（年7月整理）4G移动通信实验报告

时间：2020-08-20 11:33:57 来源：蒲公英阅读网 本文已影响人

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　湖北文理学院

　4G 移动通信课程 告 实验报告

　学

　院

　 专 专

　业 业

　 班

　级

　 学

　号

　 姓

　名

　 任课教师

　实验一 ：与 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。

　FM Signal = sine（carrier frequency + ∫0t message signal dt）

　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. 1 FM 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 Complex to Polar Waveform.vi 将 IQ 复数转为极坐标形式获取相位信息 3）

　通过 Unwrap Phase-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 Resample Waveform.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. 4 GSM_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 . 5 Unwrap Phase-Continuous.vi 接口说明

　 图 30 . 6 Differentiate-Continuous.vi 接口说明

　图 30 . 7 Resample Waveform.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 . 8 XSRP 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。

　K QPSK 调制 调制解调

　QPSK（Quadrature Phase Shift Keying，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±2 / 2。

　图 16.1 QPSK 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. 2 QPSK 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 － 2 / 2

　－ 2 / 2

　＋2 / 2

　＋2 / 2

　Q 路成形 － 2 / 2

　＋ 2 / 2

　－2 / 2

　＋2 / 2

　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. 2 QPSK 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. 3 QPSK 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. 3 QPSK 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 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 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，各个探针位置如图16. 5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 0 1 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 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. 21 所示。

　图 16. 21 数据配置 2)记录数据源并观察“A 方式”星座图，如图 16.

　22 和图 16.

　23 所示。

　图 16. 22 数字基带信号

　图 16. 23 A 方式星座图 3）

　修改相位偏转方式，观察星座图。

　3 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 10，勾选添加噪声,默认信噪比为 10dB，如图 16.

　25 所示。

　图 16. 25 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. 27。

　 图 16. 27 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.

　28 为一种异常值示例。

　图 16. 28 解调无线误码信号 4 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，如图 16.

　29 。用户将收到提示，如图 16.

　30 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. 30 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. 31 所示。

　图 16. 31 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%END TODO 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. 33的类似的错误提示，

　 图 16. 33 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.

　35 所示，

　 图 16. 35 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)]; for kkk=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. 36。

　 图 16. 36 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 Differential Phase Shift Keying 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 1 Bit 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（Quadrature Phase Shift Keyin，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)]; for kkk=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,*); K 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 = [1 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_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 for t = 1:sc_len

　 data_in_mid = data_iq(sc_start + t-1 : sc_start + t -2 + c_n *SAMPLE_RATE);

　 for k=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; for k=2:sc_len

　 if modScCorr(k)> mixScCorr

　 mixScCorr=modScCorr(k);

　 findscNo = k;

　 %最大值所在的位置

　 end end 3）纠正相位偏差 if phase_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. 2 QPSK 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. 3 RF 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.

　5 至图 31.

　10 。

　图 31. 5 发送侧的 QPSK 星座图

　图 31. 6 接收侧的 I 路波形

　图 31. 7 接收侧的 Q 路波形

　 图 31. 8 接收 IQ 星座图

　图 31. 9 校正相位和幅度后的星座图 如图 31.

　8 ，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.

　9 。

　如果代码中取消执行相位纠正环节，则结果如下，参考图 31.

　10 。

　图 31. 10 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.

　11 所示。

　图 31. 11 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。

　验 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（Gaussian MSK，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    2 2 2exp h t t       2ln2bB   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  2 22 2 ln2 ln2b b b bB T B Tg t Q t Q t                           式中

　   21exp 22tQ t d    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   cos

　2 2tsc n ssTS t t a g nT dT                       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       coscos cos sin sincc cS t t tt t t t          式中        2 2

　1tsn sss s sTt a g nT dTkT t kT t k T                   

　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  t 在码元变换时刻的取值 skT 是有限的。这样我们就可以事先制作  cos t 和  sin t 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 GMSK 信号，如 图 21. 3 所示

