标准实验报告六 无线信道性能测试实验.docx
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标准实验报告六无线信道性能测试实验
电子科技大学
实验报告
学生姓名：
学号：
指导教师：
一、实验室名称：
通信信号处理及传输实验室
二、实验项目名称：
无线信道性能测试实验
三、实验原理：
1、影响无线信道性能的主要因素
影响无线信道性能的因素有很多，本实验分别从高斯白噪声、频率偏移、多径传播、多经衰落以及相位噪声等方面来理解这些因素对无线信道性能的影响。
（1）高斯白噪声
加性高斯白噪声（AWGN）从统计上而言是随机无线噪声，其特点是其通信信道上的信号分布在很宽的频带范围内。
高斯白噪声中的高斯是指概率分布是正态函数，而白噪声是指它的二阶矩不相关，一阶矩为常数，是指先后信号在时间上的相关性。
加性噪声是叠加在传输信号上的噪声。
起伏噪声是加性噪声的典型代表，主要包括热噪声、散弹噪声和宇宙噪声，它们均是高斯白噪声。
信道中的加性噪声经过接收端带通滤波器的滤波后，成为加性高斯窄带噪声。
加性高斯白噪声会改变接收信号的幅度和相位的数值，从而对解调积分器的输出产生影响，导致解调发生错误形成误码。
（2）频率偏移
频率偏移是指调频波的瞬时频率对于载波频率的最大偏离量。
主要由本地振荡器的频率偏移导致，在发射端的上混频和接收端的下变频在合成本地振荡频率时都会产生偏移，从而形成相对载波频率的偏移。
频率偏移会导致接收信号的相位发生变化，对相位调制发生的信号，例如PSK调制会产生比较严重的影响。
如果进行相干解调，必须估计并补偿频率偏移。
（3）多径传播
多径传播是指同一个传输信号沿两个或者多个路径传播，形成多个相同信号的模版，以微小的时间差到达接收机的信号相互干涉所引起的，这些波又成为多径波。
这些多径波携带了相同的信息，但是到达接收天线的时间不同、携带的信号能量不同、载波的相位也发生了变化。
（4）多经衰落
多径衰落是指接收机天线将接收的多径信号合成一个幅度和相位都剧烈变化的信号，其变化程度取决于多径波的强度、相对传播时间，以及传播信号的带宽。
无线多径衰落信道的主要效应表现为：
1）经过短距或者短时传播后信号强度的急速变化；
2）在不同多径信号上，存在着时变的多普勒频移引起的随机频率调制；
3）多径传播时延引起的时间扩展。
（5）相位噪声
信号源热噪声,内部损耗电阻热噪声,混频器件电流散弹噪声及本振相位噪声,具体是温度过热关系，都是产生相位噪声的原因。
相位噪声通常定义为在某一给定偏移频率处的dBc/Hz值，其中，dBc是以dB为单位的该频率处功率与总功率的比值。
一个振荡器在某一偏移频率处的相位噪声定义为在该频率处1Hz带宽内的信号功率与信号的总功率比值。
相位噪声是指单位Hz的噪声密度与信号总功率之比,表现为载波相位的随机漂移,是评价频率源（振荡器）频谱纯度的重要指标。
2.信道编码的基本原理
我们从以下三种不同方式的编码，来分析编码对无线信道解调性能的影响。
（1）BCH码
BCH码具有多种码比率，可以获得很大的编码增益，并能够在高速方式下实现，因而BCH码是最重要的分组码之一。
码长为n=2^m-1，其中m>2，可被纠正的错误数为t<（2^m-1）/2。
（2）Hamming码
Hamming码是一种纠错码，它及由其衍生的编码以被用于数字通信系统的差错控制中。
二进制码具有如下特征：
（n,k）=（2^m-1,2^m-1-m）。
其中，k是生成一个n位的码字所需的信息位的数目，m是一个正整数。
检测位的数目是n-k=m。
（3）卷积编码
卷积码是由连续输入的信息序列得到连续输出的已编码序列。
这种映射关系使得其译码方法与分组码的译码方法有很大的区别，并且在同样的复杂度下，卷积码可以比分组码获得更大的编码增益。
3、无线信道性能测试系统结构
对无线信道的性能测试，主要配置结构如图1所示。
整个测试系统主要包括三部分：
PC机、基带信号发生器以及软件无线电实验平台。
图1无线信道性能测试结构
（1）PC机：
基带信号发生器用户图形界面（GUI）
根据测试的不同需求，设置所需信号的信号发生器用户图形界面（GUI）。
如图2所示。
