《移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)與實(shí)訓(xùn)》課件第4章

第四章同步、抗衰落及誤碼分析仿真實(shí)驗(yàn)八使用數(shù)字鎖相環(huán)的載波恢復(fù)仿真實(shí)驗(yàn)九Rake接收機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)十?dāng)?shù)字通信系統(tǒng)誤碼率仿真分析

實(shí)驗(yàn)八使用數(shù)字鎖相環(huán)的載波恢復(fù)仿真

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

(1)掌握通信系統(tǒng)的同步原理及其實(shí)現(xiàn)方法。

(2)掌握數(shù)字鎖相環(huán)的工作原理。

二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

(1)總結(jié)通信系統(tǒng)的同步原理及數(shù)字鎖相環(huán)的工作原理，編寫MATLAB程序仿真數(shù)字鎖相環(huán)的工作流程。

(2)觀察鎖相環(huán)的頻率及相位響應(yīng)曲線。

(3)觀察比較鎖相環(huán)鎖定前后的數(shù)據(jù)星座圖。

(4)分析仿真中觀察的數(shù)據(jù)，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。三、實(shí)驗(yàn)原理

1．同步原理

在數(shù)字通信系統(tǒng)中，同步是一個(gè)很重要的問(wèn)題。數(shù)字通信系統(tǒng)能否有效可靠工作，在很大程度上取決于是否有一個(gè)好的同步系統(tǒng)。

當(dāng)采用同步解調(diào)或相干解調(diào)時(shí)，接收端需要提供一個(gè)和發(fā)射端載波同頻、同相的本地載波，而這個(gè)本地載波的頻率和相位必須來(lái)自接收信號(hào)，或者從接收信號(hào)中提取載波同步信息。這個(gè)載波提取過(guò)程就稱為載波提取，或稱為載波同步。在數(shù)字通信中，除了有載波同步的問(wèn)題外，還存在位同步的問(wèn)題。因?yàn)樾畔⑹且淮嗬^的信號(hào)碼元的序列，解調(diào)時(shí)常需知道每個(gè)碼元的起止時(shí)刻，以便判決。例如用取樣判決器對(duì)信號(hào)進(jìn)行取樣判決時(shí)，一般均應(yīng)對(duì)準(zhǔn)每個(gè)碼元最大值的位置。因此需要在接收端產(chǎn)生一個(gè)“碼元定時(shí)脈沖序列”，這個(gè)定時(shí)脈沖序列的重復(fù)頻率要與發(fā)送端的碼元速率相同，相位要對(duì)準(zhǔn)最佳取樣判決位置。這樣的一個(gè)碼元定時(shí)脈沖序列就被稱為“碼元同步脈沖”或“位同步脈沖”，而把位同步脈沖的取得稱為位同步提取。數(shù)字通信中的信息數(shù)字流總是用若干碼元組成一個(gè)“字”，又用若干“字”組成一“句”。因此，在接收這些數(shù)字流時(shí)，同樣也必須知道這些“字”、“句”起止時(shí)刻相一致的定時(shí)脈沖序列，這被稱為“字”同步和“句”同步，統(tǒng)稱為群同步或幀同步。

此外，在有多個(gè)用戶的通信網(wǎng)中，還有使網(wǎng)內(nèi)各站點(diǎn)之間保持同步的網(wǎng)同步問(wèn)題。為了保證通信網(wǎng)內(nèi)各用戶之間可靠地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，必須要求整個(gè)數(shù)字通信網(wǎng)內(nèi)有一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)間節(jié)拍標(biāo)準(zhǔn)。同步系統(tǒng)的優(yōu)劣將直接影響通信質(zhì)量的好壞，甚至?xí)绊懲ㄐ拍芊裾９ぷ??？梢哉f(shuō)，在同步通信系統(tǒng)中，“同步”是進(jìn)行信息傳輸?shù)那疤?，正因?yàn)槿绱?，為了保證信息的可靠傳輸，要求同步系統(tǒng)應(yīng)有更高的可靠性。

以下重點(diǎn)論述載波同步的方法。

載波同步的方法有直接法(自同步法)和插入導(dǎo)頻法(外同步法)兩種。直接法不需要專門傳輸導(dǎo)頻(同步信號(hào))，而是接收端直接從接收信號(hào)中提取載波；插入導(dǎo)頻法是在發(fā)送有用信號(hào)的同時(shí)，在適當(dāng)?shù)念l率位置上插入一個(gè)(或多個(gè))稱做導(dǎo)頻的正弦波(同步載波)，接收端就利用導(dǎo)頻提取出載波。

