高级软件无线电教学系统-实验指导书及实验报告.docx

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1、高级软件无线电教学系统实验指导书及实验报告软件无线电课题组制 简 介软件无线电技术（Software Radio）技术是20世纪末提出的一种设计思想，它的核心是在通用的通信硬件平台上加载不同的通信软件，以实现不同的通信方式的转换。这种全新的设计思想使通信中的无线电台可以适应各种不同的通信方式，软件无线电台良好的兼容性和可编程性使得通信系统的开发主要成为DSP(数字信号处理)软件的研究。这将极大地缩短通信系统开发的时间和成本，可以说未来采用软件无线电技术的软件无线电台在通信系统中的作用完全可以同通用PC(个人电脑)在计算机领域所起的作用相提并论。软件无线电突破了传统电台以硬件为核心的设计模式，将

2、宽带A/D转换器尽可能靠近射频天线，尽可能早地将接收到的模拟信号转化为数字信号，在通用的硬件平台上最大程度地通过软件来实现不同的通信方式。软件无线电以现代通信理论为基础，以数字信号处理为核心，以微电子技术为支撑，突破了传统的无线电台以功能单一、可扩展性差的硬件为核心的设计局限性，强调以可编程的硬件作为通用平台，尽量地用可升级、可重配置的软件来实现各种无线电功能的设计新思路。软件无线电技术的出现是电子设计领域中的一次巨大飞跃，将会给电子技术带来深刻变革。它采用了通用的DSP硬件平台，具有完全的可编程性，这与全数字接收机专用的硬件芯片结构完全不同，是电子技术领域继模拟与数字技术之后第3次重大的飞跃

3、，必将在未来对电子技术的发展及设计思想的变革产生深远的影响，并且在军用和民用两个方面都将有着广泛的应用。软件无线电技术一经提出，就得到了广泛的关注并成为未来通信系统的发展方向。该高级软件无线电教学系统与高级软件无线电教学系统指导书相配合，主要着重软件无线电系统若干关键技术的演示和教学。主要包括内容有波束形成、数字滤波器、上/下变频、软件无线电中的数字载波调制、软件无线电中的信号处理算法、无线信道中通信性能分析、软件无线电中的信道编码算法、射频及模拟前端等。138目 录第一章基础实验1实验一1实验二数字上/下变频7实验三低通滤波器13第二章基带实验17实验一基带线性载波调制技术实验17实验二基带

4、线性差分载波调制技术实验22实验三基带恒包络载波调制技术实验26实验四基带线性载波调制技术的解调实验34实验五基带线性差分载波调制技术的解调实验40实验六基带恒包络载波调制技术的解调实验45实验七高斯白噪声信道性能实验51实验八频率偏移性能实验55实验九无线多径信道性能实验58实验十无线衰落信道性能实验61实验十一相位噪声性能实验65实验十二信道编码实验69第三章射频实验76实验一射频基础实验76实验二射频收发实验78第四章综合演示实验80实验一综合演示实验80扩展实验实验报告83扩展实验一DSP实验（一）86DSP和ARM通信实验86扩展实验一DSP实验（二）92信号调制实验92扩展实验一D

5、SP实验（三）97标准信号解调实验97扩展实验二FPGA实验（一）102控制D、实验102扩展实验二FPGA实验（二）107上、下变频实验107扩展实验二FPGA实验（三）112低通滤波实验112FPGA基带信号调制实验114扩展实验三综合通信实验119示例程序119关键参数配置代码119附录1122附录2123附录1第一章基础实验实验一脉冲成形实验一、实验目的1、研究几种常用脉冲成形（半正弦、滚降系数0.5和0.8的升余弦滚降）中的信号波形与频谱，了解基带信号的连续发送波形。2、加深对脉冲成形工作原理的理解。3、加深对奈奎斯特准则的理解。4、熟悉使用示波器。5、学会观察信号频谱，分析不同脉冲

