4G移动通信实验报告

湖北文理学院4G移动通信课程实验报告学院专业班级学号姓名任课教师实验一：通用软件无线电平台与QPSK无线传输系统一、实验目的1.掌握XSRP无线传输Matlab形式接口的使用方法。2.掌握真实FM信号的解调处理方法3.掌握QPSK调制的原理及实现方法。4.掌握QPSK解调的原理及实现方法。二、实验内容1.掌握XSRP无线传输Matlab形式接口的使用方法。2.掌握真实FM信号的解调处理方法3.分别采用数字键控法、模拟相乘法QPSK调制，观测QPSK调制信号波形。4.采用相干解调法QPSK解调。三、实验仪器1.安装有XSRP系统软件的PC机。2.XSRP系统软件加密狗。3.XSRP硬件。4.示波器。四、实验原理FM接收机FM的原理是以载波的瞬时频率变化来表示信息，可以使用一个频率偏移来精确地模拟相位随时间的变化，而从IQ中得到相位信息是很容易的。FMSignal=sine（carrierfrequency+∫0tmessagesignaldt）下划线部分即为相位信息，而对于以IQ形式采集的调频电台信号，可以很方便地获得相位信息，将IQ构成的复数转换为polar极坐标形式即可获得。然后我们利用积分的逆过程即微分就可以获得原来的信号。但是当相位在-180度至180度范围内变化时，还存在一个相位不连续问题。为了解决这个问题，我们可以把相位增加360度的倍数使得相位变化连续，即进行相位展开。五、实验步骤首先，打开实验目录1.7.4,呈现如图30.1界面。图30.1FM接收机实验界面FM实验打开后，FM解码过程就开始了，但由于未配置合适的接收频率，解出的信号完全为噪声。因此在开始实验前，需要对RF进行配置，将RF接收频率配置到目标频率，如106.4MHz，示意图如图30.2。确认配置成功。图30.2射频参数配置之后在界面上点击右键，选择右键菜单中的“显示后面板”，我们可以看到该实验的源程序，如图30.3。图30.3功能实现源码拖动水平滚动条，可以调整显示区域至合适位置。可以看到，实现FM接收机，主要通过几个步骤完成：1）通过GSM_IQ_Send_Rcv.vi这个函数获取IQ数据2）通过ComplextoPolarWaveform.vi将IQ复数转为极坐标形式获取相位信息3）通过UnwrapPhase-Continuous.vi实现相位连续展开4）通过Differentiate-Continuous.vi对相位数据进行微分还原FM消息5）通过ResampleWaveform.vi将还原的FM消息重采样至声卡可接受的速率6）对于GSM_IQ_Send_Rcv.vi，函数接口示意图如图30.4所示。图30.4GSM_IQ_Send_Rcv.vi接口说明GSM_IQ_Send_Rcv.vi实现IQ数据的收发，在FM功能中，将采集配置设备为连续时隙连续采集，则可以实现IQ数据的连续接收。函数的具体用法，参见函数的使用文档。图30.5UnwrapPhase-Continuous.vi接口说明图30.6Differentiate-Continuous.vi接口说明图30.7ResampleWaveform.vi接口说明最后，被重采样的FＭ解调信号送声卡进行播放，用户即可收听FM广播。需要说明的是，XSRP所采集的空口FM信号一般来说特别弱，信噪比不利于解码，即使解出来，噪音的成分特别重，几乎听不清FM消息。在进行此实验时，强烈建议用户使用FM发射机。如图30.8，XSRP采集信号源发射的扫频信号，IQ呈现为恒包络信号，而解出来FM消息为正弦波信号。图30.8XSRP接收到良好质量的FM信号并解调最后，点击界面的结束按钮，结束当前实验。QPSK调制调制解调QPSK（QuadraturePhaseShiftKeying，正交相移键控）又叫四相绝对相移调制，利用载波的四种不同相位来表征数字信息。我们把组成双比特码元的前一信息比特用a代表，后一信息比特用b代表。