無(wú)線通信與網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告課程名稱：無(wú)線通信與網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：matlab仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)： 專業(yè)班級(jí)：學(xué)號(hào)：學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 2013年4月12日實(shí)驗(yàn)1 卷積編碼和譯碼的matlab仿真實(shí)現(xiàn)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私庹莆杖绾问褂胢atlab來(lái)進(jìn)行卷積編碼和譯碼的仿真。二、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、SIMULINK仿真模塊的參數(shù)設(shè)置以及重要參數(shù)的意義2、不同回溯長(zhǎng)度對(duì)卷積碼性能的影響3、不同碼率對(duì)卷積碼誤碼性能的影響4、 不同約束長(zhǎng)度對(duì)卷積碼的誤碼性能影響三、基本原理本實(shí)驗(yàn)分為卷積編碼和卷積譯碼兩部分：卷積編碼的最佳譯碼準(zhǔn)則為：在給定已知編碼結(jié)構(gòu)、信道特性和接收序列的情況下，譯碼器將把與已經(jīng)發(fā)送的序列最相似的序列作為傳送

2、的碼字序列的估值。對(duì)于二進(jìn)制對(duì)稱信道，最相似傳送序列就是在漢明距離上與接收序列最近的序列。卷積碼的譯碼方法有兩大類：一類是大數(shù)邏輯譯碼，又稱門(mén)限譯碼(硬判決)；另一種是概率譯碼(軟判決)，概率譯碼又分為維特比譯碼和序列譯碼兩種。門(mén)限譯碼方法是以分組碼理論為基礎(chǔ)的，其譯碼設(shè)備簡(jiǎn)單，速度快，但其誤碼性能要比概率譯碼法差2。當(dāng)卷積碼的約束長(zhǎng)度不太大時(shí)，與序列譯碼相比，維特比譯碼器比較簡(jiǎn)單，計(jì)算速度快。維特比譯碼算法是1967年由Viterbi提出，近年來(lái)有大的發(fā)展。目前在數(shù)字通信的前向糾錯(cuò)系統(tǒng)中用的較多，而且在衛(wèi)星深空通信中應(yīng)用更多，該算法在衛(wèi)星通信中已被采用作為標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。采用概率譯碼的基本思想是：

3、把已接收序列與所有可能的發(fā)送序列做比較，選擇其中碼距最小的一個(gè)序列作為發(fā)送序列。如果發(fā)送L組信息比特，那么對(duì)于(n,k)卷積碼來(lái)說(shuō)，可能發(fā)送的序列有2kL個(gè)，計(jì)算機(jī)或譯碼器需存儲(chǔ)這些序列并進(jìn)行比較，以找到碼距最小的那個(gè)序列。當(dāng)傳信率和信息組數(shù)L較大時(shí)，使得譯碼器難以實(shí)現(xiàn)。維特比算法則對(duì)上述概率譯碼做了簡(jiǎn)化，以至成為了一種實(shí)用化的概率算法。它并不是在網(wǎng)格圖上一次比較所有可能的2kL條路徑(序列)，而是接收一段，計(jì)算和比較一段，選擇一段最大似然可能的碼段，從而達(dá)到整個(gè)碼序列是一個(gè)最大似然值得序列。下面以圖2.1的(2，1，3)卷積碼編碼器所編出的碼為例，來(lái)說(shuō)明維特比解碼的方法和運(yùn)作過(guò)程。為了能說(shuō)明

4、解碼過(guò)程，這里給出該碼的狀態(tài)圖，如圖2.2所mjmj-1mj-2輸出序列m1,m2,mj,y1jy2j輸入序列00adcb110011010110圖2.1 (2,1,3)卷積碼編碼器圖2.2 (2,1,3)卷積碼狀態(tài)圖示。維特比譯碼需要利用圖來(lái)說(shuō)明移碼過(guò)程。根據(jù)卷積碼畫(huà)網(wǎng)格的方法，我們可以畫(huà)出該碼的網(wǎng)格圖，如圖2.3所示。該圖設(shè)輸入信息數(shù)目L=5，所以畫(huà)L+N=8個(gè)時(shí)間單位，圖中分別標(biāo)以0至7。這里設(shè)編碼器從a狀態(tài)開(kāi)始運(yùn)作。該網(wǎng)格圖的每一條路徑都對(duì)應(yīng)著不同的輸入信息序列。由于所有可能輸入信息序列共有2kL個(gè)，因而網(wǎng)格圖中所有可能的路徑也為2kL條。這里節(jié)點(diǎn)a=00，b=01，c=10，d=11

5、。abcd節(jié)點(diǎn)號(hào)0123456700000000000000111111111111111100000101010101010101010101111110101010圖2.3 (2,1,3)卷積碼網(wǎng)格圖設(shè)輸入編碼器的信息序列為(11011000)，則由編碼器對(duì)應(yīng)輸出的序列為Y=(1101010001011100)，編碼器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移路線為abdcbdca。若收到的序列R=(0101011001011100),對(duì)照網(wǎng)格圖來(lái)說(shuō)明維特比譯碼的方法。由于該卷積碼的約束長(zhǎng)度為6位，因此先選擇接收序列的前6位序列R1=(010101)同到達(dá)第3時(shí)刻的可能的8個(gè)碼序列(即8條路徑)進(jìn)行比較，并計(jì)算出碼距。該

