移动通信实验报告材料.docx

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移动通信实验报告材料

实验报告

实验课程：

移动通信系统实验

学生姓名：

曾棋

学号：

6102214058

专业班级：

通信142

2018年1月9日

实验一ZXC10-CDMA系统认识

实验二QAM调制与解调

实验三GMSK调制与解调

实验四移动通信信道建模

实验五GOLD序列

实验六基于GOLD序列的DSSS仿真

实验七OFDM系统仿真

实验八期末测试

实验一ZXC10-CDMA系统认识

一、实验目的

1.了解ZXC10-CDMA的硬件架构；

2.熟悉ZXC10-CDMA的机柜硬件描述；

3.掌握ZXC10-CDMA系统的语音、消息以及信令流程

二、实验内容

1.结合理论课介绍的CDMA系统结构与功能，画出ZXC10-CDMA系统框，描绘ZXC10-CDMA系统MSC机柜的最小配置框图，以及说明子系统功能。

2.描绘出ZXC10-CDMAMSC机柜中语音、消息和信令流程所经过的单板。

3.用简要的文字描述第一次上机实习的感受。

三、实验原理

1.CDMA——基本概念

不同用户传输信息所用的信号是用各自不同的编码序列来区分。

发送端使用各不相同的、相互（准）正交的伪随机地址码调制其所发送的信号；在收端则采用同样的伪随机地址码从混合信号中解调检测出相应的信号。

无线环境下的通信，本身要解决的就是多址移动通信的问题，通过频率、时间、不同码型，我们就可以建立不同的地址。

CDMA传输系统中采用了扩频技术，一种信息传输方式，即是将原始信号的带宽变换为比原始带宽宽的多的传输信号，以来达到提高通信系统的抗干扰目的。

数学模型：

香农公式。

2.CDMA——关键技术

（1）、地址码的选择：

m序列的PN码作为地址码

（2）、分集技术：

（RAKE接收技术）空间分集、时间分集、频率分集

目的：

克服多径衰落

（3）、功率控制：

目的：

消除远近效应，保证收到的信号功率基本相同。

原则：

功率调小迅速，功率调大相对缓慢

（4）、语音编码技术

目的：

保持通信质量同时，尽可能降低数据传输速率

方法：

可变速率码激励线形预测编码技术（Q-CELP）

（5）、话音激活技术

目的：

在用户无信息瞬间，提高系统容量

（6）、同步技术

目的：

充分应用码的正交性，而减小可能的干扰。

（7）、切换

系统的切换包括：

硬切换、软切换

CDMA系统:

小区/扇区切换采用软/更软切换

切换是先接续再中断，服务质量高,有效减低掉话

其他无线系统:

小区/扇区切换采用硬切换，切换是先中断再接续，容易产生掉话

3.CDMA的特点

（1）、覆盖范围大、语音质量高、绿色手机，覆盖半径是标准GSM的2倍。

覆盖1000km2：

GSM需要200个基站，CDMA只需50个基站。

在相同覆盖条件下，基站数量大为减少，投资将相应减小。

（2）、频谱利用率高、网络规划简单、系统容量配置灵活。

相同的频谱，CDMA的容量是GSM的5.5倍。

（3）、软切换：

减少掉话，

（4）、软容量：

负荷系统均衡，用户数目和服务质量之间可以相互折中，灵活确定。

小区的呼吸功能：

各小区的覆盖大小是动态的，通过调整小区的导频发射功率，使相邻小区负荷分担话务，相当于增加了容量。

（5）、抗干扰性和隐蔽性强，接收端输出信噪比是输入端信噪比的G倍，既干扰被降低至1/G，同时传输时频谱密度也被降低了G倍，信号有一定的隐蔽性。

（6）、抗衰落性能好，扩频后的信号是宽带的，它能起到频率分集的作用。

（7）、保密性好，用伪随机码进行扩展频谱调制，相当于给信号带上了伪装。

4.移动交换中心（MSC）,MSC是CDMA网络的核心。

（1）对位于它所覆盖区域中的移动台进行控制和完成话路接续的功能。

（2）是CDMA网和其他网络之间的接口。

（3）每个MSC还完成GMSC的功能。

（4）每个MSC还完成SSP的功能。

MSC从三种数据库，拜访位置寄存器（VLR）、归属位置寄存器（HLR）和鉴权中心（AUC）中取得处理用户呼叫请求所需的全部数据。

反之，MSC根据其最新数据更新数据库。

四、实验结果及分析

ZXC10系列产品组网示意图

CDMA蜂窝移动通信系统网络结构图（电路域）

移动交换子系统MSS内部接口如下图所示：

MSS内部及CDMA系统与PSTN之间的协议

TUP：

电话用户部分BSSAP：

BSS应用部分

ISUP：

ISDN用户部分SCCP：

信令连接控制部分

MAP：

移动应用部分MTP：

消息传递部分

TCAP：

事务处理应用部分

五、实验总结

通过此次实验，了解了ZXC10-CDMA的硬件架构，熟悉ZXC10-CDMA的机柜硬件描述，熟悉了ZXC10-CDMAMSC机柜中语音、消息和信令流程所经过的单板。

实验二QAM调制与解调

一、实验目的

1.掌握QAM调制方式的原理和特点；

2.利用Matlab实现移动通信中的QAM调制方式；

3.巩固和加深QAM理论知识的理解，增强分析问题解决问题的能力；

二、实验内容

1.结合理论课讲解的QAM原理利用Matlab语言编程实现；

2.观察基带信号和解调信号波形；

3观察已调信号频谱图；

4.分析调制性能和参数的关系；

5.用简要的文字描述实验感受。

三、实验原理及过程

2.1QAM调制原理

QAM（QuadratureAmplitudeModulation）：

正交振幅调制。

其映射过程为：

将输入的比特信号按所需的QAM信号来进行M阶映射，分别映射为IQ两路，成为复数符号信息。

QAM调制技术采用振幅和相位进行联合调制，因此单独的使用其中的一种调制，就会演变成其他的调制方式。

对于振幅调制而言[5]，其主要作用是控制载波的振幅大小，因此信号的矢量端点在一条轴线上分布；对于相位调制而言，其主要作用是控制载波相位的变化，因此其信号的矢量端点在圆上分布。

QAM信号阶数不断提高，信号矢量点之间的距离就会变小，因此噪声容限也会变小，在判决的时候就很容易发生错误。

2.2QAM解调原理及方法

利用正交相干解调器，解调器输入端的已调信号与本地恢复的两个正交载波相乘，经过低通滤波器输出两路多电平基带信号X（t）和Y（t）,用门限电平为（L-1）的判决器判决后，分别恢复出两路速率为Rb/2的二进制序列，最后经过并/串变换器将两路二进制序列组合为一个速率为Rb的二进制序列。

下图为正交振幅调制解调原理框图:

四、实验结果及分析

编程实现16QAM调制

x=randint（n,1）;

产生一个n=1000的随机信号，画出该序列（1：

50）的时域波形如下图。

x4=reshape（x,k,length（x）/k）;

xsym=bi2de（x4.','left-msb'）;

将原始的二进制比特序列每四个一组分组并排列成k行length（x）/k列的矩，将矩阵转化为相应的16进制信号序列

y=modulate（modem.qammod（M）,xsym）;

令M=16，用QAM调制器对信号进行16QAM调制，星座图如下

yn=awgn（y,snr,'measured'）;

h=scatterplot（yn,samp,0,'b.'）;

加入高斯白噪声,经过信道后接收到的含白噪声的信号星座图如下

yd=demodulate（modem.qamdemod（M）,yn）;

z=de2bi（yd,'left-msb'）;

z=reshape（z.',numel（z）,1'）;