　图 21. 3 调制原理框图

　波形存储正交调制法产生 GMSK 信号。

　2、GMSK 解调 GMSK 解调原理框图与 MSK 解调原理框图相同。

　四、实验步骤

　１、纯软件方式仿真 1）打开 XSRP 应用程序，在程序界面左侧的实验目录中，找到“GSM 全流程实验”,双击点击“GSM 全流程实验”。

　2）实验显示区域弹出对应 GSM 全流程实验，如图 6.2 所示。

　图 6.2

　1）系统模式支持纯软件仿真和软件硬件结合仿真，点击选择“纯软件仿真” 。

　2）点击“全流程运行过程”标签页，如图 6.3 所示。

　全流程运行程中展示了物理层的全部过程。在产品规划中，XSRP 运行物理过程时有两种选择：运行于 PC 或运行于 DSP，默认运行于 PC，运行于 DSP 需要额外的授权许可。如果 DSP 许可存在，则每个模块都可以选择运行于 PC 或 DSP。当前产品不支持 DSP 选项，用户无法选择。

　全流程运行起来后，每个环节消耗的时间将在”TimeOnPC”或”TimeOnDSP”中显示,便于用户观察代码优化情况。

　图 6.3 5 ）

　点 击 运 行 按 钮 ， 选 择 数 据 源 ， 数 据 源 在“ ..\Functions\GSM_Voice_PHY_ALL ” 文 件 夹 下 ， 文 件 名 为“TestWav_1KHZ_1S.wav”，如图 6.4 所示。

　 图 6.4 数据源选择 6）全流程运行支持手动单步运行和自动运行， 。

　7）点击“流程运行中间结果”，观察中间过程数据输出显示，如图 6.5 所示。

　图 6.5 运行输出数据显示 8）整个流程处理 50 个语音数据块（20ms），处理完成后，替换原有的文件，如图 6.6 所示。

　 图 6.6 9）在“全流程运行过程”标签页，查看每一过程所运行的时间，如图 6.7所示。

　图 6.7

　完全掌握理解了全流程每个模块的算法处理原理后，可以自行修改算法验证，每步运行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。

　图 6.8 ADC 模块数据波形显示如图 6.9 所示，如果波形显示太密，可以更改波形图横坐标。

　图 6.9 ADC 模块数据波形 2、开启硬件仿真 a) 点击工具栏 RF 配置按钮 ，配置射频上下频率 。

　 图 6.10 RF 配置界面 查看 XSRP 硬件平台系统连接是否正常，如果不正常，界面自动弹出如图 6.11提示。

　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，再点击其对应的配置按钮。

　配置成功，则反馈成功消息。

　TX 频率和 RX 频率配置为相同频率。如：TX 频率：2585000000Hz,RX 频率2585000000Hz. b) 系统模式选择开启硬件，等待硬件加载完成。

　 c) 后面步骤和纯软件仿真一样。

　（二）

　配置不同的射频频率及调节天线方向，对比 Q IQ 星座图变化

　1）配置射频频率，对比硬件仿真和纯软件仿真星座图的变化。由于信号经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 6.13 纯软和硬件模式下 IQ 星座图 2）固定射频频率，调节天线方向，观察 IQ 星座图变化。由于天线远离，空口衰减增大，IQ 幅度减小，信噪比降低，单位圆上叠加的噪声变得明显。

　图 6.14 IQ 星座图 3）试听还原后的音频文件 LoopBack.wav，反复第一步和第二步，使还原后的语音尽可能的和原始语音接近。

　3 3、 、 深入理解 M GSM 物理层整个流程原理，优化实现算法 本步骤要求使用者完全理解掌握 GSM 单个实验的原理，然后对现有的 GSM 全流程尝试算法优化。

　优化后的算法可以从以下几个维度去比较其优劣性：

　① 完成 1s 语音数据的还原单个步骤需要的时间和其全流程的总时间。

　② 误码率以及还原的语音与原始语音的差异比较 4 4 、固定数据输入，观测并记录波形

　 在 XSRP 系统软件界面通过双击打开目录树相应节点加载实验程序。加载成功后，Matlab command window 启动，软件界面如调制解调原理框图所示即调制原理框图（向下滚动最右方滚动条即可看到解调原理框图），实验默认进入原理讲演模式，此模式下无法看到各组成模块对应的程序代码。

　将数据类型配置为 10 交替,载波频率为 5000Hz，不勾选添加噪声。双击原理框图上流程分支的探针图标，参考实验原理部分的如图 21. 4，逐个观测、分析并记录调制过程点的波形，各个探针位置如图 21. 5 中红色标识所示，将观测得到的波形保存为图片。如图 21. 6 至图 21. 13。