6、例中到達(dá)第3時(shí)刻a點(diǎn)的路徑序列是(000000)和(111011)，他們與R1的距離分別為3和4；到達(dá)第3時(shí)刻b點(diǎn)的路徑序列是(000011)和(111000)，他們與R1的距離分別為3和4；到達(dá)第3時(shí)刻b點(diǎn)的路徑序列是(000011)和(111000)，他們與R1的距離分別為3和4；到達(dá)第3時(shí)刻c點(diǎn)的路徑序列是(001110)和(110101)，他們與R1的距離分別為4和1；到達(dá)第3時(shí)刻d點(diǎn)的路徑序列是(001101)和(110110)，他們與R1的距離分別為2和3。上述每個(gè)節(jié)點(diǎn)都保留碼距較小的路徑作為幸存路徑，所以幸存路徑碼序列是(000000)、(000011)、(1101001)和(0

7、01101)，如圖2.4所示。用于上面類似的方法可以得到第4、5、6、7時(shí)刻的幸存路徑。abcd節(jié)點(diǎn)號(hào)0123000000111111010101圖2.4 維特比譯碼第3時(shí)刻幸存路徑需要指出的是，對(duì)于某個(gè)節(jié)點(diǎn)，如果比較兩條路徑與接收序列的累計(jì)碼距值相等時(shí)，則可以任意選者一條路徑作為幸存路徑，吃時(shí)不會(huì)影響最終的譯碼結(jié)果。在碼的終了時(shí)刻a狀態(tài)，得到一條幸存路徑。如果2.5所示。由此可看到譯碼器abcd節(jié)點(diǎn)號(hào)0123110101456780001011100圖2.5 第8時(shí)刻幸存路徑輸出是R=(1101010001011100)，即可變換成序列(11011000)，恢復(fù)了發(fā)端原始信息。比較R和R序列

8、，可以看到在譯碼過(guò)程中已糾正了在碼序列第1和第7位上的差錯(cuò)。當(dāng)然如果差錯(cuò)出現(xiàn)太頻繁，以致超出卷積碼的糾錯(cuò)能力，還是會(huì)發(fā)生糾誤的。四、實(shí)驗(yàn)步驟4.1 卷積碼的仿真本文通過(guò)MATLAB下的SIMULINK仿真。首先建立卷積碼的仿真模塊并組合起來(lái)。圖4-1卷積碼的編碼譯碼框圖如上圖4-1的信號(hào)流程可以表示為先由Bernoulli Binary Generator（貝努利二進(jìn)制序列產(chǎn)生器）產(chǎn)生一個(gè)0，1等概序列，經(jīng)過(guò)Convolutional Encoder（卷積編碼器）對(duì)輸入的二進(jìn)制序列進(jìn)行卷積編碼，并用BPSK調(diào)制方式調(diào)制信號(hào)。加入信道噪聲（高斯白噪聲）后再經(jīng)過(guò)BPSK解調(diào)制后送入Viterbi

9、Decoder（Viterbi譯碼器）進(jìn)行硬判決譯碼。最后經(jīng)過(guò)Error Rate Calculation（誤碼統(tǒng)計(jì)）后由Display（顯示）輸出。然后通過(guò)Selector（數(shù)據(jù)選通器）將結(jié)果輸出到To workspace（工作區(qū)間）。4.1.1 SIMULINK仿真模塊的參數(shù)設(shè)置以及重要參數(shù)的意義在建立如圖4-1的仿真模塊后，對(duì)各個(gè)模塊分別一一進(jìn)行設(shè)置后并運(yùn)行仿真。圖4-2貝努利二進(jìn)制序列產(chǎn)生器模塊的設(shè)置框圖如上圖4-2是貝努利二進(jìn)制序列產(chǎn)生器模塊的設(shè)置框圖，其中參數(shù)有三項(xiàng)：第一項(xiàng)probability of a zero取值為0.5，表示0和1出現(xiàn)的概率相等。Initial seed 表

10、示隨機(jī)種子數(shù)。不同的隨機(jī)種子數(shù)將產(chǎn)生不同的二進(jìn)制序列，特定的隨機(jī)種子數(shù)可以產(chǎn)生一個(gè)特定的二進(jìn)制序列。Sample time=0.0001表示抽樣時(shí)間，也就是說(shuō)輸出序列中每個(gè)二進(jìn)制符號(hào)的持續(xù)時(shí)間是0.0001秒。Samples per frame 表示每幀的抽樣數(shù)用來(lái)確定每幀的抽樣點(diǎn)的數(shù)目。Frame-based outputs 是用來(lái)確定幀的輸出格式。圖4-3 BPSK調(diào)制器模塊的設(shè)置框圖如上圖4-3是BPSK調(diào)制器模塊的設(shè)置框圖中有二項(xiàng)，第一項(xiàng)是Phase offset(rad)（相位偏移），這里設(shè)置為0。第二項(xiàng)是Samples per symbol（輸出信號(hào)采樣數(shù)）這里設(shè)置為1。圖4-4卷