6、成形滤波后发送信号的频谱效率。6.熟悉传递函数与冲激响应的关系。二、实验原理在现代无线通信中，由于基带信号的频谱范围都比较宽，为了有效利用信道，在信号传输之前，都要对信号进行频谱压缩，使其在消除码间干扰和达到最佳检测的前提下，大大提高频带的利用率。奈奎斯特是第一个解决既能克服符号间干扰又保持小的传输带宽问题的人。他发现只要把通信系统(包括发射机、信道和接收机)的整个响应设计成在接收机端每个抽样时刻只对当前的符号有响应，而对其他符号的响应全等于零，那么符号间干扰ISI的影响就能完全被抵消，即消除符号间干扰的奈奎斯特(Nyquist) 第l准则。数字滤波具有精度高、可靠性高、灵活性强、便于大规模集

7、成、可以得到很高的性能指标等优点，可实现有限冲激响应 (FlR)滤波器或无限冲激响应滤波(IIR)滤波器。在理论上，Nyquist第l准则成功地解决了成形滤波器的设计问题，但是它只给出了一个抽象的理论准则，而对于如何具体设计成形滤波器并没有一个明确的答案。在实际应用中，升余弦滤波器是运用较为广泛的成形滤波器，因为它有如下的优点：1）满足Nyquist第1准则；2）可以消除理想低通滤波器设计上的困难，有一平滑的过渡带；3）通过引入滚降系数改变传输信号的成形波形，可以减小抽样定时脉冲误差所带来的影响，即降低码间干扰。基带成形滤波技术是在限带信道中提高频谱利用率的简单易行而效果较好的方法，是现在许多

8、数字通信系统设计中的关键技术之一。自从奈奎斯特在他的经典著作中证明了数字传输应满足的3个准则以来，对成形滤波器的各方面应用逐渐深入和发展，尤其是对升余弦滚降滤波器的理论和设计研究得比较全面。由于数字技术的发展，基带信号的频谱成形可通过数字方法进行。利用数字式处理来实现频谱波形成形滤波的情况越来越广泛。数字滤波具有精度高、可靠性高、灵活性强、便于大规模集成、可以得到很高的性能指标等优点，可实现有限冲激响应 (FlR)滤波器或无限冲激响应滤波(IIR)滤波器。FIR滤波器可做到严格的线性相位，设计方法既有从时域出发考虑的加窗法，从频域出发考虑的频率采样法、等波纹最佳一致逼近法，也有综合考虑频域和时

9、域要求的最优化设计方法（线性规划法)。在移动通信中最普通的脉冲成形滤波器是升余弦滚降滤波器属于满足奈奎斯特准则的那类滤波器。升余弦滤波器的传递函数为：，其中，是滚降因子，取值范围0到1。当时，升余弦滚降滤波器对应于具有最小带宽的矩形滤波器。这种滤波器的冲激响应可由对其传递函数做傅里叶变换得到：。余弦滚降传递函数可以通过在发射机端和接收机端使用同样的滤波器来实现，同时在平坦衰落信道中为实现最佳性能提供了匹配滤波。为实现滤波器的响应，脉冲成形滤波器可以用在基带数据上，也可以使用在发射机的输出端。一般说来，在基带脉冲成形滤波器用DSP来实现。不使用奈奎斯特技术来实现脉冲成形势有可能的，其中一项就是M

10、SK调制方式的应用，与OQPSK调制方式结合的效率较高的半正弦脉冲调制。通过截短的传递函数来抑制相邻符号间的干扰。由于使用更短的截短传递函数，半正弦脉冲成形后的信号频谱相对升余弦滚降成形的信号频谱来说，主瓣较窄，胖瓣较高，频谱效率较低。三、实验系统的组成本实验设备是由高级软件无线电实验平台（以下简称实验平台）、示波器和终端计算机组成，使用FPGA实现对半正弦脉冲成形、升余弦滚降脉冲成形的仿真。四、实验系统功能1 半正弦脉冲成形；2 滚降系数的升余弦滚降滤波器；3 滚降系数的升余弦滚降滤波器；五、实验步骤及内容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

11、的提示，利用示波器在指定接口进行输出信号波形观察。具体步骤如下：1、 检查实验平台左上方和右下方的Power Switch是否处于关闭（OFF）状态；2、 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Power Ready指示灯会亮起；3、 将实验平台左上方的Power Switch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”；4、 按下”确认（回车）”键进入系统实验列表；5、 选择“1”按Enter键，屏幕显示“进入实验中，请稍候”提示框，直至进入基础实验列表；6、 选择“1”进入脉冲成形实验列表；7、 在选择具体实

