无线通信原理实验报告

1 无线通信原理实验报告摘要：BPSK（BinaryPhaseShiftKeying）即双相频移键控，是把模拟信号转换成数据值的转换方式之一。利用偏离相位的复数波浪组合来表现信息键控移相方式的一种。本实验将简要介绍BPSK调制方式的特点，调制解调方法，以及在Matlab中在AWGN信道中的误码性能。在载波相位调制中，通信信道传输的信息寄寓在载波相位中，于二进制相位调制而言，两个载波的相位即θ=0和θ=π，用以代表二进制“1”和“0”，而载波振幅和频率保持不变。基于MATLAB的MonteCarlo仿真可用于分析BPSK调制在AWGN信道中的误码性能。OFDM技术是一种多载波传输技术，其主要特点是把高速的信息分割到多个正交子载波上并进行低速传送;由于子载波互相交叠和正交，它们可以独立并行传送信息符号而不互相干扰，同时保持较高频谱利用率。OFDM系统一方面提高了对时域脉冲噪声的鲁棒性;另一方面，基于块传输技术的OFDM技术在每个OFDM信息符号之间加上保护间隔(Time

Interval

Guard,

TGI

)，只要保护间隔的长度大于信道冲激响应(Channel

ImpulseResponse,

CIR)的最大时延扩展，系统的所有子载波之间的正交性在通过信道之后就能够得到保持。OFDM这种基于块传输的正交多载波传送方式使它具有抗符号间串扰(Inter-symbol

Interference,ISI)能力，同时也可以将信道均衡从复杂的时域处理转化到简单易行的频域处理。在OFDM系统中，系统可以根据子载波的工作环境在子载波间灵活应用自适应调制技术、自适应功率分配技术等，来进一步提高系统的传输效率和传输性能。[关键词]BPSK;QPSK;OFDM;16QAM；MATLAB;载波；误码率一引言1.BPSK（BinaryPhaseShiftKeying），BPSK使用了基准的正弦波和相位反转的波浪，使一方为0，另一方为1，从而可以同时传送接受2值(1比特)的信息。由于最单纯的键控移相方式虽抗噪音较强但传送效率差，所以常常使用利用4个相位的QPSK和利用8个相位的8PSK。与模拟通信系统相比，数字调制和解调同样是通过某种方式，将基带信号的频谱由一个频率位置搬移到另一个频率位置上去。不同的是，数字调制的基带信号不是模拟信号而是数字信号。

