2023年四G移动通信实验报告.pdf

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1、湖北文理学院4 G移动通信课程实验报告学 院_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _专 业_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _班 级_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _学 号_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _姓 名_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

2、_ _ _任课教师实验一：通用软件无线电平台与QPSK无线传输系统一、实验目的1 .掌握X S R P无线传输M a t l a b 形式接口的使用方法。2.掌握真实F M 信号的解调解决方法3.掌握Q PS K调制的原理及实现方法。4.掌握Q PS K解调的原理及实现方法。二、实验内容1 .掌握X S R P无线传输M a t 1 a b 形式接口的使用方法。2.掌握真实F M 信号的解调解决方法3.分别采用数字键控法、模拟相乘法Q PS K调制，观测Q PS K调制信号波形。4.采用相干解调法Q PS K解调。三、实验仪器1 .安装有X S R P 系统软件的P C 机。2.X S R P

3、 系统软件加密狗。3.X S R P 硬件。4.示波器。四、实验原理FM接受机F M 的原理是以载波的瞬时频率变化来表达信息，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I Q 中得到相位信息是很容易的。F M S i g n a l =s i n e (c a r r i e r f r e q u e n c y +J 0 t m e s s a g es i g n a l d t)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P。1 a r 极坐标形式即可获得。然后我们运用积分的逆过程即微分就可以获得本来的信

4、号。但是当相位在T 8 0 度至 1 80 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，我们可以把相位增长360 度的倍数使得相位变化连续，即进行相位展开。五、实验环节一方面，打开实验目录1.7.4,呈现如图30.1 界面。图 30.1 F M 接受机实验界面F M 实验打开后，F M 解码过程就开始了，但由于未配置合适的接受频率，解出的信号完全为噪声。因此在开始实验前，需要对R F 进行配置，将 R F 接受频率配置到目的频率，如 1 0 6.4M H z ,示意图如错误!未找到引用源。确认配置成功。图 3 0.错误!未定义书签。射频参数配置之后在界面上点击右键，选择右键菜单

5、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接受机，重要通过几个环节完毕：1）通 过GSM _IQ_Send_Rcv.vi这个函数获取IQ数据2）通 过Comp lex to P o l a r Waveform,v i将I Q复数转为极坐标形式获取相位信息3）通 过Unwra p Phase-Conti n u o u s.v i实现相位连续展开4）通过Differential e-Con t inu o us.v i对相位数据进行微分还原FM消息5）通过Re s ample Wav

6、eform,v i将还原的FM消息重采样至声卡可接受的速率6）对于GSM_IQ_Sen d_Rcv.v i,函数接口示意图如图30.4 所示。AGCIQ额据Tx时钟和上行帧同步路由选择上下行延时和系统选择发射时隙结构控制采隼控制GSM_IQ_Send_Rcv.viIQ数据Rx图3 0.错误!不能识别的开关参数。GSM_ I Q_Se n d_Rc v.vi接口说明=GSM_IQ_Sen d _Rcv.v i 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I Q数据的连续接受。函数的具体用法,参见函数的使用文档。Unwrap Phase-Continuous.vi

7、Input Signal aResetPhase Unwrapped图 30.5 Unw ra p Phas e-Continue u s.v i 接口说明Differentiate-Continuous.viInput SignalJ 3 0dx/dt图3 0.错误!未定义书签。D ifferen t ia t e-C。n t i n uous.vi接口说明open interval?(F)waveform indttointerpolation modeerror in(no error)Resample Waveform.viresampled waveform outused tOer

8、ror outtO adjusted warningFIR filter specifications图 3 0.错误!未定义书签。R e samp I e Wave f orm.v i 接口说明最后,被重采样的F M解调信号送声卡进行播放,用户即可收听F M广播。需要说明的是，X S R P所采集的空口 F M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F M发射机。如错误!未找到引用源。，X S R P采集信号源发射的扫频信号，I Q呈现为恒包络信号，而解出来F M消息为正弦波信号。图 3 0.错误!不能识别的开关

9、参数。XSRP接受到良好质量的FM信号并解调最后,点击界面的结束按钮，结束当前实验。Q P S K 调制调制解调Q P S K （Q u a d r a t u r e P h a s e S h i f t K e y i n g,正交相移键控）又叫四相绝对相移调制,运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a b通常是按格雷码排列的，它与载波相位的关系如表所示，矢量关系如错误!未找到引用源。所示。图（a）表达A方式时Q P S K信号的矢量图，图（b）表 达B方式时Q P S K信号的矢量图。双比特码元载