12、验的项目之后按”确认（回车）”，进入脉冲成形仿真实验窗口；1)半正弦脉冲成形选择“1”进入半正弦脉冲成形仿真实验窗，按照软件无线电实验平台界面的提示进行后续操作，将示波器分别观测实验平台TXI和TXQ端口，通过示波器观察输出波形和频谱。时域波形图频谱图主瓣过零点带宽(dB)主瓣与第一旁瓣增益差(dB)第一旁瓣带宽(dB)2)滚降系数的升余弦滚降选择“2”进入滚降系数的升余弦滚降脉冲成形仿真实验窗，按照软件无线电实验平台界面的提示进行后续操作，将示波器分别观测实验平台TXI和TXQ端口，通过示波器观察输出波形和频谱。时域波形图频谱图主瓣过零点带宽(dB)主瓣与第一旁瓣增益差(dB)第一旁瓣带宽(

13、dB)3)滚降系数的升余弦滚降选择“3”进入滚降系数的升余弦滚降脉冲成形仿真实验窗，按照软件无线电实验平台界面的提示进行后续操作，将示波器分别观测实验平台TXI和TXQ端口，通过示波器观察输出波形和频谱。时域波形图频谱图主瓣过零点带宽(dB)主瓣与第一旁瓣增益差(dB)第一旁瓣带宽(dB)实验二数字上/下变频一、实验目的1、理解数字上/下变频的原理，了解无线通信中进行上/下变频的原因。2、分析上/下变频后信号时域和频域波形的变化。3、熟悉使用示波器。二、实验原理通常的无线通信都是通过载波调制信号来实现。这意味着产生了数字基带信号后，需要将信号通过数模（DA）转换后，由射频端调制到某个载波频段进

14、行发送。由于接收无线波束时，接收天线的尺寸要大于无线电波长，所以考虑到接收端设备的尺寸，往往需要将信号调制到高频载波频段进行发送。这个将基带信号调制到高频载波频段的过程就称为上变频。反之，将中频或者高频信号搬移到基带或者低频波段的过程就称为下变频。上变频和下变频的概念分别是指把信号搬移到更高或更低的频率上。这可以通过信号的与一个复旋转向量相乘得到，结果为：，其中，代表搬移的频率。通常我们把无线频率称为载波频率，把基带信号搬移到该频率叫上变频，从该频率搬移到带通信号称为下变频。复数信号的实部和虚部也可以分别称做同相分量或正交分量。数字上变频和下变频就是对上式进行数字化。这就意味着信号和复向量都要

15、用量化的样本来表示。引入满足采样定理的采样周期，这样，数字上变频和下变频可以写为：。进行上变频还是下变频是由频率的符号决定。因此只要对其中一种情况进行讨论即可。我们假设对接收到的信号在模拟前端对整个接收带宽进行下变频，然后进行滤波。1）数字下变频的时域分析：数字下变频的目的是把所需的分量从载波频率加搬移至基带。模拟中频信号为单频形式：，其中表示信号频率，表示信号初始相位。 同时假设用于正交解调的两路数字本振的初始相位为0，那么模拟中频信号经过A/D后得到的信号形式为。可见信号是原信号在处的一些离散值。因此A/D输出的最终信号形式为： 。 那么，此信号经过正交数字解调后的信号形式 (设信号频率和

16、本振频率相同，即)可以表示如下：I路：；Q路：。可以看出：数字正交解调输出包括两项，其中第1项为解调过程中引入的高频分量，第二项为所需要的低频分量。2）数字下变频的频域分析：输入模拟中频信号的频谱为：。此信号经A/D变换后的输出信号频谱为：。经过数字正交解调后的频谱：I路：；Q路：。应该注意的是，实际上发射机和接收机的本振是不同步的。因而，经过接收机下变频后的信号与发射信号之间存在相位和频率偏差，必须进行校正。三、实验系统的组成本实验设备是由高级软件无线电实验平台、示波器和终端计算机组成，使用FPGA实现对数字上、下变频的仿真，参考波形为单频正弦信号。四、实验系统功能1 数字上变频；2 数字下

17、变频；五、实验步骤及内容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，利用示波器在指定接口进行输出信号波形观察。具体步骤如下：1、 检查实验平台左上方和右下方的Power Switch是否处于关闭（OFF）状态；2、 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Power Ready指示灯会亮起；3、 将实验平台左上方的Power Switch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”；4、 按下”确认（回车）”键进入系统实验列表；5、 选择“1”按Enter键，屏幕显