在该界面可以选择不同的调制方式、模拟多种无线信道环境以及改变发送数据的编码方式等等。
图2基带信号发生器用户图形界面
（2）基带信号发生器（BSG）
这里的基带信号发生器是一款基于包传输格式的基带信号发生器。
它的主要特点是：
能够产生FSK、MPSK、BPSK、DBPSK、MSK、GMSK等多种调制方式的基带发送信号；并能够模拟多种具体实现产生的系统影响和实际信道影响模型，来帮助构建真实的无线通信网络环境。
从而使不可控制且又存在系统和信道影响的复杂通讯环境，能够根据实际测试需要人为加以控制。
基带信号发生器I/Q两路发射信号端口采用的是标准BNC接口。
（详细的使用说明请参考附录）
（3）软件无线电实验平台
软件无线电实验平台相当于一解调系统，对上述基带信号发生器产生的信号进行解调，并对接收到的数据帧进行统计分析，得出误码率。
测试系统工作流程如下：
A.将BSG的网口与PC机的网口通过以太网线连接好。
B.将BSG的I/Q两路发射信号端与软件无线电解调系统通过所配的屏蔽线连接。
C.将GUI安装在PC机上，并运行GUI。
D.通过BSGGUI对BSG硬件进行网络设备配置，确保BSG硬件能与PC机正常通信（具体方法参见基带信号发生器用户图形界面（GUI）使用简介）。
E.根据测试需求，在GUI上设置所需测试环境信号的参数。
F.发送信号，BSG根据GUI上设置的参数产生响应的I/Q两路发射信号，在GUI上可以观察到统计的发射数据帧情况以及PPDU的内容。
G.在软件无线电解调系统的液晶屏上观察接收到的数据帧以及误码率、误包率。
四、实验目的：
1.熟悉高斯白噪声产生原理；分析高斯白噪声对信道解调方式的影响；
2.熟悉频率偏移产生原理；分析频率偏移对信道调制方式的影响；
3.熟悉无线多径信道产生原理；分析无线多径信道对调制方式的影响；
4.熟悉无线衰落信道产生原理；分析无线衰落信道对调制方式的影响；
5.熟悉相位噪声产生原理；分析相位噪声对调制方式的影响。
6.熟悉信道编码的产生原理和方法；熟悉BCH码、Hamming码和卷积编码的原理及方法；分析编码对解调性能的影响。
五、实验内容：
（1）无线信道性能测试配置，熟悉基带信号发生器及其配套软件的使用；
（2）无线信道性能测试实验，观察不同信道条件下的系统解调误码率，总结高斯白噪声、频率偏移、无线多径信道、无线衰落信道、相位噪声、以及不同编码方式对信道调制解调方式的影响。
六、实验器材（设备、元器件）：
计算机、软件无线电实验箱、基带信号发生器、示波器、＋5V电源
七、实验步骤及实验数据结果分析：
1.无线信道性能测试系统配置
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，在实验平台观察解调数据结果。
具体步骤如下：
✧启动终端计算机，打开信号发生器软件；
✧检查实验平台左上方和右下方的PowerSwitch是否处于关闭（OFF）状态；
✧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PowerReady指示灯会亮起；
✧将实验平台左上方的PowerSwitch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”；
✧按下”确认（回车）”键进入系统实验列表；
✧选择“2”按Enter键，进入基带实验列表；
✧选择“3”按Enter键，屏幕显示“进入实验中，请稍候”提示框，直至进入无线信道实验列表；
✧将信号发生器接上电源，并开启；
✧将信号发生器的I和Q路端口分别与实验系统底部的RXI和RXQ连接；打开电脑上的基带信号发生器的图标，双击该软件进入，如图1所示。
单击VIEW选中里面的configurations，将HOSTIPSETTINGS中的IPADDRESS修改为192.168.1.253，并将下面的portnumber修改为2000，修改完后关闭该对话框。
✧点击计算机端信号发生器软件窗口工具栏中的网络连接标志
，观察窗口右下端，当显示“Open”时表示网络已连接通，如图3所示；
图3连接状态指示
当配置好以上步骤后，就可以开始我们的实验了。
2．无线信道性能测试实验
