無線課程設計實驗報告

1、擴頻實驗報告學 院：電子信息工程學院專 業(yè)：通信工程組員：12211008 呂興孝12211010 牟文婷12211096 鄭羲12211004 馮順任課教師：姚冬萍實驗四 擴頻實驗一、實驗目標在本實驗中你要基于LabVIEW+USRP平臺實現(xiàn)一個擴頻通信系統(tǒng)，你需要在對擴頻技術有一定了解的基礎上編寫程序，完成所有要求的實驗任務。在這一過程中會讓你對擴頻技術有更直接和感性的認識，并進一步掌握在LabVIEW+USRP平臺上實現(xiàn)通信系統(tǒng)的技巧。二、實驗環(huán)境與準備軟件環(huán)境：LabVIEW 2012（或以上版本）；硬件環(huán)境：一套USRP和一臺計算機；實驗基礎：了解LabVIEW編程環(huán)境和USRP的基

2、本操作；知識基礎：了解擴頻通信的基本原理。三、實驗介紹1、擴頻通信技術簡介擴頻通信技術是一種十分重要的抗干擾通信技術，可以大大提高通信系統(tǒng)的抗干擾性能，在電磁環(huán)境越來越惡劣的情況下，擴頻技術在諸多通信領域都有了十分廣泛的應用。擴頻技術簡單來講就是將信息擴展到非常寬的帶寬上確切地說，是比數(shù)據(jù)速率大得多的帶寬。在擴頻系統(tǒng)中，發(fā)端用一種特定的調制方法將原始信號的帶寬加以擴展，得到擴頻信號；然后在收端對接收到的擴頻信號進行解擴處理，把它恢復為原始的窄帶信號。擴頻系統(tǒng)之所有具有較強的抗干擾能力，是因為接收端在接收到擴頻信號后，需要通過相關處理對接收信號進行帶寬的壓縮，將其恢復成窄帶信號。對于干擾信號而言

3、，由于與擴頻信號不相關，所以會被擴展到很寬的頻帶上，使之進入信號帶寬內的干擾功率大幅下降，即增加了相關器輸出端的信號/干擾比。因此擴頻系統(tǒng)對大多數(shù)人為干擾都具有很強的抵抗能力。2、發(fā)射端程序簡介本實驗包括發(fā)射端和接收端兩個主程序，其中發(fā)射端主程序top_tx的前面板如圖1所示。圖1 發(fā)射端程序前面板前面板上部的選項卡控件中可以配置各項參數(shù)。在硬件參數(shù)部分中可以配置USRP的IP地址、載波頻率等參數(shù)；在信號參數(shù)部分中可以配置調制方式、設配采樣速率、成型濾波器等參數(shù)；在信道模型參數(shù)部分中你可以選擇不同的信道模型并設置噪聲功率；在右側你可以設置擴頻碼的長度。在前面板下方為顯示界面，包括發(fā)送信號的時域

4、/頻域波形以及星座圖和眼圖。發(fā)射端的程序框圖主要由兩部分組成。主程序框圖左側的transmitter子程序完成發(fā)射信號的生成、擴頻、調制等功能，程序框圖如圖2所示。圖2 transmitter的程序框圖圖中source子程序產生固定長度的隨機比特流；條件結構內完成信源的擴頻操作；其中的DSSS子程序用來對信源數(shù)據(jù)進行擴頻；MOD子函數(shù)完成比特流的調制；Add control子函數(shù)的作用是添加訓練序列，以便接收端進行同步；Pulse shaping子函數(shù)用來完成脈沖成形；最后TX apply channel實現(xiàn)發(fā)送端的信道自適應。output complex waveform即為輸出的波形。發(fā)射

5、端主程序框圖其余部分的功能是將transmitter子程序產生的output complex waveform通過USRP進行發(fā)射。3、接收端程序簡介接收端主程序top_rx的前面板如圖3所示。圖3 接收端程序前面板與發(fā)射端程序類似，接收端主程序前面板上部為各項參數(shù)的輸入，例如硬件參數(shù)、擴頻參數(shù)、同步參數(shù)等。前面板下部顯示生成的圖形，包括星座圖、眼圖、信噪比/誤碼率曲線等。接收端端的程序框圖也主要由兩部分組成。主程序框圖右側的receiver.vi子程序主要完成發(fā)射信號的接受、同步、解擴和解調等功能，程序框圖如圖3所示。圖3 receiver.vi 的程序框圖其中RX init子程序是接收機的