　图 21. 4 调制解调原理框图

　 图 21. 6 码型变换后时域

　图 21. 7 差分编码后信号时域

　图 21. 8I 路信号时域

　图 21. 9Q 路信号时域

　 图 21. 10I 路信号成型

　图 21. 11 Q 路信号成型

　图 21. 12 I 路高斯低通滤波后信号

　图 21. 13 Q 路高斯低通滤波后信号 2)将数据类型配置为 10 交替,载波频率为 5000Hz，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，，将观测得到的波形保存为图片格式。

　 图 21. 15 已调信号波形

　图 21. 16 乘相干载波 1 后信号时域

　图 21. 17 乘相干载波 2 后信号时域

　 图 21. 18I 路滤波后信号

　图 21. 19Q 路滤波后信号时域

　图 21. 20I 路乘加权函数后时域

　图 21. 21Q 路乘加权函数后信号时域

　图 21. 22I 路抽样判决

　 图 21. 23Q 路抽样判决

　 ２、改变基带数据，观测并记录波形

　1)改变数据类型配置,将数据类型配置为 01 交替,载波频率为 500Hz，勾选添加噪声,默认信噪比为 10dB，如图 21.

　25 。

　图 21. 25 数据配置按钮

　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 1 后时域信号”、“乘相干载波 2 后信号时域”波形，应叠加有噪声信号，如图 21.

　26 。请用复合波形框记录这四个波形。

　图 21. 26 加噪波形

　将下拉条拉至底部，观察“解调时域”波形，应为 10 序列，如图 21.

　27 。

　图 21. 27 解调信号波形

　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。

　３、改变载波数据，观测并记录波形

　1)在载波频率 500 情形下，双击波形中的“载波 1 时域信号”和“I 路调制信号”，将信号输出到复合波形框中。

　改变载波频率为 1000，再次双击波形中的“载波 1 时域信号”和“I 路调制信号”，将信号输出到复合波形框中。

　得到复合波形如图 21.

　29 。

　图 21. 29 不同载波频率调制信号对比

　在实验报告中记录该波形，并试分析载波频率的下限配置。在波形上点击右键，可以选择清除图形。

　（ ４ 、 编 写 调 制 解 调 框 图 中 的 部 分 程 序 （ GMSK_Modulation.m 和GMSK_Demodulation.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 21.

　30 。用户将收到提示，如图 21.

　31 点击继续进行确认，确认后软件主程序将重载当前实验。

　 图 21. 30 切换实验模式

　图 21. 31 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 21.

　32 。

　图 21. 32 重载后更新当前模式

　点击开始仿真按钮，将得到类似图 21.

　33 的提示：

　图 21. 33 实验代码运行出错的提示 这表明程序中设置有错误。

　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。发现代码有两处错误，分别位于 GMSK_Modulation.m 和 GMSK_Demodulation.m，存在错误。需要编辑代码的区域，以%TODO 开始，以%END TODO 结束。根据实验原理，将代码补充完整。

　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。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 21. 37 所示，两个信号应完全一致，表明成功实现 GMSK 调制解调过程。如果输入输出信号不一致，表明代码编写不正确，需回到第 2 步，继续修改.m 文件。

　图 21. 37 输入输出信号对比 ５、实验功能扩展

　1)分析比较 MSK 与 GSMK 两种调制方式差异及其作用 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。GSMK 相较于MSK，其调制前对信号进行高斯低通滤波，使功率谱密度更集中和减小对邻道的干扰。

　通过高斯滤波前后的波形时域图和频域图如图 21.

　38 至图 21.

　41 所示。

　 图 21. 38I 路信号滤波前时域波形图

　 图 21. 39I 路信号滤波前频域波形图

　图 21. 40I 路信号滤波后时域波形图

　图 21. 41I 路信号滤波后频域波形图 六、实验心得

　通过本次实验认 识了 GSM 物理层和 GMSK 调制解调技术，掌握 GSM 物理层全流程的处理顺序流程以及 IQ 数据网口收发，了解了 GMSK 调制的原理及实现方法。加深了对软件的应用

　验 实验 3_TD-LTE 物理层中的 64QAM 调制与解调 一、

　实验目的

　1、掌握 64QAM 调制的原理及实现方法。

　2、掌握 64QAM 解调的原理及实现方法。

　二、

　实验内容

　1、分别采数字键控法、模拟相乘法 64QAM 调制，观测 6QAM 调制信号的波形。

　2、采用相干解调法 6QAM 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。

　四、

　实验原理

　正交振幅调制（Quatrature Amplitude Modulation，QAM）是一种振幅和相位联合键控，它是用两个独立的基带成形信号对两正交正弦载波进行抑制载波的双边带调制，利用已调信号在同一带宽频谱上正交的特性实现两路并行数字信息的传输。

　正交振幅调制原理框图如图 19.

