通信专业综合实验讲义Word文件下载.docx
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实验性质
演
示
验
证
设
计
综
合
1
CRC-16编码器的应用与性能分析
（1）熟悉掌握MATLAB的工具箱simulink的应用
（2）了解循环冗余码CRC编码与译码的方法
（3）了解CRC编解码的应用如在无绳电话通信标准DECT等系统中的应用。
2
√
BFSK信号在不同信道中的传输性能比较
（2）了解BFSK信号的产生方法
（3）了解不同信道的性能，包括：
高斯白噪声信道、二进制对称信道、多径瑞利信道等
4
3
IS-95系统中的数字相位调制的仿真
（1）熟练利用simulink工具箱实现数字信号调制解调
（2）熟练掌握数字信号的各种调制解调原理
（3）掌握QPSK、OQPSK、DQPSK等数字相位调制的性能及应用区别
CDMA2000移动通信系统的仿真
（1）
（1）了解CDMA2000系统的基本结构、关键技术等
（2）熟悉CDMA2000系统反向（或前向）业务信道模型
（3）了解CRC编码器、卷积码编码器的原理及应用。
6
5
CDMA2000移动通信系统的仿真
（2）
（3）了解无线通信系统中信号交织器和正交扩频模块的原理及应用。
CDMA2000移动通信系统的仿真（3）
（3）了解无线通信系统中PN信号生成器、信号调制模块、初始化模块的原理及应用。
实验一CRC-16编码器的应用与性能分析
一、实验要求
了解循环码编码与译码原理，并实现CRC码校验能力的仿真。
二、实验学时
2学时
三、实验目的
1熟悉掌握MATLAB的工具箱simulink的应用
2了解循环冗余码CRC编码与译码的方法
3了解CRC编解码的应用如在无绳电话通信标准DECT等系统中的应用。
四、实验原理
循环冗余码CRC（Cyclicredundancycheck）是一种使用相当频繁的检错码。
当接收端检测到传输错误时，它并不去纠正这个错误，而是要求发送端重新发送这个信号序列。
在循环冗余码的编码过程中，发送端对每一个特定长度的信息序列计算一个循环冗余码，并把这个循环冗余码附加到原来的信息序列的末尾一起发送出去。
接收端接收到带有循环冗余码的信号后，从中分离出信息位序列和循环冗余码，然后根据接收到的信息位序列重新计算循环冗余码。
如过这个重新计算得到的循环冗余码与分离处理的循环冗余码不同，则接收信号序列存在传输错误，此时接收端会要求发送端重新发送这个信号序列，从而实现对信号的纠错。
在MATLAB中，CRC编码器有2种，通用CRC编码器和CRC_N编码器。
CRC-16编码器就属于后面一种编码器，16代表生成多项式为“P=
”、编码位数为16的编码器。
CRC编码的一般过程如下：
把输入的数据左移r位（r代表生成多项式的最高次数，如CRC-16编码器中r=16），然后除以生成多项式P，得到一个余式，这个余式就是CRC编码产生的循环冗余码。
把这个余式附加到原始信息序列末尾，就得到CRC编码的输出序列。
CRC编码广泛的应用于移动通信系统中，一般用于实现自动请求重传（ARQ，AutomaticRetransmissionRequest）功能的场合。
而CRC-16编码在DECT（DigitalEuropeanCordlessTelephone，欧洲无绳电话通信标准）系统中得到广泛的应用。
DECT是在ISDN和GSM的基础上制定的。
它可用于家庭、商业通信系统及公共网的接入。
处理话音通信外，还可传输数据，速率可达552Kbit/s。
在DECT中用户发送和接收数据帧的间隔是10ms。
每个时隙可传输480个比特信息，其中包括32bit的同步前缀，388bit的数据以及60bit的保护间隔。
在388bit数据中，DECT只对48bit的头部进行CRC校验，产生16bit的校验位，剩余的320bit用于直接传输数据。
DECT系统中的CRC编解码过程可以描述如图1.1所示。
图1.1DECT系统中的CRC_16编码过程
信源每隔10毫秒产生一个长度为48bit的数据帧，数据帧经过CRC编码后产生16bitCRC检验位，此数据帧的长度变为64bit；
经过数据填充后生成DECT系统所需的长度，即480bit。
经过信道传输后，在接收端解码过程中，数据截取使数据帧的长度由480bit截取为64bit，CRC检测是进行CRC解码，恢复出48bit数据。
为了检验CRC码的校验能力，对CRC编码之前的信号与编码之后经过信道传输的信号进行比较检查这个数据帧中是否存在传输错误。
同时，在接收端的CRC检测器也产生一个关于这个数据帧的质量报告。
如果这两种判断方法得到的结果相同则表示CRC检测结果是正确；
