制，即将输入的信源bit序列映射到符号域，输出是复数形式的符号。在构造程序时，需要分辨BPSK和QPSK两种调制方式，在不同的条件下执行不同的程序，所以要用到条件框进行两种调制方式的判断。并且有控制键对调制方式进行控制。其次，程序允许多个输入，多个输出，因此需要用到循环进行屡次调制，还需要计算出输入的个数以便控制调制的次数。subPulseShaping和subMatchFilter〔1〕这两个程序作用类似，均为滤波器。首先是发端的脉冲成型滤波器，在通信系统中，脉冲成形滤波器还用于无线通信信道得两个重要条件:

1〕产生限带信道，2〕降低由信号多径反射引起的符间干扰〔ISI〕。这两个条件都可以通过作用于每个符号的脉冲成形滤波器来实现。实际上，下列图所示的sync脉冲满足了上述两个要求，因为它仅占用一小局部频域，但却有效地利用了频域，还由于它对调制信号的每一个符号周期会产生一种加窗效应。脉冲成形滤波器首先要使波形平滑，即使脉冲突变的上升沿和下降沿平缓，频带外的频率衰减加快。

在实际系统中，信带传递函数H(f)由发送滤波器Ht(f)、信道和接收滤波器Hr(f)组成，即， 假设在设计过程中把传输信道看成理想信道，即()CHf=1。只要求特定时刻的波形幅值无失真传送，而不必要求整个波形无失真。根据乃奎斯特第一准那么，如果信号经传输后整个波形发生了变化，只要其特定点的抽样值保持不变，那么用再次抽样的方法，仍然可以准确无误地恢复原始信号。满足乃奎斯特第一准那么的滤波器有无穷多种，为了满足无码间干扰并实现发射机和接收机的匹配，发射端的脉冲成形滤波器可选择平方根升余弦滤波器，传递函数表示式为T为输入码元的周期，为滚降系数，取值为。滚降系数影响着频谱效率，越小，频谱效率就越高，但越小时，升余弦滚降滤波器的抽头系数也越多，设计和实现比拟困难，而且当传输过程中发生线性失真时产生的符号间干扰也比拟严重。在无码间串扰条件下所需带宽

W

和码元传输速率

Rs

的关系一般为：W=1/2(1+α)Rs。在实际工程中，的范围一般定在

0.15～0.5

之间。

记，平方根升余弦冲击响应的表达式为滚降系数分别为0，,05,1的平方根升余弦滤波器冲击响应波形和频谱如图1和图2所示：需指出，升余弦滤波器的严格限频特性，是物理不可实现的，然而由于升余弦滤波器频率特性的平滑性，使得有可能物理可实现滤波器近似实现此频率特性，所以在限带数字通信系统中广泛采用的升余弦滤波器。〔2〕匹配滤波器与脉冲成形滤波器几乎同等重要。脉冲成形滤波器的作用是使信号的符号周期不混叠，而匹配滤波器的作用是滤掉在传送过程中因信号反射而造成的干扰。由于通过直接路径到达的信号比反射信号更早到达接收端，因此反射信号有可能与后续符号周期产生混叠。设匹配滤波器的输入信号为，是由接收信号和噪声两局部构成，即，在表达式中是白噪声，双边功率谱密度为，而信号的频谱函数为。根据线性叠加原理，匹配滤波器的输出

也由信号和噪声两局部构成，即

设 的频谱为

，根据信号与系统理论得求的傅里叶反变换，可得到输出信号为输出噪声t0的功率谱密度为匹配滤波器在t0时刻的输出信号值为那么在t0时刻输出信号的瞬时功率为，输出噪声平均功率为所以t0时刻输出的信噪比为可以得到当时等式成立，这就是所要求的匹配滤波器的传输特性，由上式可知，输出信噪比最大的滤波器的传输特性与信号频谱的共轭成正比，故这种滤波器称为匹配滤波器。匹配滤波器的冲激响应为3、subDemod该程序为第一步编码程序的逆过程。同样的，我们也需要设计程序控制调至类型，并设计算法构造0+i、0-i到0、1，0.707+0.707i、-0.707+0.707i、0.707-0.707i、-0.707-0.707i到00、01、10、11的映射。6、实验步骤及原理图1、按照要求正确连接程序控件；2、调试程序，改变参数；QPSK调制：BPSK调制：SubPulseShaping(脉冲成形)：subMatchFilter〔匹配滤波〕：QPSK解调：BPSK解调：7、效果展示〔结论〕BSPK发端：收端：改变参数：Samplespersympol(2改为8)QPSK8、遇到的问题及解决方法〔1〕怎样实现串并变换问题解决方法：抽取一维数组”，抽取之后可以得到n，n-2，n-4和n-1，n-3，n-5之类的2个序列，直接拿这两个序列就行了。〔2〕调制类型和条件结构的条件进行相连的时候出现了红色的叉叉，如何解决？方法：subMOD里面是蓝色的，直接连接就行了，可是subDemod里面就是品红色的，连不上。查资料发现红色的是已捆绑的参数，需要使用按名称解除捆绑这个小工具来解除捆绑，就可以得到需要的参数。〔3〕脉冲成型和匹配滤波的问题解决方法：实验指导书暗示我是用一些参数去控制滤波器生成一个滤波器的冲激响应然后与升采样之后的输入信号进行卷积运算，可是我找遍了LabVIEW中内置的所有滤波器，就是找不到一个我需要的模型；经过助教讲课后，我从助教共享的邮箱里下载控件包后安装到电脑上，终于从里面找到了自己需要的滤波器工具，成功实现了脉冲成型和匹配滤波。9、实验扩展Samplespersymbol