无线通信技术课程设计

1《无线通信》课程设计报告小组学号组长同组成员指导教师完成时间2实验一、DQPSK和GMSK信号调制实验一、实验目的：了解GRC的信号处理模块、流程图及其使用方法了解DPSK、DQPSK调制解调原理了解GMSK调制解调原理观察DPSK、DQPSK信号分别通过AWGN信道情况下的星座图失真情况二、实验设备：PC两台、RFX2400USRP1两台三、实验内容：1.了解grc的基本操作方法，要求仿真的流程中信号调制方式使用DPSK、DQPSK。2.通过单机实验和GnuRadio+USRP的实验两种实验方式进行仿真。3.比较同一调制方式，在不同SNR下的误码率，并且分析结果。4.画出信号通过信道前后的时域波形图、频谱图、星座图、比较两者的不同并且分析原因。5.画出不同信噪比情况下的星座图，解释其对于误码率的影响。四、实验原理：1、DQPSK：DQPSK调制原理是利用载波的四种不同相位来表示输入的数字信息，也就是四进制相位键控，它规定了四种调制相位：/4,3/4,3/4,/4。所以需要将二进制数字序列中的数据划分为每两个比特为一组，也就是有00,01,10和11四种情况，经过差分编码后，分别对应上面的四个相位，其具体对应关系如表1所示。而调制之后的符号星座图的相位路径转换图如图2.1所示。解调端根据星座图和载波相位来判断发送端发送的信息数据。表1相位转换二进制比特1二进制比特2相位11+/401+3/400-3/410-/43lmπ/43π/4Re-π/4-3π/4调制符号星座图和可能变换路径2、GMSK：将基带信号经过高斯滤波器之后，再进行MSK（MinimumShiftKeying）即最小频移键控调制，从而形成调制信号的过程教叫做GSMK（GaussianFilteredMinimumShiftKeying）即高斯滤波最小频移键控调制。它具有良好的频谱和功率特性。高斯滤波原始数据i经过高斯滤波器之后的响应可由下式来表示：()()*igtht其中，调频指数1/2h，意味着对应调制数据源ka，一个码元内的最大相移为/2。下式为GMSK调制符号表达式。002()cos(2())cExtfttT五、实验步骤和结果分析。1.DQPSK实验1.1单机实验(1)实验框图：(2)不同信噪比下的误码率。4下面这些图是在保证其他参数不变的条件下，通过逐渐增大噪声的幅度值，即不断减小信噪比SNR，观测到的误码率数值。我们发现，随着信噪比的不断减小，误码率的值不断增加。噪声幅度Amplitude=0.18噪声幅度Amplitude=0.20噪声幅度Amplitude=0.25噪声幅度Amplitude=0.305同时，我们还发现问题，就是噪声幅度的取值必须在一定的范围内才能够观测到误码率的取值，比如本实验中，当噪声幅度Amplitude≤0.17时，我们观察到的误码率为0；当噪声的幅度Amplitude≥0.32时，我们观察到的误码率为none。（3）信号通过信道前后的时域波形图：信号通过信道前后的频谱图：信号通过信道前后的星座图我们观察上面的图形发现：信号在经过信道以后的时域波形较之原来发生了失真，而频谱图的主瓣也有较大衰减，星座图与信号在经过信道前的情况相比也一定程度上偏离了理想点。我们分析，信号在经过信道前后变化的原因主要是信道中存在高斯噪声，而且噪声的幅度越大，经过信道后的信号波形失真越严重，频谱衰减越厉害。（4）不同信噪比情况下的星座图：6下面是在保持其他参数不变的情况下，通过不断增加噪声的幅度，即不断减小SNR的值，观察到的信号经过信道后的星座图。分析结果：噪声对信号的影响很大，噪声幅度越大，引起的损伤越大，符号点相对于中心点随机向外扩散的越严重。即符号点相对集中的时候，误码率较小；反之，符号点相对分散的时候，误码率较大。1.2双机实验(1)发送框图：接收框图：7(2)误码率：分析：实验中，我们通过不断调整信号的增益，以此改变SNR，来观察误码率的变化。