双比特码元中两个信息比特ab通常是按格雷码排列的，它与载波相位的关系如表所示，矢量关系如表格16.1所示。图（a）表示A方式时QPSK信号的矢量图，图（b）表示B方式时QPSK信号的矢量图。双比特码元载波相位abA方式B方式011000110°90°180°270°225°315°45°135°表格16.1双比特码元与载波相位关系由图16.1可知，QPSK信号的相位在（0°，360°）内等间隔地取四种可能相位。由于正弦和余弦函数的互补特性，对应于载波相位的四种取值，比如在A方式中为0°、90°、180°、270°，则其成形波形幅度有三种取值，即±1、0；比如在B方式中为45°、135°、2250、315°，则其成形波形幅度有两种取值，即±2/2。图16.1QPSK信号矢量图QPSK信号地产生方法与2PSK信号一样，也可分为调相法和相位选择法。实验中用调相法产生QPSK调制信号的原理框图如图16.2所示。图16.2QPSK调制调相法原理框图下面以B方式的QPSK调制为例，讲述QPSK信号相位的合成原理。上图中，输入的二进制序列，即信号源模块提供的NRZ码，先经串/并转换分为两路并行数据DI和DQ。I路成形和Q路成形信号分别与同相载波及其正交载波乘法器相乘进行二相调制，得到I路调制和Q路调制信号。将两路调制信号叠加，即I路调制与Q路调制信号加法器相加，得QPSK调制信号输出。QPSK信号相位编码逻辑关系如表格16.2所示：DI0011DQ0101I路成形－2/2－2/2＋2/2＋2/2Q路成形－2/2＋2/2－2/2＋2/2I路调制180°180°0°0°Q路调制180°0°180°0°合成相位225°135°315°45°表格16.2QPSK信号相位编码逻辑关系（B方式）同理，根据A方式QPSK信号的矢量图，有相位编码逻辑关系表如表格16.3所示：DI0011DQ0101I路成形+100-1Q路成形0-1+10I路调制0°无无180°Q路调制无180°0°无合成相位0°270°90°180°表格16.3QPSK信号相位编码逻辑关系（A方式）上表中，“无”表示乘法器相乘后无载波输出。另外，因为Q路与I路是正交的，所以Q路的0°相位相当于合成相位的90°，Q路的180°相位相当于合成相位的270°。2、QPSK解调由于QPSK可以看作是两个正交2PSK信号的叠加，故它可以采用与2PSK信号类似的解调方法进行解调，即由两个2PSK信号相干解调器构成，其原理框图如图16.3所示：图16.3QPSK解调原理框图上图中，QPSK调制信号与输入的两路正交的相干载波SIN和COS分别乘法器相乘，得I路解调和Q路解调信号。两路解调信号分别经双二阶低通滤波器得I路滤波和Q路滤波信号。两路滤波信号分别经电压比较器与不同的直流电平比较，比较结果分别送入CPLD中抽样判决再数据还原，得DI和DQ信号。DI和DQ信号最后并/串转换，恢复成串行数据输出。一、实验步骤1、固定数据输入，观测并记录波形1)将数据类型配置为01交替，数据长度配置为10，不勾选添加噪声。点击“开始仿真”按钮。双击原理框图上流程分支的探针图标，参考实验原理逐个观测、分析并记录调制过程点的波形，各个探针位置如错误!未找到引用源。中红色标识所示，将观测得到的波形保存为图片。2）将数据类型配置为01交替,数据长度配置为10，不勾选添加噪声。双击解调原理框图上流程分支的探针图标，逐个观测、分析并记录调制过程点的波形，解调过程波形探测点波形所示，并将波形结果保存为图片。进行波形观测实验时，数据类型可以改变为其它类型。如果进行实验时，XSRP设备与上位机连接正常，则可以选择将波形输出到示波器进行观测。XSRP设备支持将波形输出到CH1和CH2。如果上位机未连接XSRP设备，例如当前软件工作在虚拟实验室环境，则输出到示波器显示波形的功能无法使用，按钮为灰色禁用状态。2、改变基带数据类型为固定数据类型，修改相位偏转方式观察并记录星座图变化1)将数据类型配置为固定数据类型,相位偏转方式选择“A方式”，数据长度配置为10，如图16.4所示。