　1 所示。

　图 19. 1 调制原理框图

　输入乘法器的 sinc t和 cosc t是两相互正交的正弦载波，推得调制端产生的正交振幅调制信号为 0 ( )( )sin ( )cosI c Q ce t m t t m t t     有代表性的 QAM 信号是 64 进制的，记为 64 QAM，其矩形星座图如所示。由I 路和 Q 路两个正交矢量唯一地对应出每个坐标点的位置。如图 19.

　2 所示：

　图 19. 2 64QAM 矩形星座图

　64QAM是一种在6MHZ 基带带宽内正交调幅的X进制的二维矢量数字调制技术（X=2，4，8，16），抑制的载波在离频道低端大约 3MhZ 处。据奈奎斯特理论，一个 6MHZ 的带宽采用双边带最大可以传 6Mbit/s 的信号流，除去开销、升余弦滚降造成的波形延展等因素，大约只能传 5.4Mbit/s 的信号流。由于 X2QAM调制方式中，信号流以 log2X 为一组分为两路，每一路具有 X 电平，每一路电平表示的信号量是 log2X(Mbit/s)，所以两路信号正交调制后，能传的最大数字信号比特流为 2×log2X×5.4=10.8log2X(Mbit/s)。

　64QAM 通信系统性能指标有：传输速率、误码率、适应性、使用维修性、经济性、标准化程度和通信建立时间等。64QAM 可以充分利用带宽，并且抗噪声能力强。

　正交振幅解调原理框图如图 19.

　3 所示。

　图 19. 3 解调原理框图

　五、

　实验步骤

　1 1 、固定数据输入，观测并记录波形

　1)在 XSRP 系统软件界面通过双击打开目录树相应节点加载实验程序。加载成功后，Matlab command window 启动，软件界面如图 19.

　4 所示即调制原理框图（向下滚动最右方滚动条即可看到解调原理框图），实验默认进入原理讲演模式，此模式下无法看到各组成模块对应的程序代码。

　将数据类型配置为 10 交替,载波频率为 5000Hz，不勾选添加噪声。双击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，保存为图片。如图 19.

　6 至图 19.

　9 。

　图 19. 4 调制解调原理框图

　图 19. 6 映射后 I 路信号

　 图 19. 7 映射后 Q 路信号

　图 19. 8I 路调制信号

　图 19. 9Q 路调制信号 2)将数据类型配置为 10 交替,载波频率为 5000Hz，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， 将观测得到的波形保存为图片格式。如图 19. 11 至图 19.

　19。

　 图 19. 11 已调信号波形

　 图 19. 12I 路载波提取后信号时域

　图 19. 13Q 路载波提取后信号时域

　图 19. 14I 路滤波后信号

　图 19. 15Q 路滤波后信号时域

　 图 19. 16I 路抽样后信号

　图 19. 17Q 路抽样后信号

　图 19. 18I 路抽样判决

　图 19. 19Q 路抽样判决

　 2 2 、改变基带数据，观测并记录波形

　1)改变数据类型配置,将数据类型配置为 01 交替,载波频率为 500Hz，勾选添加噪声,默认信噪比为 10dB，如图 19. 21。

　图 19. 21 数据配置按钮

　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 1 后时域信号”、“乘相干载波 2 后信号时域”波形，应叠加有噪声信号，如图 19. 22。请用复合波形框记录这四个波形。

　图 19. 22 加噪波形 将下拉条拉至底部，观察“解调时域”波形，应为 10 序列，如 图 19. 23 。

　图 19. 23 解调信号波形 ３、改变数据类型为固定数据并修改数据长度，观测并记录波形

　1)从基带信号，根据映射关系，计算出映射后 I 路信号和 Q 路信号，并和软件显示结果进行对比，复合波形如图 19.

