《无线通信基础》课程研究性学习手册
姓名
学号
同组成员
指导教师 陈霞蒋海林
时间2015年04月29日
一、实验任务
在本实验中你要完成一个LabVIEW程序，它能够将PN序列或文本作为信源并对其进行数字调制解调。实验的目的是让你进一步熟悉LabVIEW编程软件的基本操作，并且在编程的过程中可以加深对常见数字调制方式的理解，巩固基础知识。
本实验主程序的前面板是完整的，程序结构和大部分的子程序也都已经提供给我们，需要我们自己完成的只有subMOD、subPulseShaping、subMatchFilter、subDemod这四个子程序。我们需要按照下面的步骤正确的完成这四个子程序，在完成实验后，需要上交完整的程序以及实验报告。
（1）subMOD子程序
这个子程序的作用是实现BPSK或QPSK的基带调制，即将输入的信源bit序列映射到符号域，输出是复数形式的符号。
以BPSK为例，BPSK把一个信息位表示成一个符号，即映射出的符号有两种可能的相位。在数学上，每比特调制信号表示为：
(4.1)
式中，
是基带调制的频率，
是b=0或1时的相位偏移。如果我们选择的两个相位分别是π/2和3π/2的话，可以将调制信号
表示为：
(4.2)
对应前面所说的将每一个bit映射成一个复数符号，可以很容易的看出BPSK的映射关系为：将信源0映射成0+i，信源1映射成0-i。
当调制方式为QPSK时，原理与BPSK类似。不同的是QPSK是将信源的2个bit映射成一个复数符号，因此有四种可能的表示符号。例如我们选择相位偏移分别为π/4、3π/4、5π/4和7π/4，则对应的复数符号分别为0.707 + 0.707i、-0.707 + 0.707i、0.707 – 0.707i和-0.707- 0.707i。因此你在subMOD子程序中需要做的就是把输入的信源bit数据流映射到符号域上。例如输入bit数据为11011000，调制方式为QPSK的话，则输出的符号应该为-0.707-0.707i、0.707-0.707i、-0.707+0.707i和0.707+0.707i。
（2）subPulseShaping和subMatchFilter子程序
这两个子程序的功能类似，分别是实现发端的脉冲成型滤波和收端的匹配滤波。信号通过滤波器就相当于信号和滤波器的时域脉冲响应做卷积。以发端为例，你首先需要做的就是根据设置的滤波器类型、滤波器长度等输入参数生成脉冲成型滤波器系数。然后根据设置的上采样率对输入符号进行上采样。最后将上采样后的信号与生成的滤波器系数做卷积。得到的便是成型滤波后的输出信号。接收端的实现过程与发射端类似，主要区别在于接收信号已经在发端进行了上采样，因此在收端匹配滤波前不再需要上采样操作。
（3）subDemod子程序
subDemod子程序实现对接收符号的解映射，即发送端subMOD子程序的逆过程。子程序的输入是同步后的数据符号，输出是解调后的bit数据。如果是BPSK调制，你需要将每个输入的数据符号解映射成一位bit数据；如果是QPSK调制，则需要将每个输入符号解映射成两位bit数据。要注意在发送端进行映射的图谱要与接收端解映射的图谱对应，这样才能够正确的解调出数据。
（4）实验结果验证
完成以上几个子程序后，可以通过运行主程序来验证编写的模块是否正确。首先你需要在前面板上合理的设置各项参数，例如信源为文本并使用QPSK调制，你还可以通过信噪比范围参数来设置所计算信噪比的最大值。之后运行程序，如果程序正确的话你可以观察到星座图、误码率数据、接收端恢复的文本等输出信息。如图6至图9所示。然后你可以改变参数，验证在不同参数下程序是否能够正确运行，并对比运行的结果有何异同。最后按照要求完成实验报告。
接收星座图
恢复的文本内容
误码率曲线
实时误码数据
二、理论分析：
本次试验的主要任务有四项基本的子程序：
1、第一个程序subMOD
它的作用是实现BPSK或QPSK的基带调制，即将输入的信源bit序列映射到符号域，输出是复数形式的符号。在构造程序时，需要分辨BPSK和QPSK两种调制方式，在不同的条件下执行不同的程序，所以要用到条件框进行两种调制方式的判断。并且有控制键对调制方式进行控制。其次，程序允许多个输入，多个输出，因此需要用到循环进行多次调制，还需要计算出输入的个数以便控制调制的次数。
2、第二、三个程序subPulseShaping和subMatchFilter子程序
（1） 这两个程序作用类似，均为滤波器。首先是发端的脉冲成型滤波器，在通信系统中，脉冲成形滤波器还用于无线通信信道得两个重要条件: 1）产生限带信道，2）降低由信号多径反射引起的符间干扰（ISI）。这两个条件都可以通过作用于每个符号的脉冲成形滤波器来实现。实际上，下图所示的sync脉冲满足了上述两个要求，因为它仅占用一小部分频域，但却有效地利用了频域，还由于它对调制信号的每一个符号周期会产生一种加窗效应。