（1）高斯白噪声信道实验
在信号发生器软件的参数控制窗口中调制方式选择“MSK”，数据长度选择“20”字节，数据产生模式选择“RandomData”，信道选择“高斯白噪声”信道，并输入信噪比“dB”，发送时间间隔输入“1000”，数据包传输模式“Auto”，若想看一帧一帧的数据传输，可以将数据包传输模式设为“once”，如图4所示。
点击信号发生器软件的发送按钮，在右侧的观测栏可以看到数据包数的递增，表示信号已在发送，如图5所示。
在实验平台上，首先进入无线信道性能实验，然后选择“1”按Enter键进入高斯白噪声解调仿真实验，实验平台显示实验连接提示，利用“下翻键”查看提示内容。
提示内容最后页按Enter键，屏幕显示“进入实验中，请稍候”提示框，直至界面出现解调数据显示框，在该窗口观察解调后的数据。
当想看不同的信噪比下解调性能的变化，先停止数据传输，然后修改信噪比的大小，修改后再点发送，就可以在实验平台上观察不同信噪比下解调性能的变化。
图4参数设置
图5标准信号发生器发送信息统计
请填写不同信噪比下的系统解调性能：
信噪比（dB）
误码率
信噪比（dB）
误码率
20
0.000000
0
0.004735
-5
0.012132
-10
0.018922
（2）频率偏移信道性能实验
在信号发生器软件的参数控制窗口中调制方式选择“MSK”，数据长度选择“20”字节，数据产生模式选择“RandomData”，信道选择“频率偏移”信道，并输入偏移大小，单位ppm，发送时间间隔输入“1000”，数据包传输模式“Auto”，若想看一帧一帧的数据传输，可以将数据包传输模式设为“once”。
点击信号发生器软件的发送按钮，在右侧的观测栏可以看到数据包数的递增，表示信号已在发送。
在实验平台上，首先进入无线信道性能，然后选择“2”按Enter键进入频率偏移信道仿真实验，实验平台显示实验连接提示，利用“下翻键”查看提示内容；提示内容最后页按Enter键，屏幕显示“进入实验中，请稍候”提示框，直至界面出现解调数据显示框，在该窗口观察解调后的数据。
当想看不同的频率的偏移下解调性能的变化，先停止数据传输，然后修改频率偏移的大小，修改后再点发送，就可以在实验平台上观察不同频率偏移下解调性能的变化。
请填写不同频率偏移下的系统解调性能：
频率偏移（ppm）
误码率
信噪比（ppm）
误码率
120
0.469821
20
0.033750
0
0.000000
-100
0.718750
（3）无线多径信道性能实验
在信号发生器软件的参数控制窗口中调制方式选择“MSK”，数据长度选择“20”字节，数据产生模式选择“RandomData”，信道选择“多径”信道，并输入信道扩展时延，单位“ns”，发送时间间隔输入“1000”，数据包传输模式“Auto”，若想看一帧一帧的数据传输，可以将数据包传输模式设为“once”。
点击信号发生器软件的发送按钮，在右侧的观测栏可以看到数据包数的递增，表示信号已在发送。
在实验平台上，首先进入无线信道性能，然后选择“3”按Enter键进入无线多径信道仿真实验，实验平台显示实验连接提示，利用“下翻键”查看提示内容；
提示内容最后页按Enter键，屏幕显示“进入实验中，请稍候”提示框，直至界面出现解调数据显示框，在该窗口观察解调后的数据。
当想看不同的信道延迟速度下解调性能的变化，先停止数据传输，然后修改信道时延的大小，修改后再点发送，就可以在实验平台上观察不同信道延迟速度下解调性能的变化。
请填写不同信道扩展时延下的系统解调性能：
信道时延（ns）
误码率
信道时延（ns）
误码率
0
0.000000
10
0.005425
100
0.010629
100
0.016572
（4）无线衰落信道性能实验
在信号发生器软件的参数控制窗口中调制方式选择“MSK”，数据长度选择“20”字节，数据产生模式选择“RandomData”，信道选择“衰落”信道，发送时间间隔输入“1000”，数据包传输模式“Auto”，若想看一帧一帧的数据传输，可以将数据包传输模式设为“once”。
点击信号发生器软件的发送按钮，在右侧的观测栏可以看到数据包数的递增，表示信号已在发送。
