移动通信原理finally课件

移动通信原理finally1移动通信原理课程设计李阳2012043030001田家翼2012019030029张恩2012019070030张文谦2012019070003移动通信原理finally2必做题：必做题：无线信道特性分析无线信道特性分析BPSK/QPSK通信链路搭建与误码性能分析通信链路搭建与误码性能分析选做题：选做题：直接序列扩频系统性能分析直接序列扩频系统性能分析移动通信原理finally3无线信道特性分析无线信道特性分析 基于simulink搭建一个QPSK发送链路，QPSK调制信号经过了瑞利衰落信道，观察信号经过衰落前后的星座图，观察信道特性。仿真参数：信源比特速率为500kbps，多径相对时延为0 4e-06 8e-06 1.2e-05秒，相对平均功率为0 -3 -6 -9dB，最大多普勒频移为200Hz。移动通信原理finally4 1、根据信道参数，计算信道相干带宽和相干时间。 2、设置较长的仿真时间（例如10秒），运行链路，在运行过程中，观察并分析瑞利信道输出的信道特征图（观察Impulse Response(IR)、Frequency Response(FR)、IR Waterfall、Doppler Spectrum、Scattering Function）。（配合截图来分析） 3、观察并分析信号在经过瑞利衰落信道前后的星座图变化（截图并解释）。移动通信原理finally5QPSK基本原理 QPSK是Quadrature Phase Shift Keying的简称，意为正交移相键控，是数字调制的 一种方式。它规定了四种载波相位0,/2,2/3,星座图如图1（a）、（b）所示。移动通信原理finally6QPSK的调制因为输入信息是二进制序列，所以需要将二进制数据变换成四进制数据，才能和四进制的载波相位配合起来。采取的办法是将二进制数字序列中每两个序列分成一组，共四种组合（00,01,10,11），每一组称为双比特码元。每一个双比特码元是由两位二进制信息比特组成，它们分别代表四进制四个符号中的一个符号。QPSK每次调制可传输两个信息比特。移动通信原理finally7QPSK的解调 QPSK信号可以用两个正交的载波信号实现相干解调，它的相干解调器如图3所示，正交路分别设置两个匹配滤波器，得到I（t）和Q（t），经电平判决和并转串即可恢复出原始信息。移动通信原理finally8电路图产生二进制序列对信号进行QPSK调制将信号通过瑞利信道对比信号经过瑞利信道前后的变化移动通信原理finally9相关参数二进制序列产生器：0、1等概率产生，速率500kbpsQPSK调制方式移动通信原理finally10相关参数瑞利信道星座图同时观测4000个点移动通信原理finally11 根据信道参数，计算信道相干带宽和相干时间相干带宽：各径时延与功率为：0 4e-06 8e-06 1.2e-05 (s)0 -3 -6 -9 dB相干带宽：相干时间：多普勒扩展的倒数就是对信道相关事件的度量 Tc=1/fm=0.005 s 22222()()(),=()()()kkkkkkkkkkkkkkkPPPEPPP Bc= = 4.28e+04 Hz移动通信原理finally12 设置较长的仿真时间（例如10秒），运行链路，在运行过程中，观察并分析瑞利信道输出的信道特征图（观察Impulse Response(IR)、Frequency Response(FR)、IR Waterfall、Doppler Spectrum、Scattering Function）。（配合截图来分析）移动通信原理finally13Impulse Response(IR)实际图像是不停的变化的。截图可以看出曲线和sinc函数曲线已经完全不同，说明码间串扰严重移动通信原理finally14Frequency Response(FR)图像是变化的，同时频率幅度响应不再近似于一条直线，由图可以看出幅度谱具有频率选择性。移动通信原理finally15IR Waterfall在频率展宽后，信道的幅频响应不再平坦，是由于多径信道中不同信号的叠加影响。移动通信原理finally16Doppler Spectrum由于多普勒效应，接受信号的功率谱展宽扩展到fc-fm至fc+fm范围。由图可看出其仿真统计特性与理论值的拟合性不太好,但随着运行时间的增加，拟合性逐渐变好。移动通信原理finally17Scattering Function由散射函数图像可知，在扩展后的频率范围内，delay（时延）越小，理论与实际拟合得越不好。