无线通信基础实验报告 实验1 labview

《无线通信基础》 课程研究性学习手册

一、实验任务

在本实验中你要完成一个LabVIEW 程序，它能够将PN 序列或文本作为信源并对其进行数字调制解调。实验的目的是让你进一步熟悉LabVIEW 编程软件的基本操作，并且在编程的过程中可以加深对常见数字调制方式的理解，巩固基础知识。

本实验主程序的前面板是完整的，程序结构和大部分的子程序也都已经提供给我们，需要我们自己完成的只有subMOD 、subPulseShaping 、subMatchFilter 、subDemod 这四个子程序。我们需要按照下面的步骤正确的完成这四个子程序，在完成实验后，需要上交完整的程序以及实验报告。 （1）subMOD 子程序

这个子程序的作用是实现BPSK 或QPSK 的基带调制，即将输入的信源bit 序列映射到符号域，输出是复数形式的符号。

以BPSK 为例，BPSK 把一个信息位表示成一个符号，即映射出的符号有两种可能的相位。在数学上，每比特调制信号表示为：

()()b m b t f t s φπ+=2cos

(4.1)

式中，m f 是基带调制的频率，b φ是b=0或1时的相位偏移。如果我们选择的两个相位分别是π/2和3π/2的话，可以将调制信号()t s b 表示为：

()()()()()

??

?=-=+=12sin 2cos 00

2sin 2cos 0b if t f j t f b if t f j t f t s m m m m b ππππ (4.2)

对应前面所说的将每一个bit 映射成一个复数符号，可以很容易的看出BPSK 的映射关系为：将信源0映射成0+i ，信源1映射成0-i 。

当调制方式为QPSK 时，原理与BPSK 类似。不同的是QPSK 是将

信源的2个bit映射成一个复数符号，因此有四种可能的表示符号。例如我们选择相位偏移分别为π/4、3π/4、5π/4和7π/4，则对应的复数符号分别为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输入的信源bit 数据流映射到符号域上。例如输入bit数据为11011000，调制方式为QPSK的话，则输出的符号应该为-0.707-0.707i、0.707-0.707i、-0.707+0.707i和0.707+0.707i。

（2）subPulseShaping和subMatchFilter子程序

这两个子程序的功能类似，分别是实现发端的脉冲成型滤波和收端的匹配滤波。信号通过滤波器就相当于信号和滤波器的时域脉冲响应做卷积。以发端为例，你首先需要做的就是根据设置的滤波器类型、滤波器长度等输入参数生成脉冲成型滤波器系数。然后根据设置的上采样率对输入符号进行上采样。最后将上采样后的信号与生成的滤波器系数做卷积。得到的便是成型滤波后的输出信号。接收端的实现过程与发射端类似，主要区别在于接收信号已经在发端进行了上采样，因此在收端匹配滤波前不再需要上采样操作。

（3）subDemod子程序

subDemod子程序实现对接收符号的解映射，即发送端subMOD 子程序的逆过程。子程序的输入是同步后的数据符号，输出是解调后的bit数据。如果是BPSK调制，你需要将每个输入的数据符号解映射成一位bit数据；如果是QPSK调制，则需要将每个输入符号解映射成两位bit数据。要注意在发送端进行映射的图谱要与接收端解映射

的图谱对应，这样才能够正确的解调出数据。

（4）实验结果验证

完成以上几个子程序后，可以通过运行主程序来验证编写的模块是否正确。首先你需要在前面板上合理的设置各项参数，例如信源为文本并使用QPSK调制，你还可以通过信噪比范围参数来设置所计算信噪比的最大值。之后运行程序，如果程序正确的话你可以观察到星座图、误码率数据、接收端恢复的文本等输出信息。如错误！未找到引用源。至错误！未找到引用源。所示。然后你可以改变参数，验证在不同参数下程序是否能够正确运行，并对比运行的结果有何异同。

最后按照要求完成实验报告。

接收星座图

恢复的文本内容

误码率曲线

实时误码数据

二、理论分析：

本次试验的主要任务有四项基本的子程序：

1、第一个程序subMOD

它的作用是实现BPSK或QPSK的基带调制，即将输入的信源bit 序列映射到符号域，输出是复数形式的符号。在构造程序时，需要分辨BPSK和QPSK两种调制方式，在不同的条件下执行不同的程序，所以要用到条件框进行两种调制方式的判断。并且有控制键对调制方式进行控制。其次，程序允许多个输入，多个输出，因此需要用到循环进行多次调制，还需要计算出输入的个数以便控制调制的次数。

2、第二、三个程序subPulseShaping和subMatchFilter子程序

（1）这两个程序作用类似，均为滤波器。首先是发端的脉冲成型滤波器，在通信系统中，脉冲成形滤波器还用于无线通信信道得两个重要条件: 1）产生限带信道，2）降低由信号多径反射引起的符间干扰（ISI）。这两个条件都可以通过作用于每个符号的脉冲成形滤波器来实现。实际上，下图所示的sync脉冲满足了上述两个要求，因为它仅占用一小部分频域，但却有效地利用了频域，还由于它对调制信号的每一个符号周期会产生一种加窗效应。

脉冲成形滤波器首先要使波形平滑，即使脉冲突变的上升沿和下降沿平缓，频带外的频率衰减加快。

根据乃奎斯特定理[1]，为使信号基带传输时无码间串扰，系统冲击响应必须满足

1

0()0

s n x nT n =?=?

