无线通信技术课程设计.doc

1、实验一、DQPSK和GMSK信号调制实验一、实验目的： 了解GRC的信号处理模块、流程图及其使用方法了解DPSK、DQPSK调制解调原理了解GMSK调制解调原理观察DPSK、DQPSK信号分别通过 AWGN 信道情况下的星座图失真情况二、实验设备： PC两台、RFX2400 USRP1两台三、实验内容：1. 了解grc的基本操作方法，要求仿真的流程中信号调制方式使用DPSK、DQPSK。2. 通过单机实验和GnuRadio+USRP的实验两种实验方式进行仿真。3. 比较同一调制方式，在不同SNR下的误码率，并且分析结果。4. 画出信号通过信道前后的时域波形图、频谱图、星座图、比较两者的不同并且

2、分析原因。5. 画出不同信噪比情况下的星座图，解释其对于误码率的影响。四、实验原理：1、DQPSK： DQPSK调制原理是利用载波的四种不同相位来表示输入的数字信息，也就是四进制相位键控，它规定了四种调制相位：。所以需要将二进制数字序列中的数据划分为每两个比特为一组，也就是有00,01,10和11四种情况，经过差分编码后，分别对应上面的四个相位，其具体对应关系如表1所示。而调制之后的符号星座图的相位路径转换图如图2.1所示。解调端根据星座图和载波相位来判断发送端发送的信息数据。表1 相位转换二进制比特1二进制比特2相位11+/401+3/400-3/410-/4调制符号星座图和可能变换路径2、

3、GMSK：将基带信号经过高斯滤波器之后，再进行MSK（Minimum Shift Keying）即最小频移键控调制，从而形成调制信号的过程教叫做GSMK（Gaussian Filtered Minimum Shift Keying）即高斯滤波最小频移键控调制。它具有良好的频谱和功率特性。高斯滤波原始数据经过高斯滤波器之后的响应可由下式来表示： 其中，调频指数，意味着对应调制数据源，一个码元内的最大相移为。下式为GMSK调制符号表达式。 五、实验步骤和结果分析。1.DQPSK实验1.1单机实验(1)实验框图：(2)不同信噪比下的误码率。下面这些图是在保证其他参数不变的条件下，通过逐渐增大噪声的幅

4、度值，即不断减小信噪比SNR，观测到的误码率数值。我们发现，随着信噪比的不断减小，误码率的值不断增加。 噪声幅度Amplitude=0.18噪声幅度Amplitude=0.20噪声幅度Amplitude=0.25噪声幅度Amplitude=0.30同时，我们还发现问题，就是噪声幅度的取值必须在一定的范围内才能够观测到误码率的取值，比如本实验中，当噪声幅度Amplitude0.17时，我们观察到的误码率为0；当噪声的幅度Amplitude0.32时，我们观察到的误码率为none。（3）信号通过信道前后的时域波形图：信号通过信道前后的频谱图： 信号通过信道前后的星座图 我们观察上面的图形发现：信号

5、在经过信道以后的时域波形较之原来发生了失真，而频谱图的主瓣也有较大衰减，星座图与信号在经过信道前的情况相比也一定程度上偏离了理想点。我们分析，信号在经过信道前后变化的原因主要是信道中存在高斯噪声，而且噪声的幅度越大，经过信道后的信号波形失真越严重，频谱衰减越厉害。（4）不同信噪比情况下的星座图：下面是在保持其他参数不变的情况下，通过不断增加噪声的幅度，即不断减小SNR的值，观察到的信号经过信道后的星座图。分析结果：噪声对信号的影响很大，噪声幅度越大，引起的损伤越大，符号点相对于中心点随机向外扩散的越严重。即符号点相对集中的时候，误码率较小；反之，符号点相对分散的时候，误码率较大。1.2双机实验

6、(1)发送框图：接收框图：(2)误码率：分析：实验中，我们通过不断调整信号的增益，以此改变SNR，来观察误码率的变化。我们发现，随着SNR的取值变大，BER也在变大。(3)信号经过信道前后的时域波形图： 信号经过信道前后的频谱图：信号经过信道前后的星座图：我们观察上面的图形发现：与单机实验类似，信号在经过信道以后的时域波形较之原来发生了比较大的失真，而频谱图的主瓣也有一定程度的衰减，经过信道后的信号的星座图的符号点一定程度上偏离了理想点。我们分析，信号在经过信道前后变化的原因主要是信道中存在高斯噪声，而且噪声的幅度越大，经过信道后的信号波形失真越严重，频谱衰减越厉害，星座图符号点扩散越严重。（

