无线试验参考指导书.doc
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1、无线网络通信技术试验指导书 太原理工大学计算机科学和技术学院软件学院二一五年四月 试验教学纲领课程名称:无线网络通信技术课程总课时: 40 课时理论: 32 课时;试验: 8 课时课程总学分: 2.5 学分适用专业和年级:软件工程专业3年级先修课程:电路和信号分析基础等课程一、试验性质和目标无线网络通信技术是软件工程专业移动互联方向一门关键专业方向课,它是针对高年级学生开设一门综合性、实用性较强课程。经过试验,使学生掌握移动及无线通信系统基础原理和基础设计方法;使学生能灵活利用所学原理和方法,自顶向下或自下向上地分析和设计对应系统;经过科学而系统试验训练,培养学生逻辑思维能力,分析和处理问题能
2、力,培养学生知识自我更新和不停创新能力。依据课程情况,设定4个试验,其中3个基础性试验, 1个综合性试验。二、试验方法和基础要求1、试验方法:指导老师先介绍试验内容和试验中注意事项,然后学生依据课堂讲授知识自己动手编程、调试、运行、写试验汇报。2、基础要求: 掌握四相移相键控调制及解调基础原理; 掌握CDMA码序列基础原理;3、试验汇报基础要求 试验汇报内容完整性。试验汇报必需包含试验目标、试验内容、试验程序、试验结果、试验总结(经过试验学到了什么;犯错及修改过程); 书写规范、工整。绪言 MATLAB和通信系统仿真1.1MATLAB介绍1.1.1MATLAB介绍MATLAB是由matrix和
3、laboratory两个词各取前三个字母组合而成,且均用大写,含义是矩阵试验室。它是MathWorks企业于1982年推出一套高性能数值计算和可视化数学软件。使用MATLAB编程运算和人进行科学计算思绪和表示方法完全一致,不像其它高级语言那样难于掌握。MATLAB自问世以来,便以数值计算称雄。MATLAB进行数值计算基础单位是复数数组,这使得MATLAB高度“向量化”。经过近30年完善和扩充,其现已发展成为线性代数标准工具。因为它不需定义数组维数,并提供了矩阵函数、特殊矩阵等专门库函数,使之在求解诸如信号处理等领域问题时,显得大为简捷,这是其它高级语言所不能比拟。MATLAB中包含了被称做工具
4、箱(Toolbox )各类应用问题求解工具。MATLAB 7.0.1中包含了图形界面编辑GUI,改变了以前单一“在指令窗口经过文本型指令进行多种操作”情况。这可让使用者也能够像VB、VC等语言那样进行通常可视化程序编辑。在MATLAB指令窗口“Command Window”键入“simulink”就能够打开“simulink”窗口。以往十分困难系统仿真问题,在“simulink”窗口只需拖动鼠标即可轻而易举地处理。良好人机界面使MATLAB得到了使用者青睐。1.1.2 MATLAB集成开发环境MATLAB开启后图1-1所表示,光标处于命令窗口“Command Window”下。图1-1 MAT
5、LAB命令窗口输入命令pwd,能够显示目前所处目录。输入cd d:ls,能够切换到D盘ls文件夹下。以下图:图1-2 pwd和cd命令MATLAB共有File、Edit、Debug、Desktop、Window、Help等6个选单,每个关键功效之下又有下一层功效。对于初学者,能够在命令窗口键入“demo”,在出现“Help”窗口中会有使用MATLAB进行仿真步骤,方便初学者学习。如有不熟悉函数,可在“Command Window”窗口键入“Help+函数名”查询函数具体使用方法。比如,要了解sin命令意义和使用方法,可键入 Help sin其实施结果以下: SIN Sine. SIN(X) i
6、s the sine of the element of X. Overloaded methods help sym/sin.m在MATLAB下进行基础数学运算时,只需直接在提醒号()以后输入运算式,并按“Enter”键即可。比如:(10*19+2/4-34)/2*3 ans= 234.7500MATLAB结果直接存入一变数ans,并将其显示在屏幕上,若在所输入结尾加上“;”则计算结果不会显示;要想得悉计算值,只须键入该变数名ans即可。MATLAB使用中括号来建立一个行向量1 3 5 2,将其储存在变量s中。如s=1 3 5 2;。若要一次实施大量MATLAB语句,可将这些语句存放到一个扩
7、展名为m文件中,并在MATLAB命令提醒号下输入此文件主文件名即可。这种包含MATLAB语句文件全部以m为扩展名,所以通称M文件。比如一个名为test.mM文件,包含很多MATLAB语句,那么只要直接输入test,即可实施其所包含语句。MATLAB语句区分字母大小写。MATLAB利用“”“”两个游标键将所操作过指令“唤醒”,使之被反复使用。按下“”键,则前一次指令反复出现,以后再按“Enter”键,即可实施该指令。而“”键功用则是往后实施指令。当要在MATLAB中实施操作系统(比如DOS)指令时,能够利用“!”再加上原操作系统指令,比如!dir,!format a:。“Ctrl+C”(即同时按
