北交大無線通信實驗一數(shù)字調(diào)制解調(diào)1

《無線通信基礎》課程研究性學習手冊數(shù)字調(diào)制解調(diào)實驗Ⅰ姓名：學號：同組成員：指導教師時間：2015年5月目錄一、實驗任務： 21、subMOD子程序 22、subPulseShaping和subMatchFilter子程序 33、subDemod子程序 34、實驗結(jié)果驗證 4二、理論分析： 41、BPSK與QPSK調(diào)制 42、脈沖成型濾波 5三、實驗步驟： 51、BPSK調(diào)制程序設計 52、BPSK解調(diào)程序設計： 63、QPSK調(diào)制程序 64、QPSK解調(diào)程序 75、脈沖成形濾波器程序設計 76、匹配濾波器程序設計 8四、結(jié)論及分析： 81、BPSK調(diào)制解調(diào)程序驗證 82、QPSK調(diào)制解調(diào)程序驗證 103、更改參數(shù)對實驗結(jié)果的影響 11五、遇到的問題及解決方法： 13六、擴展問題： 13七、心得： 14八、參考文獻： 14一、實驗任務：本實驗主程序的前面板是完整的，程序結(jié)構(gòu)和大部分的子程序也都已經(jīng)提供，需要自己完成的只有subMOD、subPulseShaping、subMatchFilter、subDemod這四個子程序。需要按照下面的步驟正確的完成這四個子程序，在完成實驗后上交完整的程序以及實驗報告。1、subMOD子程序這個子程序的作用是實現(xiàn)BPSK或QPSK的基帶調(diào)制，即將輸入的信源bit序列映射到符號域，輸出是復數(shù)形式的符號。以BPSK為例，BPSK把一個信息位表示成一個符號，即映射出的符號有兩種可能的相位。在數(shù)學上，每比特調(diào)制信號表示為：(4.1)式中，是基帶調(diào)制的頻率，是b=0或1時的相位偏移。如果我們選擇的兩個相位分別是π/2和3π/2的話，可以將調(diào)制信號表示為：(4.2)對應前面所說的將每一個bit映射成一個復數(shù)符號，可以很容易的看出BPSK的映射關(guān)系為：將信源0映射成0+i，信源1映射成0-i。當調(diào)制方式為QPSK時，原理與BPSK類似。不同的是QPSK是將信源的2個bit映射成一個復數(shù)符號，因此有四種可能的表示符號。例如我們選擇相位偏移分別為π/4、3π/4、5π/4和7π/4，則對應的復數(shù)符號分別為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輸入的信源bit數(shù)據(jù)流映射到符號域上。例如輸入bit數(shù)據(jù)為11011000，調(diào)制方式為QPSK的話，則輸出的符號應該為-0.707-0.707i、0.707-0.707i、-0.707+0.707i和0.707+0.707i。2、subPulseShaping和subMatchFilter子程序這兩個子程序的功能類似，分別是實現(xiàn)發(fā)端的脈沖成型濾波和收端的匹配濾波。信號通過濾波器就相當于信號和濾波器的時域脈沖響應做卷積。以發(fā)端為例，你首先需要做的就是根據(jù)設置的濾波器類型、濾波器長度等輸入?yún)?shù)生成脈沖成型濾波器系數(shù)。然后根據(jù)設置的上采樣率對輸入符號進行上采樣。最后將上采樣后的信號與生成的濾波器系數(shù)做卷積。得到的便是成型濾波后的輸出信號。接收端的實現(xiàn)過程與發(fā)射端類似，主要區(qū)別在于接收信號已經(jīng)在發(fā)端進行了上采樣，因此在收端匹配濾波前不再需要上采樣操作。