無(wú)線通信原理實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1 無(wú)線通信原理實(shí)驗(yàn)報(bào)告摘要：BPSK（BinaryPhaseShiftKeying）即雙相頻移鍵控，是把模擬信號(hào)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(fù)數(shù)波浪組合來(lái)表現(xiàn)信息鍵控移相方式的一種。本實(shí)驗(yàn)將簡(jiǎn)要介紹BPSK調(diào)制方式的特點(diǎn)，調(diào)制解調(diào)方法，以及在Matlab中在AWGN信道中的誤碼性能。在載波相位調(diào)制中，通信信道傳輸?shù)男畔⒓脑⒃谳d波相位中，于二進(jìn)制相位調(diào)制而言，兩個(gè)載波的相位即θ=0和θ=π，用以代表二進(jìn)制“1”和“0”，而載波振幅和頻率保持不變。基于MATLAB的MonteCarlo仿真可用于分析BPSK調(diào)制在AWGN信道中的誤碼性能。OFDM技術(shù)是一種多載波傳輸技術(shù)，其主要特點(diǎn)是把高速的信息分割到多個(gè)正交子載波上并進(jìn)行低速傳送;由于子載波互相交疊和正交，它們可以獨(dú)立并行傳送信息符號(hào)而不互相干擾，同時(shí)保持較高頻譜利用率。OFDM系統(tǒng)一方面提高了對(duì)時(shí)域脈沖噪聲的魯棒性;另一方面，基于塊傳輸技術(shù)的OFDM技術(shù)在每個(gè)OFDM信息符號(hào)之間加上保護(hù)間隔(Time

Interval

Guard,

TGI

)，只要保護(hù)間隔的長(zhǎng)度大于信道沖激響應(yīng)(Channel

ImpulseResponse,

CIR)的最大時(shí)延擴(kuò)展，系統(tǒng)的所有子載波之間的正交性在通過(guò)信道之后就能夠得到保持。OFDM這種基于塊傳輸?shù)恼欢噍d波傳送方式使它具有抗符號(hào)間串?dāng)_(Inter-symbol

Interference,ISI)能力，同時(shí)也可以將信道均衡從復(fù)雜的時(shí)域處理轉(zhuǎn)化到簡(jiǎn)單易行的頻域處理。在OFDM系統(tǒng)中，系統(tǒng)可以根據(jù)子載波的工作環(huán)境在子載波間靈活應(yīng)用自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)、自適應(yīng)功率分配技術(shù)等，來(lái)進(jìn)一步提高系統(tǒng)的傳輸效率和傳輸性能。[關(guān)鍵詞]BPSK;QPSK;OFDM;16QAM；MATLAB;載波；誤碼率一引言1.BPSK（BinaryPhaseShiftKeying），BPSK使用了基準(zhǔn)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(shí)傳送接受2值(1比特)的信息。由于最單純的鍵控移相方式雖抗噪音較強(qiáng)但傳送效率差，所以常常使用利用4個(gè)相位的QPSK和利用8個(gè)相位的8PSK。與模擬通信系統(tǒng)相比，數(shù)字調(diào)制和解調(diào)同樣是通過(guò)某種方式，將基帶信號(hào)的頻譜由一個(gè)頻率位置搬移到另一個(gè)頻率位置上去。不同的是，數(shù)字調(diào)制的基帶信號(hào)不是模擬信號(hào)而是數(shù)字信號(hào)。