10、波相位表格1 6.错误!未定义书签。双比特码元与载波相位关系abA方式B方式000 2 2 5 109 0 3 1 5 111 8 0 4 5 012 7 0 1 3 5 由错误!未找到引用源。可知，Q P S K信号的相位在(0 ,3 6 0 )内等间隔地取四种也许相位。由于正弦和余弦函数的互补特性，相应于载波相位的四种取值，比如在A方式中为0、90、1 8 0。、2 7 0 ,则其成形波形幅度有三种取值，即1、0;比如在B方式中为4 5、1 3 5、2 2 5 0、3 1 5 ,则其成形波形幅度有两种取值,即土工图1 6.错误!不能识别的开关参数。QPSK信号矢量图Q P S K信号地产生

11、方法与2 P S K信号同样,也可分为调相法和相位选择法。实验中用调相法产生Q P S K调制信号的原理框图如图1 6.2所示。图1 6.2 QPSK调制调相法原理框图下面以B方式的Q P S K调制为例，讲述Q P S K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D I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。Q PSK信号相位编码逻辑关系如表格16.2所示：表 格 1 6.2 Q P

12、S K 信号相位编码逻辑关系（B方式）D I0011DQ0101I 路成形-V 2/2-V2/2+V2/2+V2/2Q 路成形-V 2/2+V2/2V2/2+V2/2I 路调制18018000Q 路调制1 80 001800合成相位2251 35 315 045 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错误!未找到引用源。所示：D I0011DQ0101I 路成形+100-1Q 路成形0-1+10表格1 6.3 QP SK信号相位编码逻辑关系（A 方式）I 路调制0无无180 Q路调制无1 800 无合成相位0 027090180上表中，“无”表达乘法器相乘后无载波输出。

13、此外，由于Q路与I路是正交的，所以Q路的0 相位相称于合成相位的90,Q路的18 0。相位相称于合成相位的2 7 0。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2 PSK信号相干解调器构成，其原理框图如图16.3所示：图16.3 Q PSK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S IN和CO S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,

14、得D I和DQ信号。D I和DQ信号最后并/串转换，恢复成串行数据输出。一、实验环节1、固定数据输入，观测并记录波形1）将数据类型配置为0 1交替，数据长度配置为1 0,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,各个探针位置如错误!未找到引用源。中红色标记所示,将观测得到的波形保存为图片。2）将数据类型配置为0 1交替，数据长度配置为1 0 ,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

15、可以改变为其它类型。假如进行实验时,X S R P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。X S R P设备支持将波形输出到C H 1和C H 2。假如上位机未连接X S R P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测并记录星座图变化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1 0,如错误!未找到引用源。所示。数据类型 相 位 偏 转 载 波 频 率（Hz）数据长度 弱据 添加喙声龌数据|V|A方 式，S O t T T 3

16、T T 图 1蟠/僖止仿真图 16.2 1数据配置2）记录数据源并观测“A方式”星座图，如错误!未找到引用源。和 图1 6 .2 3所示。基常信号时域图16.2 2 数字基带信号3.0-2.0-X X调制星座圉0.0-X-2.0-3.0-Z0 0.0 2.0 3.0图16.2 3 A方式星座图3）修改相位偏转方式,观测星座图。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1 0 交替,数据长度配置为1 0,勾选添加噪声,默认信噪比为1 O d B,如错误!未找到引用源。所示。数据类5J 相位偏转 JS波频率3）数18长度：ioXW A方 式 500,|

17、io:：添加m声值,妣1。0f l停止仿班图16.2 数据配置点 击“实验现象”镂钮，切换到波形显示页面，观 测“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,观测“解调时域”波形,应为10序列，如错误!未找到引用源。解调信号时域1-0.5-Q _-0 10（）0 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000图1 6.错误!未定义书签。加噪后信号变化逐步减少信噪比配置参数，观 测“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 1