11、積編碼器模塊的設(shè)置框圖如上圖4-4是卷積編碼器模塊的設(shè)置框圖。其中Trellis structure（ Trellis結(jié)構(gòu)）中通過(guò)poly2trellis()函數(shù)把卷積碼的約束長(zhǎng)度，生成多項(xiàng)式以及反饋多項(xiàng)式轉(zhuǎn)換成Trellis結(jié)構(gòu)的形式。圖4-5誤比特統(tǒng)計(jì)模塊的設(shè)置框圖如上圖4-5是誤比特統(tǒng)計(jì)模塊的設(shè)置框圖。其中Receive delay表示接收延遲，意思是在通信接收端口需要對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，解碼或解交織而帶來(lái)一定的延遲，使得到達(dá)誤碼統(tǒng)計(jì)模塊接收端的信號(hào)滯后于發(fā)送端的信號(hào)。為了補(bǔ)償這種延遲這里設(shè)置為0。Computation delay表示計(jì)算延遲，在仿真過(guò)程中，有時(shí)間需要忽略最初的若干

12、個(gè)輸入數(shù)據(jù)就通過(guò)計(jì)算延遲來(lái)實(shí)現(xiàn)。這里設(shè)置為0。Computation mode表示計(jì)算模式，幀的計(jì)算模式(Entire frame)，誤碼統(tǒng)計(jì)模塊對(duì)發(fā)送端和接收端的所有輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。output data是輸出數(shù)據(jù)，這里設(shè)置為Port的意思是表示把統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)從端口中輸出。workspace表示把統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)輸出到工作區(qū)。圖4-6 數(shù)據(jù)選通器模塊的設(shè)置框圖如上圖4-6是數(shù)據(jù)選通器模塊的設(shè)置框圖。對(duì)應(yīng)圖4-1看Elements是指輸出端口的個(gè)數(shù)為1。Input port width表示輸入端口的個(gè)數(shù)為3。圖4-7卷積碼譯碼器模塊的設(shè)置框圖如上圖4-7是卷積碼譯碼器模塊的設(shè)置框圖。Trellis st

13、ructure: Trellis結(jié)構(gòu)（前面已說(shuō)明）。Decision type是指判決類型，有3種：（1）Unquantized（非量化）（2）Hard Decision（硬判決），（3）Soft Decision（軟判決）Traceback depth表示反饋深度。它的值會(huì)影響譯碼精度和解碼延遲。Operation mode是指操作模式。在Truncated模式下，解碼器在每幀數(shù)據(jù)結(jié)束的時(shí)候總能恢復(fù)到全0狀態(tài)，它與卷積編碼器的on each frame復(fù)位方式相對(duì)應(yīng)。4.2 改變卷積碼的參數(shù)仿真以及結(jié)論4.2.1 不同回溯長(zhǎng)度對(duì)卷積碼性能的影響下面將以（2，1，7）卷積碼來(lái)建立模塊仿真。將譯

14、碼模塊中的Traceback depth分別設(shè)置為20，35，45并在一個(gè)圖中畫(huà)出這三種方式下的誤碼性能曲線得到下圖4-8。從上到下的三條曲線分別是Traceback depth為20，35，45?？梢钥闯觯夯厮蓍L(zhǎng)度是在Viterbi 譯碼過(guò)程中一個(gè)很重要的參數(shù),他決定了譯碼延遲,隨著他的不斷變化,誤碼性能也隨誤比特率曲線可以清楚地看到,當(dāng)回溯長(zhǎng)度一定時(shí),隨著信道噪聲的逐漸減小,系統(tǒng)的誤比特率逐漸降低;當(dāng)回溯長(zhǎng)度逐漸增加,系統(tǒng)的誤比特率隨之逐漸降低,但是當(dāng)回溯程度增加到5 N 時(shí)（ N 為編碼的約束長(zhǎng)度) ,誤比特率數(shù)值趨于穩(wěn)定,因此,在確定回溯長(zhǎng)度時(shí)既要考慮到隨著的增加誤比特率隨之降低的趨勢(shì)

15、,也要考慮到譯碼延遲會(huì)變大,在選取回溯長(zhǎng)度時(shí),通常取= 5 N。圖4-8 不同回溯長(zhǎng)度對(duì)誤碼性能的影響分析不同回溯長(zhǎng)度對(duì)卷積碼誤碼性能的影響時(shí)用到的程序如下：x=-10:5; y=x; fori=1:length(x) SNR=x(i);sim(yima);y(i)=mean(BitErrorRate);endsemilogy(x,y);hold on;fori=1:length(x) SNR=x(i);sim(yima1);y(i)=mean(BitErrorRate);endsemilogy(x,y);hold on;fori=1:length(x) SNR=x(i);sim(yima2)

