通信原理理解和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

1、通信原理理解和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)一：TD-LTE系統(tǒng)基帶技術(shù)信號(hào)調(diào)制映射實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 掌握LTE系統(tǒng)中各信道所使用的調(diào)制方式。2. 掌握LTE系統(tǒng)中調(diào)制的方法及原理。3. 掌握LTE系統(tǒng)中BPSK調(diào)制、QPSK調(diào)制、16QAM調(diào)制、64QAM調(diào)制的具體過程及各 個(gè)模塊運(yùn)行過程。4. 分析LTE系統(tǒng)中不同調(diào)制的抗干擾性能，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。二、實(shí)驗(yàn)原理數(shù)字正弦載波調(diào)制可簡(jiǎn)稱為數(shù)字調(diào)制”其基本原理是，由數(shù)字碼元符號(hào)序列或其相應(yīng)脈沖序列作為調(diào)制信號(hào)，去選控某確定參量的離散值，可有數(shù)字調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相，并分別稱為幅移鍵控(ASK)、頻移鍵控(FSK)和相移鍵控(PSK)。還可用一個(gè)碼元符號(hào)鍵控兩種參量

2、， 如幅相鍵控APK，即QAM(正交調(diào)幅)。由調(diào)制過程來看，碼元符號(hào)和正弦波的某參量定值 是一種映射關(guān)系，是消息或信息表示形式的一種轉(zhuǎn)換。已調(diào)波經(jīng)帶同信道傳輸，到接收端進(jìn)行解調(diào)，并檢測(cè)判決后到達(dá)信宿，從系統(tǒng)角度，我們將提供調(diào)制/解調(diào)功能的傳輸系統(tǒng)稱為頻帶信號(hào)傳輸系統(tǒng)或帶通系統(tǒng)。在LTE系統(tǒng)物理層鏈路仿真平臺(tái)中，上下行不同信道對(duì)應(yīng)不同的調(diào)制方式。根據(jù)當(dāng)前 信道環(huán)境選用適當(dāng)?shù)恼{(diào)制方式可提升系統(tǒng)的傳輸速率，如表1-1所示，系統(tǒng)中不同信道對(duì)應(yīng)的可使用調(diào)制編碼方式。表1-1 LTE信道調(diào)制方式方向物理信道名稱調(diào)制方式信道類型下行PDSCH物理下行共享信道QPSK、16QAM、64QAM業(yè)務(wù)信道PBCH物

3、理廣播信道QPSK控制信道PHICH物理HARQ指示信道BPSK控制信道:PCFICH物理控制格式指示信道QPSK控制信道PDCCH物理下行控制信道QPSK控制信道:上行PUSCH物理上行共享信道QPSK、16QAM、64QAM業(yè)務(wù)信道JPUCCH物理上行控制信道QPSK控制信道:PRACH物理隨機(jī)接入信道QPSK控制信道(1) BPSK:在BPSK調(diào)制方式的情況下，傳輸比特信號(hào)b(i)根據(jù)以下公式被映射到復(fù)值信號(hào)進(jìn)行傳輸，得到如下調(diào)制映射復(fù)值信號(hào)x。信號(hào)調(diào)制后的分布星座圖如圖1-1所示。1 2b(i)j 1 2b(i)(1-1)BPSK調(diào)制星座圖1.5的星座圖圖 1-1 BPSK(2) QP

4、SK:在QPSK調(diào)制方式的情況下,傳輸比特信號(hào)對(duì)b(i),b(i 1)根據(jù)以下公式被映射到復(fù)值信號(hào)進(jìn)行傳輸，得到如下調(diào)制映射復(fù)值信號(hào)x。信號(hào)調(diào)制后分布星座圖如圖1-2所示。、2 12b(i)j 1 2b(i 1)(1-2)QPSK調(diào)制星座圖圖1-2 QPSK調(diào)制星座圖 16QAM:在16QAM調(diào)制方式的情況下，傳輸四比特信號(hào)b(i),b(i1),b(i2),b(i3)根據(jù)以下公式被映射到復(fù)值信號(hào)進(jìn)行傳輸, 圖1-3所示。得到如下調(diào)制映射復(fù)值符號(hào)2b(i) 21 2b(i 2)x。信號(hào)調(diào)制后分布星座圖如(1-3)j 1 2b(i 1) 21 2b(i 3) 64QAM:在 64QAMb（i值。1

