4G移动通信实验报告.docx
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4G移动通信实验报告
湖北文理学院
4G移动通信课程
实验报告
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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XSRP无线传输Matlab形式接口的使用方法。
2.掌握真实FM信号的解调处理方法
3.掌握QPSK调制的原理及实现方法。
4.掌握QPSK解调的原理及实现方法。
二、实验内容
1.掌握XSRP无线传输Matlab形式接口的使用方法。
2.掌握真实FM信号的解调处理方法
3.分别采用数字键控法、模拟相乘法QPSK调制，观测QPSK调制信号波形。
4.采用相干解调法QPSK解调。
三、实验仪器
1.安装有XSRP系统软件的PC机。
2.XSRP系统软件加密狗。
3.XSRP硬件。
4.示波器。
四、实验原理
FM接收机
FM的原理是以载波的瞬时频率变化来表示信息，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IQ中得到相位信息是很容易的。
FMSignal=sine（carrierfrequency+∫0tmessagesignaldt）
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polar极坐标形式即可获得。
然后我们利用积分的逆过程即微分就可以获得原来的信号。
但是当相位在-180度至180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，我们可以把相位增加360度的倍数使得相位变化连续，即进行相位展开。
五、实验步骤
首先，打开实验目录1.7.4,呈现如图30.1界面。
图30.1FM接收机实验界面
FM实验打开后，FM解码过程就开始了，但由于未配置合适的接收频率，解出的信号完全为噪声。
因此在开始实验前，需要对RF进行配置，将RF接收频率配置到目标频率，如106.4MHz，示意图如图30.2。
确认配置成功。
图30.2射频参数配置
之后在界面上点击右键，选择右键菜单中的“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接收机，主要通过几个步骤完成：
1）通过GSM_IQ_Send_Rcv.vi这个函数获取IQ数据
2）通过ComplextoPolarWaveform.vi将IQ复数转为极坐标形式获取相位信息
3）通过UnwrapPhase-Continuous.vi实现相位连续展开
4）通过Differentiate-Continuous.vi对相位数据进行微分还原FM消息
5）通过ResampleWaveform.vi将还原的FM消息重采样至声卡可接受的速率
6）对于GSM_IQ_Send_Rcv.vi，函数接口示意图如图30.4所示。
图30.4GSM_IQ_Send_Rcv.vi接口说明
GSM_IQ_Send_Rcv.vi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IQ数据的连续接收。
函数的具体用法，参见函数的使用文档。
图30.5UnwrapPhase-Continuous.vi接口说明
图30.6Differentiate-Continuous.vi接口说明
图30.7ResampleWaveform.vi接口说明
最后，被重采样的FＭ解调信号送声卡进行播放，用户即可收听FM广播。
需要说明的是，XSRP所采集的空口FM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FM发射机。
如图30.8，XSRP采集信号源发射的扫频信号，IQ呈现为恒包络信号，而解出来FM消息为正弦波信号。
图30.8XSRP接收到良好质量的FM信号并解调
最后，点击界面的结束按钮，结束当前实验。
QPSK调制调制解调
QPSK（QuadraturePhaseShiftKeying，正交相移键控）又叫四相绝对相移调制，利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ab通常是按格雷码排列的，它与载波相位的关系如表所示，矢量关系如表格16.1所示。
图（a）表示A方式时QPSK信号的矢量图，图（b）表示B方式时QPSK信号的矢量图。
双比特码元
载波相位
a
b
A方式
B方式
0
1
1
0
0
0
1
1
0°
90°
180°
270°
225°
315°
45°
135°
表格16.1双比特码元与载波相位关系
由图16.1可知，QPSK信号的相位在（0°，360°）内等间隔地取四种可能相位。
由于正弦和余弦函数的互补特性，对应于载波相位的四种取值，比如在A方式中为0°、90°、180°、270°，则其成形波形幅度有三种取值，即±1、0；比如在B方式中为45°、135°、2250、315°，则其成形波形幅度有两种取值，即±
。
图16.1QPSK信号矢量图
QPSK信号地产生方法与2PSK信号一样，也可分为调相法和相位选择法。
实验中用调相法产生QPSK调制信号的原理框图如图16.2所示。
图16.2QPSK调制调相法原理框图
下面以B方式的QPSK调制为例，讲述QPSK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DI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。
QPSK信号相位编码逻辑关系如表格16.2所示：
DI
0
0
1
1
DQ
0
1
0
1
I路成形
－
－
＋
＋
Q路成形
－
＋
－
＋
I路调制
180°
180°
0°
0°
Q路调制
180°
0°
180°
0°
合成相位
225°
135°
315°
45°
表格16.2QPSK信号相位编码逻辑关系（B方式）
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表格16.3所示：
DI
0
0
1
1
DQ
0
1
0
1
I路成形
+1
0
0
-1
Q路成形
0
-1
+1
0
I路调制
0°
无