18、示“进入实验中，请稍候”提示框，直至进入基础实验列表；1)数字上变频选择“2”进入数字上变频实验；1、在按”确认（回车）”后，进入数字上变频实验仿真实验窗口；2、将能产生正弦信号的函数信号发生器与实验平台的RXI端口连接，正弦单频信号的幅度不要超过2V；3、按照软件无线电实验平台软件界面的提示进行后续操作；4、将示波器分别观测实验平台TXI和TXQ端口，通过示波器观察输出波形和频谱。数字上变频前：时域波形：数字上变频后：时域波形：频谱：谱线个数谱线分别所处频段（kHz）原始单频信号上变频后信号1)数字下变频选择“3”进入数字下变频实验；1、在按”确认（回车）”后，进入数字下变频实验仿真实验窗口

19、；2、将能产生正弦信号的函数信号发生器与实验平台的RXI端口连接，正弦单频信号的幅度不要超过2V，信号频率设为1MHz ；3、按照软件无线电实验平台软件界面的提示进行后续操作；4、将示波器分别观测实验平台TXI和TXQ端口，通过示波器观察输出波形和频谱。数字下变频前：时域波形：数字下变频后：时域波形：频谱：谱线个数谱线分别所处频段（kHz）原始单频信号下变频后信号实验三低通滤波器一、实验目的1、了解数字低通滤波器的工作原理和实现方式； 2、研究低通滤波器对信号频谱的影响；3、熟悉数字滤波器的设计原则和方法；4、研究有限冲激响应滤波器(FIR)与无限冲激响应滤波器(IIR)的区别。二、实验原理接

20、收信号在经过射频端的下变频处理后，除了所需的信道外，在经过下变频的接收带宽B内还存在许多邻道信号。为了选出感兴趣的信道，必须用滤波器把邻道信号滤掉。由于感兴趣的信道已经下变频到基带，所以用一个低通滤波器就可以了。从上个实验分析中可以看出，数字正交解调输出包括两项，其中第一项为解调过程中引入的高频分量，第二项为所需要的低频分量，所以要用低通滤波器来提取所需的低频分量。 通常我们不用无限长冲激响应滤波器 (IIR)，因为这种滤波器的非线性相位特性会使信号失真。另外，通带很窄的IIR滤波器的稳定性要比通带宽一些的滤波器的稳定性差一些。 如果我们使用具有线性相位的有限冲激响应滤波器 (FIR)，我们就

21、可以克服IIR滤波器的缺点。FlR滤波器的一个很大的缺点是在实现相同的滤波特性时，所需要的阶数耍比IIR滤波器需要的阶数多。 为了得到一些信道化滤波直接实现的开销方面的情况，弄清楚以下这一点是有益的：对于许多类型的FIR滤波器(包括等波纹FIR滤波器、基于窗函数设计的FIR滤波器和切比雪夫FIR滤波器)系数k的值可以与滤波器的过渡带带宽和滤波器工作时的采样频率相关联。这个比例关系可表示为：。过渡带带宽是截止频率和阻带起始频率的差，可以用信道带宽的几分之一来表示。因而，很显然如果存在大量的邻道，过渡带宽与采样速率相比是很小的，也就是说，与采样速率相比，信道带宽本身是非常小的。 除了系数的个数，另

22、一个参数就是信号的动态范围，它是随着邻道干扰数目的增加而提高的。在GSM宽带接收的情况下，信号的动态范围很容易达到80dB甚至更高。为了充分衰减这个信号的所有邻道信号，数字滤波器的处理字长必须相当长。很多的系数个数、很大的系数和处理字长、很高的时钟速率，这一切都预示着利用传统的FIR滤波器来直接实现信道滤波功能会困难很大、成本很高。因为通过滤波数字信号的带宽变窄了。我们没有必要保持滤波之前所需的高采样速率。只要满足采样理论，我们就可以降低采样速率。这样就可以得到较低的处理速率，因而开销也就降低了，知道了在滤波后的采样速率可以降低。就有可能通过把滤波和降低采样速率结合起来，以降低滤波所需的开销三