18、6.2 8 为一种异常值示例。解调信号时域1-0.5-10 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000图16.2 8解调无线误码信号4、编写调制解调框图中的部分程序(Q P S K _ sam p l e_ J ud ge.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 图1 6.29 0用户将收到提醒，如错误!未找到引用源。点击继续进行确认，确认后软件主程序将重载当前实验。切换到编程练习模式将停止并重载当前实蛉，清确认是否继续！匚 二 藏口 I放弃1图16.30确认切换实验模式2)重载实验完毕后，实验将进入编程练习模式。

19、如图1 6.3 1所示。数相类2(相 位 偏 转 或 波 频 率(H数据长度 出10交替 E A方 贰 500 三 10：。：必。:：I I实 验 原 理 实 竣 现 象 当前模式鼻 编 程 橐 南 式“图1 6,错误!未定义书签。重载后更新当前模式练习模式对程序设立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Q P S K _ sam p l e_ j ud ge.m,需要编辑代码的区域，以外T O D O开始，以%E N D T O D O结束。根据实验原理，将代码补充完整。点击开始仿真按钮,假如编译有错误会弹出如图1 6.3 3的类

20、似的错误提醒,S来自M atlab的曾 承 示：.Error using QPSK_DemodulationToo many input arguments.图1 6.错误!未定义书签。实验代码运营犯错提醒重载实验完毕后，再次点击“开始仿真”按钮。假如软件没有提醒错误，进入下一环节，否则继续修改代码。注意软件未提醒犯错时，仅表达程序达成了可运营的条件，并不表达编程一定对的！3）点 击“实 验 现 象”镂 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

21、信号与 解调信号，如错误!未找到引用源。所示,图1 6.错误!未定义书签。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：s y m b o I _ I e n =I e n g t h(a )/2;t e m p =l/(2A0.5)；Q P S K _ t a b I e =t e m p*(l+l i),(l-1 i),(-1 +l i),(1-l i);f o r k k k =l:s y m b o I _ 1 e nt e m p =a(1 ,(2*k k k-1 )*2 +a(1 ,(2*k k k)+1 ；m o d

22、 d a t a (l,k k k)=Q P S K _ t a b 1 e (t e m p);e n dp l o t (m o d d a t a,*);2）运营后星座图结果如图16.36o图1 6.错误!不能识别的开关参数。映射星座图二、实验思考题Q P S K 信号相较于D P S K 有什么优势？D P S K 差分相移键控D i f f e r e n t i a l P h a s e S h i f t K e y i n g 的缩写：用于光传输系统中对D P S K 调制信号的接受解调。D P S K 是一个1 B i t 延迟器，输入一个信号,可以得到两路相差一个比特的信

23、号,形成信号对D P S K 信号进行相位解调，实现相位到强度的转化。Q P S K 正交相移键控(Q u a d r a t u r e P h a s e S h i f t K e y i n,Q P S K)：分为绝对相移和相对相移两种。由于绝对相移方式存在相位模糊问题，所以在实际中重要采用相对移相方式D Q P S K o 目前已经广泛应用于无线通信中,成为现代通信中一种十分重要的调制解调方式。中国的3 G 制 式(C D M A 2 0 2 3,W C D M A,T D-S C D M )均在下行链路上采用Q P S K 调制。1.绘制调制和解调的实现框图。2.绘制实验环节（一）

24、规定的波形。数字基带信号I 路信号Q路信号I 路调制信号Q路调制信号已调信号-L=U-08教波里电后信号 （信 号 时 接 装 形j侑号痢芟质心信号功率诺空度I 路载波提取后信号I 路低通滤波后信号Q路低通滤波后信号I 路抽样判决后信号Q展抽样判决后信号解调信号3.绘制实验（二）规定的波形。.基带信号时域数字基带信号调制星座圉A 方式星座图B 方式星座图3.0-2.0-0.0-2.0-3.0-2.03.0-2.0-调制星座圉0.0-XXX-2.0-3.0 t,-3.0-2.00.0 2.0 3.0XX0.0 2.0 3.04.绘制实验环节（三）规定的波形。加噪后信号变化解调信号时域加噪后信号变