我们发现，随着SNR的取值变大，BER也在变大。(3)信号经过信道前后的时域波形图：信号经过信道前后的频谱图：8信号经过信道前后的星座图：我们观察上面的图形发现：与单机实验类似，信号在经过信道以后的时域波形较之原来发生了比较大的失真，而频谱图的主瓣也有一定程度的衰减，经过信道后的信号的星座图的符号点一定程度上偏离了理想点。我们分析，信号在经过信道前后变化的原因主要是信道中存在高斯噪声，而且噪声的幅度越大，经过信道后的信号波形失真越严重，频谱衰减越厉害，星座图符号点扩散越严重。（4）不同信噪比下的星座图：图a图b9图c图d分析：上图为不同信噪比情况下的星座图，图a到图d显示的是随着信噪比的减小（通过改变发送模块的增益值），星座图符号点随机分布情况更加分散。同时，误码率增加。2.GMSK调制实验2.1单机实验(1)实验框图：(2)不同信噪比下的误码率：10Amplitude=0.1Amplitude=0.12Amplitude=0.13Amplitude=0.15分析：以上这些图是在保证其他参数不变的条件下，通过逐渐增大噪声的幅度值，即不断减小信噪比SNR，观测到的误码率数值。我们发现，随着信噪比的不断减小，误码率的值不断11增加。同DQPSK的实验，这个实验在调整噪声的幅度值时，同样是有一定的取值范围。只有当Amplitude的取值在0.1到0.15之间时，才能观测到误码率的取值。（3）信号经过信道前后的时域波形图：信号经过信道前后的频谱图：信号经过信道前后的星座图：结果分析：我们观察上面的图形发现：信号在经过信道以后的时域波形较之原来发生了失真，而频谱图的主瓣也有较大衰减，星座图与信号在经过信道前的情况相比也一定程度上偏离了理想点。我们分析，信号在经过信道前后变化的原因主要是信道中存在高斯噪声，而且噪声的幅度越大，经过信道后的信号波形失真越严重，频谱衰减越厉害。（4）不同信噪比情况下的星座图：12分析结果：噪声影响信号的信噪比，噪声幅度越大，信噪比越小，引起的损伤越大，符号点相对于中心点随机向外扩散的越严重。即符号点相对集中的时候，误码率较小；反之，符号点相对分散的时候，误码率较大。2.2双机实验(1)发送框图：接收框图：13(2)信号经过信道前后的时域波形图：信号经过信道前后的频谱图：信号经过信道前后的星座图：14我们观察上面的图形发现：信号在经过信道以后的时域波形较之原来发生了失真，而频谱图的主瓣也有较大衰减，星座图与信号在经过信道前的情况相比也一定程度上偏离了理想点。我们分析，信号在经过信道前后变化的原因主要是信道中存在高斯噪声，而且噪声的幅度越大，经过信道后的信号波形失真越严重，频谱衰减越厉害。(3)不同信噪比的星座图：实验结论同上述DQPSK。即随噪声增加，信噪比降低，星座图符号点随机分散情况更加严重，同时误码率也增加。六、实验中遇到的问题及体会从开始对新软件的一无所知，到渐渐熟悉，再到后来能够熟练掌握基本流程，我们都从中学到了很多。在实验过程中我们遇到了不少的问题，一开始甚至连如何进入软件都不会，后来在画流程图时很多模块的参数设置只能完成按照实验指导书设置，导致实验进展缓慢，特别是双机实验一直没能顺利开展。多亏了助教的耐心细致讲解才使我们突破了一个又一个障碍。比如双机实验时需要键入命令sudogrc而不是单纯的grc，这样可以提高用户权限以使用usrp进行实验，同时，usrp不能完全按照指导书上的参数设置，接收端usrp的Decimation(采样率)应设置为发端的一半，这是由于硬件所决定的，还有在使用GMSK解调模块时，Samples应该大于等于2等等,其中最恼人的还是各个模块间类型不匹配的问题，后来我们熟记了不同数据类型对应的颜色，再加上熟能生巧使得实验效率明显提高。这次无线通信课程设计锻炼了我们彼此间沟通配合的能力，更培养了我们严谨求实的科研精神，使我们受益匪浅。15实验二、卷积码一、实验目的：1.了解grc仿真中的信号处理模块、流程图以及使用方法2.