16、;y(i)=mean(BitErrorRate);endsemilogy(x,y);4.2.2 不同碼率對(duì)卷積碼誤碼性能的響下面圖4-9是通過(guò)改變卷積碼的碼率為1/2和1/3而得到的二條對(duì)比曲線。上面的一條曲線是碼率為1/2，下面的是碼率為1/3。卷積碼的碼率R = k/ n,他是卷積碼的一個(gè)重要參數(shù),當(dāng)改變卷積碼的碼率時(shí),系統(tǒng)的誤碼性能也將隨之發(fā)生變化。從圖4-9中的誤比特率曲線可以看出,當(dāng)碼率一定時(shí),隨著信道噪聲的逐漸減小,系統(tǒng)的誤比特率也逐漸減小,當(dāng)改變系統(tǒng)碼率時(shí),隨著卷積碼碼率的逐漸提高,系統(tǒng)的誤比特率也呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì),也就是說(shuō)碼率越低,系統(tǒng)的誤比特率就越小,誤碼性能就越好。圖4-9

17、卷積碼不同碼率對(duì)誤碼性能的影響分析不同碼率對(duì)卷積碼誤碼性能的影響時(shí)用到的程序如下：x=0:5; y=x; fori=1:length(x) SNR=x(i);sim(yima1);y(i)=mean(BitErrorRate);endsemilogy(x,y);hold on;fori=1:length(x) SNR=x(i);sim(yima2);y(i)=mean(BitErrorRate);endsemilogy(x,y);4.2.3 不同約束長(zhǎng)度對(duì)卷積碼的誤碼性能影響如下圖4-10，對(duì)于碼率一定的卷積碼,當(dāng)約束長(zhǎng)度N 發(fā)生變化時(shí),系統(tǒng)的誤碼性能也會(huì)隨之發(fā)生變化, 我們以碼率R = 1/

18、 2的(2 ,1 ,3)和（2，1，7） 卷積碼為例展開(kāi)分析。上面的曲線是（2，1，3）卷積碼的誤碼性能曲線。下面的曲線是（2，1，7）卷積碼的誤碼性能曲線。從圖4-4中的誤比特率曲線可以清楚地看到,隨著約束長(zhǎng)度的逐漸增加,系統(tǒng)的誤比特率明顯降低,所以說(shuō)當(dāng)碼率一定時(shí)，增加約束長(zhǎng)度可以降低系統(tǒng)的誤比特率,但是隨著約束長(zhǎng)度的增加，譯碼設(shè)備的復(fù)雜性也會(huì)隨之增加,所以對(duì)于碼率為1/ 2 的卷積碼，我們?cè)谶x取約束長(zhǎng)度時(shí)一般為39 。圖4-10 不同約束長(zhǎng)度對(duì)卷積碼誤碼性能的影響分析不同約束長(zhǎng)度對(duì)卷積碼誤碼性能影響用到的程序如下：x=0:5; y=x; fori=1:length(x) SNR=x(i);

19、sim(yima);y(i)=mean(BitErrorRate);endsemilogy(x,y);hold on;fori=1:length(x) SNR=x(i);sim(yima1);y(i)=mean(BitErrorRate);endsemilogy(x,y);五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析較成功的進(jìn)行了卷積編碼和譯碼的實(shí)現(xiàn)，通過(guò)上面回溯長(zhǎng)度,碼率,約束長(zhǎng)度這三個(gè)卷積碼的重要參數(shù)的變化后對(duì)譯碼性能的分析，我們了解到在操作過(guò)程中有許多的條件不能同時(shí)具備，我們應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)實(shí)狀況選擇合適的參數(shù)六、心得與體會(huì)遇到這個(gè)課題剛剛開(kāi)始無(wú)從下手后來(lái)在同學(xué)老師的幫助下了解到相關(guān)知識(shí)介紹，使我少走了不少?gòu)澛贰ＴO(shè)計(jì)中

20、要用到的Matlab仿真軟件，我接觸的不多，借助于相關(guān)資料，通過(guò)自己的努力和老師的幫助，最終掌握了仿真的基本方法。我們?cè)趯W(xué)習(xí)中要怕困難，努力尋找解決問(wèn)題的方法答案。實(shí)驗(yàn)二交錯(cuò)四相移相鍵控（OQPSK）調(diào)制及解調(diào)實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解QPSK調(diào)制解調(diào)原理及特性。2、了解載波在QPSK相干及非相干時(shí)的解調(diào)特性。 3、通過(guò)比較調(diào)制前和調(diào)制后的二進(jìn)制信號(hào)的頻譜圖，掌握PSK調(diào)制的原理。二、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、觀察I、Q兩路基帶信號(hào)的特征及與輸入NRZ碼的關(guān)系。2、觀察IQ調(diào)制解調(diào)過(guò)程中各信號(hào)變化。3、觀察解調(diào)載波相干時(shí)和非相干時(shí)各信號(hào)的區(qū)別。三、 基本原理1、 QPSK調(diào)制原理QPSK的調(diào)制有兩種產(chǎn)生方