5、6QAM調(diào)制星座圖圖1-3 16QAM調(diào)制星座圖調(diào)制方式的情況下，傳輸六比特信號(hào)5）根據(jù)以下公式被映射到復(fù)值信4），b（i信號(hào)調(diào)制后分布星座圖如圖1-4所示x12b(i) 412b(ib(i) , b(i 1), b(i 2), b(i 3),號(hào)進(jìn)行傳輸，2) 2 1得到如下調(diào)制映射符號(hào)復(fù)2b(i 4)j 1 2b(i 1)2b(i 3)(1-4)21 2b(i 5)64QAM調(diào)制星座圖圖1-4 64QAM調(diào)制星座圖碼元速率？?？為單位時(shí)間（每秒）傳送碼元的數(shù)目，單位為波特。根據(jù)碼元速率的定 義，若每個(gè)碼元的長(zhǎng)度為 T秒，則有1?=?/秒。1bit的信息量，所以M ）進(jìn)制碼元的傳輸比特率？?？

6、為單位時(shí)間內(nèi)傳遞的平均信息量或比特?cái)?shù)，單位為比特 在“ 0”、“ 1”等概率出現(xiàn)的二進(jìn)制碼元的傳輸中，每個(gè)碼元含有 二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的碼元速率和信息速率在數(shù)量上相等。而在采用多（ 中，由于每個(gè)碼元攜帶lOg2?比特的信息量，因此碼元速率和比特率有以下確定的關(guān)系, 即?= ?log 2 ?BPSK調(diào)制下，1個(gè)符號(hào)等于1個(gè)比特，也就是碼元速率等于比特率，1個(gè)比特可以表示21種狀態(tài)。而QPSK調(diào)制下，1個(gè)符號(hào)代表2個(gè)比特，2個(gè)比特可以表示22種狀態(tài)。在碼 元速率相同的情況下， 也就是在單碼元或者一個(gè)符號(hào)持續(xù)的時(shí)間相同的情況下，對(duì)應(yīng)到載波上持續(xù)的時(shí)間也相同，但是在這個(gè)相同的時(shí)間內(nèi)所攜帶的信息量不同，BP

7、SK是1個(gè)比特,QPSK是2個(gè)，所以QPSK的傳輸速率是 BPSK傳輸速率的2倍。同理16QAM的傳輸速率 是BPSK的4倍，64QAM 的傳輸速率是 BPSK的6倍。所以，不同的調(diào)制方式導(dǎo)致不同的傳輸速率，高階調(diào)制下帶來了更高的信息傳輸速 率。歐氏距離是一個(gè)通常采用的距離定義，它是在m維空間中兩個(gè)點(diǎn)之間的真實(shí)距離，此距離直接代表著噪聲容限的大小，二維空間的公式為：d = V （?- ?）2 + （?- ?）2其中，d為點(diǎn)（？?,？?）與點(diǎn)（？?,？?）之間的歐式距離，并設(shè)調(diào)制信號(hào)最大振幅為Am。BPSK調(diào)制下，其星座圖如下圖所示。0.80.60.40.2-0.2-0.4-0.6-0.8-1m