1)直接法(自同步法)

有些信號(hào)雖然本身不包含載波分量，但對(duì)該信號(hào)進(jìn)行某些非線性變換以后，就可以直接從中提取出載波分量，這就是直接法提取同步載波的基本原理。下面介紹幾種實(shí)現(xiàn)直接提取載波的方法。

(1)平方變換法和平方環(huán)法。設(shè)調(diào)制信號(hào)為m(t)，m(t)中無(wú)直流分量，則抑制載波的雙邊帶信號(hào)為

接收端將該信號(hào)進(jìn)行平方變換后，得到式中包含倍頻分量(2wc)，用窄帶濾波器將此分量濾出，然后經(jīng)過(guò)一個(gè)二分頻電路，就能提取出載頻分量，這就是所需的同步載波。原理框圖如圖4-1所示。圖4-1平方變換法提取載波為改善平方變換的性能，可以在平方變換法的基礎(chǔ)上，把窄帶濾波器用鎖相環(huán)替代，構(gòu)成如圖4-2所示框圖，這樣就實(shí)現(xiàn)了平方環(huán)法提取載波。由于鎖相環(huán)具有良好的跟蹤、窄帶濾波和記憶性能，因此平方環(huán)法比一般的平方變換法具有更好的性能，因而得到廣泛的應(yīng)用。圖4-2平方環(huán)法提取載波

(2)科斯塔斯環(huán)法?？扑顾?Costas)環(huán)法又稱為同相正交環(huán)法。它也是利用鎖相環(huán)提取載頻，但是不需要預(yù)先做平方處理，并且可以直接得到輸出解調(diào)信號(hào)。該方法的原理方框圖如圖4-3所示。圖4-3科斯塔斯環(huán)法原理方框圖

2)插入導(dǎo)頻法(外同步法)

插入導(dǎo)頻法主要用于接收信號(hào)頻譜中沒(méi)有離散載頻分量，或即使含有一定的載頻分量，也很難從接收信號(hào)中分離出來(lái)的情況。對(duì)這些信號(hào)的載波提取，可以用插入導(dǎo)頻法。

所謂插入導(dǎo)頻，就是在已調(diào)信號(hào)頻譜中額外插入一個(gè)低功率的線譜(此線譜對(duì)應(yīng)的正弦波稱為導(dǎo)頻信號(hào))，在接收端利用窄帶濾波器把它提取出來(lái)，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)奶幚?，形成接收端的相干載波。插入導(dǎo)頻的傳輸方法有多種，基本原理相似。這里僅介紹在抑制載波的雙邊帶信號(hào)中插入導(dǎo)頻法。對(duì)于抑制載波的雙邊帶調(diào)制而言，在載頻處，已調(diào)信號(hào)的頻譜分量為零，同時(shí)對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，就可以使已調(diào)信號(hào)在載頻附近的頻譜分量很小，這樣就可以插入導(dǎo)頻，這時(shí)插入的導(dǎo)頻對(duì)信號(hào)的影響最小。圖4-4所示為插入的導(dǎo)頻和已調(diào)信號(hào)頻譜示意圖。在此方案中插入的導(dǎo)頻并不是加在調(diào)制器的那個(gè)載波，而是將該載波移相90°后的所謂“正交載波”。圖4-4插入的導(dǎo)頻和已調(diào)信號(hào)頻譜示意圖圖4-5插入導(dǎo)頻法原理方框圖載波同步系統(tǒng)的性能指標(biāo)主要有效率、精度、同步建立時(shí)間和同步保持時(shí)間。對(duì)載波同步系統(tǒng)的主要性能要求是高效率、高精度、同步建立時(shí)間快、保持時(shí)間長(zhǎng)等。

高效率是指為了獲得載波信號(hào)而盡量少消耗發(fā)送功率。在這方面，直接法由于不需要專門發(fā)送導(dǎo)頻，因而效率高，而插入導(dǎo)頻法由于插入導(dǎo)頻要消耗一部分發(fā)送功率，因而效率要低一些。