7、4）不同信噪比下的星座图： 图a 图b 图c 图d 分析：上图为不同信噪比情况下的星座图，图a到图d显示的是随着信噪比的减小（通过改变发送模块的增益值），星座图符号点随机分布情况更加分散。同时，误码率增加。2.GMSK调制实验2.1单机实验(1)实验框图：(2)不同信噪比下的误码率：Amplitude=0.1Amplitude=0.12Amplitude=0.13Amplitude=0.15分析：以上这些图是在保证其他参数不变的条件下，通过逐渐增大噪声的幅度值，即不断减小信噪比SNR，观测到的误码率数值。我们发现，随着信噪比的不断减小，误码率的值不断增加。同DQPSK的实验，这个实验在调整噪声

8、的幅度值时，同样是有一定的取值范围。只有当Amplitude的取值在0.1到0.15之间时，才能观测到误码率的取值。（3）信号经过信道前后的时域波形图：信号经过信道前后的频谱图：信号经过信道前后的星座图： 结果分析：我们观察上面的图形发现：信号在经过信道以后的时域波形较之原来发生了失真，而频谱图的主瓣也有较大衰减，星座图与信号在经过信道前的情况相比也一定程度上偏离了理想点。我们分析，信号在经过信道前后变化的原因主要是信道中存在高斯噪声，而且噪声的幅度越大，经过信道后的信号波形失真越严重，频谱衰减越厉害。（4）不同信噪比情况下的星座图：分析结果：噪声影响信号的信噪比，噪声幅度越大，信噪比越小，引

9、起的损伤越大，符号点相对于中心点随机向外扩散的越严重。即符号点相对集中的时候，误码率较小；反之，符号点相对分散的时候，误码率较大。2.2双机实验(1)发送框图：接收框图：(2)信号经过信道前后的时域波形图：信号经过信道前后的频谱图：信号经过信道前后的星座图：我们观察上面的图形发现：信号在经过信道以后的时域波形较之原来发生了失真，而频谱图的主瓣也有较大衰减，星座图与信号在经过信道前的情况相比也一定程度上偏离了理想点。我们分析，信号在经过信道前后变化的原因主要是信道中存在高斯噪声，而且噪声的幅度越大，经过信道后的信号波形失真越严重，频谱衰减越厉害。(3)不同信噪比的星座图： 实验结论同上述DQPS

10、K。即随噪声增加，信噪比降低，星座图符号点随机分散情况更加严重，同时误码率也增加。六、实验中遇到的问题及体会 从开始对新软件的一无所知，到渐渐熟悉，再到后来能够熟练掌握基本流程，我们都从中学到了很多。在实验过程中我们遇到了不少的问题，一开始甚至连如何进入软件都不会，后来在画流程图时很多模块的参数设置只能完成按照实验指导书设置，导致实验进展缓慢，特别是双机实验一直没能顺利开展。多亏了助教的耐心细致讲解才使我们突破了一个又一个障碍。比如双机实验时需要键入命令sudo grc而不是单纯的grc，这样可以提高用户权限以使用usrp进行实验，同时，usrp不能完全按照指导书上的参数设置，接收端usrp的

11、Decimation(采样率)应设置为发端的一半，这是由于硬件所决定的，还有在使用GMSK解调模块时，Samples应该大于等于2等等,其中最恼人的还是各个模块间类型不匹配的问题，后来我们熟记了不同数据类型对应的颜色，再加上熟能生巧使得实验效率明显提高。这次无线通信课程设计锻炼了我们彼此间沟通配合的能力，更培养了我们严谨求实的科研精神，使我们受益匪浅。实验二、卷积码一、实验目的：1.了解grc仿真中的信号处理模块、流程图以及使用方法2.了解卷积码的基本原理3.了解GunRadio实现信道编码的方法4.了解不同SNR对于误码率的影响5.了解卷积码对于误码率的影响6.了解不同的卷积码对于误码率的影