≠? （1）

其傅氏变换应满足

()s s m m

X f T T ∞

=-∞

+=∑ （2） 在实际系统中，信带传递函数()H f 由发送滤波器()T H f 、信道和接收滤波器()R H f 组成，即()()()()T R C H f H f H f H f =??，若在设计过程中把传输信道看成理想信道，即()C H f =1。只要求特定时刻的波形幅值无失真传送，而不必要求整个波形无失真。根据乃奎斯特第一准则，如果信号经传输后整个波形发生了变化，只要其特定点的抽样值保持不变，那么用再次抽样的方法，仍然可以准确无误地恢复原始信号。满足乃奎斯特第一准则的滤波器有无穷多种，为了满足无码间干扰并实现发射机和接收机的匹配，发射端的脉冲成形滤波器可选择平方根升余弦滤波器，传递函数表示式为

()()11021122102T R H f H f f T

f T T f T

α

αα

α

==-?

≤≤

?-+<≤+?>??

（3）

T 为输入码元的周期，α为滚降系数，取值为01α≤≤。滚降系数α影响着频谱效率，α越小，频谱效率就越高，但α越小时，升余弦滚降滤波器的抽头系数也越多，设计和实现比较困难，而且当传输过程中发生线性失真时产生的符号间干扰也比较严重。在无码间串扰条件下所需带宽 W 和码元传输速率 Rs 的关系一般为：W=1/2(1+α)Rs 。在

实际工程中，α的范围一般定在 0.15～0.5 之间。 记01/(2)f T =，平方根升余弦冲击响应的表达式为

{}2

00222

()sin[2(1)]4cos[2(1)](16)h t T f t tT f t t T t T πααπαπ=

-++-

滚降系数分别为0，,05,1的平方根升余弦滤波器冲击响应波形和频谱如图1和图2所示：

图1 平方根升余弦滤波器冲击响应波形 图2 平方根升余弦滤波器的频谱

需指出，升余弦滤波器的严格限频特性，是物理不可实现的，然而由于01α≤≤升余弦滤波器频率特性的平滑性，使得有可能物理可实现滤波器近似实现此频率特性，所以在限带数字通信系统中广泛采用

01α≤≤

的升余弦滤波器。

若取冲击响应截断时间为8T ，此时滤波器的长度适中且截断误差很小；每T 内采样点为8个。为确保()h t 采用后的[]h n 保持第一类线性相位，舍去0()|t h t =样点，同时对[]h n 右移4个点，采用()h t 中[4,4]t T T ∈-，采样间隔为/8T ，设发送端传递的二进制数据是

{

}432101234,,,,,,,,,,

a a a a a a a a a ----，则发送滤波器的输出波形函数表示

为：

44332211001122344()y t a h a h a h a h a h a h a h a h a h --------=

+++++++++

+

当前传递信息{}0a 时刻对应的波形上升沿y[1..8]分别由4[57..64]h -，

3[49..56]h -，2[41..48]h -，1[33..40]h -，0[25..32]h ，1[17..24]h ，2[9..16]h ，3[1..8]

h 线性表示，即

43210123[0][57][49][41][33][25][17][9][1]y a h a h a h a h a h a h a h a h ----=+++++++ 43210123[1][58][50][42][34][26][18][10][2]y a h a h a h a h a h a h a h a h ----=+++++++

…….. …….. ……..

43210123[7][64][56][48][40][32][24][16][8]y a h a h a h a h a h a h a h a h ----=+++++++

（2）匹配滤波器与脉冲成形滤波器几乎同等重要。脉冲成形滤波器的作用是使信号的符号周期不混叠，而匹配滤波器的作用是滤掉在传送过程中因信号反射而造成的干扰。由于通过直接路径达到的信号比反射信号更早到达接收端，因此反射信号有可能与后续符号周期产生混叠。

设匹配滤波器的输入信号为()x t ，()x t 是由接收信号()s t 和噪声()n t 两部分构成，即()()()x t s t n t =+，在表达式中()n t 是白噪声，双边功率谱密度为()/2n o P f n =，而信号()s t 的频谱函数为()S f 。

根据线性叠加原理，匹配滤波器的输出 也由信号()o s t 和噪声()o n t 两部分构成，即

()()()o o y t s t n t =+

设()o s t 的频谱为 ，根据信号与系统理论得

()()()o S f S f H f =

求()S f 的傅里叶反变换，可得到输出信号()o s t 为

2()()()i ft o s t S f H f e df

π∞

-∞=?