高精度是指接收端提取的同步載波與需要的載波標(biāo)準(zhǔn)比較，應(yīng)該有盡量小的相位誤差。相位誤差通常由穩(wěn)態(tài)相位誤差和隨機(jī)相位誤差組成。在同步電路中的低通濾波器和環(huán)路濾波器都是通頻帶很窄的電路。一個(gè)濾波器的通頻帶越窄，其惰性越大。也就是說(shuō)，一個(gè)濾波器的通頻帶越窄，則當(dāng)在其輸入端加入一個(gè)正弦振蕩時(shí)，其輸出端振蕩的建立時(shí)間越長(zhǎng)；當(dāng)其輸入振蕩截止時(shí)，其輸出端振蕩的保持時(shí)間也越長(zhǎng)。顯然，這個(gè)特性和對(duì)同步性能的要求是矛盾的，即建立時(shí)間短和保持時(shí)間長(zhǎng)是相互矛盾的。在設(shè)計(jì)同步系統(tǒng)時(shí)要折中考慮。

2．鎖相環(huán)的工作原理

鎖相環(huán)路是一種負(fù)反饋電路。鎖相環(huán)的英文全稱是Phase-LockedLoop，簡(jiǎn)稱為PLL，其作用是使得電路上的時(shí)鐘和某一外部時(shí)鐘的相位差同步。因鎖相環(huán)可以實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)頻率對(duì)輸入信號(hào)頻率的自動(dòng)跟蹤，所以鎖相環(huán)通常用于閉環(huán)跟蹤電路。鎖相環(huán)在工作的過(guò)程中，當(dāng)輸出信號(hào)的頻率與輸入信號(hào)的頻率相等時(shí)，輸出電壓與輸入電壓保持固定的相位差值，即輸出電壓與輸入電壓的相位被鎖住，這就是鎖相環(huán)名稱的由來(lái)。

鎖相環(huán)路是一個(gè)相位反饋?zhàn)詣?dòng)控制系統(tǒng)。它由鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LPF)、壓控振蕩器(VCO)等3個(gè)基本部件組成，如圖4-6所示。圖4-6鎖相環(huán)的原理框圖鎖相環(huán)的工作流程如下：

(1)壓控振蕩器的輸出經(jīng)過(guò)采集并分頻；

(2)和基準(zhǔn)信號(hào)同時(shí)輸入鑒相器；

(3)鑒相器通過(guò)比較上述兩個(gè)信號(hào)的相位差，形成一個(gè)誤差信號(hào)，然后經(jīng)低通濾波器(LPF)輸出一個(gè)直流電壓；

(4)該直流電壓控制VCO，使它的頻率改變。

這樣經(jīng)過(guò)一個(gè)很短的時(shí)間，VCO的輸出就會(huì)穩(wěn)定于某一期望值。鎖相環(huán)可用來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出和輸入兩個(gè)信號(hào)之間的相位差同步。當(dāng)沒(méi)有基準(zhǔn)(參考)輸入信號(hào)時(shí)，環(huán)路濾波器的輸出為零(或?yàn)槟骋还潭ㄖ?，這時(shí)，壓控振蕩器按其固有頻率fv進(jìn)行自由振蕩。當(dāng)有頻率為fR的參考信號(hào)輸入時(shí)，uR和uv同時(shí)加到鑒相器進(jìn)行鑒相。如果fR和fv相差不大，鑒相器對(duì)uR和uv進(jìn)行鑒相的結(jié)果，輸出一個(gè)與uR和uv的相位差成正比的誤差電壓ud，再經(jīng)過(guò)環(huán)路濾波器濾去ud中的高頻成分，輸出一個(gè)控制電壓uc，uc將使壓控振蕩器的頻率fv(和相位)發(fā)生變化，朝著參考輸入信號(hào)的頻率靠攏，最后使fv?=?fR，環(huán)路鎖定。環(huán)路一旦進(jìn)入鎖定狀態(tài)后，壓控振蕩器的輸出信號(hào)與環(huán)路的輸入信號(hào)(參考信號(hào))之間只有一個(gè)固定的穩(wěn)態(tài)相位差，而沒(méi)有頻差存在。這時(shí)就稱環(huán)路已被鎖定。環(huán)路的鎖定狀態(tài)是對(duì)輸入信號(hào)的頻率和相位不變而言的。若環(huán)路輸入的是頻率和相位不斷變化的信號(hào)，而且環(huán)路能使壓控振蕩器的頻率和相位不斷地跟蹤輸入信號(hào)的頻率和相位變化，則這時(shí)環(huán)路所處的狀態(tài)稱為跟蹤狀態(tài)。