此时解调出来的是16进制信号，转化为对应的二进制比特流，解调后的序

列如下图

五、实验总结

此次实验利用MATLAB集成环境下的M文件，编写程序来实现16QAM的调制解调，并绘制出原始信号，调制后的星座图，叠加噪声时的星座图及解调后的序列。

通过此次实验，进一步了解了QAM调制与解调原理，加深了关于正交调幅方面的理论知识，加强了MATLAB软件的操作能力，对以后的实验操作打下了基础。

附录：

源程序代码

clear;clc;

M=16;

k=log2（M）;

n=100000;%比特序列长度

samp=1;%过采样率

x=randint（n,1）;%生成随机二进制比特流

stem（x（1:

50）,'filled'）;%画出相应的二进制比特流信号

title（'二进制随机比特流'）;

xlabel（'比特序列'）;ylabel（'信号幅度'）;%

x4=reshape（x,k,length（x）/k）;%将原始的二进制比特序列每四个一组分组，并排列成k行length（x）/k列的矩阵

xsym=bi2de（x4.','left-msb'）;%将矩阵转化为相应的16进制信号序列

figure;

stem（xsym（1:

50））;%画出相应的16进制信号序列

title（'16进制随机信号'）;

xlabel（'信号序列'）;ylabel（'信号幅度'）;

y=modulate（modem.qammod（M）,xsym）;%用16PSK调制器对信号进行调制

scatterplot（y）;%画出16PSK信号的星座图

text（real（y）+0.1,imag（y）,dec2bin（xsym））;

axis（[-55-55]）;

EbNo=15;%假设Eb/No=15db

snr=EbNo+10*log10（k）-10*log10（samp）;%信噪比

yn=awgn（y,snr,'measured'）;%加入高斯白噪声

h=scatterplot（yn,samp,0,'b.'）;%经过信道后接收到的含白噪声的信号星座图

holdon;

scatterplot（y,1,0,'k+',h）;%加入不含高斯白噪声的信号星座图

title（'接收信号星座图'）;

legend（'含噪声接收信号','不含噪声接收信号'）;

axis（[-55-55]）;

holdoff;

eyediagram（yn,2）;%眼图

yd=demodulate（modem.qamdemod（M）,yn）;%此时解调出来的是16进制信号

z=de2bi（yd,'left-msb'）;%转化为对应的二进制比特流

z=reshape（z.',numel（z）,1'）;

stem（z（1:

50）,'filled'）;%画出相应的二进制比特流信号

title（'解调后二进制随机比特流'）;

xlabel（'比特序列'）;ylabel（'信号幅度'）;

[number_of_errors,bit_error_rate]=biterr（x,z）%计算误码率M=16;

实验三GMSK调制与解调

一、实验目的

1.掌握GMSK调制方式的原理和特点；

2.利用Matlab实现移动通信中的GMSK调制方式；

3.巩固和加深GMSK理论知识的理解，增强分析问题解决问题的能力；

二、实验内容

1.结合理论课讲解的GMSK原理利用Matlab语言编程实现；

2.观察基带信号和解调信号波形；

3.观察已调信号频谱图；

4.分析调制性能和参数的关系；

5.用简要的文字描述实验感受。

三、实验原理及过程

3.1GMSK基本原理及调制

GMSK基本原理是基带信号先经过调制前高斯滤波器成形,再进行MSK调制。

最小频移键控（MSK）是一种二进制数字调频,它的调制系数为0.5。

MSK具有以下优点:

恒定的包络、相对稳定的窄带、具有相干检测能力。

MSK可以有频率调制FM直接产生。

然而它不能严格满足对于SCPC移动无线电的带外辐射的要求。

在1979年日本国际电报电话公司电气通信实验室提出了调制前高斯滤波的MSK,也就是GMSK。

在MSK前加一高斯低通滤波器,由于成形后的高斯脉冲包络无陡峭边沿,也无拐点,经调制后的已调波相位路径在MSK基础上进一步得到平滑。

GMSK调制器原理方框图如图。

图3-1GMSK调制器原理方框图

为了使输出频谱密集,调制前LPF应当具有以下特性：

（1）窄带和尖锐的截止；

（2）脉冲响应过冲量小；（3）保持滤波器输出脉冲响应曲线下的面积对应于π∕2的相移。

其中条件

（1）是为了抑制高频分量；条件

（2）是为了防止过大的瞬时频偏；条件（3）是为了使调制指数为1⁄2。

高斯滤波器的频率传输函数为:

H（f）=exp[]

滤波器的脉冲响应函数：

h（t）=exp[]

下面分析MSK的原理，其结构原理如图3-2。

图3-2MSK结构原理

图3-2为MSK调制器的基本原理图，一般的MSK调制器包括四部分电路：

数据处理、定时与载波产生、加权波形形成和I，Q信道的正交调制器。

Gauss滤波器的传输函数为:

H（f）=exp[]，经过傅立叶变换可得其单位冲击响应为h（t）=exp[]脉冲响应呈典型的Gauss分布，当其输入端有脉冲输入时，输出端产生高斯型输出响应（钟型曲线如图1）。

经过高斯滤波后的数据波形具有如下几个特点：

①已经抑制了不需要的高频信号分量，从而使得带宽变窄而带外截止尖锐；②过冲量较小，不会对调制器产生不必要的瞬时频偏。

因此采用高斯滤波器作为预调制低通滤波是比较适合的。

但是当输入一个脉冲宽度为Tb的方波时，其响应输出被展宽，这样一个宽度为Tb的脉冲输入时，其输出将影响前后各一个码元的响应，当然它也受到前后两个码元的影响。

也就是说，输入原始数据在通过Gauss型滤波器后，已不可避免地引入了码间干扰。

有意引入可控的码间干扰，以压缩调制信号的频谱，解调时利用预知前后码元的相关性，仍可以准确的进行解调判决，这就是所谓的部分响应技术。

GMSK就是利用了这种部分响应技术，它是一个有记忆系统。

图3-3Gauss滤波器单位脉冲相应（BT为调制系数）

在GMSK无线通信系统中，调制过程分为Gauss调制预滤波和FM调制，相应的解调过程分为FM解调和GMSK解调，FM解调完成调频信号到Gauss波形的变换，GMSK解调完成Gauss波形到数字波形的变换。

GMSK信号的解调可以用正交相干解调电路。

在相干解调中最为重要的是相干载波的提取，这在移动通信的环境中是比较困难的，因而采用差分解调和鉴频器解调等非相干解调。

原理如图2-4示：

图2-4差分解调

四、实验结果及分析

根据GMSK的调制原理框图（图3-1）以及解调原理框图（图3-4），我们可以利用MATLAB进行仿真，仿真结果如下（仿真代码见附录）

五、实验总结

通过本次实验，可以知道由于高斯滤波器的作用，GMSK信号的功率谱密度非常平滑，而MSK信号的功率谱密度则有较大的旁瓣。

结果显示随BT值的减小，GMSK信号的功率谱密度衰减速度明显加快，而当BT增大时，其谱密度逐渐向MSK信号的谱密度靠近。

当BT取值为无穷大时，GMSK就退化为MSK。

通常在码元宽度一定的情况下，滤波器的等效带宽B越大，基带信号经滤波后损失的能量就越小，已调波就会越接近MSK信号，也就是说，BT值越小，GMSK信号的频谱利用率就越高。

附录：

源程序代码（重要部分）

%绘制调制波形00101010

Ak=[00101010];%产生8个基带信号

Ak=2*Ak-1;

gt=ones（1,B_sample）;%每码元对应的载波信号

Akk=sigexpand（Ak,B_sample）;%码元扩展

temp=conv（Akk,gt）;%码元扩展

Akk=temp（1:

length（Akk））;%码元扩展

tt=-2.5*Tb:

Dt:

2.5*Tb-Dt;

%g（t）=Q[2*pi*Bb*（t-Tb/2）/sqrt（log

（2））]-Q[2*pi*Bb*（t+Tb/2）/sqrt（log

（2））];

%Q（t）=erfc（t/sqrt

（2））/2;

gausst=erfc（2*pi*Bb*（tt-Tb/2）/sqrt（log

（2））/sqrt

（2））/2-erfc（2*pi*Bb*（tt+Tb/2）/sqrt（log

（2））/sqrt

（2））/2;

J_g=zeros（1,length（gausst））;%使J_g的长度和Gausst的一样

fori=1:

length（gausst）

ifi==1

J_g（i）=gausst（i）*Dt;

else

J_g（i）=J_g（i-1）+gausst（i）*Dt;

end;

end;

J_g=J_g/2/Tb;

%计算相位Alpha

Alpha=zeros（1,length（Akk））;

k=1;

L=0;

forj=1:

B_sample

J_Alpha=Ak（k+2）*J_g（j）;

Alpha（（k-1）*B_sample+j）=pi*J_Alpha+L*pi/2;

end;

k=2;

L=0;

forj=1:

B_sample

J_Alpha=Ak（k+2）*J_g（j）+Ak（k+1）*J_g（j+B_sample）;

Alpha（（k-1）*B_sample+j）=pi*J_Alpha+L*pi/2;

end;

k=3;

L=0;

forj=1:

B_sample

J_Alpha=Ak（k+2）*J_g（j）+Ak（k+1）*J_g（j+B_sample）+Ak（k）*J_g（j+2*B_sample）;

Alpha（（k-1）*B_sample+j）=pi*J_Alpha+L*pi/2;

end;

k=4;

L=0;

forj=1:

B_sample

J_Alpha=Ak（k+2）*J_g（j）+Ak（k+1）*J_g（j+B_sample）+Ak（k）*J_g（j+2*B_sample）+Ak（k-1）*J_g（j+3*B_sample）;

Alpha（（k-1）*B_sample+j）=pi*J_Alpha+L*pi/2;

end;

L=0;

fork=5:

B_num-2

ifk==5

L=0;

else

L=L+Ak（k-3）;

end;

forj=1:

B_sample

J_Alpha=Ak（k+2）*J_g（j）+Ak（k+1）*J_g（j+B_sample）+Ak（k）*J_g（j+2*B_sample）+Ak（k-1）*J_g（j+3*B_sample）+Ak（k-2）*J_g（j+4*B_sample）;

Alpha（（k-1）*B_sample+j）=pi*J_Alpha+mod（L,4）*pi/2;

end;

end;

k=B_num-1;

L=L+Ak（k-3）;

实验四移动通信信道建模

一、实验目的

1.熟悉信道衰落对移动通信系统性能的影响；

2.掌握移动多径信道特性及信道模型；

3.掌握不同信道衰落条件下对传输信号误码率的影响；

二、实验内容

1.结合理论课讲解基于Matlab建立不同信道模型：

高斯信道、Rayleigh信道，Recian信道及多径衰落信道模型；

2.给出QAM/GMSK（QPSK）调制方式下在上述信道模型下的误码率性能分析，分析比较两种调制方式的优缺点；

3.分析信道参数、信噪比对误码率性能的影响；

4.用简要的文字描述实验感受。

三、实验原理及过程

1.高斯信道模型

高斯信道常指加权高斯白噪声（AWGN）信道。

这种噪声假设为在整个信道带宽下功率谱密度（PDF）为常数，并且振幅符合高斯概率分布。

用于描述恒参信道，例如卫星通信，光纤信道，同轴电缆等等

2.瑞利分布模型

在移动无线信道中，瑞利模型是常见的用于描述平坦衰落信号或独立多径分量接收包络统计时变特性的一种经典模型。

瑞利分布的概率密度函数（pdf）为：

其中，[]是包络检波之前的接收信号包络的时间平均功率。

R的相位θ 服从0到2π之间的均匀分布，即:

则接收信号包络不超过某特定值R的累计概率分布函数（CDF）为:

3、Ricean模型

当接收端存在一个主要的静态（非衰落）信号时，如LOS分量（在郊区和农村等开阔区域中，接收端经常会接收到的）等，此时接收端接收的信号的包络就服从莱斯分布。

在这种情况下，从不同角度随机到达的多径分量迭加在静态的主要信号上，即包络检波器的输出端就会在随机的多径分量上迭加一个直流分量。

当主要信号分量减弱后，莱斯分布就转变为瑞利分布。

莱斯分布的概率密度函数为：

其中C是指主要信号分量的幅度峰值，（）是0阶第一类修正贝赛尔函数。

为了更好的分析莱斯分布，定义主信号的功率与多径分量方差之比为莱斯因子K，则K的表达式可以写为:

莱斯分布完全由莱斯因子K决定。

图3-2所示为莱斯模型的概率密度函数曲线图。

4.多径衰落信道模型

多径衰落信道模型假设，信宿接收的信号是发送信号经过多条路径传输后信号的叠加结果。

其中每条传输路径信号具有独立的信号幅度、延迟。

因此，接收信号可表示为：

式中，n对应第n条路径；g（t）为信号包络；

为第n条路径在t时刻的延迟；

为

载波角频率，表示接收信号的等效基带信号，记为Z（t）。

四、实验结果及分析

1.QAM/GMSK（QPSK）调制方式下在高斯信道模型下的误码率

[QPSK_bit_err_prb（i）]=QPSK（SNRindB（i））;%QPSK误码率

[QAM_err_prb（i）]=QAM_16（SNRindB（i））;%16QAM误码率

观察图可知信噪比越大，QAM/GMSK（QPSK）调制方式下在高斯信道模型下的误比特率越小，在相同的信噪比下，QPSK比16QAM调制方式下的误比特率更小，所以在AWGN信道中，QPSK调制方式的性能比16QAM更好。

2.QAM/GMSK（QPSK）调制方式下在瑞丽信道模型下的误码率

QPSK_pb_rayleigh（i）=QPSKrayleigh（SNRindB（i））;%QPSK在瑞丽平坦信道误码率

QAM_16_pb_rayleigh（i）=QAM_16_rayleigh（SNRindB（i））;%计算瑞丽平坦信道误码率

chan=ricianchan（1/fs,fd,k）;%生成Rayleigh衰落信道

观察图可知信噪比越大，QAM/QPSK调制方式下在瑞丽信道模型下的误比特率越小，在相同的信噪比下，QPSK比16QAM调制方式下的误比特率更小，所以在瑞丽信道中，QPSK调制方式的性能比16QAM更好。

3.QAM/GMSK（QPSK）调制方式下在多径衰落信道模型下的误码率

QAM_16_pb_3way（i）=QAM_16_3way（SNRindB（i））;%计算瑞丽多径信道误码率

QPSK_pb_3way（i）=QPSK3way（SNRindB（i））;%QPSK在瑞丽多径信道误码率

chan=ricianchan（1/fs,fd,k,tau,pdb,0.7*fd）;%生成Rayleigh衰落多径信道

观察图可知信噪比越大，QPSK调制方式下在多径衰落信道模型下的误比特率在附近波动，而QAM调制方式下的误比特率减小，在相同的信噪比下，16QAM比QPSK调制方式下的误比特率更小，所以在多径衰落信道中，16QAM调制方式的性能比QPSK更好。

4.QAM/GMSK（QPSK）调制方式下在莱斯信道模型下的误码率