21、法相乘電路法和選擇法。相乘法：輸入信號(hào)是二進(jìn)制不歸零的雙極性碼元，它通過(guò)“串并變換”電路變成了兩路碼元。變成并行碼元后，每個(gè)碼元的持續(xù)時(shí)間是輸入碼元的兩倍。用兩路正交載波去調(diào)制并行碼元。圖2.2.1選擇法QPSK的調(diào)制中，QPSK信號(hào)可以看成是兩個(gè)載波正交的2PSK信號(hào)調(diào)制器構(gòu)成。原理分析如下：基本原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)QPSK與二進(jìn)制PSK一樣，傳輸信號(hào)包含的信息都存在于相位中。個(gè)別的載波相位取四個(gè)等間隔值之一，如/4、3/4、5/4、7/4。相應(yīng)的，可將發(fā)射信號(hào)定義為：其中，i1，2，3，4；E是發(fā)射信號(hào)的每個(gè)符號(hào)的能量，T為符號(hào)的持續(xù)時(shí)間，載波頻率f等于nc/T，nc為固定整數(shù)。每一個(gè)可能的相位

22、值對(duì)應(yīng)于一個(gè)特定的二位組。下面介紹QPSK信號(hào)的產(chǎn)生和檢測(cè)。如圖為典型的QPSK發(fā)射機(jī)框圖。輸入的二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列首先被不歸零(NRZ)電平編碼轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為極性形式，即負(fù)號(hào)1和0分別用和-表示。該二進(jìn)制波形被分接器分成兩個(gè)分別由輸入序列的奇數(shù)位偶數(shù)位組成的彼此獨(dú)立的二進(jìn)制波形，這兩個(gè)二進(jìn)制波形分別用a1(t)和a2(t)表示。此時(shí)，在任何一信號(hào)時(shí)間間隔內(nèi)a1(t)，和a2(t)的幅度恰好分別等于Si1和 Si2，即由發(fā)送的二位組決定。這兩個(gè)二進(jìn)制波形a1(t)和a2(t)被用來(lái)調(diào)制一對(duì)正交載波：,。這樣就得到一對(duì)二進(jìn)制PSK信號(hào)。和的正交性使這兩個(gè)信號(hào)可以被獨(dú)立地檢測(cè)。最后，將這兩個(gè)二進(jìn)制PSK

23、信號(hào)相加，從而得期望的QPSK。選擇法輸入基帶信號(hào)經(jīng)過(guò)串并變換后用于控制一個(gè)相位選擇電路，按照當(dāng)時(shí)的輸入雙比特ab，決定選擇哪個(gè)相位的載波輸出。調(diào)制原理圖：2、QPSK解調(diào)原理QPSK接收機(jī)由一對(duì)共輸入地相關(guān)器組成。這兩個(gè)相關(guān)器分別提供本地產(chǎn)生地相干參考信號(hào)和。相關(guān)器接收信號(hào)x(t),相關(guān)器輸出地x1和x2被用來(lái)與門(mén)限值0進(jìn)行比較。如果x10,則判決同相信道地輸出為符號(hào)1；如果x1=-1 & t(i)=5& t(i)=0 & t1(i)=4& t1(i)0 data_recover_a(i:i+19)=1; bit_recover=bit_recover 1; elsedata_recover

24、_a(i:i+19)=-1; bit_recover=bit_recover -1; endenderror=0;dd = -2*bit_in+1; ddd=dd; ddd1=repmat(ddd,20,1); fori=1:2e4ddd2(i)=ddd1(i); endfori=1:1e3ifbit_recover(i)=ddd(i)error=error+1;endendp=error/1000;figure(1)subplot(4,1,1);plot(t2,ddd2);axis(0 100 -2 2);title(原序列);subplot(4,1,2);plot(t1,I_demo);a

25、xis(0 100 -2 2);title(I 支路解調(diào));subplot(4,1,3);plot(t1,Q_demo);axis(0 100 -2 2);title(Q 支路解調(diào));subplot(4,1,4);plot(t2,data_recover_a);axis(0 100 -2 2);title(解調(diào)后序列);五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析（1）調(diào)制（2）解調(diào)：六、心得與體會(huì)通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)我了解到了四相移相鍵控QPSK調(diào)制及解調(diào)的方法，實(shí)驗(yàn)過(guò)程較為復(fù)雜，遇到了很多想象不到的困難，經(jīng)過(guò)自己的不斷嘗試，又經(jīng)過(guò)老師的詳細(xì)解答最終完成了該實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)三 m序列產(chǎn)生及其特性實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^(guò)本實(shí)驗(yàn)掌握m序列