3、subDemod子程序subDemod子程序?qū)崿F(xiàn)對接收符號的解映射，即發(fā)送端subMOD子程序的逆過程。子程序的輸入是同步后的數(shù)據(jù)符號，輸出是解調(diào)后的bit數(shù)據(jù)。如果是BPSK調(diào)制，你需要將每個輸入的數(shù)據(jù)符號解映射成一位bit數(shù)據(jù)；如果是QPSK調(diào)制，則需要將每個輸入符號解映射成兩位bit數(shù)據(jù)。要注意在發(fā)送端進行映射的圖譜要與接收端解映射的圖譜對應，這樣才能夠正確的解調(diào)出數(shù)據(jù)。4、實驗結(jié)果驗證完成以上幾個子程序后，可以通過運行主程序來驗證編寫的模塊是否正確。首先你需要在前面板上合理的設置各項參數(shù)，例如信源為文本并使用QPSK調(diào)制，你還可以通過信噪比范圍參數(shù)來設置所計算信噪比的最大值。之后運行程序，如果程序正確的話你可以觀察到星座圖、誤碼率數(shù)據(jù)、接收端恢復的文本等輸出信息。然后你可以改變參數(shù)，驗證在不同參數(shù)下程序是否能夠正確運行，并對比運行的結(jié)果有何異同。最后按照要求完成實驗報告。理論分析：1、BPSK與QPSK調(diào)制BPSK(BinaryPhaseShiftKeying)，把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)值的轉(zhuǎn)換方式之一，利用偏離相位的復數(shù)波浪組合來表現(xiàn)信息鍵控移相方式。BPSK使用了基準的正弦波和相位反轉(zhuǎn)的波浪，使一方為0，另一方為1，從而可以同時傳送接受2值(1比特)的信息。BPSK信號屬于DSB信號，它的解調(diào)，不再能采用包絡檢測的方法，只能進行相干解調(diào)。正交相移鍵控（QuadraturePhaseShiftKeyin，QPSK）是一種數(shù)字調(diào)制方式。它分為絕對相移和相對相移兩種。由于絕對相移方式存在相位模糊問題，所以在實際中主要采用相對移相方式DQPSK。目前已經(jīng)廣泛應用于無線通信中，成為現(xiàn)代通信中一種十分重要的調(diào)制解調(diào)方式。數(shù)字調(diào)制用“星座圖”來描述，星座圖中定義了一種調(diào)制技術(shù)的兩個基本參數(shù)：（1）信號分布；（2）與調(diào)制數(shù)字比特之間的映射關(guān)系。星座圖中規(guī)定了星座點與傳輸比特間的對應關(guān)系，這種關(guān)系稱為“映射”，一種調(diào)制技術(shù)的特性可由信號分布和映射完全定義，即可由星座圖來完全定義。四相相移調(diào)制是利用載波的四種不同相位差來表征輸入的數(shù)字信息，是四進制移相鍵控。QPSK是在M=4時的調(diào)相技術(shù)，它規(guī)定了四種載波相位，分別為45°，135°，225°，315°，調(diào)制器輸入的數(shù)據(jù)是二進制數(shù)字序列，為了能和四進制的載波相位配合起來，則需要把二進制數(shù)據(jù)變換為四進制數(shù)據(jù)，這就是說需要把二進制數(shù)字序列中每兩個比特分成一組，共有四種組合，即00，01，10，11，其中每一組稱為雙比特碼元。每一個雙比特碼元是由兩位二進制信息比特組成，它們分別代表四進制四個符號中的一個符號。QPSK中每次調(diào)制可傳輸2個信息比特，這些信息比特是通過載波的四種相位來傳遞的。解調(diào)器根據(jù)星座圖及接收到的載波信號的相位來判斷發(fā)送端發(fā)送的信息比特。2、脈沖成型濾波基帶脈沖成型濾波器實際上就是一個內(nèi)插濾波器。