北交大無(wú)線通信實(shí)驗(yàn)一數(shù)字調(diào)制解調(diào)1

《無(wú)線通信基礎(chǔ)》課程研究性學(xué)習(xí)手冊(cè)數(shù)字調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)Ⅰ姓名：學(xué)號(hào)：同組成員：指導(dǎo)教師時(shí)間：2015年5月目錄一、實(shí)驗(yàn)任務(wù)： 21、subMOD子程序 22、subPulseShaping和subMatchFilter子程序 33、subDemod子程序 34、實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證 4二、理論分析： 41、BPSK與QPSK調(diào)制 42、脈沖成型濾波 5三、實(shí)驗(yàn)步驟： 51、BPSK調(diào)制程序設(shè)計(jì) 52、BPSK解調(diào)程序設(shè)計(jì)： 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(shè)計(jì) 76、匹配濾波器程序設(shè)計(jì) 8四、結(jié)論及分析： 81、BPSK調(diào)制解調(diào)程序驗(yàn)證 82、QPSK調(diào)制解調(diào)程序驗(yàn)證 103、更改參數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響 11五、遇到的問(wèn)題及解決方法： 13六、擴(kuò)展問(wèn)題： 13七、心得： 14八、參考文獻(xiàn)： 14一、實(shí)驗(yàn)任務(wù)：本實(shí)驗(yàn)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(gè)子程序。需要按照下面的步驟正確的完成這四個(gè)子程序，在完成實(shí)驗(yàn)后上交完整的程序以及實(shí)驗(yàn)報(bào)告。1、subMOD子程序這個(gè)子程序的作用是實(shí)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(hào)域，輸出是復(fù)數(shù)形式的符號(hào)。以BPSK為例，BPSK把一個(gè)信息位表示成一個(gè)符號(hào)，即映射出的符號(hào)有兩種可能的相位。在數(shù)學(xué)上，每比特調(diào)制信號(hào)表示為：(4.1)式中，是基帶調(diào)制的頻率，是b=0或1時(shí)的相位偏移。如果我們選擇的兩個(gè)相位分別是π/2和3π/2的話，可以將調(diào)制信號(hào)表示為：(4.2)對(duì)應(yīng)前面所說(shuō)的將每一個(gè)bit映射成一個(gè)復(fù)數(shù)符號(hào)，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(dāng)調(diào)制方式為QPSK時(shí)，原理與BPSK類似。不同的是QPSK是將信源的2個(gè)bit映射成一個(gè)復(fù)數(shù)符號(hào)，因此有四種可能的表示符號(hào)。例如我們選擇相位偏移分別為π/4、3π/4、5π/4和7π/4，則對(duì)應(yīng)的復(fù)數(shù)符號(hào)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(hào)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(hào)應(yīng)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(gè)子程序的功能類似，分別是實(shí)現(xiàn)發(fā)端的脈沖成型濾波和收端的匹配濾波。信號(hào)通過(guò)濾波器就相當(dāng)于信號(hào)和濾波器的時(shí)域脈沖響應(yīng)做卷積。以發(fā)端為例，你首先需要做的就是根據(jù)設(shè)置的濾波器類型、濾波器長(zhǎng)度等輸入?yún)?shù)生成脈沖成型濾波器系數(shù)。然后根據(jù)設(shè)置的上采樣率對(duì)輸入符號(hào)進(jìn)行上采樣。最后將上采樣后的信號(hào)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(hào)。接收端的實(shí)現(xiàn)過(guò)程與發(fā)射端類似，主要區(qū)別在于接收信號(hào)已經(jīng)在發(fā)端進(jìn)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(duì)接收符號(hào)的解映射，即發(fā)送端subMOD子程序的逆過(guò)程。子程序的輸入是同步后的數(shù)據(jù)符號(hào)，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(gè)輸入的數(shù)據(jù)符號(hào)解映射成一位bit數(shù)據(jù)；如果是QPSK調(diào)制，則需要將每個(gè)輸入符號(hào)解映射成兩位bit數(shù)據(jù)。要注意在發(fā)送端進(jìn)行映射的圖譜要與接收端解映射的圖譜對(duì)應(yīng)，這樣才能夠正確的解調(diào)出數(shù)據(jù)。4、實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證完成以上幾個(gè)子程序后，可以通過(guò)運(yùn)行主程序來(lái)驗(yàn)證編寫的模塊是否正確。首先你需要在前面板上合理的設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)，例如信源為文本并使用QPSK調(diào)制，你還可以通過(guò)信噪比范圍參數(shù)來(lái)設(shè)置所計(jì)算信噪比的最大值。之后運(yùn)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(fù)的文本等輸出信息。然后你可以改變參數(shù)，驗(yàn)證在不同參數(shù)下程序是否能夠正確運(yùn)行，并對(duì)比運(yùn)行的結(jié)果有何異同。最后按照要求完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。理論分析：1、BPSK與QPSK調(diào)制BPSK(BinaryPhaseShiftKeying)，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。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。BPSK信號(hào)屬于DSB信號(hào)，它的解調(diào)，不再能采用包絡(luò)檢測(cè)的方法，只能進(jìn)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(duì)相移和相對(duì)相移兩種。由于絕對(duì)相移方式存在相位模糊問(wèn)題，所以在實(shí)際中主要采用相對(duì)移相方式DQPSK。目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于無(wú)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(lái)描述，星座圖中定義了一種調(diào)制技術(shù)的兩個(gè)基本參數(shù)：（1）信號(hào)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(diǎn)與傳輸比特間的對(duì)應(yīng)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(hào)分布和映射完全定義，即可由星座圖來(lái)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(lái)表征輸入的數(shù)字信息，是四進(jìn)制移相鍵控。QPSK是在M=4時(shí)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(jìn)制數(shù)字序列，為了能和四進(jìn)制的載波相位配合起來(lái)，則需要把二進(jìn)制數(shù)據(jù)變換為四進(jìn)制數(shù)據(jù)，這就是說(shuō)需要把二進(jìn)制數(shù)字序列中每?jī)蓚€(gè)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(gè)雙比特碼元是由兩位二進(jìn)制信息比特組成，它們分別代表四進(jìn)制四個(gè)符號(hào)中的一個(gè)符號(hào)。