　25。

　 图 19. 25 不同数据源进行映射后数据观察对比 在实验报告中记录该波形，并修改基带信号，观察映射后的 I、Q 数据。在波形上点击右键，可以选择清除图形。

　４、编写调制解调框图中的部分程序（QAM64_Modulation.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 19. 26。用户将收到提示，如图 19. 27 点击继续进行确认，确认后软件主程序将重载当前实验。

　 图 19. 26 切换实验模式

　图 19. 27 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 19. 28。

　 图 19. 28 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，分别位于 QAM64_Modulation.m，如下图 19. 29 红色标记所示位置存在错误。需要编辑代码的区域，以%TODO 开始，以%END TODO 结束。根据实验原理，将代码补充完整。

　图 19. 29 代码中的错误 1 点击开始仿真按钮，如果编译有错误会弹出如图19.

　30的类似的错误提示，注：如果编译没有错误弹出，说明程序编译没有错误，但是程序是否正确，还需运行观察波形显示进行判断：

　图 19. 30 实验代码运行出错的提示 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 19.

　32 所示.

　图 19. 32 输入输出信号对比 ５、实验功能扩展

　1）深刻理解 64QAM 的映射，尝试写出 16QAM 的映射，示例代码如下图。

　temp = 1/(10^0.5); QAM16_table = temp*[(1+1i), (1+3j), (3+1i), (3+3j), (1-1i), (1-3j), (3-1i), (3-3j), ...

　 (-1+1i),(-1+3j),(-3+1i),(-3+3j),(-1-1i),(-1-3j),(-3-1i),(-3-3j)]; for kkk=1:(length_ori/4)

　temp

　= a(1,(4*kkk-3))*8+a(1,(4*kkk-2))*4 ...

　 +a(1,(4*kkk-1))*2+a(1,(4*kkk))+1;

　 QAM16_data(1,kkk) = QAM16_table(temp); end c=real(QAM16_data); d=imag(QAM16_data); plot(c,d,"*"); 2)补充代码后运行，显示出 16QAM 映射的 IQ 星座图，示例代码运行后结果如下图 19.

　33 所示

　 图 19. 33

　16QAM 映射星座图 六、

　实验 心得

　通过这次实验我对 TD-LTE 物理层中的 64QAM 调制与解调有了更深的认识，主要是通过 64QAM 调制解调实验，掌握了 64QAM 调制的原理及实现方法。

　验 实验 4_TD-LTE 物理层中的 OFDM 调制与解调 一、

　实验目的

　1、掌握 OFDM 调制的原理及实现方法。

　2、掌握 OFDM 解调的原理及实现方法。

　二、

　实验内容

　1、分别采用数字键控法、模拟相乘法 OFDM 调制，观测 OFDM 调制信号的波形。

　2、采用相干解调法 OFDM 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

　正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)的基本思想是将串行的数据，并行地调制在多个正交的子载波上，这样可以降低每个子载波的码元速率，增大码元的符号周期，提高系统的抗衰落和干扰的能力，同时由于每个子载波的正交性，大大提高了频谱的利用率，所以非常适合衰落移动场合中的高速传输。

　OFDM 技术的最大优点是对抗频率选择性衰落或窄带干扰。在单载波系统中，单个衰落或干扰能够导致整个通信链路失败，但是在多载波系统中，仅仅有很小一部分载波会受到干扰。对这些子信道可以采用纠错码来进行纠错。

　在传统的并行传输系统中，整个带宽经分割后被送到子信道中，并且频带没有重叠，但是其最大的缺点是频谱利用率很低，造成频谱浪费。所以，人们提出了频谱可以重叠的多载波系统。在 OFDM 系统中各个子信道的载波相互正交，于是它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。

　OFDM 调制信号可以表示为：

　] , 0 [ ) 2 exp( ) ( ) (11T t t f j n d t DNnn   这里 d(n)为第 n 个调制码元，TS 为码元周期，T 为码元周期加保护时间(T=TS+),各子载波的频率满足下列关系：

　, /0 S kT k f f  1 ,..., 1 , 0   N k 载波的基本单元信号为：

　  , , 0 ) , (, 0 , ) , (2otherwise k t gT t e k t gSt f jk 故这些基本的单元信号满足正交性：

　        TSTTP K T dt k t g dt k t g k t gP K dt k t g k t gSS020*0*, ) , ( ) , ( ) , (, 0 ) , ( ) , ( OFDM 系统的调制解调原理示意图如 图 22. 15 所示。OFDM 的频谱图如 图 22. 16所示：

