标准实验报告七 无线收发综合实验Word格式.docx

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理想的软件无线电台是对天线接收的模拟信号经过放大后直接采样，实现完全的可编程性，其后所有的信号处理，包括下变频混频、带通滤波、载波提取、IQ（同相与正交）解调、低通滤波、位同步提取、信道编码、信源编码、加密等，全部由A/D转换器之后的DSP芯片处理。

可见理想的软件无线电台可实现完全的可编程性，因此可以实现通信中的各种调制方式，完全可以根据要求实现FDMA（频分多址接入）、TDMA（时分多址接入）和CDMA（码分多址接入）等各种多址方式。

在软件无线电系统的设计中，射频往往会成为性能的瓶颈，必须对射频前端有很清楚的认识，才能以相对低的造价实现相对容易的数字信号处理。

2、射频电路基础知识

目前，射频（RF）电路主要用于通信系统中，如：

手机（CellPhone），无线局域网（WirelessLAN），无线广播系统（电视和收音机）等；

但也有其它方面的应用：

如雷达探测系统用远距离探测试,微波炉利用微波功率来加热食物。

射频通信系统包括收发信机、天线设备、输入输出设备。

射频发送设备的功能是将所要发送的信息（又称基带信号）经调制将频谱搬移到射频上，经过高频放大到额定功率后，馈送到天线发送到空间去。

接收机的作用是将发送装置发送的高频信号还原为消息或基带信号，最终完成通信全过程。

无线通信中的射频单元框图如图1所示。

图1射频单元框图

射频通信系统中，接收机主要有以下重要性能指标：

噪声系数：

定义为接收机输入信噪比和输出信噪比的比值，表达式为：

（7.1）

噪声系数表征接收机内部噪声的大小。

对于一个多级级联系统的噪声系数为:

（7.2）

其中

为第n级的噪声系数，Gn为第n级的增益，n=l，2，3…。

灵敏度：

接收机的灵敏度表征了接收机接收微弱信号的能力。

灵敏度越高，则其所接收的信号就越弱。

定义为：

（7.3）

其中:

S为接收机灵敏度；

NF为接收机噪声系数；

B为中频带宽；

Ksn为检测信号所需的信噪比；

Km为调制特性函数，与信号的调制类型有关。

动态范围：

动态范围表示接收机正常工作时，所允许的输入信号的强度变化范围。

所允许的最小输入信号强度通常取最小可检测信号MDS，所允许的最大输入信号强度则根据正常工作要求的1dB压缩来定。

ldB压缩点是指当输出功率与线性时相比减小ldB，或转换损耗增加ldB的点，其对应的输入功率称为输入ldB压缩点，用PD表示，实际的输出响应功率为输出ldB压缩点，用P1dB

表示。

因此我们可以得到:

P1dB=PD+G－1dB（7.4）

最小可检测信号为：

MDS=-171dBm+10lgB+NF（7.5）

增益：

增益表示接收机对回波信号的放大能力。

增益并不是越大越好，它由接收机的系统要求确定的。

接收机的增益确定了接收机输出信号的幅度。

由于RF电路功率变化范围很大，传统的线性单位定义很不方便，故使用对数单位。

定义线路中功率为1mW时为0dBm。

对数功率和线性功率之间的转换公式为：

A=10x（log10（B/1mW）=10x（log10B）+30（7.6）

其中A为对数功率,B为线性功率。

线性功率为1W时,对数功率为30dBm；

线性功率为1uW时,对数功率为-30dBm。

dBm为绝对功率，dB用来计算相对功率，主要用来计算功率的改变量，如增益和损耗的单位。

.