25、化1.分析调试成功的代码，画出实验代码流程图。s y mboljen=lengt h(a)/2;tern p=1/(2 人 0.5);QPSK.table=temp*l+1 i),(1-1 i),(-1for kkk=1 :sym b ol_ I entemp=a(1,(2*kkk-1 )*2+a(l,(2*k kk)+1 ;m o d_dat a(1,k k k)=Q P S K_tab I e(t e m p);end。p l o t (mod_data,*);QPSK传输系统实验1、结识真实传输系统中的延迟所带来的相位偏转。2、在QPSK传输过程中添加参考信号解决信号同步问题。实验原理在

26、之前的实验中我们了解了 Q PSK的调制解调过程，由于仿真过程中调制信号直接作为解调过程的输入，因此数据可以完全还原。但在真实系统中，调制信号一旦经空中接口发射出去，接受侧实际并不知道信号的起点位于何处。XS RP的RF环回模式大体拟定了发送与采集位于同一时隙，但仍然不能保证准确地从信号头部开始采集。要实现Q P S K传输,还需要采用其它辅助措施。在这里，我们参考帧同步的原理来设计自定义的传输系统。在数据包分帧传输时，为了使接受到的码元可以被理解，需要知道其如何分组。一般说来，接受端需要运用群同步码去划分接受码元序列。群同步码的插入方法有两种：集中插入法和分散插入法。其中，集中插入法是将标志

27、码组开始位置的群同步码插入于一个码组的前面,如下图31.1集中插入法所示。这里的群同步码是一组符合特殊规律的码元,它出现在信息码元序列中的也许性非常小。接受端一旦检测到这个特定的群同步码组就立即知道了这组信息码元的“头、所以这种方法合用于规定快速建立同步的地方,或间断传输信息并且每次传输时间很短的场合。信息码组 修【信息码组 修,信 息 码 组 匕J信息码组 匕(同步 同步 同步 同步 同步码组 码组 码组 码组 码组图3 1.1 集中插入法同步提取模块采用集中插入法提取帧同步信号。接受端收到N R Z 码数据后,已知同步码组,从接受N R Z码中检测到这个特定的同步码组后，产生一个窄脉冲输出

28、。数字基带提帧过程提取时分复用数据的帧同步信号,时分复用数据3 2 位一帧,每帧的2 4 位信息码元之前，集中插入8位的同步码组“O i l 1 00 10”(巴克码 1110010前面补一位0),提取出的帧同步信号为窄帧，相应同步码组的第一位“0”。数字频带提帧过程提取N R Z码的帧同步信号，N R Z 码规定24位一帧，每帧的 16 位信息码元之前，集中插入8 位的同步码组“1 11 0 0 100”(巴克码1 11 0 010后面补一位0),提取出的帧同步信号为窄帧,相应同步码组后的第一位数据。参考帧同步的思想，我们可以设计一个自定义的Q P SK 传输系统。1 )%加参考信号c=1

29、1 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0 1 0 1 1 0 1 1 ；c_n=10;%参考信号有多少个符号(星座点)c _ o f f s e t =1;%参考信号映射起点,0表达最前面，1 表达前面空1位.d at aln(l+2*c_of f s e t :(c _n+c_ o f f s e t )*2)=c(1:c_n*2);cO(1：2*c_n)=c(1:2*c_ n);d a t a I n _c=d at a I n(l+(c_n+c _ o f f s e t)*2：D ATA_L EN G TH *2）；2)%实现R F 环回 s am p le i,s amp l

30、e Q =R F L oop back(d at al Q (1,1:2:SAM PL E_L EN G TH*2),d at a I Q(1,2:2:SAM P L E _ L E N G T H*2)2)%运用参考信号进行相关运算f or t =l:s c_ 1 e nd a t a_ i n_m i d =d at a_i q (s c_ s t ar t +t-l：s c_ s t ar t+t -2+c_n*SAM P L E_R AT E);f o r k=l:c_ n*SAM P L E_R ATEs cC or r e lat i o n(t)=s cC or r e 1 a

31、t i o n(t)+d a ta_i n_mi d (k)/C _ Samp le _i q (k);e n de nd%找相关峰最大值m o d ScC o r r =abs (s c C o r r e lat i on)；mi xScC or r =mod S c C or r (1);f i n d s cN o=1;f or k=2：s c_le ni f mod S c C o r r (k)mi x Sc C o r rm i x S c C o r r=mo d ScC or r (k);f i nd s cN o=k；%最大值所在的位置e nde n d3)纠正相位偏差i