　图 22. 15OFDM 的原理图

　图 22. 16

　 OFDM 频谱示意图

　 图中左边的串/并单元读取一帧信号所需的串行数据流fNbit，分为 N 组分别进行 QAM 映射，其中第 i 组包含inbit 的码元，且满足：

　NIf iN n1 这里 N 表示传输中实际使用的子载波数量。inbit 的码元为映射第 i 个子信道的调制矢量符号即) ( ) ( ) ( i jb i a i d  ,1 ,..., 0   N i。信道中如果有较高的信噪比，可采用如 16-QAM，64-QAM，如果信噪比较低，则可使用 BPSK 映射调制。

　在接收端， 输入信号分成 N 个支路，分别用各子载波混频和积分，恢复出

　子载波上调制的信号，再经过并串变换和常规 QAM 解调就可以恢复出数据。由于子载波的正交性，混频和积分电路可以有效地分离各个子信道，如下式所示：

　) ()) ( 2exp( ) () ) ( exp( ) () exp( ) exp( ) ( ) (ˆ100100010m dtTm n jn ddt t j n ddt t j t j n d m dNnTSNnTm nTNnm nSSS        在常规的频分复用系统中，为了避免相临频道间频谱的混叠，通常在频道间加入保护间隔。这种方式的信道利用率较低。而 OFDM 技术则将整个频带分成多个正交的子信道，各子信道频谱相互交叠，从而增加了频谱利用率，但在每个子信道载频的位置上，来自其他子信道的干扰为零，如图 22. 17 所示。

　图 22. 17 OFDM 与 FDM 频谱比较示意图

　由图中可以看到，在频域每一个子带的频谱与其他的子带频谱相交迭，从而增加了频谱利用率。在接收端，通过 FFT 可以将所有的子带分开，从而达到通信的目的。

　五、

　实验步骤

　１、固定数据输入，改变调制方式，观测并记录波形

　在 XSRP 系统软件界面通过双击打开目录树相应节点加载实验程序。加载成功后，Matlab command window 启动，软件界面如图 22.

　18 所示即调制原理框图

　 图 22. 18OFDM 调制解调实验界面

　 图 22 . 19 实验参数配置 逐个观测、分析并记录调制过程点的波形，

　图 22. 21 至图 22. 26。

　图 22 . 21 基带信号时域

　图 22 . 22I 路信号信号时域

　 图 22 . 23Q 路信号时域

　图 22 . 24I 路调制时域

　 图 22 . 25Q 路调制时域

　 图 22 . 26 已调信号时域

　２、固定数据输入，改变调制方式，观测并记录波形

　1）按图 22. 27 配置设置调制参数。

　 图 22 . 27 配置为 QPSK 调制 点击实验现象界面，双击“已调信号时域”，将波形记录到复合波形框。

　2）按图 22. 28 配置设置调制参数。

　图 22 . 28 配置为 16QAM 调制 点击实验现象界面，双击“已调信号时域” ,将波形记录到复合波形框。

　3）按图 22. 29 配置设置调制参数。

　图 22 . 29 配置为 64QAM 调制 点击实验现象界面，双击“已调信号时域”, 将波形记录到复合波形框。

　4）将复合波形框记录复合波形框中的波形，拉动黑色垂直光标线至最左侧，手动改变横坐标值，显示波形细部。如图 22. 30。

　图 22 . 30 不同调制方式下已调信号对比

　左右拖动垂直光标线，对比不同调制方式下调制波形的变化，并分析产生这种变化的原因。

　３、固定数据输入，改变所使用的子载波数量与位置，观测并记录波形

　1）按图 22. 31 配置设置调制参数。

　图 22 . 31 配置子载波数量 1 点击实验现象界面，双击“逆映射后信号时域”，将波形记录到复合波形框。

　2）按图 22. 32 配置设置调制参数。

　图 22 . 32 配置子载波数量 2 点击实验现象界面，双击“逆映射后信号时域” ,将波形记录到复合波形框。

　3）按图 22. 33 配置设置调制参数。

　图 22 . 33 配置子载波数量 3 点击实验现象界面，双击“逆映射后信号时域” ,将波形记录到复合波形框。

　4）观察复合波形框中不同配置对应的不...