否则，要么是传输过程中发生的错误比特的个数超过了CRC的检测能力，要么是信息位本身没有错误，但CRC校验位出现了传输错误导致错误的判决。
因此可以获得错误判决帧所占的比例与信道误比特率之间的关系。
五、实验内容
1、打开MATLAB，进入simulink。
2、建立DECT系统。
如图1.2所示：
图1.2DECT系统结构图
其中，source端是信源模块，每隔10ms产生一个数据帧，并产生CRC编码，内部结构如图1.3所示；
BSC是一个二进制对称信道；
sink端是信宿模块，内部结构如图1.4所示。
信宿模块比较复杂，它需要对CRC编码信号进行检测，然后统计误比特率，计算出CRC未能检测到的传输错误所占的比例，然后绘制这个比例与信道的误比特率之间的关系曲线图。
图1.3source模块内部结构图
图1.4sink模块内部结构图
在图1.4中，BitComparison模块是对编码前的信号（即原信号）与去除CRC校验位的信号的比较模块。
内部结构如图1.5所示：
图1.5BitComparison模块内部结构图
信号比较模块输出信号是关于48bit长度的数据帧的帧质量，当它等于0时，表示这48bit的数据帧没有出现传输错误；
否则，模块输出1。
3、设置每个模块的参数：
（1）信号源个主要模块：
如图1.6~1.8所示；
（2）信道为二进制对称信道，如图1.9所示；
（3）信宿模块设置图1.10~1.19所示。
4、编写仿真程序：
如图1.20所示。
5、分析仿真结果，验证CRC编码的特性。
图1.6贝努利二进制产生器设置
图1.7CRC-N发生器设置
图1.8零填充模块设置
图1.9二进制对称信道设置图
接收端各个模块参数设置：
图1.10零填充模块设置
图1.11CRC-N检测模块设置
图1.12相关操作模块设置
图1.13累加模块设置
图1.14工作区保存模块设置
图1.15选择器模块设置
图1.16误码率统计模块设置
图1.17单位延迟模块设置
图1.18相关操作模块设置
图1.19常数模块设置
图1.20仿真程序示例
实验二BFSK信号在不同信道中的传输性能比较
了解频移键控原理，并实现BFSK信号在高斯白噪声信道、多径瑞利信道、伦琴衰落信道中的性能仿真，从而了解不同信道的特性。
4学时
1熟悉掌握MATLAB的工具箱simulink的应用；
2了解BFSK信号的产生方法；
3了解不同信道的性能，包括：
高斯白噪声信道、多径瑞利信道、伦琴衰落信道等。
BFSK，二进制频移键控信号，0和1分别用2种频率不同的载波进行调制而形成的信号。
在MATLAB中可以由随机整数产生器产生的数据，经过BFSK基带调制器模块而形成BFSK信号。
而对于信道是通信系统的基本环节之一，在信号传输的过程中，它不可避免地受到各种干扰。
AWGN高斯白噪声是最常见的一种噪声，它存在于各种传输媒质中，包括有线传输信道和无线传输信道。
在无线信道中，信号受到加性高斯白噪声干扰的同时，还会受到瑞利衰落或伦琴衰落的影响。
这种影响表现为信号的一种快速衰落过程，它对无线信号的传输质量起了决定性的作用，因此，无线通信系统的很多研究工作都是围绕着如何降低这种干扰进行的。
AWGN，加性高斯白噪声，它表现为信号围绕平均值的一种随机波动过程。
其均值为0，方差表现为噪声功率的大小。
一般情况下，噪声功率越大，信号的波动幅度越大，接收端接收到的信号的误比特率就越高。
多径瑞利衰落信道，是移动通信系统中一种相当重要的衰落信道类型，在很大程度上影响着移动通信系统的质量。
在移动通信系统中，发送端和接收端都可能处在不停的运动状态中，发送端和接收端的这种相对运动将产生多普勒频移。
频移的大小与速度和方向密切相关，可以计算为：
其中，v是发送端和接收端相对运动速度，
是运动方向和发送端与接收端连线的夹角，f是载波波长。
在多径信道中，发送端发出的信号经过多个发射之后沿多条路径到达接收端，这些路径具有不同的时延和不同的接收强度，它们之间的相互作用形成了衰落。
而对于伦琴衰落信道形成的场合在于，若移动通信系统中的发送端和接收端之间存在一条占优势的视距传播路径，又有多条反射路径时，就需要同时用伦琴衰落信道模块和多径衰落信道来仿真。
视距传播路径的能量与反射路径的能量之间的比值K影响伦琴衰落的大小。
K因子越大，表示发送端与接收端的视距传播路径的能量越强；
当K等于0时，发送端与接收端不存在视距传播路径。
因此K值越大，信号在伦琴衰落信道中的误比特率性能将优于多径衰落信道。
本实验通过MATLAB建立3中仿真系统：
BFSK在高斯白噪声AWGN的信道下的性能；
BFSK在多径瑞利衰落信道中的传输性能，信道的模型由多径瑞利衰落信道模型与AWGN模型的组合而成；