32、f p h a s e _e n=1%加相位和幅度纠正d at a_ou t =d at a _i q*(c_n*S AM P L E_R A TE)./s cC o r r e la t i on(f i nd s cN o);el se。%只加幅度纠正d at a _ou t =d at a _ iq(c _n*SAM P L E_R ATE*0.8)./a b s (s cC or r e i a t i on(fin dsc No)；e nd实验过程1.通过双击目录树第L 7.3节点加载Q P S K传输系统实验程序，如图3 1.2所示:图31.2 QPSK传输系统实验界面实验界面分为

33、ma t la b代码浏览与编辑区域，程序变量阵列区，p l。t变量选择区域，p lot结果区域。在开始运营程序之前，我们需要配置一些RF参数，重要是将收发频点配置为一致，其它参数可为默认值，如图3 1.3。图 3 1.错误!不能识别的开关参数。R F参数配置接下来，我们需要选择顶层m文献，此实验中为main,m,浏览整个文献，双击选择需要观测的变量，右键添加至p lo t清单，或者点击运营代码后，再点击wh o 按钮,将程序变量罗列至右侧黄色区域,再双击选择变量或鼠标拖动选择变量，将需要观测的变量配置至P lo t清单中。再次点击运营代码按钮，将在P l o t 结果区域显示波形，鼠标滚轮可

34、切换显示，也可点击“显示下一个”和“显示上一个“按钮切换显示。重要观测如下波形，如图3 1.5至图31.1 0 o图3 1.5 发送侧的QPSK星座图图3 1.错误!未定义书签。接受侧的I路波形图3 1.错误!不能识别的开关参数。接受侧的Q路波形图3 1.8接受IQ星座图 通 行 代 码 Who 保 存 修 改 清 除 图 形I 0系上一个:示下一 个 登射加入PtoCg单。方形区域显示矩形区域显示data_out1.5-1.0-0.5-0.0-0.5-1.0-PI 0 to 占 1+闻 稗区图3 1 .9 校正相位和幅度后的星座图如 图3 1.8,空口接受的数据星座图发生了相位偏转，通过参考

35、信号提取,对信号的实际起点进行了拟定，星座图得到校正，如错误!未找到引用源。假如代码中取消执行相位纠正环节，则结果如下，参考图3 1.10。Q XSRPK件无疑电通，朝 野 开 发?M E g S T眸 3 t&o)ect Operate 工 ook tjeto1通化原理3 1.1 模拟假海 1.2 NRZ码信号产生G Q 1.3 PCM蛤码闺 1.4 至用变瘦田 1.5 信道码1.6 叫M第四实蚣a 1.7 taw型文蚣1.7.1 HDB3SIS 1.72 QPSf1.7.3 FMMT收矶1.7出用科由 2移动通信琮理,3数字信三处原4砍动满信M 2 开*当前工程目录 1 0:0enXSRP

36、XSRP32jJIVunrtr文件浏览 S U ranwvr%并常传樵，tQ交8传翎ie IBMGTH-2)；dUIQ(l,l:2：$AMPi LENGTH-datrQ(l,2:2:$AMPte LENGTHphwe.en-0;%0不tU正帕位WHT 1物正相位俵SfdataSampie(1:(c_n c o9Ct-SAMPL RA7B)-dataSanipieC_OS*t)-SAMPl_RATC)；%加入毋 僮号sanvleI,snp(eQ-Rm.oopbackdataJQ(l.l:2:SAMPie_lNGTWZ).datalQ(1.2:2:SAh_U!NGTH-2)图 3 1.错误!未定义

37、书签。相位校正过程取消的结果一般地，R F收发模块之间总有一定偏差，但当硬件系统正好没有收发频率差,且采集起点正好在信号起点时,则无法看到信号偏转,此时可人为将接受频率与发射频率错开若干H z,如错误味找到引用源。所示。图 3 1.错误!不能识别的开关参数。收发频率错开若干Hz以模拟相位偏转六、实验心得这次实验对XS R P软件的使用有了进一步了解，明白了 P 无线传输Matla b 形式接口的使用方法。掌握真实FM信号的解调解决方法。掌握QPSK解调的原理及实现方法。分别采用数字键控法、模拟相乘法QPSK调制，观 测 QPSK调制信号的波形。采用相干解调法QPSK解调。实 验2_GSM物理层