在大多數(shù)情況下，數(shù)字調(diào)制是利用數(shù)字信號(hào)的離散值去鍵控載波。對(duì)載波的幅度、頻率或相位進(jìn)行鍵控，便可獲得ASK、FSK、PSK等。這三種數(shù)字調(diào)制方式在抗干擾噪聲能力和信號(hào)頻譜利用率等方面，以相干PSK的性能最好，目前已在中、高速傳輸數(shù)據(jù)時(shí)得到廣泛應(yīng)用。調(diào)制原理二進(jìn)制相移鍵控（BPSK）是利用載波的相位的變換來(lái)傳遞信息，而振幅和頻率保持不變，BPSK的時(shí)域表達(dá)式為：0（發(fā)送“0”時(shí)）或1（發(fā)送“1”時(shí)）改寫(xiě)之后為或另外BPSK信號(hào)一般用雙極性（bipolarity）全占空矩形脈沖序列與一個(gè)正弦載波相乘表征。PSK各信號(hào)具有相同的能量，即表示每個(gè)傳輸符號(hào)能量，定義為一個(gè)矩形脈沖，0≤t≤T于是在符號(hào)區(qū)間0≤t≤T內(nèi)傳輸?shù)男盘?hào)波形可表示為（其中A=）則如果將其看成兩相角之和，即可表示為其中是兩個(gè)正交基函數(shù)，定義為并把改兩個(gè)基函數(shù)能量歸一化到1BSK星座圖如下：BPSK星座圖BPSK相位解調(diào)與檢測(cè)AWGN信道中，接受信號(hào)可表示為：=其中和是加性噪聲的兩個(gè)正交分量。將接受信號(hào)與和做互相關(guān)，兩個(gè)相關(guān)器的輸出即可產(chǎn)生受噪聲污染的信號(hào)分量，可表示為=，m=0,1,2,3其中且兩正交噪聲分量是零均值互不相關(guān)的高斯隨機(jī)過(guò)程，于是和的方差是：最佳檢測(cè)器將接受信號(hào)向量r投射到所有可能的傳輸信號(hào)向量之一上，并選對(duì)應(yīng)于最大投影的向量，據(jù)此相關(guān)準(zhǔn)則即為m=0,1,2,3由于全部信號(hào)都具有相等的能量，因此數(shù)字相位調(diào)制的一種等效檢測(cè)器標(biāo)準(zhǔn)就是計(jì)算接收信號(hào)向量的相位：并從信號(hào)集中選取其相位最接近的信號(hào)。在AWGN信道中，二相相位調(diào)制與二進(jìn)制PAM相同，差錯(cuò)概率為：，其中為每比特能量.基于MATLAB中的BPSK誤碼性能研究BPSK（BinaryPhaseShiftKeying）即雙相頻移鍵控，是把模擬信號(hào)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(fù)數(shù)波浪組合來(lái)表現(xiàn)信息鍵控移相方式的一種。本實(shí)驗(yàn)將簡(jiǎn)要介紹BPSK調(diào)制方式的特點(diǎn)，調(diào)制解調(diào)方法，以及在Matlab中在AWGN信道中的誤碼性能。（1）BPSK調(diào)制原理二進(jìn)制相移鍵控（BPSK）是利用載波的相位的變換來(lái)傳遞信息，而振幅和頻率保持不變，BPSK的時(shí)域表達(dá)式為：0（發(fā)送“0”時(shí)）或1（發(fā)送“1”時(shí)）改寫(xiě)之后為或另外BPSK信號(hào)一般用雙極性（bipolarity）全占空矩形脈沖序列與一個(gè)正弦載波相乘表征。PSK各信號(hào)具有相同的能量，即表示每個(gè)傳輸符號(hào)能量，定義為一個(gè)矩形脈沖，0≤t≤T于是在符號(hào)區(qū)間0≤t≤T內(nèi)傳輸?shù)男盘?hào)波形可表示為（其中A=）則如果將其看成兩相角之和，即可表示為其中是兩個(gè)正交基函數(shù)，定義為并把改兩個(gè)基函數(shù)能量歸一化到1BPSK相位解調(diào)與檢測(cè)AWGN信道中，接受信號(hào)可表示為：=其中和是加性噪聲的兩個(gè)正交分量。將接受信號(hào)與和做互相關(guān)，兩個(gè)相關(guān)器的輸出即可產(chǎn)生受噪聲污染的信號(hào)分量，可表示為=，m=0,1,2,3其中且兩正交噪聲分量是零均值互不相關(guān)的高斯隨機(jī)過(guò)程，于是和的方差是：最佳檢測(cè)器將接受信號(hào)向量r投射到所有可能的傳輸信號(hào)向量之一上，并選對(duì)應(yīng)于最大投影的向量，據(jù)此相關(guān)準(zhǔn)則即為m=0,1,2,3由于全部信號(hào)都具有相等的能量，因此數(shù)字相位調(diào)制的一種等效檢測(cè)器標(biāo)準(zhǔn)就是計(jì)算接收信號(hào)向量的相位：并從信號(hào)集中選取其相位最接近的信號(hào)。在AWGN信道中，二相相位調(diào)制與二進(jìn)制PAM相同，差錯(cuò)概率為：，其中為每比特能量。3、M-QAM調(diào)制在高斯信道和Rayleigh衰落信道中的平均誤碼率性能研究(1)QAM的調(diào)制和相干解調(diào)框圖如圖（1）、圖（2）所示。在調(diào)制端，輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)串/并變換后分成兩路。為了抑制已調(diào)信號(hào)的帶外輻射，兩路電平映射出的信號(hào)還要經(jīng)過(guò)預(yù)調(diào)制低通濾波器，才分別與相互正交的各路載波相乘。最后兩路信號(hào)相加就可以以得到已調(diào)輸出信號(hào)y。圖（1）正交調(diào)制原理框圖解調(diào)是調(diào)制的逆過(guò)程，在接收端解調(diào)器中可以采用正交的相干解調(diào)方法。接受到的信號(hào)分兩路進(jìn)入兩個(gè)正交的載波的相干解調(diào)器，再分別進(jìn)入判決器形成L進(jìn)制信號(hào)并輸出二進(jìn)制信號(hào)，最后經(jīng)并/串變換后得到基帶信號(hào)。