如圖2-1所示圖2-1內(nèi)插濾波器框圖圖2-1為一內(nèi)插器，內(nèi)插M（碼元間差M-1個0），增加數(shù)模轉(zhuǎn)換的精度，脈沖成形濾波器h(t),使得碼元成形，消除碼間干擾，并且能壓縮頻譜，在基帶中h(t)可視為發(fā)送濾波器，直接將成形波形發(fā)射出去，在頻帶中經(jīng)過調(diào)制后發(fā)射出去。實驗步驟：1、BPSK調(diào)制程序設計BPSK調(diào)制程序的主要功能是將收入比特映射為數(shù)組中對應的0+1i和0-1i的復數(shù)坐標，程序如下：圖3-1BPSK調(diào)制程序2、BPSK解調(diào)程序設計：將收到的數(shù)據(jù)挨個與標準的數(shù)據(jù)相減，得到一個復數(shù)，再取模得到與對應星座點的距離，然后用數(shù)組最大值和最小值取出最小值的索引，這就完成了BPSK的解調(diào)。圖3-2BPSK解調(diào)程序3、QPSK調(diào)制程序QPSK調(diào)制首先得將二進制比特流轉(zhuǎn)換為四進制數(shù)據(jù)流，使用一個串并變換，將高位數(shù)據(jù)乘以2加上低位數(shù)據(jù)，就完成了二進制到四進制的轉(zhuǎn)換。然后按照四進制輸出的數(shù)據(jù)流去索引一個維度為4的復數(shù)數(shù)組，其中每一個數(shù)對應了一個相位，使用這個相位就可以完成QPSK的調(diào)制。圖3-3QPSK調(diào)制程序4、QPSK解調(diào)程序QPSK解調(diào)與QPSK調(diào)制正好相反，將接收得到的數(shù)據(jù)與預先對應好的數(shù)據(jù)相減，然后取模，完成求距離運算。尋找得到的數(shù)組中的最小值，求出其索引，這就得到了對應的四進制輸出數(shù)據(jù)。然后將其除以2，得到余數(shù)和商，在進行串并變換，恢復為二進制比特流。圖3-4QPSK解調(diào)程序5、脈沖成形濾波器程序設計將要發(fā)送的數(shù)據(jù)流與脈沖形成濾波器卷積，就是實現(xiàn)了脈沖成型濾波。圖3-5脈沖成形濾波器程序6、匹配濾波器程序設計匹配濾波就是將接收的信號通過匹配濾波器，從而消除碼間干擾。使接收達到最佳的效果。圖3-6匹配濾波器程序四、結(jié)論及分析：1、BPSK調(diào)制解調(diào)程序驗證實驗參數(shù)設置如下：（1）調(diào)制參數(shù)：調(diào)制類型——BPSKTXoversamplefactor——8ZeroPadLength——12samplerate——500ksamplespersymbol——16（2）濾波器參數(shù)：pulseshapingfilter——none（3）信噪比變化范圍：0-20dB程序運行結(jié)果如下：（1）收發(fā)端星座圖圖4-1發(fā)送（左）接收（右）星座圖（2）接收文本內(nèi)容圖4-2接收文本（3）誤碼率曲線圖4-3接收誤碼率曲線結(jié)果分析：實驗結(jié)果基本符合要求。在BPSK收發(fā)端星座圖中，理論上應該只有0+1i和0-1i兩個坐標，但實際中出現(xiàn)了0.707+0.707i和-0.707+0.707i，這是由于程序運行時的初始相位造成的，這兩個坐標并不代表任何有用信息。此外，在實際誤碼率曲線中可以看到，當信噪比大于17dB時，誤碼率很小，且基本不再變化，可以看出，該種調(diào)制參數(shù)下的誤碼率對信噪比要求較低。