无
180°
Q路调制
无
180°
0°
无
合成相位
0°
270°
90°
180°
表格16.3QPSK信号相位编码逻辑关系（A方式）
上表中，“无”表示乘法器相乘后无载波输出。
另外，因为Q路与I路是正交的，所以Q路的0°相位相当于合成相位的90°，Q路的180°相位相当于合成相位的270°。
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2PSK信号相干解调器构成，其原理框图如图16.3所示：
图16.3QPSK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SIN和COS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，得DI和DQ信号。
DI和DQ信号最后并/串转换，恢复成串行数据输出。
一、实验步骤
1、固定数据输入，观测并记录波形
1）将数据类型配置为01交替，数据长度配置为10，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Error!
Referencesourcenotfound.中红色标识所示，将观测得到的波形保存为图片。
2）将数据类型配置为01交替,数据长度配置为10，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，数据类型可以改变为其它类型。
如果进行实验时，XSRP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。
XSRP设备支持将波形输出到CH1和CH2。
如果上位机未连接XSRP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察并记录星座图变化
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10，如图16.4所示。
图16.4数据配置
2）记录数据源并观察“A方式”星座图，如图16.5和图16.6所示。
图16.5数字基带信号
图16.6A方式星座图
3）修改相位偏转方式，观察星座图。
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10交替,数据长度配置为10，勾选添加噪声,默认信噪比为10dB，如图16.7所示。
图16.7数据配置
点击“实验现象”铵钮，切换到波形显示页面，观察“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，观察“解调时域”波形，应为10序列，如图16.8。
图16.8加噪后信号变化
逐步降低信噪比配置参数，观察“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16.9为一种异常值示例。
图16.9解调无线误码信号
4、编写调制解调框图中的部分程序（QPSK_sample_judge.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Error!
Referencesourcenotfound.。
用户将收到提示，如图16.10点击继续进行确认，确认后软件主程序将重载当前实验。
图16.10确认切换实验模式
2）重载实验完成后，实验将进入编程练习模式。
如图16.11所示。
图16.11重载后更新当前模式
练习模式对程序设置有错误
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QPSK_sample_judge.m，需要编辑代码的区域，以%TODO开始，以%ENDTODO结束。
根据实验原理，将代码补充完整。
点击开始仿真按钮，如果编译有错误会弹出如图16.12的类似的错误提示，
图16.12实验代码运行出错提示
重载实验完成后，再次点击“开始仿真”按钮。
如果软件没有提示错误，进入下一步骤，否则继续修改代码。
注意软件未提示出错时，仅表示程序达到了可运行的条件，并不表示编程一定正确！
3）点击“实验现象”铵钮，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，显示输入信号与解调信号，如图16.13所示，
图16.13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：
symbol_len=length（a）/2;
temp=1/（2^0.5）;
QPSK_table=temp*[（1+1i）,（1-1i）,（-1+1i）,（-1-1i）];
forkkk=1:
symbol_len
temp=a（1,（2*kkk-1））*2+a（1,（2*kkk））+1;
mod_data（1,kkk）=QPSK_table（temp）;
end
plot（mod_data,*）;
2）运行后星座图结果如图16.14。
图16.14映射星座图
二、实验思考题
QPSK信号相较于DPSK有什么优势？
DPSK差分相移键控DifferentialPhaseShiftKeying的缩写：
用于光传输系统中对DPSK调制信号的接收解调。
DPSK是一个1Bit延迟器，输入一个信号，可以得到两路相差一个比特的信号，形成信号对DPSK信号进行相位解调，实现相位到强度的转化。
QPSK正交相移键控（QuadraturePhaseShiftKeyin，QPSK）：
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，所以在实际中主要采用相对移相方式DQPSK。
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3G制式（CDMA2000，WCDMA,TD-SCDMA）均在下行链路上采用QPSK调制。
1.绘制调制和解调的实现框图。
2.绘制实验步骤
（一）要求的波形。
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
I路载波提取后信号
Q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路抽样判决后信号
解调信号
3.绘制实验
（二）要求的波形。
.