23、、实验系统的组成本实验设备是由高级软件无线电实验平台、示波器和终端计算机组成，使用FPGA实现对低通滤波器的仿真。四、实验系统功能1 低通滤波器；2 下变频；五、实验步骤及内容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，利用示波器在指定接口进行输出信号的频谱观察。具体步骤如下：1、 检查实验平台左上方和右下方的Power Switch是否处于关闭（OFF）状态；2、 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Power Ready指示灯会亮起；3、 将实验平台左上方的Power Switch置为开启（ON）状态，实验系统进入

24、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”；4、 按下”确认（回车）”键进入系统实验列表；5、 选择“1”按Enter键，屏幕显示“进入实验中，请稍候”提示框，直至进入基础实验列表；6、 选择“4”进入低通滤波器实验列表；7、 将能产生正弦信号的函数信号发生器与实验平台的RXI端口连接，正弦单频信号的幅度不要超过2V，发送方波信号，按照软件无线电实验平台界面的提示进行后续操作；8、 将示波器分别观测实验平台TXI和TXQ端口，通过示波器观察输出波形和频谱。观察滤波器前后信号频谱的变化：主瓣宽度(Hz)主瓣-旁瓣增益(dB)低通滤波器前信号频谱低通滤波器后信号频谱低通滤

25、波器频谱响应示意图：第二章基带实验实验一基带线性载波调制技术实验一、实验目的1、研究相移键控的线性载波调制技术原理； 2、分析二进制相移键控(BPSK)技术的原理；3、观察BPSK调制信号波形及频谱；4、分析四进制相移键控(QPSK)技术的原理；5、观察QPSK调制信号波形及频谱；6.比较BPSK和QPSK两种线性调制技术间的功率效率和数据了带宽比。二、实验原理数字信号载波调制有三种基本的调制方式：幅度键控（ASK），频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。它们分别是用数字基带信号控制高频载波的参数如振幅、频率和相位，得到数字带通信号。在接收端运用相干或非相干解调方式，进行解调，还原为原数字基

26、带c信号。数字调制技术可以大致分为线性和非线性的。在线性调制技术中，传输信号的幅度随调制数字信号的变化而线性变化。线性调制技术带宽效率较高，所以非常适用于有限频带内要求容纳越来越多用户的无线通信系统。在线性调制方案中，传输信号可以表示为：，其中，是信号幅度，是载波频率，是通常为复数形式的已调信号的复包络。可见，载波幅度随调制信号呈线性变化。线性调制方案一般来说都不是恒包络。有些非线性调制的载波，即可能是线性包络也可能是恒包络，这取决于基带波形是否经过脉冲成形处理。线性调制方案有很好的频谱效率，但传输中必须使用功率效率低的RF放大器。用功率效率高的非线性放大器会导致已滤除的边瓣再生，造成严重的相

27、邻信道干扰，使线性调制得到的频谱效率全部丢失。最普遍的线性调制技术包括脉冲成形BPSK、QPSK和OQPSK。1、二进制相移键控（BPSK）在二进制相移键控中，幅度恒定的载波信号随两个代表二进制1或0的信号和的改变而在两个不同的相位间跳变。通常这两个相位差180。如果正弦载波的幅度为，每比特能量，则传输的BPSK信号为： （二进制的1）或者（二进制的0）。出于方便，经常将和一般化为二进制数据信号，它呈现两种可能的脉冲波形中的一种。这样传输信号可以表示为：。BPSK信号等效于抑制载波双边带调幅波形，其中相当于载波，数据信号相当于调制波形。2、四相相移键控（QPSK）四相相移键控s在一个调制符号中

28、传输两个比特，因此其带宽效率比BPSK的带宽效率高两倍。载波的相位为四个间隔相等的值，比如0、和，每一个相位只对应于唯一的一对消息比特。这个符号状态集的QPSK信号可定义为： ，其中，为符号持续时间，等于两个比特周期。QPSK信号可以用二维星座图上幅度为，相位分别0、和。从QPSK信号的星座图可以看出，星座中相邻点的距离为。因为每个符号对应于两个比特，所以，这样QPSK星座中相邻两点的距离为。相对BPSK调制方式，QPSK在相同的带宽内传输了两倍的数据，因此在相同的能量效率情况下，QPSK提供了两倍的频谱效率。三、实验系统的组成本实验设备是由实验平台、示波器和终端计算机组成，使用FPGA实现对