6、初始化；matched filter子程序完成匹配濾波；synch子程序使同步模塊，完成收發(fā)同步；channel estimated子程序完成信道估計；equalize子程序的作用是信道均衡；strip control子程序用來刪除控制信息，即訓練序列；decode子程序實現(xiàn)信號的解調；DE-DSSS子程序用來實現(xiàn)解擴；error detect子程序的作用是計算誤碼率。接收端主程序框圖的其他部分主要用來完成USRP的配置、計算信噪比/誤碼率曲線以及生成所需的圖形。四、實驗任務1、DS-SS.vi子程序DS-SS子程序的作用是對信源進行直接擴頻（Direct Sequence Spread Sp

7、ectrum）。其原理是利用10個以上的chips來代表原來的0或1，使得原來較高功率、較窄的頻譜變成具有較寬頻的低功率頻譜，這種特性類似于噪聲功率譜，因此接收端只有知道正確的擴頻碼才能進行正確的接收，進而增加了傳輸?shù)目煽啃浴Ｋ且环N數(shù)字調制方法，具體說，就是將信源與一定的PN碼（偽隨機碼、chip）進行同或運算。例如，在發(fā)射端用11000100110代替"1"，用00110010110代替"0"，這個過程就實現(xiàn)了擴頻。上述過程如圖4所示。圖4 擴頻的實現(xiàn)過程前面板：圖6 DS-SS前面板DS-SS程序框圖：圖7 DS-SS程序框圖實驗步驟：1、 首先產

8、生所需長度的偽隨機序列（PN序列）：PN序列（Pseudo-noise Sequence）即偽噪聲序列，這類序列具有類似隨機噪聲的一些統(tǒng)計特性，但和真正的隨機信號不同，它可以重復產生和處理，故稱作偽隨機噪聲序列。PN碼最見的用途是在擴頻系統(tǒng)中用來擴展信號頻譜；此外PN碼也可以用來作為信源信息。在實際應用中，常利用MT Generate Bits函數(shù)來生成PN序列，它位于函數(shù)選板的RF Communications>>Modulation>>Digital中。MT Generate Bits.函數(shù)的輸入輸出如圖8所示：圖8 MT Generate Bits輸入輸出其中to

9、tal bits為生成的偽隨機序列的總長度、PN sequence order用來設定PN序列的循環(huán)周期（如果PN sequence order設為N，則周期為）、seed in指定PN序列生成器移位寄存器的初始狀態(tài)（默認為0xD6BF7DF2）；output bit stream為偽隨機序列的輸出。此外MT Generate Bits函數(shù)還有User Defined模式，在此模式下函數(shù)可以根據(jù)用戶自定義的輸入序列生成所需長度的循環(huán)序列。其輸入輸出如圖9所示：圖9 User Defined模式的輸入輸出其中user base bit pattern為用戶指定的序列，控件會不斷循環(huán)用戶指定的序列

10、直到輸出序列的長度達到total bits所設定的值。output bit stream為生成序列的輸出。本例中用到了三個MT Generate Bits函數(shù)，分別用來生成保護序列、同步序列和信息序列。2、 利用產生的序列對信源序列進行擴展：圖10 擴頻模塊輸入信源bit碼、PN擴頻碼、誤差；輸出擴頻碼、誤差。2、DE-DSSS.vi子程序DE-DSSS子程序的作用是在接收端實現(xiàn)對信號的解擴。解擴操作即擴頻操作的逆過程。繼續(xù)使用上面的例子，當你在發(fā)射端用11000100110代替"1"，而用00110010110代替"0"后，在接收機處只要把收到的序列是