鎖相環(huán)路在鎖定后，不僅能使輸出信號(hào)頻率與輸入信號(hào)頻率嚴(yán)格相位差同步，而且還具有頻率跟蹤特性，所以它在電子技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用。

鎖相環(huán)穩(wěn)定后，鑒相器兩個(gè)輸入頻率是相同的，相位差保持恒定。四、實(shí)驗(yàn)步驟

(1)預(yù)習(xí)通信系統(tǒng)同步原理及鎖相環(huán)工作原理，獨(dú)立畫出鎖相環(huán)原理方框圖。

(2)根據(jù)系統(tǒng)方框圖，確定仿真思路，畫出仿真流程圖。

(3)編寫MATLAB程序并上機(jī)調(diào)試。

(4)觀察并分析各階段波形、數(shù)據(jù)。

(5)修改相關(guān)參數(shù)，觀察鎖相環(huán)恢復(fù)載波的能力。

(6)撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

五、思考題

使用科斯塔斯環(huán)直接對(duì)2PSK信號(hào)進(jìn)行相干解調(diào)時(shí)，為什么會(huì)出現(xiàn)相位模糊現(xiàn)象？該如何解決？

實(shí)驗(yàn)九Rake接收機(jī)仿真

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

(1)了解Rake接收機(jī)的原理。

(2)分析比較3種不同合并算法的性能。

二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

(1)編寫MATLAB程序，實(shí)現(xiàn)Rake接收機(jī)。

(2)修改信噪比，觀察3種合并算法的誤碼率。三、實(shí)驗(yàn)原理

移動(dòng)通信系統(tǒng)工作在VHF和UHF兩個(gè)頻段(30～3000MHz)，電波以直射方式(即“視距”方式)在靠近地球表面的大氣中傳播。由于低層大氣并非均勻介質(zhì)，會(huì)產(chǎn)生折射和吸收現(xiàn)象，而且傳輸路徑上遇到的各種障礙物(如山、高樓、樹等)還可能發(fā)生反射、繞射和散射等，到達(dá)接收方的信號(hào)可能來(lái)自不同的傳播路徑。移動(dòng)通信的信道是典型的多徑衰落信道，如圖4-7所示。圖4-7多徑傳播示意圖多徑傳播將引起接收信號(hào)中脈沖寬度擴(kuò)展，稱為時(shí)延擴(kuò)展。時(shí)延擴(kuò)展的時(shí)間可以用第一個(gè)碼元信號(hào)至最后一個(gè)多徑信號(hào)之間的時(shí)間來(lái)測(cè)量。時(shí)延擴(kuò)展會(huì)引起碼間串?dāng)_，嚴(yán)重影響數(shù)字信號(hào)的傳輸質(zhì)量。

分集技術(shù)是克服多徑衰落的一個(gè)有效方法，其包括頻率分集、時(shí)間分集、空間分集和極化分集。它的基本原理是接收端對(duì)多個(gè)攜帶有相同信息但衰落特性相互獨(dú)立的多徑信號(hào)合并處理之后進(jìn)行判決，從而將“干擾”變?yōu)橛杏眯畔?，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。本仿真采用在CDMA系統(tǒng)中廣泛使用的Rake接收技術(shù)，且為時(shí)間分集。因?yàn)楫?dāng)傳播時(shí)延超過(guò)一個(gè)碼片周期時(shí)，多徑信號(hào)實(shí)際上可看成是互不相關(guān)的。Rake接收機(jī)采用一組相關(guān)接收機(jī)，分布于每條路徑上，各個(gè)接收機(jī)與同一期望信號(hào)的多徑分量之一相關(guān)，根據(jù)各個(gè)相關(guān)輸出的相對(duì)強(qiáng)度加權(quán)后合成一個(gè)輸出。根據(jù)加權(quán)系數(shù)的選擇原則，有3種合并算法：選擇式合并、等增益合并和最大比合并。

選擇式合并是檢測(cè)接收到的多徑信號(hào)，挑選其中信噪比最大的一徑作為輸出；等增益合并是將接收的多徑信號(hào)按照相等的增益系數(shù)，同相相加后作為輸出；最大比合并是按照適當(dāng)?shù)脑鲆嫦禂?shù)，同相相加后作為輸出。在不同的噪聲環(huán)境中，三種合并算法的效果不同。