12、响二、实验设备： PC两台、RFX2400 USRP1两台三、实验要求：1.了解Grc的基本操作方法，要求仿真的流程中信道编码部分使用卷积编码。2.通过单机实验和GnuRadio+USRP的实验两种实验方式进行仿真。3.搭建有信道编码与无信道编码的Grc仿真模型。4.比较上述两种情况下的误码率，并且分析结果。5.比较不同的卷积码对于误码率的影响，并且分析结果(比较(2,1,3)码与(2,1,8)码的性能)。四、实验原理： 卷积码将k个信息比特编码成n个比特，但k和n通常很小，特别适合以串行形式进行传输，时延小。与分组码不同，卷积码编码后的n个码元不仅与当前段的k个信息有关，还与前面的N-1段信

13、息有关，编码过程中互相关联的码元个数为nN。卷积码的纠错性能随N的增加而增大，而差错率随N的增加而指数下降。卷积码的纠错能力不仅与约束长度有关，还与采用的译码方式有关。 GRC提供译码方式是维特比译码，它是卷积码译码方式中非常经典的以及广泛使用的一种译码方式。该实验可以考察编码前后数据有什么变化，译码后能不能恢复原来数据，通过Number Sink考察加噪声后误码率怎么样，对性能有什么提高，并且划出BER图形。五、实验步骤及结果分析：1、单机实验：1.1 以（2，1，3）卷积码为信道编码，用DBPSK进行调制。实现框图：（2，1，3）卷积码单机实验框图首先是Vector Source，即信源，

14、我们设置的数据是1，0，0，1，1。然后是Throttle限流模块。接下来是Packed_to_Unpakce模块，它将pack成byte或short型的数据以unpacked型的数据输出。然后就是卷积码编码模块，这里需要注意的是路径选择。接下来模块为Packet_encoder，然后便是调制模块DBPSK Mod，我们使用的便是DPSK调制。在噪声模块中可以设置噪声大小，我们可以通过改变噪声大小观察其解码误码率大小，来分析卷积码的抗干扰能力。下面模拟的就是接收端，首先是DPSK demod模块，相应于DPSK编码模块，这个模块进行解码。Packet_decoder相应于Packet_enco

15、der。然后需要加上一个模块Chunks to Symbols，用于后面的映射。接下来便是维特比译码模块，我们选择了一个将两个模块合二为一的模块，其中维度设置为1，映射与前一模块相同，路径与卷积码编码时路径相同。然后是Unpacked_to_Packed，将unpacked 的数据（bit）以byte或short型的数据输出。接下来就是将发送的数据输入到Error Rate的ref端，将解调译码之后的数据输入到in端，通过Error Rate模块进行误码率的计算，并将结果存到一个file中，设置好它的路径和名称用于后面画图使用。最后一个模块是Number Sink，主要用于显示数据的具体数值，

16、可用于计算误码率时显示误码率的时候等。运行结果： 上图显示的分别为信号源及信宿（通过编码、调制、信道、解调、译码等一过程）的时域波形，通过观察完全一致，符合我们所设置的矢量源。接下来我们观测了其误码情况。本次实验中，通过（2，1，3）卷积码以及DBPSK调制解调之后，其误码率为0.251Unit。1.2 以（2，1，8）卷积码为信道编码，用DBPSK进行调制。实现框图：（2，1，8）卷积码单机实验框图相比（2，1，3）卷积码单机框图，只需要修改码型及路径。其余一致。运行结果同理，上图显示的分别为信号源及信宿（通过编码、调制、信道、解调、译码等一过程）的时域波形，通过观察也完全基本一致，符合我们

17、所设置的矢量源。通过前后的时域波形，很难比较它与（2，1，3）卷积码的性能。不过通过观察误码率，（2，1，8）卷积码的误码率，其大小为0.091Unit，相对于（2，1，3）码其性能有所改善。这也是源于其约束长度的增加。1.3 无信道编码，同样用 DBPSK进行调制。实现框图： 与实验一中调制实验基本相同，调制方式改为DBPSK，并且矢量源设置为1,0,0,1,1，便于与有信道编码情况下进行比较。运行结果：上图为无信道编码情况下，直接用DBPSK调制，得出的误码率，为0.3321Unit,比上步骤中（2，1，3）卷积码单机实验中的误码率大，得出结论通过信道编码可以改善误码率。2、双机实验：2.