38、中的G M S K调制与解调一、实验目的1 结识G S M 物理层2 掌握I Q 数据网口收发3 掌握G M S K 调制的原理及实现方法。4掌握G M S K 解调的原理及实现方法。二、实验内容1 学习G S M物理层整个全流程的原理和方法2 运用X S R P 系统软件完毕G S M 物理层全流程算法3 分别采用数字键控法、模拟相乘法G M S K调制,观测G M S K 调制信号的波形。4 采用相干解调法G M S K 解调。三、实验仪器1 .安装有X S R P 系统软件的P C 机2 .X S R P 系统软件加密狗3 .X S R P 硬件平台四、实验原理1 、GMSK调制前面讨论

39、的MSK信号的重要优点是包络恒定,并且带外功率谱密度下降快。为了进一步使信号的功率谱密度集中和减小对邻道的干扰。可以在进行M S K 调制前将矩形信号脉冲先通过一个高斯型的低通滤波器。这样的体制称为高斯最小频移 键 控(Gauss i an M S K,GMSK)。GMSK调 制 在MSK调 制 器 之 前 加 入 一 个 高 斯 低 通 滤 波 器，将基带信号变换成 高 斯 脉 冲 信 号,其 包 络 无 陡 峭 边 沿 和 拐 点,从 而 改 善MSK信 号 频 谱 特 性。基带的高 斯 低 通 滤 波 平 滑 了MSK信 号 的 相 位 曲 线，因此稳定了信号的频率变化,使得发射 频 谱

40、 上 的 旁 瓣 水 平 大 大 减 少。实 现GMSK调 制，关 键 是 设 计 一 个 性 能 良 好 的 高 斯 低 通 滤 波 器，它必须具有如下 特 性：a、有 良 好 的 窄 带 和 锋 利 的 截 止 特 性，以滤 除 基 带 信 号 中 多 余 的 高 频 成 分。b、脉 冲 响 应 过 冲 量 应 尽 量 小，防 止 已 调 波 瞬 时 频 偏 过 大。c、输 出 脉 冲 响 应 曲 线 的 面 积 相 应 的 相 位 为 万/2,使 调 制 系 数 为1/2。以上 规 定 是 为 了 克 制 高 频 分 量、防止过量的瞬时频率偏移以及满足相干检测所 需 要 的。高斯低通滤波

41、器的冲击响应为/z(f)=ay/zr exp(-7r2a2t2式 中，B b为 高 斯 滤 波 器 的3dB带 宽。该 滤 波 器 对 单 个 宽 度 为T b的矩形脉冲的响应为一。颗TH覆吗式中。寸意e x p(-/2)d r当BbTb取 不 同 值 时，g(t)的 波 形 如 图21.1所示GMSK的信号表达式为S（r）=cosj图2 1 .错误!未定义书签。G M S K的相位轨迹从图21.1和2 1.2可以看出，GMSK是通过引入可控的码间干扰(即部分响应波形)来达成平滑相位途径的目的，它消除了MSK相位途径在码元转换时刻的相位转折点。从图中还可以看出，GMSK信号在一码元周期内的相位

42、增量，不像MSK那样固定为土 n/2,而是随着输入序列的不同而不同。由上式可得S(r)=cos/+，=cos，(1)cos q/一 sin 6(r)sin coj式中w）=L 下退卜-附一夕卜r=/；）+。砥+1）（尽 管g（t）的理论是在一8 仅+8范围取值，但实际中需要对g（。进行截短，仅取（2 N+1 ）Ts区间，这样可以证明e在码元变换时刻的取值文文）是有限的。这样我们就可以事先制作c s 9（，）和s i n，（/）两张表,根据输入数据读出相应的值,再进行正交调制就可以得到G M SK信号，如图2 1.3所示图2 1 .错误!不能识别的开关参数。调制原理框图波形存储正交调制法产生G

43、M S K信号。2、G M S K解调GMS K解调原理框图与M S K解调原理框图相同。四、实验环节1、纯软件方式仿真1）打开X S R P应用程序，在程序界面左侧的实验目录中，找到“G SM全流程实验”，双击点击“G SM全流程实验二2）实验显示区域弹出相应G S M全流程实验,如图6.2所示。图6.21）系统模式支持纯软件仿真和软件硬件结合仿真，点击选择“纯软件仿系 统 模 式 选 择真”开 启 硬 件 市 软 件 仿 真 季 闭2）点击“全流程运营过程”标签页，如图6.3 所示。全流程运营程中展示了物理层的所有过程。在产品规划中，X S R P 运营物理过程时有两种选择：运营于P C