26、的特性、產(chǎn)生方法及應(yīng)用。二、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、觀察m序列，識(shí)別其特征。2、觀察m序列的自相關(guān)特性。三、 基本原理m序列是最長(zhǎng)線性移位寄存器序列的簡(jiǎn)稱。它是由多級(jí)移位寄存器或其他延遲元件通過(guò)線性反饋產(chǎn)生的最長(zhǎng)的碼序列。由于m序列容易產(chǎn)生、規(guī)律性強(qiáng)、有許多優(yōu)良的性能，在擴(kuò)頻通信中最早獲得廣泛的應(yīng)用。如圖2.1所示，m序列可由二進(jìn)制線性反饋移位寄存器產(chǎn)生。它主要由n個(gè)串聯(lián)的寄存器、移位脈沖產(chǎn)生器和模2加法器組成。圖中第i級(jí)移存器的狀態(tài)ai表示，ai=0 或ai=1，i=整數(shù)。反饋線的連接狀態(tài)用ci表示，ci=1表示此線接通（參加反饋），ci=0表示此線斷開(kāi)。由于反饋的存在，移存器的輸入端受控地輸入信號(hào)。

27、不難看出，若初始狀態(tài)為全“0”,則移位后得到的仍為全“0”，因此應(yīng)避免出現(xiàn)全“0”狀態(tài)，又因?yàn)閚級(jí)移存器共有2n-1種可能的不同狀態(tài)，除全“0”狀態(tài)外，剩下2n-1種狀態(tài)可用。每移位一次，就出現(xiàn)一種狀態(tài)，在移位若干次后，一定能重復(fù)出現(xiàn)前某一狀態(tài)，其后的過(guò)程便周而復(fù)始了。反饋線位置不同將出現(xiàn)不同周期的不同序列，我們希望找到線性反饋的位置，能使移存器產(chǎn)生的序列最長(zhǎng)，即達(dá)到周期P=2n-1。按圖中線路連接關(guān)系，可以寫(xiě)為：（模2）（2.11）該式稱為遞推方程。圖2.1 線性反饋移位寄存器上面曾經(jīng)指出，ci的取值決定了移位寄存器的反饋連接和序列的結(jié)構(gòu)。現(xiàn)在將它用下列方程表示：（2.12）這一方程稱為特征

28、多項(xiàng)式。式中xi僅指明其系數(shù)ci的值（1或0），x本身的取值并無(wú)實(shí)際意義，也不需要去計(jì)算x的值。例如，若特征方程為f(x)=1+x+x4則它僅表示x0,x1和x4的系數(shù)c0=c1=c4=1,其余為零。經(jīng)嚴(yán)格證明：若反饋移位寄存器的特征多項(xiàng)式為本原多項(xiàng)式，則移位寄存器能產(chǎn)生m序列。只要找到本原多項(xiàng)式，就可構(gòu)成m系列發(fā)生器。m序列的基本性質(zhì)如下：(1)周期性：m序列的周期p取決于它的移位寄存器的級(jí)數(shù), p=2n-1(2)平衡特性：m序列中0和1的個(gè)數(shù)接近相等；m序列中一個(gè)周期內(nèi)“1”的數(shù)目比“0”的數(shù)目多1個(gè)。(3)游程特性：m序列中長(zhǎng)度為1的游程約占游程總數(shù)的1/2，長(zhǎng)度為2的游程約占游程總數(shù)的

29、1/22 ,長(zhǎng)度為3的游程約占游程總數(shù)的1/23(4)線性疊加性：m序列和其移位后的序列逐位模2相加，所得的序列還是m序列，只是相移不同而已。例如1110100與向右移3位后的序列1001110逐位模2相加后的序列為0111010，相當(dāng)于原序列向右移1位后的序列,仍是m序列。用公式表示為:（2.13）其中: u(i)、up(i)、uq(i)分別為原序列、平移p個(gè)元素后的序列及平移相加后得到的序列中的第i個(gè)元素。(5)二值自相關(guān)特性：碼位數(shù)越長(zhǎng)越接近于隨機(jī)噪聲的自相關(guān)特性。m序列的自相關(guān)函數(shù)計(jì)算式為（2.14）其中:,為碼序列的最大長(zhǎng)度,亦即m序列的周期；Tc為m序列碼的碼元寬度?？梢?jiàn),相關(guān)函數(shù)

30、是個(gè)周期函數(shù)。(6)m序列發(fā)生器中，并不是任何抽頭組合都能產(chǎn)生m序列。理論分析指出，產(chǎn)生的m序列數(shù)由下式?jīng)Q定：（2.15）其中(x)為歐拉數(shù)(即包括1在內(nèi)的小于x并與它互質(zhì)的正整數(shù)的個(gè)數(shù))。例如5級(jí)移位寄存器產(chǎn)生的31位m序列只有6個(gè)。四、實(shí)驗(yàn)步驟本次實(shí)驗(yàn)主要分為產(chǎn)生m碼序列和自相關(guān)函數(shù)兩個(gè)步驟：4.1產(chǎn)生m碼序列運(yùn)行代碼如下：functionmseq=m_sequence(fbconnection)n=length(fbconnection);N=2n-1;register=zeros(1,n-1) 1; mseq(1)=register(n); fori=2:Nnewregister(1)