8、“Ctrl”及“C”两个键)能够终止实施中MATLAB工作。有下述三种方法能够结束MATLAB:l Exitl Quitl 直接关闭MATLAB指令窗口“Command Window”。1.1.3 MATLAB基础操作1. 变量及其命名规则和表示式1)变量及其命名规则以下:(1)MATLAB对变量名大小写是敏感。(2)变量名第一个字符必需为英文字母。(3)预定义变量如表1-1所表示,这些变量名有特定含义。(4)键入“clear”,则是去除全部定义过变量名称。表1-1 预定义变量变量名含义ans预定计算结果变量名pi内建值2)表示式MATLAB书写表示式规则和“手写算式”基础类同。假如一个指令过
9、长,则能够在结尾加上(代表此行指令和下一行连续),比如:3*6ans=182. MATLAB系统命令MATLAB系统命令如表1-2所表示。表1-2 系统命令命令含义命令含义help在线帮助dir显示目录内容demo运行演示程序path获取或设置搜索路径pwd显示目前工作目录cd改变目前工作目录who显示目前变量load把文件调入到变量工作间whos显示目前变量具体信息save把变量存入文件中clear清空工作间变量和函数quit/exit退出MATLAB4.MATLAB语言中关系和逻辑运算在实施关系及逻辑运算时,MATLAB将输入不为零数值全部视为真(True),而为零数值则视为假(Flals
10、e)。运算输出值将判定为真者以1表示,而判定为假者以0表示。各个运算指令须用在两个维数相同阵列或矩阵中。1.1.4 矩阵运算MATLAB实际上是以阵列(Array)及矩阵方法在做运算。而这两种方法在MATLAB基础运算中性质有所不一样,阵列强调元素对元素运算,而矩阵则采取线性代数运算方法。当宣告一变数为阵列或是矩阵时,假如是要部分键入元素,须用中括号 将元素置于其中。阵列为一维元素所组成,而矩阵为多维元素所组成。在MATLAB内部数据结构中,每一个矩阵全部是一个以行为主阵列,所以对于矩阵元素存取,我们可用一维或二维索引(Index)来定址。1.1.6 MATLAB控制语句1.for循环语句fo
11、r循环语句用于以预定次数反复实施一组命令。for循环语句通常形式为for循环控制变量=存放着该变量依次所取值向量;运算式;End在for和end语句之间运算式反复实施次数由上方向量长度决定;每次实施,循环控制变量依次取该向量值。如for i=1:6h(i)=1/i;end以上程序表示共循环6次。2.while循环语句while循环语句依据表示式结果来确定循环实施一组语句次数。while循环通常形式为while表示式运算式;end只要表示式结果为真,就实施while和end语句之间运算式。通常,表示式求值结果是一个标准值,但数组值也一样有效。在数组情况下,所得到数组全部元素必需全部为真。就是说,
12、只要表示式成立,运算式就会一直被实施。能够利用break命令直接跳出while循环。while循环可按需要嵌套。为了得到最大速度,while循环被实施之前,应预先分配数组。如x=zeros(1,6); %表示把1个1行6列0矩阵赋值给向量x,则x(1)=0,x(2)=0,x(6)=0i=1;while i1fprintf(x大于1);%显示x大于1end4.switch-case语句switch-case语句通常格式为switch numcase n1commandcase n2commandcase n3commandotherwisecommandend一旦num等于n1,n2,n3,中每
13、个值或字符串时,就实施所对应指令;不然实施otherwise后语句。1.1.7 MATLAB编程语言MATLAB程序大致分为两类,即M脚本文件(M-Script)和M函数(M-Function),它们全部是一般文本文件。M脚本文件中包含一组由MATLAB语言编写语句,它类似于DOS下批处理文件。M脚本文件实施方法很简单,用户只需在MATLAB提醒符“”下键入该M文件文件名,MATLAB就会自动实施该M文件中各条语句,并将结果直接返回到MATLAB工作区。M函数格式是MATLAB程序设计主流,通常情况下,不提议使用M脚本文件格式编程。MATLABM函数是由function语句引导,其基础格式以下
14、:function返回变量列表=函数名(输入变量列表)注释(由%引导)检验输入变量和输出变量格式函数体语句在M函数中,输入变量和返回变量个数分别由nargin和nargout两个变量确定,而且这两个变量是由MATLAB自动生成,只要进入该函数就能够使用,假如输入变量数目大于1,则应该用括号“()”将它们包围起来,中间用逗号分割。注释语句段每行语句全部应该由“%”引导,百分号后面内容不实施,只起注释作用。试验一 四相移相键控(QPSK)调制及解调试验一、 试验目标1、掌握QPSK调制解调原理及特征。2、掌握利用MATLAB编程实现调制及解调方法。二、 试验内容1、利用MATLAB编程实现QPSK