Rake接收機(jī)的相關(guān)器的原理圖如圖4-8所示。圖4-8Rake接收機(jī)的相關(guān)器的原理圖圖4-9Rake接收機(jī)的原理框圖四、實(shí)驗(yàn)步驟

(1)畫出仿真程序流程圖。

(2)運(yùn)行MATLAB開發(fā)環(huán)境，編寫程序。

(3)運(yùn)行程序，觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

(4)分別修改擴(kuò)頻因子、信噪比、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、功率因子等參數(shù)，觀察并比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

(5)畫出Rake接收機(jī)的性能曲線并分析原因。

五、思考題

(1)本仿真采用三徑支路，實(shí)際系統(tǒng)中徑數(shù)要多得多，是否徑數(shù)越多越好？

(2)三種合并算法哪個(gè)最佳？實(shí)驗(yàn)十?dāng)?shù)字通信系統(tǒng)誤碼率仿真分析

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

(1)掌握幾種典型數(shù)字通信系統(tǒng)誤碼率的分析方法。

(2)掌握誤碼率對(duì)數(shù)字通信系統(tǒng)的影響及改進(jìn)方法。

二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

(1)編寫MATLAB程序，以QAM系統(tǒng)為例進(jìn)行誤碼率的仿真。

(2)觀察不同噪聲及噪聲大小對(duì)誤碼率的影響。

(3)分析影響誤碼率變化的因素并提出解決方法。

(4)將分析方法推廣到其他通信系統(tǒng)并撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。三、實(shí)驗(yàn)原理

1．?dāng)?shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)

通信的任務(wù)是傳遞信息，因此信息傳輸?shù)挠行院涂煽啃允峭ㄐ畔到y(tǒng)最主要的質(zhì)量指標(biāo)。有效性是指在給定信道內(nèi)能傳輸?shù)男畔?nèi)容的多少，而可靠性是指接收信息的準(zhǔn)確程度。為了提高有效性，需要提高傳輸速率，但是可靠性隨之降低。因此有效性和可靠性是相互矛盾的，又是可交換的?？梢杂媒档陀行缘霓k法提高可靠性，也可以用降低可靠性的辦法提高有效性。

1)傳輸速率

數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性通常用信息傳輸速率來(lái)衡量。當(dāng)信道一定時(shí)，傳輸速率越高，有效性就越好。傳輸速率有以下3種定義。

(1)碼元速率(Rs)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)傳輸?shù)拇a元數(shù)目，單位是波特(Baud)，因此又稱為波特率；

(2)信息速率(Rb)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)傳輸?shù)男畔⒘?比特?cái)?shù))，單位是比特/秒(bit/s)，因此又稱為比特率；

(3)消息速率(RM)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)傳輸?shù)南?shù)目。對(duì)于M進(jìn)制通信系統(tǒng)，碼元速率與信息速率的關(guān)系為

這里，lb即log2。

特別說(shuō)明的是，在二進(jìn)制數(shù)字通信系統(tǒng)中，信源的各種可能消息的出現(xiàn)概率相等時(shí)，碼元速率和信息速率相等。在實(shí)際應(yīng)用中，通常默認(rèn)這兩個(gè)速率相等，所以常常簡(jiǎn)單地把一個(gè)二進(jìn)制碼元稱為一個(gè)比特。

所以，當(dāng)M比較大時(shí)，誤比特率為

2．相干解調(diào)時(shí)的誤碼率

相干解調(diào)需要在接收端產(chǎn)生用于相干的參考載波信號(hào)，其一般模型如圖4-10所示。圖4-10相干解調(diào)的一般模型設(shè)接收信號(hào)為

與同頻同相相干載波相乘后，得

經(jīng)低通濾波后，得在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常把相干解調(diào)與最佳接收混為一談。確切地說(shuō)，只有當(dāng)相干解調(diào)中的濾波器嚴(yán)格按照匹配濾波器的要求來(lái)設(shè)計(jì)時(shí)，才是真正的最佳接收。由通信原理知識(shí)可知，在匹配濾波器條件下求得的二進(jìn)制調(diào)制的最小誤比特率為

其中，Q函數(shù)的定義為為相關(guān)系數(shù)，取值范圍為，取決于發(fā)送的信號(hào)s1(t)和s2(t)的相似程度，即

Es1、Es2分別為s1(t)和s2(t)在內(nèi)的能量。

下面分析幾種典型的二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)在相干解調(diào)時(shí)的誤碼率。對(duì)于2PSK信號(hào)，有

可求出ρ