2、QPSK調(diào)制解調(diào)程序驗證實驗參數(shù)設置如下：（1）調(diào)制參數(shù)：調(diào)制類型——QPSKTXoversamplefactor——8ZeroPadLength——12samplerate——500ksamplespersymbol——16（2）濾波器參數(shù)：pulseshapingfilter——none（3）信噪比變化范圍：0-20dB程序運行結(jié)果如下：（1）收發(fā)端星座圖圖4-4發(fā)送（左）接收（右）星座圖（2）接收文本內(nèi)容圖4-5接收文本（3）誤碼率曲線圖4-6接收誤碼率曲線結(jié)果分析：實驗結(jié)果基本符合要求。在QPSK收發(fā)端星座圖中，理論上應該只有0.707+0.707i、-0.707+0.707i、0.707–0.707i和-0.707-0.707i四個坐標，但實際中出現(xiàn)了0+1i，這是由于程序運行時的初始相位造成的，該坐標并不代表任何有用信息。此外，在實際誤碼率曲線中可以看到，當信噪比大于15dB時，誤碼率很小，且基本不再變化，可以看出，該種調(diào)制參數(shù)下的誤碼率對信噪比要求較低。3、更改參數(shù)對實驗結(jié)果的影響這里主要探討的是脈沖成形濾波器對調(diào)制解調(diào)的影響。（1）升余弦成形濾波器對BPSK調(diào)制解調(diào)的影響收發(fā)端星座圖：圖4-7采用升余弦脈沖成形后的發(fā)送（左）接收（右）星座圖實際誤碼率曲線（信噪比變化范圍為0-25dB）：圖4-8采用升余弦脈沖成形后的接收誤碼率曲線分析：采用升余弦脈沖成形濾波器后，星座圖的軌跡出現(xiàn)了曲線，同時導致接收端誤碼性能下降，在相同信噪比的條件下，誤碼率遠高于未使用升余弦脈沖成形時的BPSK調(diào)制解調(diào)。（2）升余弦成形濾波器對QPSK調(diào)制解調(diào)的影響收發(fā)端星座圖：圖4-9采用升余弦脈沖成形后的發(fā)送（左）接收（右）星座圖實際誤碼率曲線（信噪比變化范圍為0-25dB）：圖4-10采用升余弦脈沖成形后的接收誤碼率曲線分析：采用升余弦脈沖成形濾波器后，星座圖的軌跡出現(xiàn)了曲線，同時導致接收端誤碼性能下降，在相同信噪比的條件下，誤碼率遠高于未使用升余弦脈沖成形時的QPSK調(diào)制解調(diào)。五、遇到的問題及解決方法：實驗中在解調(diào)端，我們在解調(diào)端始終不能輸出比特流，也就不能正常輸出誤碼率曲線和解調(diào)后的文本。后來經(jīng)過多次調(diào)試，單步跟蹤到解調(diào)程序中，發(fā)現(xiàn)每次輸出的只是一個比特，而不是一個比特流。再向前看，發(fā)現(xiàn)我的程序中，將收到的數(shù)據(jù)在For循環(huán)外進行了求距離，然后送入For循環(huán)尋找最小索引，因此輸出永遠只有一個值。解決方案是將求距離也放入一個For循環(huán)中，這樣每次都能輸出一個最小索引，最后就能輸出一個比特流了。六、擴展問題：1、Samplespersymbol和Oversamplefactor這兩個參數(shù)的物理意義是什么，它們的取值與調(diào)制方式之間有什么關(guān)系？答：調(diào)制器和解調(diào)器的信號采樣數(shù)即SamplesperSymbol影響誤碼率性能，采樣數(shù)越大，誤碼率越低。過采樣是使用遠大于奈奎斯特采樣頻率的頻率對輸入信號進行采樣。設數(shù)字音頻系統(tǒng)原來的采樣頻率為fs，通常為44.1kHz或48kHz。若將采樣頻率提高到R×fs，R稱為過采樣比率，并且R>1。在這種采樣的數(shù)字信號中，由于量化比特數(shù)沒有改變，故總的量化噪聲功率也不變，但這時量化噪聲的頻譜分布發(fā)生了變化，即將原來均勻分布在0~fs/2頻帶內(nèi)的量化噪聲分散到了0~Rfs/2的頻帶上。2、為什么要在發(fā)送