31、=mod(sum(fbconnection.*register),2);for j=2:n,newregister(j)=register(j-1);end;register=newregister;mseq(i)=register(n);stairs(mseq);end42 自相關(guān)函數(shù)自編函數(shù)ccorr. m用來(lái)求兩個(gè)偽隨機(jī)序列的互相關(guān)函數(shù)，輸入為兩個(gè)相同長(zhǎng)度的偽隨機(jī)序列，返回互相關(guān)值。當(dāng)輸入為一個(gè)序列時(shí)，求其自相關(guān)函數(shù)。函數(shù)代碼如下:function r=ccorr(seq1,seq2)ifnargin=1 seq2=seq1;endN=length(seq1);for k=-N+1:-1

32、shift=seq2(k+N+1:N) seq2(1:k+N);r(N+k)=seq1*shift;endfor k=0:N-1shift=seq2(k+1:N) seq2(1:k);r(N+k)=seq1*shift;endind1=find(mseq=0);mseq(ind1)=-1;goldsequence(ind2)=-1;r1=ccorr(mseq);r2=ccorr(mseq1,mseq2);N=length(mseq);axis=-N+1:N-1;subplot(2,2,1),plot(axis,r1);title(m序列自相關(guān)性);xlabel(k);ylabel(R(k);g

33、rid;subplot(2,2,2),plot(axis,r2);title(m序列互相關(guān)性);xlabel(k);ylabel(R(k);grid;五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析1.m碼序列六、心得與體會(huì)通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)，我對(duì)m序列的產(chǎn)生和性質(zhì)有了較深入的了解，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中練習(xí)了自己的思考能力和動(dòng)手能力，為以后的學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)四 CDMA擴(kuò)頻通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^(guò)本實(shí)驗(yàn)將擴(kuò)頻解擴(kuò)的單元實(shí)驗(yàn)串起來(lái)，讓學(xué)生建立起CDMA通信系統(tǒng)的概念，了解CDMA通信系統(tǒng)的組成及特性。二、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、搭建CDMA擴(kuò)頻通信系統(tǒng)。2、觀察CDMA擴(kuò)頻通信系統(tǒng)各部分信號(hào)。3、觀察兩路信號(hào)碼分多址及其選址。三、 基本原

34、理擴(kuò)頻通信利用香農(nóng)公式，將信道帶寬擴(kuò)展許多倍以換取信噪比上的好處，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力。圖4-1一個(gè)典型的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)框圖如圖4-1所示。由圖4-1可以看出，擴(kuò)頻通信系統(tǒng)主要由原始信息、信源編譯碼、信道編譯碼（差錯(cuò)控制）、載波調(diào)制與解調(diào)、擴(kuò)頻調(diào)制與解擴(kuò)和信道六大部分組成。信源編碼的目的是減小信息的冗余度，提高信道的傳輸效率。信道編碼（差錯(cuò)控制）的目的是增加信息在信道傳輸軸格的冗余度，使其具有檢錯(cuò)或糾錯(cuò)能力，提高信道傳輸質(zhì)量。調(diào)制部分的目的是使經(jīng)過(guò)信道編碼后的符號(hào)能在適當(dāng)?shù)念l段傳輸，通常使用的數(shù)字信號(hào)調(diào)制方式為振幅鍵控、移頻鍵控、移相鍵控，在碼分多址移動(dòng)通信中使用QPSK和OQPSK都是PSK

35、的改進(jìn)型。擴(kuò)頻通信和解擴(kuò)是為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力而進(jìn)行的信號(hào)頻譜展寬和還原?？梢?jiàn)，與傳統(tǒng)通信系統(tǒng)相比較，該系統(tǒng)模型中多了擴(kuò)頻和解擴(kuò)兩個(gè)部分，經(jīng)過(guò)解擴(kuò)，在信道中傳輸?shù)氖且粋€(gè)寬帶的低譜密度的信號(hào)。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)按擴(kuò)頻方式的不同，分為以下四種類型：u 直接序列擴(kuò)頻（Direct Sequence Spread Spectrum，DS-SS）u 跳頻擴(kuò)頻（Frequency Hopping Spread Spectrum，F(xiàn)H-SS）u 跳時(shí)擴(kuò)頻（Time Hopping Spread Spectrum，TH-SS）在實(shí)際的碼分多址系統(tǒng)中，直接序列擴(kuò)頻方式得到了廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用，直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的發(fā)射