QPSK中每次調(diào)制可傳輸2個(gè)信息比特，這些信息比特是通過(guò)載波的四種相位來(lái)傳遞的。解調(diào)器根據(jù)星座圖及接收到的載波信號(hào)的相位來(lái)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(shí)際上就是一個(gè)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(gè)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(guò)調(diào)制后發(fā)射出去。實(shí)驗(yàn)步驟：1、BPSK調(diào)制程序設(shè)計(jì)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(duì)應(yīng)的0+1i和0-1i的復(fù)數(shù)坐標(biāo)，程序如下：圖3-1BPSK調(diào)制程序2、BPSK解調(diào)程序設(shè)計(jì)：將收到的數(shù)據(jù)挨個(gè)與標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)相減，得到一個(gè)復(fù)數(shù)，再取模得到與對(duì)應(yīng)星座點(diǎn)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(jìn)制比特流轉(zhuǎn)換為四進(jìn)制數(shù)據(jù)流，使用一個(gè)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(jìn)制到四進(jìn)制的轉(zhuǎn)換。然后按照四進(jìn)制輸出的數(shù)據(jù)流去索引一個(gè)維度為4的復(fù)數(shù)數(shù)組，其中每一個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)了一個(gè)相位，使用這個(gè)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(yù)先對(duì)應(yīng)好的數(shù)據(jù)相減，然后取模，完成求距離運(yùn)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(duì)應(yīng)的四進(jìn)制輸出數(shù)據(jù)。然后將其除以2，得到余數(shù)和商，在進(jìn)行串并變換，恢復(fù)為二進(jìn)制比特流。圖3-4QPSK解調(diào)程序5、脈沖成形濾波器程序設(shè)計(jì)將要發(fā)送的數(shù)據(jù)流與脈沖形成濾波器卷積，就是實(shí)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(shè)計(jì)匹配濾波就是將接收的信號(hào)通過(guò)匹配濾波器，從而消除碼間干擾。使接收達(dá)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(yàn)證實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)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(yùn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果基本符合要求。在BPSK收發(fā)端星座圖中，理論上應(yīng)該只有0+1i和0-1i兩個(gè)坐標(biāo)，但實(shí)際中出現(xiàn)了0.707+0.707i和-0.707+0.707i，這是由于程序運(yùn)行時(shí)的初始相位造成的，這兩個(gè)坐標(biāo)并不代表任何有用信息。此外，在實(shí)際誤碼率曲線中可以看到，當(dāng)信噪比大于17dB時(shí)，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(duì)信噪比要求較低。2、QPSK調(diào)制解調(diào)程序驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)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(yùn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果基本符合要求。在QPSK收發(fā)端星座圖中，理論上應(yīng)該只有0.707+0.707i、-0.707+0.707i、0.707–0.707i和-0.707-0.707i四個(gè)坐標(biāo)，但實(shí)際中出現(xiàn)了0+1i，這是由于程序運(yùn)行時(shí)的初始相位造成的，該坐標(biāo)并不代表任何有用信息。此外，在實(shí)際誤碼率曲線中可以看到，當(dāng)信噪比大于15dB時(shí)，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(duì)信噪比要求較低。3、更改參數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響這里主要探討的是脈沖成形濾波器對(duì)調(diào)制解調(diào)的影響。（1）升余弦成形濾波器對(duì)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(shí)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(shí)導(dǎo)致接收端誤碼性能下降，在相同信噪比的條件下，誤碼率遠(yuǎn)高于未使用升余弦脈沖成形時(shí)的BPSK調(diào)制解調(diào)。（2）升余弦成形濾波器對(duì)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(shí)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(shí)導(dǎo)致接收端誤碼性能下降，在相同信噪比的條件下，誤碼率遠(yuǎn)高于未使用升余弦脈沖成形時(shí)的QPSK調(diào)制解調(diào)。五、遇到的問(wèn)題及解決方法：實(shí)驗(yàn)中在解調(diào)端，我們?cè)诮庹{(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(lái)經(jīng)過(guò)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(gè)比特，而不是一個(gè)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(jìn)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(yuǎn)只有一個(gè)值。解決方案是將求距離也放入一個(gè)For循環(huán)中，這樣每次都能輸出一個(gè)最小索引，最后就能輸出一個(gè)比特流了。六、擴(kuò)展問(wèn)題：1、Samplespersymbol和Oversamplefactor這兩個(gè)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(hào)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(guò)采樣是使用遠(yuǎn)大于奈奎斯特采樣頻率的頻率對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣。設(shè)數(shù)字音頻系統(tǒng)原來(lái)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(guò)采樣比率，并且R>1。在這種采樣的數(shù)字信號(hào)中，由于量化比特?cái)?shù)沒(méi)有改變，故總的量化噪聲功率也不變，但這時(shí)量化噪聲的頻譜分布發(fā)生了變化，即將原來(lái)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