BFSK在多径伦琴衰落信道中的传输性能，其信道模型由伦琴衰落信道模块、多径瑞利衰落信道模块与AWGN组成。
通过比较这3种系统的仿真结果来分析各种信道的性能。
2、建立BFSK在高斯白噪声AWGN的信道下的传输系统。
如图2.1所示：
图2.1AWGN信道下BFSK传输系统
其中，source端是信源模块，产生速率为10kbit/s、帧长度为1秒的二进制数据Data，通过BFSK调制产生调制信号Signal，内部结构如图2.2所示；
AWGN是高斯白噪声信道，信号的信噪比等于SNR；
sink端是信宿模块，内部结构如图2.3所示，对Signal信号进行解调，并把解调的信号与信源source产生的信号data进行比较，计算误比特率。
最后根据信噪比SNR与误比特率的对应关系绘制对数曲线。
图2.2source模块内部结构图
图2.3sink模块内部结构图
设置每个模块的参数：
如图2.4~2.5所示；
（2）信道为AWGN模块，如图2.6所示；
（3）信宿模块设置图2.7~2.10所示。
图2.4
图2.5
图2.6
图2.7
图2.8
图2.9
图2.10
3、建立BFSK在多径瑞利衰落信道中的传输系统，如图2.11所示。
其中的Source与Sink系统与图2.2和图2.3相同，信道模块如图2.12所示。
其中多径衰落模块设置如图2.13所示，而AWGN模块设置与图2.6相同。
图2.11BFSK在多径瑞利信道上的传输模型
图2.12多径瑞利衰落信道
图2.13
4、建立BFSK在多径伦琴衰落信道中的传输系统，如图2.14所示。
其中的Source与Sink系统与图2.2和图2.3相同，信道模块如图2.15所示。
其中伦琴衰落模块设置如图2.16所示，多径衰落模块设置如图2.13所示，而AWGN模块设置与图2.6相同。
图2.14BFSK在多径伦琴信道上的传输模型
图2.15
图2.16
5、编写仿真程序，如图2.17所示。
6、分析仿真结果。
图2.17仿真程序示例
实验三IS-95系统中的数字相位调制的仿真
了解各种常见的数字相位调制原理，并实现QPSK、OQPSK、DQPSK仿真。
1熟练利用simulink工具箱实现数字信号调制解调
2熟练掌握数字信号的各种调制解调原理
3掌握QPSK、OQPSK、DQPSK等数字相位调制的性能及应用区别
在IS-95系统中，前向信道（从基站到移动台方向的信道）采用QPSK调制方式对两个支路的二进制信号进行调制。
而在反向信道中则采用OQPSK，其中Q支路信号比I支路信号落后半个码片周期，以提高调制信号的整形和同步效果。
QPSK是一种多进制数字相位调制方式，把输入信号的1、2、3、4分别映射为4个不同相位，这些相位之间的间隔等于π/2。
在IS-95系统中的QPSK调制相位映射如表3-1：
表3-1IS-95系统QPSK相位映射表
I支路数据
Q支路数据
相位
π/4
3π/4
-3π/4
-π/4
除了QPSK、OQPSK之外，常见的相位调制还有DQPSK，是差分形式的QPSK调制，相邻的数据之间的相位偏移为相对偏移，相当与输入的信号是经过差分编码的信号再经过QPSK调制，具有较好的抗噪声能力。
本实验通过建立QPSK、OQPSK和DQPSK3种调制解调系统的仿真模型来考察这几种数字相位调制的性能。
2、建立QPSK系统。
如图3.1所示：
保存名称为‘qpskmodel.mdl’
图3.1QPSK系统结构图
源为BernoulliBinaryGenerator（贝努力二进制序列产生器），产生一个二进制向量，向量长度为2，分别代表QPSK的两个输入信号I、Q。
数值转换模块（BittoIntegerConverter）把贝努力二进制序列产生器输出的2位二进制向量和QPSK解调器输出的1个二进制序列转换成四进制数进行比较。
最后的输出通过误码率统计模块（ErrorRateCalculation）来统计QPSK调制解调的误码率。
需要注意的是，当QPSK调制器和解调器中的Samplespersymbol参数大于1时，解调信号落后调制前信号的时间为1个周期，因此，必须设置延时时间。
整个系统各个模块的参数设置见表3-2、3-3、3-4、3-5、3-6、3-7。
表3-2BernoulliBinaryGenerator参数设置
参数名称
参数值
ProbabilityofaZero
0.5
Initialseed
xInitialSeed
Sampletime
xSampleTime
Frame-basedoutputs
Unchecked
Interlpretvectorparametersas1-D
表3-3QPSKModulatorBaseband参数设置
Inputtype
Bit
Constellationordering
Gray