18、1 以（2，1，3）卷积码为信道编码，用DBPSK进行调制。实现框图：（2，1，3）卷积码双机实验发送框图 流程图与上述单机实验类似，不同的是在信源后去掉Throttle模块，并且在发送之前要加上一个Multiply Const模块，用于信号放大，这里我们设置的是12k。最后就是USRP Sink模块，我们设置的发送频率是2.45GHz，DAC内插的数值是128。（2，1，3）卷积码双机实验接收框图首先是USRP Source，ADC抽样的数值为64，接收频率为2.45GHz，下面的流程图与单机时是完全一致的。运行结果：下图为（2，1，3）卷积码双机实验发送端信源时域图以及信道前时域图。 下图

19、为（2，1，3）卷积码双机实验接收端信宿图以及信号经过信道后的时域波形图 下图为双机实验接收端观察到的误码率数值。2.2 以（2，1，8）卷积码为信道编码，用DBPSK进行调制。实现框图：（2，1，8）卷积码双机实验发送框图（2，1，8）卷积码双机实验接收框图相对于（2，1，3）卷积码双机实验，同样只是码型及其路径选择的变化。运行结果：上图为（2，1，8）卷积码双机实验接收端信宿时域图以及信道后的时域图，并且给出了误码率大小，为0.202Unit，相对于双机实验中（2，1，3）码误码率减小了。其原因来自于卷积码约束长度的增加。针对卷积编码的误码率，我们还做了误码率曲线。下面这个就是（2,1,8

20、）卷积编码的误码率曲线图，我们是在（2,1,8）单机实验中做出的，如下图：2.3 无信道编码双机实验，同样用DBPSK进行调制。实现框图： 与实验一调制实验相同，将调制方式改为DBPSK，并且信号源改为矢量源1，0，0，1，1，便于与上述有信道编码的相比较。运行结果： 上图为无信道编码情况下，直接用DBPSK调制，得出的误码率，为0.5375Unit,比上步骤中（2，1，3）卷积码双机实验中的误码率大，得出结论通过信道编码可以改善误码率。六、 实验所遇到问题及感想：本次实验中我们发现最大的问题就是首先对于linux系统以及GNU软件的不熟悉，其次是对于相关通信原理以及无线通信的理论知识理解不深

21、，知识不够巩固。具体来说在实验中我们遇到了很多问题，比如说不清楚画流程图各个模块参数的含义以及如何设置，导致一直报错，另外是细节问题，比如说双机实验时候忘记了发送端设置为enable。实验过程中我们也发现了一点小问题，有时候总是提示cant open usrp，在排除画图或者参数错误之后我们发现在此重新启动，结果运行正常，这点我们不太明白。通过这次实验使我们更加熟悉了通信链路过程中每一环节的作用及重要性，巩固了理论知识，同时也增强了我们的动手能力，发现问题解决问题以及分析问题的能力，这是一次很有价值的课程设计，我们都收获颇多。实验三、直接序列扩频通信技术的仿真一、实验目的了解m序列产生及相关性

22、原理。了解直接序列扩频通信模型。了解应用m序列进行扩频通信的原理。扩频增益与扩频因子的概念及与m序列长度的关系。了解直接序列扩频频谱扩展原理。了解解扩同步和判决的方法。了解不同扩频增益对系统抗干扰能力的影响。了解不同信道条件下的系统性能。二、实验内容搭建GNU Radio中m序列相关性检测流程图，掌握GNU Radio产生m序列的方法。利用代码生成新的GRC block。搭建单机扩频通信流程图，检测相关性，检测最终获得的数据与信号源数据是否一致，检测信号的BER并分析结果。搭建双机通过USRP进行扩频通信流程图，检测相关性，检测最终获得的数据与信号源数据是否一致，检测信号的BER并分析结果。三

