4G移动通信实验报告Word下载.docx
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二、实验内容
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
a
b
A方式
B方式
1
0°
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±
。
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:
DI
DQ
I路成形
-
+
Q路成形
I路调制
Q路调制
合成相位
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:
+1
-1
无
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Error!
Referencesourcenotfound.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Error!
Referencesourcenotfound.。
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
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