移动通信原理finally18 观察并分析信号在经过瑞利衰落信道前后的星座图变化（截图并解释）。经过瑞利信道前经过瑞利信道后星座图能直观的判断调制方式的误码率。在上面两图比较中，发现：在经过瑞利信道后，星座图中的点也越来越多、越来越乱，误码率明显增大，多径效应也明显增大。QPSK信号经过瑞利信道后，误码率明显增加。移动通信原理finally19BPSK/QPSK通信链路搭建与误码通信链路搭建与误码性能分析性能分析 1、基于simulink搭建BPSK/QPSK通信链路，经过AWGN信道，接收端相干解调，仿真并绘出BPSK和QPSK信号在 为010dB时（间隔：1dB）误码性能曲线。 仿真参数： 仿真点数：106 信源比特速率：1Mbps。 2、在1的基础上，信号先经过平坦（单径）瑞利衰落，再经过AWGN信道，假设接收端通过理想信道估计获得了信道衰落值（勾选衰落信道模块的“Complex path gain port”）。仿真并绘出BPSK和QPSK信号在 为040dB时（间隔：5dB）误码性能曲线。 信道仿真参数：最大多普勒频移为100Hz。移动通信原理finally20BPSK基本原理 相移键控系统中，有待传输的基带数字脉冲控制着载波相位的变化，从而形成振幅与频率不变，而相位取离散值变化的已调波。 二进制相移键控 BPSK（Binary Phase Shift Keying）方式一般是键控的载波相位按基带脉冲序列的规律而改变的数字调制方式，也就是说，二进制的数字基带信号 0 与 1 分别用相干调制的载波的 0 与相位的波形来表示。其表达式由公式（1-1）给出： （1-1） 其中 为双极性的二进制数字序列， 的取值为 1， 为二进制的符号间隔， 基带的发送成形滤波器的冲激响应，通常具有升余弦特性； 是调制载波的频率， 是调制载波的初始相位。 用 BPSK 调制方式时，因为发送端以某一个相位作为基准，所以在接收端也一定有这样一个固定的基准相位作为参考。假如参考相位发生变化了，那么接收端恢复的信息也会出错，也就是存在“倒”现象。因此需要在接收端使用载波同步，才能够正确恢复出基带的信号。( )()cos()nTbiins ta gtnTt移动通信原理finally21BPSK调制解调原理移动通信原理finally22电路图只经过AWGN的bpsk通信链路调制部分：从左到右依次为信号产生、极性变换、调制，经过高斯信道解调部分：从左往右依次为相干解调、滤波、采样、量化分析误码率部分：由于存在延迟，需要加入delay模块移动通信原理finally23电路相关参数 仿真点数：106 信源比特速率：1Mbps。 高斯信道信噪比： 010dB移动通信原理finally24调制部分波形变化（SNR为10dB）从上往下依次为单极性二进制序列、双极性二进制序列、调制信号、经过AWGN后的信号移动通信原理finally25解调部分波形变化（SNR为10dB）从上往下依次是接收信号、与本地载波相乘后信号、滤波后信号、采样后信号、量化后信号移动通信原理finally26bpsk信号在 为010dB时（间隔：1dB）误码性能信噪比（dB）01234误码率0.0519480.0341010.020460.0107540.00495756789100.0019080.0006030.000120.0000170.0000020从0dB到10dB间隔1dB对应的误码率截图如下注：由于存在延迟会导致差错统计多出延迟对应的错误，需减去移动通信原理finally27bpsk信号在 为010dB时（间隔：1dB）误码性能曲线。012345678910-610-510-410-310-210-1Eb/N0(dB)BER移动通信原理finally28电路图经过AWGN信道的QPSK调制调制部分：Buffer和Select Rows模块用于将一路信号分为正交与同相两路信号，其它与BPSK相同解调部分：Switch模块用于将正交和同相信号合并为一路信号，其余从左往右在两路信号上分别与本地载波相乘，滤波，采样，量化移动通信原理finally29两路载波移动通信原理finally30qpsk信号在 为010dB时（间隔：1dB）误码性能信噪比（dB）01234误码率0.0464210.0297210.0171110.0088760.00390356789100.0014450.000430.0000710.0000070.0000010从0dB到10dB间隔1dB对应的误码率截图如下移动通信原理finally31qpsk信号在 