数字基带信号
A方式星座图
B方式星座图
4.绘制实验步骤（三）要求的波形。
加噪后信号变化
加噪后信号变化
1.分析调试成功的代码，画出实验代码流程图。
symbol_len=length（a）/2;
temp=1/（2^0.5）;
QPSK_table=temp*[（1+1i）,（1-1i）,（-1+1i）,（-1-1i）];
forkkk=1:
symbol_len
temp=a（1,（2*kkk-1））*2+a（1,（2*kkk））+1;
mod_data（1,kkk）=QPSK_table（temp）;
end
plot（mod_data,*）;
QPSK传输系统实验
1、认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
在之前的实验中我们了解了QPSK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，接收侧实际并不知道信号的起点位于何处。
XSRP的RF环回模式大致确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QPSK传输，还需要采取其它辅助措施。
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，为了使接收到的码元能够被理解，需要知道其如何分组。
一般说来，接收端需要利用群同步码去划分接收码元序列。
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可能性非常小。
接收端一旦检测到这个特定的群同步码组就马上知道了这组信息码元的“头”。
所以这种方法适用于要求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。
图31.1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。
接收端收到NRZ码数据后，已知同步码组，从接收NRZ码中检测到这个特定的同步码组后，产生一个窄脉冲输出。
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32位一帧，每帧的24位信息码元之前，集中插入8位的同步码组“01110010”（巴克码1110010前面补一位0），提取出的帧同步信号为窄帧，对应同步码组的第一位“0”。
数字频带提帧过程提取NRZ码的帧同步信号，NRZ码要求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“11100100”（巴克码1110010后面补一位0），提取出的帧同步信号为窄帧，对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QPSK传输系统。
1）%加参考信号
c=[11011010110001011011];
c_n=10;%参考信号有多少个符号（星座点）
c_offset=1;%参考信号映射起点，0表示最前面，1表示前面空1位......