在大多数情况下，数字调制是利用数字信号的离散值去键控载波。对载波的幅度、频率或相位进行键控，便可获得ASK、FSK、PSK等。这三种数字调制方式在抗干扰噪声能力和信号频谱利用率等方面，以相干PSK的性能最好，目前已在中、高速传输数据时得到广泛应用。调制原理二进制相移键控（BPSK）是利用载波的相位的变换来传递信息，而振幅和频率保持不变，BPSK的时域表达式为：0（发送“0”时）或1（发送“1”时）改写之后为或另外BPSK信号一般用双极性（bipolarity）全占空矩形脉冲序列与一个正弦载波相乘表征。PSK各信号具有相同的能量，即表示每个传输符号能量，定义为一个矩形脉冲，0≤t≤T于是在符号区间0≤t≤T内传输的信号波形可表示为（其中A=）则如果将其看成两相角之和，即可表示为其中是两个正交基函数，定义为并把改两个基函数能量归一化到1BSK星座图如下：BPSK星座图BPSK相位解调与检测AWGN信道中，接受信号可表示为：=其中和是加性噪声的两个正交分量。将接受信号与和做互相关，两个相关器的输出即可产生受噪声污染的信号分量，可表示为=，m=0,1,2,3其中且两正交噪声分量是零均值互不相关的高斯随机过程，于是和的方差是：最佳检测器将接受信号向量r投射到所有可能的传输信号向量之一上，并选对应于最大投影的向量，据此相关准则即为m=0,1,2,3由于全部信号都具有相等的能量，因此数字相位调制的一种等效检测器标准就是计算接收信号向量的相位：并从信号集中选取其相位最接近的信号。在AWGN信道中，二相相位调制与二进制PAM相同，差错概率为：，其中为每比特能量.基于MATLAB中的BPSK误码性能研究BPSK（BinaryPhaseShiftKeying）即双相频移键控，是把模拟信号转换成数据值的转换方式之一。利用偏离相位的复数波浪组合来表现信息键控移相方式的一种。本实验将简要介绍BPSK调制方式的特点，调制解调方法，以及在Matlab中在AWGN信道中的误码性能。（1）BPSK调制原理二进制相移键控（BPSK）是利用载波的相位的变换来传递信息，而振幅和频率保持不变，BPSK的时域表达式为：0（发送“0”时）或1（发送“1”时）改写之后为或另外BPSK信号一般用双极性（bipolarity）全占空矩形脉冲序列与一个正弦载波相乘表征。PSK各信号具有相同的能量，即表示每个传输符号能量，定义为一个矩形脉冲，0≤t≤T于是在符号区间0≤t≤T内传输的信号波形可表示为（其中A=）则如果将其看成两相角之和，即可表示为其中是两个正交基函数，定义为并把改两个基函数能量归一化到1BPSK相位解调与检测AWGN信道中，接受信号可表示为：=其中和是加性噪声的两个正交分量。将接受信号与和做互相关，两个相关器的输出即可产生受噪声污染的信号分量，可表示为=，m=0,1,2,3其中且两正交噪声分量是零均值互不相关的高斯随机过程，于是和的方差是：最佳检测器将接受信号向量r投射到所有可能的传输信号向量之一上，并选对应于最大投影的向量，据此相关准则即为m=0,1,2,3由于全部信号都具有相等的能量，因此数字相位调制的一种等效检测器标准就是计算接收信号向量的相位：并从信号集中选取其相位最接近的信号。在AWGN信道中，二相相位调制与二进制PAM相同，差错概率为：，其中为每比特能量。3、M-QAM调制在高斯信道和Rayleigh衰落信道中的平均误码率性能研究(1)QAM的调制和相干解调框图如图（1）、图（2）所示。在调制端，输入数据经过串/并变换后分成两路。为了抑制已调信号的带外辐射，两路电平映射出的信号还要经过预调制低通滤波器，才分别与相互正交的各路载波相乘。最后两路信号相加就可以以得到已调输出信号y。图（1）正交调制原理框图解调是调制的逆过程，在接收端解调器中可以采用正交的相干解调方法。接受到的信号分两路进入两个正交的载波的相干解调器，再分别进入判决器形成L进制信号并输出二进制信号，最后经并/串变换后得到基带信号。图（2）相干解调原理框图对于方型QAM来说，它可以看成是两个脉冲振幅调制信号之和，因此利用脉冲振幅调制的分析结果，可以得到M进制QAM的误码率公式：为每个码元内的比特数，为每比特的平均信噪比。在AWGN信道中BPSK的误码性能基于前面的仿真原理，利用MATALB的MC仿真进行理论的实际验证。并将理论值与仿真值进行对比，分析数学理想模型建立的合理性，首先由MATLAB程序产生信号源，再模拟AWGN平坦衰落信道中叠加加性高斯白噪声，在接收端对接收信号进行检测与估值，并对信号进行判决恢复原始信号。得到仿真比特误码率和理论比特误码率如下：分析：从上图可以看出，仿真比特误码率和理论比特误码率非常接近，不管是在信噪比较低的情况下，还是信噪比较高的情况下，两者都符合得很好，但可以看出，随着信噪比逐渐加大，两者渐渐有了“分歧”，慢慢显示出差距来，这说明在大信噪比的情况下，理论值还是会偏离实际值的，但是误码率越来越小，越来越向好的方向发展。2.QBSK误码率的仿真下面则给出了三种调制方式的误码性能比较(3)在AWGN信道中BPSK的误码率分析基于前面的仿真原理，将理论值与仿真值进行对比，分析合理性，首先由MATLAB程序产生信号源，再模拟AWGN平坦衰落信道中叠加加性高斯白噪声，在接收端对接收信号进行检测与估值，并对信号进行判决恢复原始信号。得到仿真比特误码率和理论比特误码率如下：分析：从上图可以看出，仿真比特误码率和理论比特误码率非常接近，不管是在信噪比较低的情况下，还是信噪比较高的情况下，两者都符合得很好，但可以看出，随着信噪比逐渐加大，两者渐渐有了分叉，慢慢显示出差距来，这说明在大信噪比的情况下，理论值还是会偏离实际值的，但是误码率越来越小，越来越向好的方向发展。下面则给出了三种调制方式的误码性能比较分析：将QPSK，BPSK，16QAM，FSK四种调制方式，包括理论值与实际值，放在同一个图下，对他们进行对比，可以很清晰地发现，QPSK在信噪比较小时，仿真值和理论值就有了偏离，且两者数值都比较大，当信噪比越来越大时，仿真值成直线几乎没变化，而实际值的Pe值逐渐变小，这种调制方式不是很可取；16QAM的性能跟QPSK相比，在低信噪比时，Pe值较大（还要大于QPSK的），随着信噪比逐渐增大，16QAM的Pe值逐渐减小，且理论值与实际值比较契合，在大信噪比情况下，误码性能略逊与QPSK的；FSK的理论值和实际值在各种信噪比下都比较契合，两者几乎没有大的差距，非常理想，无论是在低，高信噪比下，性能都要比QPSK的优越一些；BPSK性能最优！理论值与实际值契合得比较理想，而在低，高信噪比情况下，Pe值都是最低的，且随着信噪比逐渐增大，Pe实际值迅速减小，实现起来性能十分优越。因此在选择对误码性能要求较高的系统时，BPSK可作为首选，FSK次之，QPSK和16QAM再考虑实际情况选择，而在其他状态时，也可优先选择BPSK。分析：将QPSK，BPSK，16QAM，FSK四种调制方式，包括理论值与实际值，放在同一个图下，对他们进行对比，可以很清晰地发现，QPSK在信噪比较小时，仿真值和理论值就有了偏离，且两者数值都比较大，当信噪比越来越大时，仿真值成直线几乎没变化，而实际值的Pe值逐渐变小，这种调制方式不是很可取；16QAM的性能跟QPSK相比，在低信噪比时，Pe值较大（还要大于QPSK的），随着信噪比逐渐增大，16QAM的Pe值逐渐减小，且理论值与实际值比较契合，在大信噪比情况下，误码性能略逊与QPSK的；FSK的理论值和实际值在各种信噪比下都比较契合，两者几乎没有大的差距，非常理想，无论是在低，高信噪比下，性能都要比QPSK的优越一些；BPSK性能最优！理论值与实际值契合得比较理想，而在低，高信噪比情况下，Pe值都是最低的，且随着信噪比逐渐增大，Pe实际值迅速减小，实现起来性能十分优越。因此在选择对误码性能要求较高的系统时，BPSK可作为首选，FSK次之，QPSK和16QAM再考虑实际情况选择，而在其他状态时，也可优先选择BPSK。QAM调制方式，信道为高斯信道的系统误码率分析图：QAM调制方式，信道为瑞利衰落信道的系统误码率分析图：2.OFDM的基本原理