为010dB时（间隔：1dB）误码性能曲线012345678910-610-510-410-310-210-1Eb/N0(dB)BER移动通信原理finally32电路图bpsk信号先经过瑞利信道再经过AWGN信道将调制后的bpsk信号经过瑞利信道，由于模块要求输入复数，令虚部为0获得信道增益在与本地载波相乘前，对信号进行处理，除以信道衰减，以减小瑞利信道的影响，之后提取实部的信号信息，舍去虚部移动通信原理finally33瑞利信道参数移动通信原理finally34bpsk信号在 为040dB时（间隔：5dB）误码性能信噪比（dB）051015误码率0.1130480.0457370.0164280.00527620253035400.001640.0004750.0001350.0000480.000018从0dB到40dB间隔5dB对应的误码率截图如下移动通信原理finally35bpsk信号在 为040dB时（间隔：5dB）误码性能曲线051015202530354010-510-410-310-210-1100Eb/N0(dB)BER移动通信原理finally36电路图qpsk信号先经过瑞利信道再经过AWGN信道将调制后的qpsk信号经过瑞利信道，由于模块要求输入复数，令正交和同相两路信号分别为实部和虚部获得信道增益在与本地载波相乘前，对信号进行处理，除以信道衰减，以减小瑞利信道的影响两路信息分别在复数信号的实部与虚部，对应提取移动通信原理finally37qpsk信号在 为040dB时（间隔：5dB）误码性能信噪比（dB）051015误码率0.1080320.0434690.0153860.00490420253035400.0015370.0004370.0001230.0000390.000017从0dB到10dB间隔5dB对应的误码率截图如下移动通信原理finally38qpsk信号在 为040dB时（间隔：5dB）误码性能曲线051015202530354010-510-410-310-210-1100Eb/N0(dB)BER移动通信原理finally39结论 BPSK与QPSK的误码性能相近 随着信噪比的增加，BPSK与QPSK的误码率都减小 瑞利信道对信号的衰减和色散影响很大，会增加误码率 在相同的信号速率下，BPSK和QPSK系统的带宽是相同的，但是QPSK每个符号代表两个bit，因此QPSK频带利用率是BPSK的两倍。移动通信原理finally40直接序列扩频系统性能分析直接序列扩频系统性能分析 基于simulink搭建直接序列扩频仿真通信链路，仿真分析在不同信道条件下的误比特率性能。移动通信原理finally41直接序列扩频原理在发射端把有用信号与伪随机序列相乘(或者模二加)，使信号的频谱展宽到一个很宽的范围，然后用扩展后的序列去调制载波。在接收端，把接收到的信号用相同的伪随机序列相乘，有用信号与伪随机码相关，相乘后恢复为扩频前的信号。直接序列扩频系统的组成原理框图如图2-1所示。 由图2-1可知，输入的数据信息为d(t)(设基带带宽为B1)，由伪随机编码(如m序列)调制成基带带宽为B2的宽带信号，由于扩频信号带宽大于数据信号带宽，所以信号扩展的带宽由伪随机码控制，而与数据信号无关。经扩频调制的信号再经射频调制后即可发送。接收端收到发送来的信号，经混频得到中频信号后，首先通过同步电路捕捉并跟踪发端伪码的准确相位，由此产生与发端伪码相位完全一致的伪随机码作为扩频解扩的本地扩频码，再与中频信号进行相关解扩，恢复出扩频前的窄带信号，而在解扩处理中，干扰和噪声与伪随机码不相关故被扩展，通过滤波使之受到抑制，这样就可在较高的解扩输出信噪比条件下进行信息解调解码，最终获得信息数据。移动通信原理finally42直接序列扩频原理移动通信原理finally43电路图调制部分扩频部分解扩频部分解调部分移动通信原理finally44扩频码参数移动通信原理finally45误码性能（信源速率1kbps，仿真10s，在010dB下，间隔1dB）信噪比（dB）01234误码率0.010.00410.00150.000305678910000000从0dB到10dB间隔1dB对应的误码率截图如下移动通信原理finally46误码特性曲线00.511.522.5310-410-310-2Eb/N0(dB)BER移动通信原理finally47结论 在相同扩频增益的条件下，系统的误码率随着系统信噪比的增加呈现出对数形状的减小；在相同信噪比的情况下，系统的误码率随着系统扩频增益的增大呈现出直线型的下降，即系统的误码率与系统的扩频增益和信噪比呈负相关，当系统的扩频增益足够大时，系统的误码率可以达到0。移动通信原理finally48