29、BPSK和QPSK调制实验的仿真，成形滤波器考虑滚降系数0.8的升余弦滚降滤波器。四、实验系统功能1 BPSK调制；2 QPSK调制；3 滚降系数的升余弦滚降滤波器。五、实验步骤及内容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，利用示波器在指定接口进行输出信号波形观察。具体步骤如下：1、 检查实验平台左上方和右下方的Power Switch是否处于关闭（OFF）状态；2、 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Power Ready指示灯会亮起；3、 将实验平台左上方的Power Switch置为开启（ON）状态，实验系

30、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”；4、 按下”确认（回车）”键进入系统实验列表；5、 选择“2”按Enter键，进入基带实验列表；6、 选择“1”按Enter键，屏幕显示“进入实验中，请稍候”提示框，直至进入基带调制实验列表；1)BPSK调制选择“1”进入BPSK调制仿真实验窗，按照软件无线电实验平台界面的提示进行后续操作，将示波器分别观测实验平台TXI和TXQ端口，通过示波器观察输出波形和频谱。时域波形图频谱图主瓣过零点带宽(dB)主瓣与第一旁瓣增益差(dB)第一旁瓣带宽(dB)2)QPSK调制方式选择“2”进入QPSK调制仿真实验窗，按照软件无线电

31、实验平台界面的提示进行后续操作，将示波器分别观测实验平台TXI和TXQ端口，通过示波器观察输出波形和频谱。时域波形图频谱图主瓣过零点带宽(dB)主瓣与第一旁瓣增益差(dB)第一旁瓣带宽(dB)实验二基带线性差分载波调制技术实验一、实验目的1、研究差分相移键控的线性载波调制技术原理； 2、分析差分二进制相移键控(DBPSK)技术的原理；3、观察DBPSK调制信号波形及频谱；4、分析差分四相相移键控(DQPSK)技术的原理；5、观察DQPSK调制信号波形及频谱；6.比较DBPSK和DQPSK两种线性调制技术间的功率效率和数据了带宽比。二、实验原理差分PSK是相移键控的非相干形式，它不需要在接收机端

32、有相干参考信号。非相干接收容易制造而且便宜，因此在无线通信系统中广泛使用。在DBPSK或者DQPSK系统中，输入的二进制序列差分编码，然后再用BPSK或者QPSK调制器调制。差分编码后的序列是通过对与进行模2运算，由输入的二进制序列产生的。其效果相当于，如果输入的二进制符号为1，则符号与其前一个符号保持不变，而如果为0，则就改变一次。表51给出了按照关系式由序列中产生的DPSK信号。表4.1 差分编码过程的图解1001011011011000110110001DPSK发射机包括一个比特延迟单元和一个为了从输入二进制序列产生分编码的逻辑电路，其输出通过一个乘法调制器得到DPSK信号。在接收机端，

33、通过相应的处理过程，从调制的差分编码信号恢复出原始信号。三、实验系统的组成本实验设备是由实验平台、示波器和终端计算机组成，使用FPGA实现对DBPSK和DQPSK调制实验的仿真，成形滤波器考虑滚降系数0.8的升余弦滚降滤波器。四、实验系统功能1 DBPSK调制；2 DQPSK调制；3 滚降系数的升余弦滚降滤波器。五、实验步骤及内容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，利用示波器在指定接口进行输出信号波形观察。具体步骤如下：1、 检查实验平台左上方和右下方的Power Switch是否处于关闭（OFF）状态；2、 检查实验平台的电源线是否连

34、接正确，若连接正确，实验平台右下方的Power Ready指示灯会亮起；3、 将实验平台左上方的Power Switch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”；4、 按下”确认（回车）”键进入系统实验列表；7、 选择“2”按Enter键，进入基带实验列表；5、 选择“1”按Enter键，屏幕显示“进入实验中，请稍候”提示框，直至进入基带调制实验列表；1)DBPSK调制选择“3”进入DBPSK调制仿真实验窗，将示波器分别观测实验平台TXI和TXQ端口，按照软件无线电实验平台界面的提示进行后续操作，通过示波器观察输出波形和频谱。时域波