8、 0Am/BPSK星座圖所以，BPSK信號(hào)的相鄰點(diǎn)歐氏距離QPSK調(diào)制下，其星座圖如下圖所示。QPSK星座圖1所以，QPSK信號(hào)的相鄰點(diǎn)歐氏距離?=? V 2?16QAM調(diào)制下，其星座圖如下圖所示。16QAM星座圖所以，16QAM信號(hào)的相鄰點(diǎn)歐氏距離?3 64QAM調(diào)制下，其星座圖如下圖所示。1.5-1.5g mreal0.5-0.5-1-0.5-1.5 * *V9* T 64QAM星座圖所以，64QAM信號(hào)的相鄰點(diǎn)歐氏距離V2?4?= T?歐式距離越小，噪聲容限越小，抗干擾能力越弱。因此高階調(diào)制的抗干擾能力要弱于低階調(diào)制，且在相同的誤碼率的情況下，高階調(diào)制相較于低階調(diào)制需要更高的信噪比。故傳

9、輸信道性能好，使用高階調(diào)制；傳輸信道性能差，使用低階調(diào)制。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 對(duì)LTE信道鏈路中使用的調(diào)制方式進(jìn)行原理學(xué)習(xí)，掌握調(diào)制的作用，熟練掌握其不同調(diào) 制方式規(guī)則。繪制不同調(diào)制方式對(duì)應(yīng)的星座圖形。2. 使用搭建的系統(tǒng)仿真平臺(tái)，在整個(gè)系統(tǒng)中對(duì)不同信道應(yīng)用對(duì)應(yīng)的調(diào)制映射方式，通過調(diào)節(jié)輸入?yún)?shù)，觀測(cè)調(diào)制各個(gè)模塊的輸入輸出，并進(jìn)行分析對(duì)比。通過BPSK調(diào)制實(shí)驗(yàn)、QPSK調(diào)制實(shí)驗(yàn)、16QAM調(diào)制實(shí)驗(yàn)、64QAM調(diào)制實(shí)驗(yàn)，對(duì)比觀測(cè)不同調(diào)制的輸入輸出 波形來驗(yàn)證不同的調(diào)制方式。并繪制接收端信號(hào)分布星座圖。3. 設(shè)計(jì)合理的高性能調(diào)制映射方式，編寫對(duì)應(yīng)程序，在系統(tǒng)仿真平臺(tái)環(huán)境下對(duì)應(yīng)不同信道 進(jìn)行仿真分析。4

10、. 使用搭建的系統(tǒng)仿真平臺(tái)，在整個(gè)系統(tǒng)中對(duì)PDSCH信道應(yīng)用對(duì)應(yīng)的調(diào)制映射方式，通過調(diào)節(jié)輸入?yún)?shù)，觀測(cè)不同調(diào)制方式在同一信噪比下的誤碼率，繪制誤碼率-SNR曲線并進(jìn)行分析對(duì)比其抗干擾性能。四、實(shí)驗(yàn)工具M(jìn)ATLAB仿真環(huán)境，LTE-4G物理層仿真鏈路實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。五、實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目一 BPSK信道調(diào)制概述：本項(xiàng)目通過配置信道類型和輸入數(shù)據(jù)，分別觀測(cè)輸入、輸出波形和星座圖， 觀察和理解BPSK調(diào)制規(guī)則與原理。1、啟動(dòng)Matlab仿真軟件。2、 打開 E盤LTE-simulation 文件夾，運(yùn)行 LTE_4Gbasebandm文件；點(diǎn)擊”，運(yùn)行 LTE_4Gstartm.m文件，出現(xiàn)LTE通信鏈路仿

11、真界面，點(diǎn)擊虹，出現(xiàn)如圖1-5所示的該實(shí)驗(yàn) 參數(shù)配置界面。圖1-5LTE通信鏈路仿真平臺(tái)3、按表格1-2所示在子界面中進(jìn)行參數(shù)配置，配置指示如圖1-6所示，點(diǎn)擊調(diào)制按鈕。表1-2參數(shù)名稱配置參數(shù)值參數(shù)說明Channel typePHICH物理HARQ指示信道Channel codeRepeatcode重復(fù)編碼Channel modulati onBPSK二進(jìn)制相移鍵控In putdata101001000010000000000000輸入數(shù)據(jù)圖1-6 LTE通信鏈路仿真平臺(tái) BPSK參數(shù)配置指示圖4、波形觀測(cè)。(1) 獲得調(diào)制輸入數(shù)據(jù)，觀察數(shù)據(jù)波形。(2) 獲得調(diào)制輸出數(shù)據(jù)， 觀察數(shù)據(jù)波形。根