15、调制及解调。2、观察I、Q两路基带信号特征及和输入NRZ码关系。3、观察I、Q调制解调过程中各信号改变。三、 基础原理1、QPSK调制原理QPSK又叫四相绝对相移调制,它是一个正交相移键控。QPSK利用载波四种不一样相位来表征数字信息。因为每一个载波相位代表两个比特信息,所以,对于输入二进制数字序列应该优异行分组,将每两个比特编为一组,然后用四种不一样载波相位来表征。我们把组成双比特码元前一信息比特用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,它和载波相位关系如表1-1所表示,矢量关系图1-1所表示。图1-1(a)表示A方法时QPSK信号矢量图,图1-1(b)
16、表示B方法时QPSK信号矢量图。因为正弦和余弦互补特征,对于载波相位四种取值,在A方法中:45、135、225、315,则数据、经过处理后输出成形波形幅度有两种取值;B方法中:0、90、180、270,则数据、经过处理后输出成形波形幅度有三种取值1、0。表1-1 双比特码元和载波相位关系双比特码元载波相位abA方法B方法0110001122531545135090180270图1-1 QPSK信号矢量图下面以A方法QPSK为例说明QPSK信号相位合成方法。串/并变换器将输入二进制序列依次分为两个并行序列,然后经过基带成形得到双极性序列(从D/A转换器输出,幅度为)。设两个双极性序列中二进制数字
17、分别为a和b,每一对ab称为一个双比特码元。双极性a和b脉冲经过两个平衡调制器分别对同相载波及正交载波进行二相调制,得到图1-2中虚线矢量,将两路输出叠加,即得到QPSK调制信号,其相位编码关系如表1-2所表示。图1-2 矢量图表1-2 QPSK信号相位编码逻辑关系a1111b1111a路平衡调制器输出b路平衡调制器输出合成相位09045180901351802702250270315用调相法产生QPSK调制器框图图1-3所表示。基带信号映射串并转换波形生成Cos(w0t)Sin(w0t)S(t)IQ映射图1-3 QPSK调制器框图由图1-3能够看到,最初基带信号是一个32位长二进制序列,经过
18、处理后变为4096维二进制序列。输入基带信号经过串并变换,变成两路速率减半序列,两个支路分别经过单/双极性变换器将单极性信号变换成双极性二电平信号(即电平为+1和-1)I(t)和Q(t),然后对和进行调制,相加后即可得到QPSK信号。经过串并变换后形成两个支路图1-4所表示,一路为单数码元,另外一路为偶数码元,这两个支路互为正交,一个称为同相支路,即I支路。I信号是一个4096维双极性信号(值为+1或-1);另外一路称为正交支路,即Q支路。一样,Q信号也是一个4096维双极性信号(值为+1或-1)。I信号和当地产生载波进行相乘,也即进行调制后,和经过调制Q信号相加后,形成已调制信号S(t)。图
19、1-4 二进制码经串并变换后码型QPSK信号经过高斯信道(即噪声信道)S(t)高斯信道S1(t)2、QPSK解调原理因为QPSK能够看作是两个正交2PSK信号合成,故它能够采取和2PSK信号类似解调方法进行解调,即由两个2PSK信号相干解调器组成,其原理框图图1-5所表示。S1(t)低通滤波判决低通滤波判决Cos(w0t)-sin(w0t)逆映射并串转换基带信号I(t)Q(t)图1-5 QPSK解调原理框图3、数学推导调制信号为:调制信号经过高斯信道为:I路相干解调:Q路相干解调:由公式推导能够知道,只需将),经过一个含有低通特征系统即可取得只包含I和Q信息信号,实现解调,这里选择了巴特沃斯型
20、低通滤波器。附程序代码%日期 .1.14%功效 QPSK调制解调,基带信号点数t(限偶数),基波频率w0可设置clear all;nb=32; % 传输比特数T=1; % 基带信号宽度,也就是基波频率fc=8/T; % 载波频率ml=2; % 调制信号类型一个标志位(选择2原因见23行)c = 4*nb; %单周期采样点数delta_T=T/c; % 采样间隔fs=1/delta_T; % 采样频率t=0:delta_T:nb*T-delta_T % 限定t取值范围 c * nbN=length(t); % 采样数 % 调制部分% 基带信号产生data=fix(2*rand(1,nb); %
21、调用一个随机函数(0 or 1),输出到一个1*100矩阵datanrz=data.*2-1; % 变成极性码for i=1:nb data1(i-1)/delta_T+1:i/delta_T)=datanrz(i); % 将极性码变成对应波形信号end % 将基带信号变换成对应波形信号for i=1:nb data0(i-1)/delta_T+1:i/delta_T)=data(i); % 将基带信号变成对应波形信号end % 串并转换,将奇偶位数据分开idata=datanrz(1:ml:(nb-1); % 将奇偶位分开,所以间隔m1为2 qdata=datanrz(2:ml:nb);%
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