23、、实验原理直接序列扩频扩频通信是在信号发送端，首先将信息调制形成数字信号，该数字信号经扩频发生器产生的扩频码序列调制后，信号的频带被展宽，展宽后的信号再调制到射频发送出去。在接收端收到的宽带射频信号，经变频至中频，然后由本地产生的与发端相同的扩频码序列去相关解扩，再经过信息解调，恢复成原始信息输出。直接序列扩频系统是将要发送的信息用伪随机（PN）序列扩展到一个很宽的频谱上去，在接收端，用与发端扩展用的相同的伪随机序列对接收到的扩频信号进行相关处理，恢复出原来的信息。干扰信号由于与伪随机序列不相关，在接收端被扩展，使落入信号频带内的干扰信号功率大大降低，从而提高了系统的输出信噪比，达到抗干扰的目

24、的。下图是扩频通信的原理图：图1四、GRC实现图根据直接序列扩频通信技术的仿真图（如下），分别连接GRC单机仿真电路和利用USRP进行实际收发的电路，分别进行实验。图2图3各个模块的参数及说明：1. Vector Source：双极性码信源，从一个向量中获取数据输出。实验中单机仿真选取的数据输出为-1，1，-1循环输出，用USRP实际收发时用过3位、4位并试验过7位、8位循环码。2. GLFSR Source（Generalized Linear-Feedback Shift Register）：PN码发生源，产生PN伪随机码。级数选取为3级，产生7位PN序列。3. Repeat：实现数据内插

25、功能模块，与PN序列位数保持一致，重复七次数据。4. Mutiply：乘法器，使数据和PN码相乘，实现扩频功能。DeDSSS_ff：解扩模块，需要自己编写生成并加入。5. Packet Encoder，DPSK Mod，DPSK Demod，Packet Decoder：分别实现打包编码，信号调制，信号解调和打包解码的功能。6. PN Correlator：m序列相关性检测模块，按照下式计算m序列相关性，输出下式计算结果：7. Throttle：限流模块，不可与USRP模块同时使用。8. Keep 1 in N：抽取模块，与前面Repeat相对应，N取7。9. USRP Sink：使用USRP

26、来发送信号。USRP Source：使用USRP来接受信号。10.Error Rate：计算误码率的模块，将解调出来的信号与信源比较，得出误码率。五、实验步骤及结果分析1.单机实验。1.1实验步骤(1)选择适当模块连接成图3的电路。调整各个模块参数。(2)点按钮运行，观察示波器输出。(3)截图并分析结果。1.2单机实验框图1.3实验结果及分析(1)利用scope sink观测扩频调制前和扩频解调后的信号时域图，观测时候一致。(2)改变噪声大小(3)误码率为4.4%(4)pn相关性检测m=3 相关m=3 不相关(4)利用fft sink模块观测不同级数（即不同调制深度）时扩频前后的频谱图。f3f

27、5f7f20(5)、不同噪声下的误码率 m=2 noise=0.13m =2 noise=0.312双机实验 2.1实验步骤（1）、选取两台电脑，分别连接成收发的电路。调整各个模块参数。（2）、调整USRP Sink和USRP Source的频率与设备一致，组装好设备，分别连至两台电脑上，使两台设备的天线尽量靠近。（3）、先后点击发送端、接收端的按钮运行，观察示波器输出。（4）、截图并分析结果。2.2双机实验框图发送框图：接收框图：2.3实验结果分析（1）、发送端波形接收端波形（2）、pn相关性检测m=3相关m=3 不相关（3） 误码率观测六、实验中遇到的问题及解决方法1、 一开始做不出相关时

28、检测的尖峰脉冲，出现的都是杂波。解决：发现是degree的值和mask的值不知如何取，也就是m序列是如何产生的问题没搞清楚。后来助教雪中送炭，给我们发了补充的材料，我们又去图书馆借了本通信原理资料书，自己学习了m序列的产生过程，明白了degree代表着移位寄存器的个数，也就反映调制深度，将两个m序列发生器的degree值和mask值调成一样的，就可以做到相关了。2、 在做时域波形的时候，我们发现调制前和解调后波形不相同。解决：我们加的噪声太大，以至于其对波形的影响过大。后来我们把噪声调小，使其为0.13左右就可以了。并且我们发现了临界值，在0.39之前都可以出波形，大于0.4以后，只会出none.我们其实遇到了很多很多问题，但都被我们一一解决了，虽然过程很麻烦，但是现在却很有成就感。44