在实验平台上，首先进入无线信道性能，然后选择“4”按Enter键进入无线衰落信道仿真实验，实验平台显示实验连接提示，利用“下翻键”查看提示内容；
提示内容最后页按Enter键，屏幕显示“进入实验中，请稍候”提示框，直至界面出现解调数据显示框，在该窗口观察解调后的数据。
请填写无线衰落信道下系统解调数据：
123456789ABCDEF0123456789ABCDEF012345678
误码率：
0.000000
（5）相位噪声信道性能实验
在信号发生器软件的参数控制窗口中调制方式选择“MSK”，数据长度选择“20”字节，数据产生模式选择“RandomData”，信道选择“相位噪声”信道，发送时间间隔输入“1000”，数据包传输模式“Auto”，若想看一帧一帧的数据传输，可以将数据包传输模式设为“once”。
点击信号发生器软件的发送按钮，在右侧的观测栏可以看到数据包数的递增，表示信号已在发送。
在实验平台上，首先进入无线信道性能，然后选择“5”按Enter键进入相位噪声信道仿真实验，实验平台显示实验连接提示，利用“下翻键”查看提示内容；
提示内容最后页按Enter键，屏幕显示“进入实验中，请稍候”提示框，直至界面出现解调数据显示框，在该窗口观察解调后的数据。
请填写相位噪声信道下系统解调数据：
123456789ABCDEF0123456789ABCDEF012345678
误码率：
0.000000
（6）信道编码实验
在信号发生器软件的参数控制窗口中调制方式选择“MSK”，信道编码模式选择“HammingCoding”，数据长度选择“20”字节，数据产生模式选择“RandomData”，信道选择“无线多径”信道和“高斯白噪声”信道，发送时间间隔输入“1000”，数据包传输模式“Auto”。
点击信号发生器软件的发送按钮，在右侧的观测栏可以看到数据包数的递增，表示信号已在发送。
在实验平台上，首先进入信道编码，然后选择“1”按Enter键进入Hamming编码仿真实验，实验平台显示实验连接提示，利用“下翻键”查看提示内容；
提示内容最后页按Enter键，屏幕显示“进入实验中，请稍候”提示框，直至界面出现解调数据显示框，在该窗口观察解调后的数据。
当想看不同的高斯信噪比、不同多径信道情况下解调性能的变化，先停止数据传输，然后修改信噪比的大小以及多径延时情况，修改后再点发送，就可以在实验平台上观察不同信噪比下解调性能的变化。
分别选择信道编码模式为“BCHCoding”“ConvolutionCoding”，重复以上步骤。
请填写在不同信道编码模式下、不同信噪比下的系统解调性能：
信噪比（dB）
信道延时（ns）
HammingCoding
误码率
BCHCoding
误码率
ConvolutionCoding
误码率
-5、50
0.017686
0.018750
0.018254
-10、100
0.054107
0.075815
0.031250
八、实验结论：
本实验由基带信号发生器模拟实际无线通信中的各种信道情形，通过选择不同的信道干扰方式，高斯白噪声、频率偏移、多径传播、多经衰落、相位噪声以及不同的信道编码方式，来产生各种无线信号，并送入到软件无线电实验平台进行性能测试。
九、分析与思考
归纳总结影响无线信道性能的各种因素：
高斯白噪声、频率偏移、多径传播、多经衰落、相位噪声以及信道编码方式，对无线信道性能的影响。
答：
对于无线信道来说，增大高斯白噪声、增大频率偏移、增大信道时延、增大信道衰落、增大相位噪声都将增大系统的误码率，导致无线信道传输性能降低。
同时不同的信道编码方式，也会影响无线信道的性能，如卷积码性能相比Hamming码和BCH码要略优一些。
因此我们在无线信道传输中，要尽量克服各种干扰因素，选择合适的编码方式，来提高无线信道的传输性能。
十、总结及心得体会：
通过本次实验理解了影响无线信道性能的多种因素：
高斯白噪声、频率偏移、多径传播、多经衰落、相位噪声以及信道编码方式。
对这些因素有了更直观的认识。
十一、对本实验过程及方法、手段的改进建议：
报告评分：
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