35、形图频谱图主瓣过零点带宽(dB)主瓣与第一旁瓣增益差(dB)第一旁瓣带宽(dB)2)DQPSK调制方式选择“4”进入DQPSK调制仿真实验窗，将示波器分别观测实验平台TXI和TXQ端口，通过示波器观察输出波形和频谱。时域波形图频谱图主瓣过零点带宽(dB)主瓣与第一旁瓣增益差(dB)第一旁瓣带宽(dB)实验三基带恒包络载波调制技术(FSK MSK GMSK)实验一、实验目的1、研究恒包络线性载波调制技术原理； 2、熟悉频移键控技术的原理；3、观察16FSK调制信号波形及频谱；4、熟悉最小频移键控()技术的原理；5、观察MSK调制信号波形及频谱；6、熟悉高斯最小频移键控()技术的原理；7、观察GM

36、SK调制信号波形及频谱。二、实验原理许多实际的移动无线通信系统都使用非线性调制方法，这时不管调制信号如何改变，载波的幅度是恒定的。恒包络调制具有可以满足多种应用环境的优点，其中：a) 可以使用功率效率高的C类放大器，而不会使发送信号占有的频谱增大。b) 带外辐射低，可达-60dB至-70dB。c) 可用限幅器-鉴频器检测，从而简化接收机的设计，并能很好地抵抗随机噪声和由Rayleigh衰落引起的信号波动。恒包络调制有很多优点，但他们占用的带宽比线性调制大。1、频移键控（FSK）在频移键控调制系统中，幅度恒定不变的载波信号的频率随着可能的信息状态而切换，以2FSK为例，信息状态由二进制1和0表示

37、，分别对应某个载波频率。根据频率变化影响发射波形的方式，FSK信号在相邻的比特之间，通常呈现连续的相位。通常，2FSK信号的表达式为： （二进制的1）或者 （二进制的0）。其中代表信号载波的恒定偏移。一种简单的产生FSK信号的方法是，依照数据比特是0还是1，在两个独立的振荡器中切换。更常用的产生FSK信号的方法是，使用信号波形对单一载波振荡器进行频率调制。这种调制方法类似于生成模拟FM信号，只是调制信号为二进制波形。因此，2FSK可表示为：。2、最小频移键控（MSK）相移键控和正交幅度键控信号在码元交替处发生相位突变，这意味着已调信号的功率谱的高频含量较大，这种信号通过频带受限信道，因高频分量

38、被滤除和非线性，使信号的包络产生起伏，从而影响信号的解调质量。下面将讨论的MSK(Minimum Frequency Shift Keying)是二进制连续相位FSK的一种特殊形式。连续相位频移键控信号具有恒包络，频谱旁瓣小，抗干扰性能也较强，因此在卫星通信和移动通信中应用较多。最小频移键控(MSK)是一种特殊的连续相位的频移键控(CPFSK)，其最大频移为比特率的1/4。换句话说，MSK是调制系数为0.5的连续相位的FSK。FSK信号的调制系数类似于FM调制系数，定义为，其中是最大射频频移，是比特率。调制系数0.5对应着能够容纳两路正交FSK信号的最小频带，最小频移键控的由来就是指这种调制方

39、法的频率间隔(带宽)是可以进行正交检测的最小带宽。如果,则两路FSK信号和是正交的。MSK有时称为快速FSK，因为其使用的频率空间仅为常规非相干FSK空间的一半。MSK是一种高效的调制方法，特别适合在移动无线通信系统中使用。它有很多好的特性，例如恒包络、频谱利用率高、误比特率低和自同步性能。MSK信号也可以看成是一类特殊形式的OQPSK。在MSK中，OQPSK的基带矩形脉冲被半正弦脉冲取代。这些脉冲在周期中形状类似于St.Louis曲线。考虑t比特流交错的OQPSK信号。如果用半正弦脉冲代替矩形脉冲，调制信号即为MSK信号，N比特流的表达式为：，其中，其中和b分别是双极性数据流的奇比特和偶比特

40、，以的速率输入解调器的同步积分环路。应当注意MSK信号有很多种形式。例如，一种MSK信号仅使用正的半正弦脉冲作为基本脉冲，另一种可能会使用正负交替变化的半正弦脉冲为基本脉冲信号。然而，所有的MSK信号都是相位连续的FSK信号，使用不同的技术以有效地利用频谱。 MSK信号可看作一种特殊形式的连续相位的路K信号，MSK信号具存恒定幅值。通过选定载波频率为四分之一比特率(1/4T)的整数倍，可以保证MSK信号在比特转换处的相位连续性。MSK信号具有以下特点：1)已调信号的振幅是恒定的；2)信号的频率偏移严格地等于相应的调制指数为0.5；3)以载波相位为基准的信号相位在一个码元期间内准确地线性变化；4