Phaseoffset（rad）
xPhaseOffset
Samplespersymbol
xSamplesPerSymbol
表3-4AWGNChannel参数设置
67
Mode
Signaltonoiseratio（SNR）
SNR（dB）
xSNR
Inputsignalpower（watts）
表3-5QPSKDemodulatorBaseband参数设置
Onputtype
表3-6BittoIntegerConverter参数设置
Numberofbitsperinteger
表3-7ErrorRateCalculation参数设置
Receivedelay
xReceiveDelay
Computationdelay
Computationmode
Entireframe
Outputdata
Workspace
Variablename
xErrorRate
Resetport
Stopsimulation
3、建立OQPSK系统。
如图3.2所示：
保存名称为‘OQPSK1.mdl’
图3.2OQPSK调制解调系统图
信源、信道、接收模块等设置如前面表所示，调制解调模块的设置如表3-8、3-9所示。
表3-8OQPSKModulatorBaseband参数设置
表3-9OQPSKDemodulatorBaseband参数设置
Outputtype
Integer
4、建立DQPSK系统。
如图3.3所示：
保存名称为‘DQPSK1.mdl’。
图3.3DQPSK调制解调系统图
信源、信道、接收模块等设置如前面表所示，调制解调模块的设置如表3-10、3-11所示。
表3-10DQPSKModulatorBaseband参数设置
Binary
表3-11DQPSKDemodulatorBaseband参数设置
5、设置每个模型的仿真时间长度为：
xSimulationTime，并编写仿真程序：
如图3.4所示。
6、分析仿真结果，比较各种数字相位调制解调的特性。
图3.4仿真程序示例
实验四CDMA2000移动通信系统的仿真
（1）
一、实验要求
实现CDMA2000反向业务信道的发射机的仿真，并分析仿真结果。
6学时
1了解CDMA2000系统的基本结构、关键技术等
2熟悉CDMA2000系统反向（或前向）业务信道模型
3了解CRC编码器、卷积码编码器的原理及应用。
CDMA2000由IS-95移动通信系统演进而来，它在室内环境中能达到最高传输速率为2Mbps，步行环境下能够达到384Kbps，车载环境下能达到144Kbps。
本实验将按照IS-2000协议的要求设计CDMA2000系统的仿真模型。
CDMA2000可以工作在多个频段，其中北美频段的反向信道—上行信道采用824~849MHz；
前向信道—下行信道，采用869~894MHz。
CDMA20001x前向信道和反向信道的码片速率为1.2288Mbps。
前向信道和反向信道可以采用多种传输速率和帧长，这些传输速率和帧长可以划分不同的无线配置。
CDMA2000前向信道共有9种无线配置方式，而反向信道则有6种不同的无线配置方式。
在CDMA2000中，反向业务信道包括反向基本信道、反向专用控制信道和反向补充信道，其中反向基本信道和反向专用控制信道主要用于传输速率较低的话音数据以及控制信令数据，而反向补充信道则可以实现高速率的数据传输。
对于CDMA2000反向业务信道，单载波CDMA2000使用无线配置3和4，即RC3和RC4。
其数据帧在调制之前一般要经过CRC编码、卷积编码、信号重建、信号抽取以及块交织等过程。
RC3的数据帧调制的流程如图4.1所示。
图4.1RC3反向基本信道和反向补充信道
RC3支持多种类型的数据帧，这些数据帧的长度从16bit到6120bit，帧长可以为5ms、20ms、40ms或80ms。
每帧数据先经过一个CRC编码器产生特定长度的CRC校验位，在CDMA2000中这些校验位被称为帧质量指示（FQI，FrameQualityIndicator）。
同时，为了使卷积码编码器在对一帧数据完成编码之后内部状态能够自动复位，RC3在每个数据帧的末尾添加8bit编码器尾部。
通常所描述的数据传输速率是在完成上述2个过程之后的数据帧的传输速率，这其中包括了CRC编码产生的检验位和预留的8bit数据。
CDMA2000在RC3的反向业务帧中使用了码率为1/4和1/2卷积编码器，这两种编码器的约束长度都等于9。
因此，数据帧在卷积编码之后长度分别增加到原来的4倍和2倍，通过提供足够的信息冗余度来提高信号的抗噪声性能。
RC3数据帧通过卷积编码器之后还需要根
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