dataIn（1+2*c_offset:
（c_n+c_offset）*2）=c（1:
c_n*2）;
c0（1:
2*c_n）=c（1:
2*c_n）;
dataIn_c=dataIn（1+（c_n+c_offset）*2:
DATA_LENGTH*2）;
2）%实现RF环回
[sampleI,sampleQ]=RFLoopback（dataIQ（1,1:
2:
SAMPLE_LENGTH*2）,dataIQ（1,2:
2:
SAMPLE_LENGTH*2））
2）%利用参考信号进行相关运算
fort=1:
sc_len
data_in_mid=data_iq（sc_start+t-1:
sc_start+t-2+c_n*SAMPLE_RATE）;
fork=1:
c_n*SAMPLE_RATE
scCorrelation（t）=scCorrelation（t）+data_in_mid（k）/C_Sample_iq（k）;
end
end
%找相关峰最大值
modScCorr=abs（scCorrelation）;
mixScCorr=modScCorr
（1）;
findscNo=1;
fork=2:
sc_len
ifmodScCorr（k）>mixScCorr
mixScCorr=modScCorr（k）;
findscNo=k;%最大值所在的位置
end
end
3）纠正相位偏差
ifphase_en==1
%加相位和幅度纠正
data_out=data_iq*（c_n*SAMPLE_RATE）./scCorrelation（findscNo）;
else
%只加幅度纠正
data_out=data_iq*（c_n*SAMPLE_RATE*0.8）./abs（scCorrelation（findscNo））;
end
实验过程
1.通过双击目录树第1.7.3节点加载QPSK传输系统实验程序，如图31.2所示：
图31.2QPSK传输系统实验界面
实验界面分为matlab代码浏览与编辑区域，程序变量阵列区，plot变量选择区域，plot结果区域。
在开始运行程序之前，我们需要配置一些RF参数，主要是将收发频点配置为一致，其它参数可为默认值，如图31.3。
图31.3RF参数配置
接下来，我们需要选择顶层m文件，此实验中为main.m，浏览整个文件，双击选择需要观察的变量，右键添加至plot清单，或者点击运行代码后，再点击who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，将需要观察的变量配置至plot清单中。
再次点击运行代码按钮，将在plot结果区域显示波形，鼠标滚轮可切换显示，也可点击“显示下一个”和“显示上一个”按钮切换显示。
主要观察如下波形，如图31.4至图31.9。
图31.4发送侧的QPSK星座图
图31.5接收侧的I路波形
图31.6接收侧的Q路波形
图31.7接收IQ星座图
图31.8校正相位和幅度后的星座图
如图31.7，空口接收的数据星座图发生了相位偏转，经过参考信号提取，对信号的实际起点进行了确定，星座图得到校正，如图31.8。
如果代码中取消执行相位纠正环节，则结果如下，参考图31.9。
图31.9相位校正过程取消的结果
一般地，RF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，此时可人为将接收频率与发射频率错开若干Hz，如图31.10所示。
图31.10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XSRP软件的使用有了进一步了解，明白了P无线传输Matlab形式接口的使用方法。
掌握真实FM信号的解调处理方法。
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物理层中的GMSK调制与解调
一、实验目的
1认识GSM物理层
2掌握IQ数据网口收发
3掌握GMSK调制的原理及实现方法。
4掌握GMSK解调的原理及实现方法。
二、实验内容
1学习GSM物理层整个全流程的原理和方法
2利用XSRP系统软件完成GSM物理层全流程算法
3分别采用数字键控法、模拟相乘法GMSK调制，观测GMSK调制信号的波形。
4采用相干解调法GMSK解调。
三、实验仪器
1.安装有XSRP系统软件的PC机
2.XSRP系统软件加密狗
3．XSRP硬件平台
四、实验原理
1、GMSK调制
前面讨论的MSK信号的主要优点是包络恒定，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MSK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（GaussianMSK，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，使得发射频谱上的旁瓣水平大大降低。
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、有良好的窄带和尖锐的截止特性，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对应的相位为
/2，使调制系数为1/2。
以上要求是为了抑制高频分量、防止过量的瞬时频率偏移以及满足相干检测所需要的。
高斯低通滤波器的冲击响应为
式中，Bb为高斯滤波器的3dB带宽。
该滤波器对单个宽度为Tb的矩形脉冲的响应为
式中
当BbTb取不同值时，g（t）的波形如图21.1所示
图21.1高斯滤波器的矩形脉冲响应
GMSK的信号表达式为
GMSK的相位路径如图21.2所示。
图21.2GMSK的相位轨迹
从图21.1和21.2可以看出，GMSK是通过引入可控的码间干扰（即部分响应波形）来达到平滑相位路径的目的，它消除了MSK相位路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增量，不像MSK那样固定为±π/2，而是随着输入序列的不同而不同。
由上式可得
式中
尽管g（t）的理论是在－∞＜t＜＋∞范围取值，但实际中需要对g（t）进行截短，仅取（2N+1）Ts区间，这样可以证明
在码元变换时刻的取值
是有限的。
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