圖（2）相干解調(diào)原理框圖對(duì)于方型QAM來(lái)說(shuō)，它可以看成是兩個(gè)脈沖振幅調(diào)制信號(hào)之和，因此利用脈沖振幅調(diào)制的分析結(jié)果，可以得到M進(jìn)制QAM的誤碼率公式：為每個(gè)碼元內(nèi)的比特?cái)?shù)，為每比特的平均信噪比。在AWGN信道中BPSK的誤碼性能基于前面的仿真原理，利用MATALB的MC仿真進(jìn)行理論的實(shí)際驗(yàn)證。并將理論值與仿真值進(jìn)行對(duì)比，分析數(shù)學(xué)理想模型建立的合理性，首先由MATLAB程序產(chǎn)生信號(hào)源，再模擬AWGN平坦衰落信道中疊加加性高斯白噪聲，在接收端對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)與估值，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行判決恢復(fù)原始信號(hào)。得到仿真比特誤碼率和理論比特誤碼率如下：分析：從上圖可以看出，仿真比特誤碼率和理論比特誤碼率非常接近，不管是在信噪比較低的情況下，還是信噪比較高的情況下，兩者都符合得很好，但可以看出，隨著信噪比逐漸加大，兩者漸漸有了“分歧”，慢慢顯示出差距來(lái)，這說(shuō)明在大信噪比的情況下，理論值還是會(huì)偏離實(shí)際值的，但是誤碼率越來(lái)越小，越來(lái)越向好的方向發(fā)展。2.QBSK誤碼率的仿真下面則給出了三種調(diào)制方式的誤碼性能比較(3)在AWGN信道中BPSK的誤碼率分析基于前面的仿真原理，將理論值與仿真值進(jìn)行對(duì)比，分析合理性，首先由MATLAB程序產(chǎn)生信號(hào)源，再模擬AWGN平坦衰落信道中疊加加性高斯白噪聲，在接收端對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)與估值，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行判決恢復(fù)原始信號(hào)。得到仿真比特誤碼率和理論比特誤碼率如下：分析：從上圖可以看出，仿真比特誤碼率和理論比特誤碼率非常接近，不管是在信噪比較低的情況下，還是信噪比較高的情況下，兩者都符合得很好，但可以看出，隨著信噪比逐漸加大，兩者漸漸有了分叉，慢慢顯示出差距來(lái)，這說(shuō)明在大信噪比的情況下，理論值還是會(huì)偏離實(shí)際值的，但是誤碼率越來(lái)越小，越來(lái)越向好的方向發(fā)展。下面則給出了三種調(diào)制方式的誤碼性能比較分析：將QPSK，BPSK，16QAM，F(xiàn)SK四種調(diào)制方式，包括理論值與實(shí)際值，放在同一個(gè)圖下，對(duì)他們進(jìn)行對(duì)比，可以很清晰地發(fā)現(xiàn)，QPSK在信噪比較小時(shí)，仿真值和理論值就有了偏離，且兩者數(shù)值都比較大，當(dāng)信噪比越來(lái)越大時(shí)，仿真值成直線幾乎沒(méi)變化，而實(shí)際值的Pe值逐漸變小，這種調(diào)制方式不是很可??；16QAM的性能跟QPSK相比，在低信噪比時(shí)，Pe值較大（還要大于QPSK的），隨著信噪比逐漸增大，16QAM的Pe值逐漸減小，且理論值與實(shí)際值比較契合，在大信噪比情況下，誤碼性能略遜與QPSK的；FSK的理論值和實(shí)際值在各種信噪比下都比較契合，兩者幾乎沒(méi)有大的差距，非常理想，無(wú)論是在低，高信噪比下，性能都要比QPSK的優(yōu)越一些；BPSK性能最優(yōu)！理論值與實(shí)際值契合得比較理想，而在低，高信噪比情況下，Pe值都是最低的，且隨著信噪比逐漸增大，Pe實(shí)際值迅速減小，實(shí)現(xiàn)起來(lái)性能十分優(yōu)越。因此在選擇對(duì)誤碼性能要求較高的系統(tǒng)時(shí)，BPSK可作為首選，F(xiàn)SK次之，QPSK和16QAM再考慮實(shí)際情況選擇，而在其他狀態(tài)時(shí)，也可優(yōu)先選擇BPSK。分析：將QPSK，BPSK，16QAM，F(xiàn)SK四種調(diào)制方式，包括理論值與實(shí)際值，放在同一個(gè)圖下，對(duì)他們進(jìn)行對(duì)比，可以很清晰地發(fā)現(xiàn)，QPSK在信噪比較小時(shí)，仿真值和理論值就有了偏離，且兩者數(shù)值都比較大，當(dāng)信噪比越來(lái)越大時(shí)，仿真值成直線幾乎沒(méi)變化，而實(shí)際值的Pe值逐漸變小，這種調(diào)制方式不是很可??；16QAM的性能跟QPSK相比，在低信噪比時(shí)，Pe值較大（還要大于QPSK的），隨著信噪比逐漸增大，16QAM的Pe值逐漸減小，且理論值與實(shí)際值比較契合，在大信噪比情況下，誤碼性能略遜與QPSK的；FSK的理論值和實(shí)際值在各種信噪比下都比較契合，兩者幾乎沒(méi)有大的差距，非常理想，無(wú)論是在低，高信噪比下，性能都要比QPSK的優(yōu)越一些；BPSK性能最優(yōu)！理論值與實(shí)際值契合得比較理想，而在低，高信噪比情況下，Pe值都是最低的，且隨著信噪比逐漸增大，Pe實(shí)際值迅速減小，實(shí)現(xiàn)起來(lái)性能十分優(yōu)越。因此在選擇對(duì)誤碼性能要求較高的系統(tǒng)時(shí)，BPSK可作為首選，F(xiàn)SK次之，QPSK和16QAM再考慮實(shí)際情況選擇，而在其他狀態(tài)時(shí)，也可優(yōu)先選擇BPSK。QAM調(diào)制方式，信道為高斯信道的系統(tǒng)誤碼率分析圖：QAM調(diào)制方式，信道為瑞利衰落信道的系統(tǒng)誤碼率分析圖：2.OFDM的基本原理