11、11000100110恢復成"1"，而00110010110恢復成"0"，這就是解擴。上述過程如圖0所示。圖11 解擴的實現(xiàn)過程前面板：圖12 DE-DSSS前面板DE-DSSS程序框圖： 圖13 DE-DSSS程序框圖五、實驗步驟：1、產生所需長度的并與發(fā)射端相同偽隨機序列（PN序列），同DS-SS；2、然后利用產生的序列對接收信號進行解擴：輸入：將信源與PN序列通過“數(shù)組大小”模塊返回其長度，相除得到的商作為搜索深度；輸入經(jīng)信道傳輸后的擴頻碼、與發(fā)送端同步的擴頻序列以及誤差。輸出得解擴后碼序列以及誤差。3、實驗驗證在DS-SS子程序中，你可以手動輸入

12、一串0/1作為信源序列，并設置好PN序列的長度（設為N）。單獨運行DS-SS子程序，觀察輸出的序列長度是否擴展了N倍，并注意輸出序列中PN碼是否與相應的0或者1對應。驗證成功的話便表明你的DS-SS子程序編寫正確。并利用類似的方法驗證DE-DSSS子程序的正確性。然后驗證發(fā)射端主程序是否能正確的發(fā)射我們想要的擴頻信號。首先正確的連接USRP并合理的配置發(fā)射端的各項參數(shù)，運行程序。然后你可能會看到如圖至圖所示的發(fā)射信號時域波形和頻域波形。20圖14不擴頻的時域信號圖15不擴頻的頻域信號圖16擴頻后的時域信號圖17擴頻后的頻域信號可以看出經(jīng)過擴頻的發(fā)射信號與不經(jīng)過擴頻的發(fā)射信號相比，在頻域上進行了

13、展寬，在時域上變得更加密集。這與擴頻的基本原理相符，說明發(fā)射端的設計基本正確。在接收端，我們需要使得參數(shù)能夠與發(fā)射端匹配，這樣才能正常的接收。特別需要注意Capture Time、packet length和RX Sample Rate這幾個參數(shù)，你首先需要理解它們的意義，這樣才能夠正確的配置它們。如果你在發(fā)射端沒有修改默認參數(shù)的話，接收端的默認參數(shù)恰好能夠與發(fā)射端匹配。你需要同時運行發(fā)射端和接收端程序，在發(fā)射端正確運行時觀察接收端能否正確接收。程序會計算當前信噪比下的誤碼率，并逐漸增大信噪比、最終得出一條信噪比/誤碼率曲線，如圖3-4- 11所示。你可能需要稍等一段時間才能夠看到程序運行完成

14、的結果。在接收端程序運行的同時，你可以進入receiver子程序中的Ber detected子程序，在里面觀察當前信噪比接收到的數(shù)據(jù)數(shù)和誤碼數(shù)，如圖3-4- 12所示。 圖18誤碼率曲線 圖19運行時的數(shù)據(jù)顯示然后你可以嘗試改變收發(fā)端的各項參數(shù)，觀察不同參數(shù)對運行結果的影響。最后你需要按照要求完成實驗報告。6、 實驗結果 QPSK:將USRP連接電腦，更改IP地址等參數(shù)。頻率使用915MHz避免干擾。如下圖20：發(fā)送端前面板調制參數(shù)以及發(fā)送星座圖發(fā)送時域波形如下圖21：發(fā)送端眼圖和發(fā)送端頻域波形如下，眼圖的尖銳程度和發(fā)送頻率有關，如圖22：接收端的硬件參數(shù)和誤碼率如下圖，如圖23：接收端眼圖如

15、圖24所示：BPSK：調制參數(shù)如下：BPSK:發(fā)送端硬件參數(shù)發(fā)送端星座圖：接收端眼圖：接收端星座圖及誤碼率曲線（信噪比較低）：五、實驗擴展1、解釋接收端同步模塊的具體實現(xiàn)方式及其利用的基本原理。（1）初始同步，或稱粗同步、捕獲。它主要解決載波頻率和碼相位的不確定性，保證解擴后的信號能通過相關器后面的中頻濾波器，這是所有問題中最難解決的問題。 （2）跟蹤，或稱精同步。接收機對接收到的信號，首先進行搜索，對收到的信號與本地碼相位差的大小進行判斷，若不滿足捕獲要求，即收發(fā)相位差大于一個碼元，則調整時鐘再進行搜索。直到使收發(fā)相位差小于一個碼元時，停止搜索，轉入跟蹤狀態(tài)。圖3-4- 5同步流程圖圖3-4