图16.4数据配置2)记录数据源并观察“A方式”星座图，如图16.5和图16.6所示。图16.5数字基带信号图16.6A方式星座图3）修改相位偏转方式，观察星座图。3、改变基带数据类型，修改噪声参数，观测并记录波形1)改变数据类型配置,将数据类型配置为10交替,数据长度配置为10，勾选添加噪声,默认信噪比为10dB，如图16.7所示。图16.7数据配置点击“实验现象”铵钮，切换到波形显示页面，观察“已调信号”、“乘相干载波后信号”，应叠加有噪声信号。将下拉条拉至底部，观察“解调时域”波形，应为10序列，如图16.8。图16.8加噪后信号变化逐步降低信噪比配置参数，观察“解调信号时域”波形，直至解调信号时域波形出现异常值（与“基带信号时域”不一致时），在实验报告中记录该信噪比值，并记录解调出现误码的波形。如图16.9为一种异常值示例。图16.9解调无线误码信号4、编写调制解调框图中的部分程序（QPSK_sample_judge.m）1)进行本节实验前，需要将当前模式配置为编程练习模式，如错误!未找到引用源。。用户将收到提示，如图16.10点击继续进行确认，确认后软件主程序将重载当前实验。图16.10确认切换实验模式2)重载实验完成后，实验将进入编程练习模式。如图16.11所示。图16.11重载后更新当前模式练习模式对程序设置有错误通过双击原理框图中的彩色模块，切换到代码浏览界面，对代码逐个进行检视。发现代码有一处错误，位于QPSK_sample_judge.m，需要编辑代码的区域，以%TODO开始，以%ENDTODO结束。根据实验原理，将代码补充完整。点击开始仿真按钮，如果编译有错误会弹出如图16.12的类似的错误提示，图16.12实验代码运行出错提示重载实验完成后，再次点击“开始仿真”按钮。如果软件没有提示错误，进入下一步骤，否则继续修改代码。注意软件未提示出错时，仅表示程序达到了可运行的条件，并不表示编程一定正确！3)点击“实验现象”铵钮，切换到实验波形显示界面，双击“基带信号时域”，拉动下拉条到底部，双击“解调信号时域”，在复合信号显示框中，显示输入信号与解调信号，如图16.13所示，图16.13输入输出信号对比２、实验功能扩展1）采用映射的方法生成IQ信号，示例代码如下：symbol_len=length(a)/2;temp=1/(2^0.5);QPSK_table=temp*[(1+1i),(1-1i),(-1+1i),(-1-1i)];forkkk=1:symbol_lentemp=a(1,(2*kkk-1))*2+a(1,(2*kkk))+1;mod_data(1,kkk)=QPSK_table(temp);endplot(mod_data,*);2）运行后星座图结果如图16.14。图16.14映射星座图二、实验思考题QPSK信号相较于DPSK有什么优势？DPSK差分相移键控DifferentialPhaseShiftKeying的缩写：用于光传输系统中对DPSK调制信号的接收解调。DPSK是一个1Bit延迟器，输入一个信号，可以得到两路相差一个比特的信号，形成信号对DPSK信号进行相位解调，实现相位到强度的转化。QPSK正交相移键控（QuadraturePhaseShiftKeyin，QPSK）：分为绝对相移和相对相移两种。由于绝对相移方式存在相位模糊问题，所以在实际中主要采用相对移相方式DQPSK。目前已经广泛应用于无线通信中，成为现代通信中一种十分重要的调制解调方式。中国的3G制式（CDMA2000，WCDMA,TD-SCDMA）均在下行链路上采用QPSK调制。1.绘制调制和解调的实现框图。2.绘制实验步骤（一）要求的波形。数字基带信号I路信号Q路信号I路调制信号Q路调制信号已调信号I路载波提取后信号Q路载波提取后信号I路低通滤波后信号Q路低通滤波后信号I路抽样判决后信号Q路抽样判决后信号解调信号3.绘制实验