3、无线个域网与ZigBee

无线个域网（WirelessPersonalAreaNetwork，简称WPAN）技术中包含了多种标准，分别针对于不同的应用。

IEEE802.15.3最高支持55Mbps的数据速率，可传送高质量视像和声音，用它实现的是高速无线个域网（HR-WPAN）。

速率再低一些的则是为大家所熟知的蓝牙系统，它主要用于取代传统的有线网络。

而比蓝牙速率更低的则是IEEE802.15.4标准所应用的低速率无线个域网（LR-WPAN），它具有低速率和低功耗特点，有着广阔的应用前景。

当前国际上对IEEE802.15.4的研究主要集中于网络的基本性能分析和针对具体网络情况下的网络性能分析，而国内则主要是研究基于IEEE802.15.4的ZigBee的应用。

ZigBee是一种新兴的短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，主要用于近距离无线连接。

它是一组基于IEEE批准的802.15.4无线标准研制开发的、有关组网、安全和应用软件方面的技术。

IEEE802.15.4仅处理MAC层和物理层协议，ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。

ZigBee依据IEEE802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。

802.15.4强调的就是省电、简单、成本又低的规格。

802.15.4的物理层（PHY）采用直接序列展频（DSSS，DirectSequenceSpreadSpectrum）技术，以化整为零方式，将一个讯号分为多个讯号，再经由编码方式传送讯号避免干扰。

在媒体存取控制（MAC）层方面，主要是沿用WLAN中802.11系列标准的CSMA/CA方式，以提高系统兼容性，所谓的CSMA/CA是在传输之前，会先检查信道是否有数据传输，若信道无数据传输，则开始进行数据传输动作，若有产生碰撞，则稍后重传。

图2ZigBee频段分布示意图

ZigBee可使用的频段有3个，分别是2.4GHz的ISM频段、欧洲的868MHz频段、以及美国的915MHz频段，而不同频段可使用的信道分别是16、1、10个。

如图2所示。

ZigBee联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、家庭和楼宇自动化、医用设备控制等。

4、无线收发系统测试结构

基于无线收发的测试系统主要由两部分实验系统构成。

（1）射频收发实验系统

射频收发实验系统由两个软件无线电实验平台组成，一台用来发送信号，一台用来接收和解调信号。

发射机可以调节发送功率的大小和选择不同的发送频道。

如图3所示。

图3射频收发实验系统

（2）无线个域网测试系统

无线个域网测试系统用于调制发射和接收解调满足IEEE802.15.4-2006无线个域网标准的实时信号。

测试系统包括：

两个软件无线电实验平台、两台带串口的计算机和一套无线个域网协议系统测试软件。

其中，无线个域网协议系统测试软件WPAN_STD_TestGUI.exe，该软件用来模拟MAC层的上层，对收发机系统做测试，是用来评估无线个域网协议标准所开发的一款计算机图形界面应用程序。