16、- 6跟蹤流程圖2、擴頻通信技術除了有較強的抗干擾能力外，還具有哪些優(yōu)點？逐一例舉出來并簡述擴頻技術具有這些優(yōu)點的原因。（1）易于重復使用頻率，提高了無線頻譜利用率無線頻譜十分寶貴，雖然從長波到微波都得到了開發(fā)利用，仍然滿足不了社會的需求。在窄帶通信中，主要依靠波道劃分來防止信道之間發(fā)生干擾。為此，世界各國都設立了頻率管理機構，用戶只能使用申請獲準的頻率。擴頻通信發(fā)送功率極低，采用了相關接收技術，且可工作在信道噪聲和熱噪聲背景中，易于在同一地區(qū)重復使用同一頻率，也可與各種窄道通信共享同一頻率資源。所以，在美國及世界絕大多數(shù)國家，擴頻通信無須申請頻率，任何個人與單位都可以無執(zhí)照使用。（2）抗干擾

17、性強，誤碼率低擴頻通信在空間傳輸時所占用的帶寬相對較寬，而接收端又采用相關檢測的辦法來解擴，使有用寬帶信息信號恢復成窄帶信號，而把非所需信號擴展成寬帶信號，然后通過窄帶濾波技術提取有用的信號。這樣，對于各種干擾信號，因其在接收端的非相關性，解擴后窄帶信號中只有很微弱的成分，信噪比很高，因此抗干擾性強。在商用的通信系統(tǒng)中，擴頻通信是唯一能夠工作在負信噪比條件下的通信方式。（3）隱蔽性好，對各種窄帶通信系統(tǒng)的干擾很小由于擴頻信號在相對較寬的頻帶上被擴展了，單位頻帶內的功率很小，信號湮沒在噪聲里，一般不容易被發(fā)現(xiàn)，而想進一步檢測信號的參數(shù)如偽隨機編碼序列就更加困難，因此說其隱蔽性好。再者，由于擴頻信

18、號具有很低的功率譜密度，它對使用的各種窄帶通信系統(tǒng)的干擾很小。（4）可以實現(xiàn)碼分多址擴頻通信提高了抗干擾性能，但付出了占用頻帶寬的代價。如果讓許多用戶共用這一寬頻帶，則可大大提高頻帶的利用率。由于在擴頻通信中存在擴頻碼序列的擴頻調制，充分利用各種不同碼型的擴頻碼序列之間優(yōu)良的自相關特性和互相關特性，在接收端利用相關檢測技術進行解擴，則在分配給不同用戶碼型的情況下可以區(qū)分不同用戶的信號，提取出有用信號。這樣一來，在一寬頻帶上許多對用戶可以同時通話而互不干擾。（5）抗多徑干擾這兩種技術在擴頻通信中都易于實現(xiàn)。利用擴頻碼的自相關特性，在接收端從多徑信號中提取和分離出最強的有用信號，或把多個路徑來的同

19、一碼序列的波形相加合成，這相當于梳狀濾波器的作用。另外，在采用頻率跳變擴頻調制方式的擴頻系統(tǒng)中，由于用多個頻率的信號傳送同一個信息，實際上起到了頻率分集的作用。（6）能精確地定時和測距電磁波在空間的傳播速度是固定不變的光速，人們自然會想到如果能夠精確測量電磁波在兩個物體之間的傳播時間，也就等于測量兩個物體之間的距離。在擴頻通信中如果擴展頻譜很寬，則意味著所采用的擴頻碼速率很高，每個碼片占用的時間就很短。當發(fā)射出去的擴頻信號在被測量物體反射回來后，在接收端解調出擴頻碼序列，然后比較收發(fā)兩個碼序列相位之差，就可以精確測出擴頻信號往返的時間差，從而算出兩者之間的距離。測量的精度決定于碼片的寬度，也就是擴展頻譜的寬度。碼片越窄，擴展的頻譜越寬，精度越高。（7）適合數(shù)字話音和數(shù)據(jù)傳輸，以及開展多種通信業(yè)務擴頻通信一般都采用數(shù)字通信、碼分多址技術，適用于計算機網(wǎng)絡，適合于數(shù)據(jù)和圖像傳輸。（8）安裝簡便，