41、)在一个码元期间内，信号应包括上载波周期的整数倍；5)在码元转换时刻信号的相位是连续的，或者说信号的波形没有突跳。3、高斯最小频移键控（GMSK）在数字移运通信中进行高速率数据传输时，为了满足邻道带外辐射功率低于-80-60dB的指标，要求信号要有更加紧凑的功率谱。通过前面的介绍，从MSK信号的功率谱可以看出。MSK信号仍不能满足这样的要求。高斯最小频移键控 (GMSK)就是针对上述要求提出来的。GMSK调制方式能满足移动通信环境下对邻道干扰的严格要求，以其良好的生能在公共移动通信系统中得到了广泛应用，并且被确定为欧洲新一代移动通信的标准调制方式。为了减小已调波的主瓣宽度和邻道申的带外辐射，在

42、平滑调频 (TFM)调制方式中调制前对基带信号进行了相关编码处理。如果调制前对基带信号进行高斯滤波处理也能达到上述目的。这就是另一种在移动通信中得到广泛应用的恒包络调制方法 调带立高斯滤波的最小频移键控，简称高斯最小频移键控。GMSK的基本原理是让基带信号先经过高斯滤波器滤波，便基带信号形成高斯脉冲之后进行MSK调制。由于滤波形成的高斯脉冲包络无陡峭的边沿，亦无拐点 所以经调带后的已调波相位路径在MSK的基础上进一步得到平滑。GM5K将MSK信号的相立路径的尖角平滑掉了，因此频谱特性优于MSK和SFSK。GMSK的基带信号先经过高斯滤波器滤波，使基带信号形成高斯脉冲，之后进行MSK调制。由于滤

43、波形成的高斯脉冲包络无陡峭的边沿，亦无捞点，所以经调制后的已调波相位路径在MSK的基础上进一步得到平滑。采用高斯滤波器进行预凋制滤波是因为高斯滤波器具有以下特性： 1)窄带锐截止特性，以便抑制高频分量； 2)冲激响应过冲量小，以防止过大的瞬时频偏；3)滤波器输出冲激响应曲线下的面积对应于的相移，以使调制指数为0.5高斯低通滤波器的单位冲激响应为：。显然不是时限的，但是随按指数规律迅速下降，可近似认为其宽度有限。傅里叶变换后可得：。高斯预调制滤波器的脉冲响应：。三、实验系统的组成本实验设备是由实验平台、示波器和终端计算机组成，使用FPGA实现对FSK、MSK和GMSK调制实验的仿真。四、实验系统

44、功能1 FSK调制；2 MSK调制；3 GMSK调制。五、实验步骤及内容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，利用示波器在指定接口进行输出信号波形观察。具体步骤如下：1、 检查实验平台左上方和右下方的Power Switch是否处于关闭（OFF）状态；2、 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Power Ready指示灯会亮起；3、 将实验平台左上方的Power Switch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”；4、 按下”确认（回车）”键进入系统

45、实验列表；8、 选择“2”按Enter键，进入基带实验列表；5、 选择“1”按Enter键，屏幕显示“进入实验中，请稍候”提示框，直至进入基带调制实验列表；1)FSK调制选择“5”进入FSK调制仿真实验窗，按照软件无线电实验平台界面的提示进行后续操作，将示波器分别观测实验平台TXI和TXQ端口，通过示波器观察输出波形和频谱。时域波形图频谱图主瓣过零点带宽(dB)主瓣与第一旁瓣增益差(dB)第一旁瓣带宽(dB)2)MSK调制方式选择“6”进入MSK调制仿真实验窗，按照软件无线电实验平台界面的提示进行后续操作，将示波器分别观测实验平台TXI和TXQ端口，通过示波器观察输出波形和频谱。时域波形图频谱图主瓣过零点带宽(dB)主瓣与第一旁瓣增益差(dB)第一旁瓣带宽(dB)3)GMSK调制方式选择“7”进入