36、機(jī)和接收機(jī)框圖如圖4-2所示。圖4-2直接序列擴(kuò)頻的發(fā)送機(jī)和接收機(jī)框圖如圖4-2所示，在發(fā)送端輸入的二進(jìn)制信息碼元，其碼元寬度為，擴(kuò)頻碼發(fā)生器產(chǎn)生的擴(kuò)頻碼記作，碼元寬度為，其中，它們的波形分別如圖中所示，經(jīng)擴(kuò)頻碼擴(kuò)頻后，得到的己擴(kuò)頻信號(hào)，由于，所以已擴(kuò)信號(hào)的頻譜得到展寬。之所以用乘號(hào)，是因?yàn)椴ㄐ尾捎昧说谋硎痉椒?。另外，出于?jiǎn)化，此處暫時(shí)不考慮載波調(diào)制的影響，在接收端采用同步的擴(kuò)頻碼序列對(duì)已擴(kuò)頻的信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò)：，解擴(kuò)后的信號(hào)如圖4-3所示，可以看到，采用同步的擴(kuò)頻碼序列可以恢復(fù)原來(lái)的二進(jìn)制序列。如果接收端的擴(kuò)頻碼序列沒(méi)有和發(fā)送端的同步，則不能正確恢復(fù)原來(lái)的二進(jìn)制序列，圖中也用相關(guān)的波形對(duì)這一情況

37、做了演示。直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗干擾能力，所以最初在軍事通信中得到了應(yīng)用。下面僅定性地介紹直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)抗干擾的原理。如果已擴(kuò)頻的信號(hào)在信道中傳輸時(shí)受到的干擾為寬帶信號(hào)，則解擴(kuò)前后的功率譜如圖4-4所示，如果受到的干擾為窄帶信號(hào)，則解擴(kuò)前后的功率譜如圖4-5所示。如圖4-4和圖4-5可知，直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)有抵抗窄帶干擾和寬帶干擾的能力圖4-3直接序列擴(kuò)頻各點(diǎn)波形圖4-4直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)抗寬帶干擾示意圖圖4-5直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)抗窄帶干擾示意圖擴(kuò)頻通信有兩個(gè)重要參數(shù)：處理增益和干擾容限。1、 擴(kuò)頻增益通常在衡量擴(kuò)頻系統(tǒng)抗干擾能力的優(yōu)劣時(shí)，引入“處理增益”這個(gè)概念，一般也稱為擴(kuò)頻增益，定義為

38、接收機(jī)相關(guān)器輸出信噪比和接收機(jī)相關(guān)器的輸入信噪比之比，即：4-2式中，和分別為接收機(jī)相關(guān)器的輸入、輸出端信號(hào)功率，和分別為相關(guān)器的輸入、輸出端干擾功率。在各種干擾情況下系統(tǒng)的擴(kuò)頻增益不同，這里僅對(duì)高斯白噪聲干擾情況下的擴(kuò)頻增益做簡(jiǎn)要的推導(dǎo)，并且以直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)下的情況為例來(lái)說(shuō)明。假定系統(tǒng)中有K個(gè)通信用戶，分別用不同的PN碼來(lái)調(diào)制信息數(shù)據(jù)。假設(shè)理想功率控制（功率控制的內(nèi)容在后續(xù)章節(jié)中詳細(xì)講述，這里只需要明白各個(gè)用戶到達(dá)接收端的功率相同）的情況，設(shè)P是接收的每一個(gè)用戶的信號(hào)功率，系統(tǒng)的擴(kuò)頻帶寬為W，噪聲的功率譜密度用表示，則接收端接收到的有用信號(hào)功率譜為P/W，接收到的其它用戶的干擾功率譜為（K

39、-1）P/W，那么該通信用戶的輸入信噪比等于：4-3經(jīng)接收機(jī)擴(kuò)頻解調(diào)后，該通信用戶的信號(hào)被全部接收但信號(hào)帶寬己變換到基帶內(nèi)（變?yōu)檎瓗盘?hào)），設(shè)基帶信號(hào)的信息速率為，此時(shí)有用信號(hào)的功率譜為P/，其他用戶或干擾噪聲信號(hào)與用戶信號(hào)的地址碼不相關(guān)，不能得到解調(diào)，因?yàn)樗鼈兊墓β首V密度保持不變。則輸出信噪比為：4-4由式（20-3）和式（20-4）容易得到擴(kuò)頻解調(diào)前后的擴(kuò)頻增益，即輸出信噪比與輸入信噪比為：4-5對(duì)于直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，W為偽隨機(jī)碼的信息速率。式（20-5）給出了擴(kuò)頻通信中擴(kuò)頻解調(diào)處理對(duì)信噪比的改善情況，它決定了系統(tǒng)抗干擾能力的強(qiáng)弱，是擴(kuò)頻系統(tǒng)的一個(gè)重要性能指標(biāo)。2、 干擾容限為了描述擴(kuò)頻系統(tǒng)在干擾環(huán)境下的工作性能，引入干擾容限的概念干擾容限定義為：4-6其中為輸出信噪比，為系統(tǒng)損耗G為擴(kuò)頻增益。干擾容限可以解釋為：當(dāng)干擾功率超過(guò)信號(hào)功率時(shí)，系統(tǒng)就不能正常工作。例如，一個(gè)擴(kuò)頻系統(tǒng)的處理增益為21，要求最小的輸出信噪比為7，系統(tǒng)損耗為3，則其干擾容限為：即具有21