输出噪声0t 的功率谱密度为

20

|)(|2)(f H N f P o n =

匹配滤波器在0t 时刻的输出信号值为

2()()()i ft o s t S f H f e df

π∞

-∞=?

则在0t 时刻输出信号的瞬时功率为

2

0()

o s t ，输出噪声平均功率为

20()2n N P H f df ∞

-∞=?

所以0t 时刻输出的信噪比为

2

22

02

0()()()()2

j ft o o n

X f H f e

df

s t r N P H f df π∞

-∞

∞

-∞==

?

?

根据许瓦兹不等式

???∞

∞

-∞

∞

-∞

∞

-≤df

f Y df f X df f Y f X 222|)(||)(||)()(|

可以得到

20

22

|)(|N E N df f X r s =

≤

?∞

∞

-

当0

2*)()(ft j e f KX f H π-=时等式成立，这就是所要求的匹配滤波器的传输

特性，由上式可知，输出信噪比最大的滤波器的传输特性与信号频谱的共轭成正比，故这种滤波器称为匹配滤波器。

匹配滤波器的冲激响应为

02*)()(ft j e f KX f H π-=

两边取傅立叶反变换，得到

*0)()(t t Kx t h -=

如果输入信号)(t x 是实信号，则)()(0t t Kx t h -=。

假设符号的传输速率s

T

1

，则在接收端同样地我们需要每隔s T 时间

进行一次判决，因此我们希望在每s T 时刻的输出信噪比最大，将上述的0t 用s T 带入，得到匹配滤波器如下：

)()(t T Kx t h s -=

当接收端输入为)()()(1t n t x t s +=时,在相对于)(1t x 的匹配滤波器端输出信号

??+-+=-=s

s

T s T d T t Kx n x d t h s t r 0

1110

)()]()([)()()(τττττττ

??

+-+-+=s

s

T s s T d T t x Kn d T t x x K

1110

1)()()()(ττττττ

??+=s

s T T s d x n K d x x K T r 0

110

11)()()()()(ττττττ

dt t x t s K s T )()(10

?=

式（2-14）说明相对于)(1t x 匹配滤波器的输出信号在形式上与输入信号和)(1

t x 乘积的积分相同，则匹配滤波器在取样时刻的输出值可

以用乘积与积分这样的相关运算来求得，匹配滤波器的实现过程如图2-1所示。

3、第三个程序则为接收端的解码程序subDemod子程序

该程序为第一步编码程序的逆过程。同样的，我们也需要设计程序控制调至类型，并设计算法构造0+i、0-i到0、1，0.707+0.707i、

-0.707+0.707i、0.707-0.707i、-0.707-0.707i到00、01、10、11的映射。

三、实验步骤：

1、打开Digital modulation（学生版）.vi前面板，设置参数如下（信噪比范围20左右可调

）：

2、调整信源类型为文本，输入文本内容God helps those who help themselves，点击运行，查看结果；

3、调整信源类型为PN序列，点击运行，查看结果；

4、将调制类型改为BPSK，其他参数不变，点击运行，查看结果；

四、结论及分析：

1、调整信源类型为文本时：当信噪比为1时发端图样：

收端星座图：

而当信噪比为12时收端：

结论：由图分析可得，信噪比越大，误比特率越小，收端星座图越来越趋向于发端星座图（由完全混乱到十字交叉），通过观察可以发现，信号在经过信道后，时域波形与原来相比发生了失真，频谱图的主瓣有较大衰减，星座图也一定程度上偏离了理想点。分析其原因，主要是信道中高斯噪声产生的影响。而且信噪比越小，波形失真越严重，频谱衰减越大。

调整信源类型为PN序列时：

结论：调整信源类型为PN序列时，接收到文本是一些乱码，同时当信噪比在12左右时，误码率基本维持0不变。

BPSK与QPSK相比，QPSK调制解调有比较低的误码率，所以具有抗

干扰性能强、误码性能好、频带利用率高等优点。

五、遇到的问题及解决方法：

1、由于制作时LabView的高频使用，我们在编程过程思索过如何把LabView前面板控件当前值通过程序设为下次打开时的默认值，解决方法如下：

1）手动操作：对控件点击鼠标右键----Data Operations---Make Current Value Default。

2）通过文件或注册表方式先把控件当前值存下来，再下次打开时再从文件或注册表把值读回来。

3）使用VI Server技术在保存控件当前值为默认值，但这种方法只能处于编辑状态使用，在生成exe文件后不能使用。操作如下（1）调用Invoke Node设VI的Edit Mode值为TRUE

（2）调用Invoke Node设Make Current Value Default

（3）调用Invoke Node设Save Instrumentt的Path to saved file为需要设置默认值的VI路径

2、运行后的labview程序，数据有时候在信噪比为10时误码率为0有时候为12时误码率为0，情况各异。所以我发现如果程序中读取数据的循环运行没那么快，比如几百K采样率的时候，软件上循环也肯定没那么快，一些数据丢失是自然结果，然而丢失多少是一个概率问题，但是当信噪比在11左右的时候，误码率基本稳定为0。