脉冲成形滤波器首先要使波形平滑，即使脉冲突变的上升沿和下降沿平缓，频带外的频率衰减加快。
根据乃奎斯特定理[1]，为使信号基带传输时无码间串扰，系统冲击响应必须满足
（1）
其傅氏变换应满足
（2）
在实际系统中，信带传递函数
由发送滤波器
、信道和接收滤波器
组成，即
，若在设计过程中把传输信道看成理想信道，即
=1。只要求特定时刻的波形幅值无失真传送，而不必要求整个波形无失真。根据乃奎斯特第一准则，如果信号经传输后整个波形发生了变化，只要其特定点的抽样值保持不变，那么用再次抽样的方法，仍然可以准确无误地恢复原始信号。满足乃奎斯特第一准则的滤波器有无穷多种，为了满足无码间干扰并实现发射机和接收机的匹配，发射端的脉冲成形滤波器可选择平方根升余弦滤波器，传递函数表示式为
（3）
T为输入码元的周期，
为滚降系数，取值为
。滚降系数影响着频谱效率，越小，频谱效率就越高，但越小时，升余弦滚降滤波器的抽头系数也越多，设计和实现比较困难，而且当传输过程中发生线性失真时产生的符号间干扰也比较严重。在无码间串扰条件下所需带宽 W 和码元传输速率 Rs 的关系一般为：W=1/2(1+α)Rs。在实际工程中，的范围一般定在 0.15～0.5 之间。
记
，平方根升余弦冲击响应的表达式为
滚降系数分别为0，,05,1的平方根升余弦滤波器冲击响应波形和频谱如图1和图2所示：
图1 平方根升余弦滤波器冲击响应波形 图2 平方根升余弦滤波器的频谱
需指出，升余弦滤波器的严格限频特性，是物理不可实现的，然而由于升余弦滤波器频率特性的平滑性，使得有可能物理可实现滤波器近似实现此频率特性，所以在限带数字通信系统中广泛采用 的升余弦滤波器。
若取冲击响应截断时间为8T，此时滤波器的长度适中且截断误差很小；每T内采样点为8个。为确保
采用后的
保持第一类线性相位，舍去
样点，同时对右移4个点，采用中
，采样间隔为
，设发送端传递的二进制数据是
，则发送滤波器的输出波形函数表示为：
当前传递信息
时刻对应的波形上升沿y[1..8]分别由
，
，
，
，
，
，
，
线性表示，即
……..
……..
……..
（2）匹配滤波器与脉冲成形滤波器几乎同等重要。脉冲成形滤波器的作用是使信号的符号周期不混叠，而匹配滤波器的作用是滤掉在传送过程中因信号反射而造成的干扰。由于通过直接路径达到的信号比反射信号更早到达接收端，因此反射信号有可能与后续符号周期产生混叠。
设匹配滤波器的输入信号为
，是由接收信号
和噪声
两部分构成，即
，在表达式中
是白噪声，双边功率谱密度为
，而信号的频谱函数为
。
根据线性叠加原理，匹配滤波器的输出 也由信号
和噪声
两部分构成，即
设
的频谱为 ，根据信号与系统理论得
求
的傅里叶反变换，可得到输出信号为
输出噪声
的功率谱密度为
匹配滤波器在时刻的输出信号值为
则在时刻输出信号的瞬时功率为
，输出噪声平均功率为
所以时刻输出的信噪比为
根据许瓦兹不等式
可以得到
当
时等式成立，这就是所要求的匹配滤波器的传输特性，由上式可知，输出信噪比最大的滤波器的传输特性与信号频谱的共轭成正比，故这种滤波器称为匹配滤波器。
匹配滤波器的冲激响应为
两边取傅立叶反变换，得到
如果输入信号
是实信号，则
。
假设符号的传输速率
，则在接收端同样地我们需要每隔
时间进行一次判决，因此我们希望在每时刻的输出信噪比最大，将上述的
用带入，得到匹配滤波器如下：
当接收端输入为
时,在相对于
的匹配滤波器端输出信号
式（2-14）说明相对于
匹配滤波器的输出信号在形式上与输入信号和
乘积的积分相同，则匹配滤波器在取样时刻的输出值可以用乘积与积分这样的相关运算来求得，匹配滤波器的实现过程如图2-1所示。
3、第三个程序则为接收端的解码程序subDemod子程序
该程序为第一步编码程序的逆过程。同样的，我们也需要设计程序控制调至类型，并设计算法构造0+i、0-i到0、1，0.707+0.707i、-0.707+0.707i、0.707-0.707i、-0.707-0.707i到00、01、10、11的映射。
三、实验步骤：
1、打开Digital modulation（学生版）.vi前面板，设置参数如下（信噪比范围20左右可调
）：
2、调整信源类型为文本，输入文本内容God helps those who help themselves，点击运行，查看结果；
3、调整信源类型为PN序列，点击运行，查看结果；
4、将调制类型改为BPSK，其他参数不变，点击运行，查看结果；
四、结论及分析：
1、调整信源类型为文本时：