發(fā)送端把被傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成子載波幅度和相位的映射，并將進(jìn)行快速傅利葉反變換（IFFT）或者離散傅里葉反變換（IDFT）（IFFT的計(jì)算效率比IDFT高）將數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)的頻譜表達(dá)式變到時(shí)域上。如圖1-1所示，上半部分是發(fā)送的鏈路的框圖，下半部分是接受的鏈路的框圖。

OFDM的原理主要是把高速的數(shù)據(jù)流通過(guò)串并變換，分配到傳輸速率相對(duì)較低的若干個(gè)子信道中進(jìn)行傳輸。由于每個(gè)子信道中的符號(hào)周期會(huì)相對(duì)增加，因此可以減輕由無(wú)線信道的多徑時(shí)延擴(kuò)展所產(chǎn)生的時(shí)間彌散性對(duì)系統(tǒng)造成的影響。并且還可以在OFDM符號(hào)之間插入保護(hù)間隔，令保護(hù)間隔大于無(wú)線信道的最大時(shí)延擴(kuò)展，這樣就可以最大限度地消除由于多徑而帶來(lái)的符號(hào)間干擾(ISI)。而且，一般都采用循環(huán)前綴作為保護(hù)間隔，從而可以避免由多徑帶來(lái)的子載波間干擾((ICI)

。圖1.

OFDM收發(fā)原理框圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果：我的收獲本文簡(jiǎn)要介紹了BPSK的性質(zhì)原理及調(diào)制與解調(diào)方法，以及在AWGN信道中的誤碼分析，并在MATLAB下進(jìn)行了MonteCarlo仿真，驗(yàn)證了模型的正確性，從誤碼率曲線圖中我們可以清楚地知道不同信噪比下BPSK系統(tǒng)的誤碼性能。且信噪比越大，理論圖形與仿真圖形偏離越大，但是Pe值越小。并且將QPSK，BPSK，F(xiàn)SK，16QAM四種調(diào)制方式放在一個(gè)圖形下進(jìn)行比較，顯示各自?xún)?yōu)缺點(diǎn)，得到結(jié)論，從而知道實(shí)際應(yīng)用，這個(gè)是非常有現(xiàn)實(shí)意義的。參考文獻(xiàn)劉樹(shù)棠譯.現(xiàn)代通信系統(tǒng).使用MATLAB.北京：電子工業(yè)出版社.2006.樊昌信.通信原理.第六版.北京：國(guó)防工業(yè)出版社.2008JohnG.Proakis通信系統(tǒng)原理.:北京電子工業(yè)出版社.2006[5]王玲，逯貴禎，肖懷寶.基于Matlab的OFDM仿真實(shí)現(xiàn)及性能分析.北京：中國(guó)傳媒大學(xué)信息工程學(xué)院,[6]馬一森，李智，趙建華，徐煒，張東.OFDM通信系統(tǒng)的分析及其Simulink仿真研究.成都：四