44、或运营于D SP,默认运营于P C,运营于D SP 需要额外的授权许可。假如D SP 许可存在，则每个模块都可以选择运营于P C 或D SP。当前产品不支持D SP 选项，用户无法选择。全流程运营起来后，每个环节消耗的时间将在“T i m e O n P C 或“T i m e O nD SP”中显示，便于用户观测代码优化情况。图6.35）点击运营按钮 AL选择数据源，数 据 源 在 F u n c t i。n s G S M _ Vo i c e _ P HY _ A L L”文献夹下，文献名为“T e s t W a v K HZ S.w a v，如图6.4所示。图6.4数据源选择6）全流

45、程运营支持手动单步运营和自动运营，意阴1。7）点击“流程运营中间结果”，观测中间过程数据输出显示，如图6.5 所示。运行 说 J 皴排配置全流程运行过程流程运行中间结果仿真峋态运行过程信息处理品书个2 0 m s 语音数据的信遒圉码、交织处度第书个2 0 m s 语音数据的信道端拼交织处座第5（42 0 m s 宿音数据的信着期、交织、形成突发、RH 解交织、信道解码凌 织、每负豆疑云唆造苣更例是存至:G SM 2 6 0 b i t 语啬编码0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0

46、0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 *0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 0 1 0 1

47、 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 00 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1图6.5运营输出数据显示8）整 个 流 程 解 决50个 语 音 数 据 块（2 0 ms），解 决 完 毕 后，替换原有的文献,如 图6.6所 示。图6.69）在“全 流 程 运 营 过 程”标 签 页，查 看 每 一 过 程 所 运 营 的 时 间，如 图6.7所 示。me0n pe 3247 ms|15|-

48、l5 164 R（440 卜g 16|ms|o|-：图6.7完 全 掌 握 理 解 了 全 流 程 每 个 模 块 的 算 法 解 决 原 理 后，可 以 自 行 修 改 算 法 验 证，每 步 运 营 时 间 是 算 法 优 劣 很 重 要 参 考。10）鼠 标 左 键单击模块，查 看 相 应 模 块 的 数 据 波 形。比 如 点 击ADC模 块，如图6.8所 示。A DC模 块 数 据 波 形 显 示 如 图6.9所 示,假 如 波 形 显 示 太 密，可以更改波形图横 坐 标。图6.9 ADC模块数据波形2、启动硬件仿真a）点击工具栏RF配置按钮 犍，配置射频上下频率。图6.10 RF

49、配置界面查 看X SR P硬件平台系统连接是否正常，假如不正常，界面自动弹出如图436.11提醒。设 备 未 连 接，清 选 择 操 作！I 退 出 】L 等 待 !连接正常显示如图6.12所示。图6.12 配置上下行频率参数配置时先在编辑框输入要配置的参数值,再点击其相应的配置按钮。D（频率 1953600000 Hz TX频率酉d置配置成功,则反馈成功消息。请求消息类型 设管响应酉i!置射频的丽爱射频率TX频率和RX频率配置为相同频率。如：TX频率:Hz,RX频率Hz.b）系统模式选择启动硬件，等待硬件加载完毕。系统模式选择。开 启 硬 件 纯 软 件 仿 真 美 闭SystemHardw

50、arelnitializingIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIc）后面环节和纯软件仿真同样。（二）配置不同的射屡屡率及调节天线方向，对比IQ 星座图变化1）配置射屡屡率，对比硬件仿真和纯软件仿真星座图的变化。由于信号通过了真实的物理环境，可以看到星座图发生了变化。变化表现在：1 ）幅度发生了变化，这是由于空口信号存在物理衰减/增益导致。2）波形首尾出现了噪声，这是由于对射频信号的采集无法完全与发射端同步导致。图6.1 3纯软和硬件模式下IQ星座图2）固定射屡屡率，调节天线方向，观 测IQ星座图变化。由于天线远离，空3）试听还原后的音频文献LoopBa c k.w a v,反复第一步