了解卷积码的基本原理3.了解GunRadio实现信道编码的方法4.了解不同SNR对于误码率的影响5.了解卷积码对于误码率的影响6.了解不同的卷积码对于误码率的影响二、实验设备：PC两台、RFX2400USRP1两台三、实验要求：1.了解Grc的基本操作方法，要求仿真的流程中信道编码部分使用卷积编码。2.通过单机实验和GnuRadio+USRP的实验两种实验方式进行仿真。3.搭建有信道编码与无信道编码的Grc仿真模型。4.比较上述两种情况下的误码率，并且分析结果。5.比较不同的卷积码对于误码率的影响，并且分析结果(比较(2,1,3)码与(2,1,8)码的性能)。四、实验原理：卷积码将k个信息比特编码成n个比特，但k和n通常很小，特别适合以串行形式进行传输，时延小。与分组码不同，卷积码编码后的n个码元不仅与当前段的k个信息有关，还与前面的N-1段信息有关，编码过程中互相关联的码元个数为nN。卷积码的纠错性能随N的增加而增大，而差错率随N的增加而指数下降。卷积码的纠错能力不仅与约束长度有关，还与采用的译码方式有关。GRC提供译码方式是维特比译码，它是卷积码译码方式中非常经典的以及广泛使用的一种译码方式。该实验可以考察编码前后数据有什么变化，译码后能不能恢复原来数据，通过NumberSink考察加噪声后误码率怎么样，对性能有什么提高，并且划出BER图形。五、实验步骤及结果分析：1、单机实验：1.1以（2，1，3）卷积码为信道编码，用DBPSK进行调制。实现框图：16（2，1，3）卷积码单机实验框图首先是VectorSource，即信源，我们设置的数据是1，0，0，1，1。然后是Throttle限流模块。接下来是Packed_to_Unpakce模块，它将pack成byte或short型的数据以unpacked型的数据输出。然后就是卷积码编码模块，这里需要注意的是路径选择。接下来模块为Packet_encoder，然后便是调制模块DBPSKMod，我们使用的便是DPSK调制。在噪声模块中可以设置噪声大小，我们可以通过改变噪声大小观察其解码误码率大小，来分析卷积码的抗干扰能力。下面模拟的就是接收端，首先是DPSKdemod模块，相应于DPSK编码模块，这个模块进行解码。Packet_decoder相应于Packet_encoder。然后需要加上一个模块ChunkstoSymbols，用于后面的映射。接下来便是维特比译码模块，我们选择了一个将两个模块合二为一的模块，其中维度设置为1，映射与前一模块相同，路径与卷积码编码时路径相同。然后是Unpacked_to_Packed，将unpacked的数据（bit）以byte或short型的数据输出。接下来就是将发送的数据输入到ErrorRate的ref端，将解调译码之后的数据输入到in端，通过ErrorRate模块进行误码率的计算，并将结果存到一个file中，设置好它的路径和名称用于后面画图使用。最后一个模块是NumberSink，主要用于显示数据的具体数值，可用于计算误码率时显示误码率的时候等。运行结果：17上图显示的分别为信号源及信宿（通过编码、调制、信道、解调、译码等一过程）的时域波形，通过观察完全一致，符合我们所设置的矢量源。接下来我们观测了其误码情况。本次实验中，通过（2，1，3）卷积码以及DBPSK调制解调之后，其误码率为0.251Unit。1.2以（2，1，8）卷积码为信道编码，用DBPSK进行调制。实现框图：18（2，1，8）卷积码单机实验框图相比（2，1，3）卷积码单机框图，只需要修改码型及路径。其余一致。运行结果19同理，上图显示的分别为信号源及信宿（通过编码、调制、信道、解调、译码等一过程）的时域波形，通过观察也完全基本一致，符合我们所设置的矢量源。通过前后的时域波形，很难比较它与（2，1，3）卷积码的性能。不过通过观察误码率，（2，1，8）卷积码的误码率，其大小为0.091Unit，相对于（2，1，3）码其性能有所