发送端把被传输的数字信号转换成子载波幅度和相位的映射，并将进行快速傅利叶反变换（IFFT）或者离散傅里叶反变换（IDFT）（IFFT的计算效率比IDFT高）将数据的数据的频谱表达式变到时域上。如图1-1所示，上半部分是发送的链路的框图，下半部分是接受的链路的框图。

OFDM的原理主要是把高速的数据流通过串并变换，分配到传输速率相对较低的若干个子信道中进行传输。由于每个子信道中的符号周期会相对增加，因此可以减轻由无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成的影响。并且还可以在OFDM符号之间插入保护间隔，令保护间隔大于无线信道的最大时延扩展，这样就可以最大限度地消除由于多径而带来的符号间干扰(ISI)。而且，一般都采用循环前缀作为保护间隔，从而可以避免由多径带来的子载波间干扰((ICI)

。图1.

OFDM收发原理框图实验结果：我的收获本文简要介绍了BPSK的性质原理及调制与解调方法，以及在AWGN信道中的误码分析，并在MATLAB下进行了MonteCarlo仿真，验证了模型的正确性，从误码率曲线图中我们可以清楚地知道不同信噪比下BPSK系统的误码性能。且信噪比越大，理论图形与仿真图形偏离越大，但是Pe值越小。并且将QPSK，BPSK，FSK，16QAM四种调制方式放在一个图形下进行比较，显示各自优缺点，得到结论，从而知道实际应用，这个是非常有现实意义的。参考文献刘树棠译.现代通信系统.使用MATLAB.北京：电子工业出版社.2006.樊昌信.通信原理.第六版.北京：国防工业出版社.2008JohnG.Proakis通信系统原理.:北京电子工业出版社.2006[5]王玲，逯贵祯，肖怀宝.基于Matlab的OFDM仿真实现及性能分析.北京：中国传媒大学信息工程学院,[6]马一森，李智，赵建华，徐炜，张东.OFDM通信系统的分析及其Simulink仿真研究.成都：四