当信噪比为1时发端图样：
收端星座图：
而当信噪比为12时收端：
结论：由图分析可得，信噪比越大，误比特率越小，收端星座图越来越趋向于发端星座图（由完全混乱到十字交叉），通过观察可以发现，信号在经过信道后，时域波形与原来相比发生了失真，频谱图的主瓣有较大衰减，星座图也一定程度上偏离了理想点。分析其原因，主要是信道中高斯噪声产生的影响。而且信噪比越小，波形失真越严重，频谱衰减越大。
调整信源类型为PN序列时：
结论：调整信源类型为PN序列时，接收到文本是一些乱码，同时当信噪比在12左右时，误码率基本维持0不变。
BPSK与QPSK相比，QPSK调制解调有比较低的误码率，所以具有抗干扰性能强、误码性能好、频带利用率高等优点。
五、遇到的问题及解决方法：
1、由于制作时LabView的高频使用，我们在编程过程思索过如何把LabView前面板控件当前值通过程序设为下次打开时的默认值，解决方法如下：
1） 手动操作：对控件点击鼠标右键----Data Operations---Make Current Value Default。
2） 通过文件或注册表方式先把控件当前值存下来，再下次打开时再从文件或注册表把值读回来。
3） 使用VI Server技术在保存控件当前值为默认值，但这种方法只能处于编辑状态使用，在生成exe文件后不能使用。操作如下
（1）调用Invoke Node设VI的Edit Mode值为TRUE
（2）调用Invoke Node设Make Current Value Default
（3）调用Invoke Node设Save Instrumentt的Path to saved file为需要设置默认值的VI路径
2、运行后的labview程序，数据有时候在信噪比为10时误码率为0有时候为12时误码率为0，情况各异。所以我发现如果程序中读取数据的循环运行没那么快，比如几百K采样率的时候，软件上循环也肯定没那么快，一些数据丢失是自然结果，然而丢失多少是一个概率问题，但是当信噪比在11左右的时候，误码率基本稳定为0。
六、扩展问题：
1、Samples per symbol和Oversample factor这两个参数的物理意义是什么，它们的取值与调制方式之间有什么关系？
Samples per symbol:每个符号的样本，指调制后符号采集的样本数。
Oversample factor（L）:升采样因子，将信号进行上采样，即在信号中插入零，使信号周期变为原来的1/L
BPSK调制：Samples per symbol=4，L=8
QPSK调制：Samples per symbol=16, L=8
2、为什么要在发送端和接收端分别添加脉冲成型滤波器和匹配滤波器，它们有什么作用？
脉冲成型滤波器能够限制信道带宽，将调制载波的功率限制在一定频率范围内。防止信道之间的相互干扰；同时脉冲成型滤波器还能防止因为多径衰落效应产生的符号间干扰。
由于通过直接路径达到的信号比反射信号更早到达接收端，因此反射信号有可能与后续符号周期产生混叠。匹配滤波器的作用是滤掉在传送过程中因信号反射而造成的干扰。并且接收端接收信号参数必须与发送端的参数相一致，所以必需匹配滤波器。
七、心得：
这两个星期无线通信基础课的LabVIEW设计，让我学习的LabVIEW的基本操作和编程技巧有了进一步的掌握，LabVIEW作为一门新式的以图形化编程的语言，不仅提供了简单易学的编程方法，而且提供了海量的可调用的模块，涉及到各个方面。LABVIEW应用领域广泛，我发现可以十分方便地找到各种适用于测试测量领域的LabVIEW工具包。这些工具包几乎覆盖了所需的所有功能，相对于其他编程方法显得容易多了，这也让我对这个课程设计的产生了更加浓厚的兴趣。
当然本次实验的重点，是让我们复习了数据调试解调的方法，更加熟悉了频谱搬移、移相键控等相关知识的了解；还有在抗干扰噪声能力和信号频谱利用率方面的优劣。
通过上机对一些程序的制作和运行，我知道了labview具有多个图形化的操作模版，用于创建和运行程序。这些操作模版可以随意在屏幕上移动，并可以放置在屏幕的任意位置。操纵模版工有三类，分别为工具模版、控制模版和功能模版。
此外还要说LabVIEW特别适合进行模拟、仿真、原型设计等工作。 LabVIEW入门很容易，但深入做下去完成一个像样的工程，还得懂得各方面的知识，进一步的学习和掌握。这是一门实践性很强的软件，很多知识可以从书上看来的，而且看完之后自己还觉的不错，真到实际做东西的时候还会觉得有困难，再去查书便有了对知识的更深层次的理解。
八、参考文献：
1、通信系统原理，郭宇春，科学出版社；
2、无线通信基础，[美]Andreas F.Molisch ，电子工业出版社；
附录：程序