无线个域网协议系统测试软件界面如图4所示。

图4无线个域网协议系统测试软件界面

测试系统的搭建步骤：

主测试设备中的无线网协议标准收发机为软件无线电实验平台A，被测试设备中的被测试收发机以软件无线电实验平台B为例。

1）在计算机上安装软件无线电射频测试软件。

2）使用直通串口线连接主测设备计算机串口与软件无线电实验平台A串口，并连接电源。

3）使用直通串口线连接被测设备计算机串口与软件无线电实验平台B串口，并连接电源。

4）打开软件无线电实验平台的电源，整个系统就可以使用了。

搭建的测试系统如图5所示。

如果测试其他收发机时，将图3中软件无线电实验平台B替换为该收发机，该收发机需要满足无线个域网协议MAC层测试软件的接口要求。

图5无线个域网测试系统

四、实验目的：

1.理解RF工作的原理，了解RF工作的方式和参数设置。

2.理解的无线通信工作原理，了解发送信号的设置方式和参数，加深接收机工作原理和方式的的理解。

3.加深对通信系统结构和工作方式的理解，扩展对无线通信技术的认识。

4.了解无线个域网与ZigBee协议。

五、实验内容：

（1）射频收发实验；

（2）无线个域网测试系统实验。

。

六、实验器材（设备、元器件）：

计算机、软件无线电实验箱、基带信号发生器、示波器、＋5V电源

七、实验步骤及实验数据结果分析：

通过实验平台的菜单窗口提示，利用键盘选择菜单内容，逐级进入该实验操作界面，根据操作步骤的提示，在实验平台观察解调数据结果。

具体步骤如下：

检查实验平台左上方和右下方的PowerSwitch是否处于关闭（OFF）状态；

检查实验平台的电源线是否连接正确，若连接正确，实验平台右下方的PowerReady指示灯会亮起；

将实验平台左上方的PowerSwitch置为开启（ON）状态，实验系统进入启动状态，观察实验平台中部的显示屏直至进入“高级软件无线电教学系统”；

按下”确认（回车）”键进入系统实验列表；

选择“3”按Enter键，进入射频实验列表；

按以上同样的步骤，启动另一台实验平台。

（1）射频收发实验

选择“2”按Enter键，屏幕显示“进入实验中，请稍候”提示框，直至进入射频收发实验列表；

A、发射机设置

1）、选择“发射机”，将其中一台实验平台设置为发射机；

2）、输入发送信号（不超过20字节），并按”确认（回车）”。

B、接收机设置

1）、选择“接收机”，将其中一台实验平台设置为接收机；

2）、在实验平台接收数据显示窗口观看解调信号，并与发送信号对比。

观察并记录发送信号与接收信号数据：

发送数据

接收数据

123

1234567

6754321098

C、分别改变发射机的信号发送频道及发送功率，并调整接收机的接收频道。

观察并记录发送信号与接收信号数据。

观察并记录不同发送频道下发送信号与接收信号数据：

发送频道

9

77965

5

43209

观察并记录不同发送功率下发送信号与接收信号数据：

发送功率

10

5643

思考题：

理解影响射频通信系统的重要参数。

（2）无线个域网实验

A.测试系统硬件和软件的连通

在计算机上运行无线个域网协议系统测试软件。

点击

按钮进行串口配置，选择当前系统所使用的端口号，其他信息设置如图6所示，配置完后关闭配置窗口，点击

按钮打开串口，串口打开后按钮显示为橙色

，在软件最下方的状态栏中也会显示当前的使用信息，如“COM（115200,8,N,1）Open”。

图6串口配置窗口

B.在测试软件中利用测试脚本进行测试示例

1）在工具条

中,点击

打开主测设备计算机上的测试脚本”device.vgf”，将测试脚本中的内容中则加载到“GroupCommandWindow”中，如图7所示。

图7打开测试脚本

2）采用上述步骤1），用同样的方法打开被测设备计算机上的测试脚本“coor.vgf”。

3）选择Auto模式

，点击

进行测试和评估。

测试时要根据“无线个域网MAC层协议栈测试集”中的流程运行测试脚本的先后顺序，先运行“coor”的测试脚本，然后再运行“device”的测试脚本进行测试。

4）对照“无线个域网MAC层协议栈测试集”，查看“device”和“coor”运行后的结果是否正确。

“device”的监测结果

“coor”的监测结果

运行结果正确。

八、实验结论：

本实验通过射频收发数据展示了通信中射频前端的特点。

同时通过本实验了解了IEEE802.15.4及ZigBee协议。

九、分析与思考

理解影响射频通信系统的重要参数。

答：

定义为接收机输入信噪比和输出信噪比的比值,噪声系数表征接收机内部噪声的大小。

ldB压缩点是指当输出功率与线性时相比减小ldB，或转换损耗增加ldB的点，其对应的输入功率称为输入ldB压缩点。

十、总结及心得体会：

通过本次实验增强了对通信射频知识的理解。

了解了无线个域网，IEEE802.15.4及ZigBee协议。

十一、对本实验过程及方法、手段的改进建议：

报告评分：

指导教师签字：