12、據(jù)BPSK調(diào)制原理和計(jì)算公式， 驗(yàn)證BPSK 調(diào)制規(guī)則。(3) 獲得調(diào)制輸出星座圖，觀察星座圖。根據(jù) BPSK調(diào)制原理和計(jì)算公式，對(duì)比輸入 波形，觀察BPSK調(diào)制星座圖、調(diào)制后輸出波形、 數(shù)據(jù)類型和傳輸速率的變化，驗(yàn)證調(diào)制規(guī) 則。5、 改變輸入數(shù)據(jù)繼續(xù)仿真，多次驗(yàn)證BPSK調(diào)制規(guī)則。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目二 QPSK信道調(diào)制概述：本項(xiàng)目通過配置不同的信道類型和輸入數(shù)據(jù)，分別觀測(cè)輸入、輸出波形和星座圖，觀察和理解QPSK調(diào)制規(guī)則與原理。1、返回?cái)?shù)據(jù)調(diào)制實(shí)驗(yàn)的參數(shù)配置界面。2、 按表格1-3所示在子界面中進(jìn)行參數(shù)配置，配置指示如圖1-7所示，點(diǎn)擊調(diào)制按鈕。表1-3參數(shù)名稱配置參數(shù)值參數(shù)說明Channel Typ

13、ePDSCH物理下行共享信道Channel codeTurboTurbo編碼ChannelModulationQPSK正交相移鍵控In putdata101001000010000000000000輸入數(shù)據(jù)圖1-7 LTE通信鏈路仿真平臺(tái) QPSK參數(shù)配置指示圖3、波形觀測(cè)。(1) 獲得調(diào)制輸入數(shù)據(jù)，觀察數(shù)據(jù)波形。（2）獲得調(diào)制輸出數(shù)據(jù)， 觀察數(shù)據(jù)波形。根據(jù)QPSK調(diào)制原理和計(jì)算公式， 驗(yàn)證QPSK 調(diào)制規(guī)則。（3） 獲得調(diào)制輸出星座圖，觀察星座圖。根據(jù)QPSK調(diào)制原理和計(jì)算公式，對(duì)比輸入波形，觀察QPSK調(diào)制星座圖、調(diào)制后輸出波形、 數(shù)據(jù)類型和傳輸速率的變化，驗(yàn)證調(diào)制規(guī)則。4、重復(fù)步驟3,改

14、變不同信道類型，繼續(xù)仿真，多次驗(yàn)證QPSK調(diào)制規(guī)則。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目三16QAM信道調(diào)制概述：本項(xiàng)目通過配置信道類型和輸入數(shù)據(jù)，分別觀測(cè)輸入、輸出波形和星座圖， 觀察和理解16QAM調(diào)制規(guī)則與原理。1、返回?cái)?shù)據(jù)調(diào)制實(shí)驗(yàn)的參數(shù)配置界面。2、 按表格1-4所示在子界面中進(jìn)行參數(shù)配置，配置指示如圖1-8所示，點(diǎn)擊調(diào)制按鈕。表1-4圖1-8 LTE通信鏈路仿真平臺(tái)16QAM參數(shù)配置指示圖闿4冒，如：*Ml參數(shù)名稱配置參數(shù)值參數(shù)說明Channel typePDSCH物理下行共享信道:Channel codeTurboTurbo編碼Channel modulati on16QAM16進(jìn)制的正交振幅調(diào)制In put

15、data101001000010000000000000輸入數(shù)據(jù)3、波形觀測(cè)。（1）獲得調(diào)制輸入數(shù)據(jù)，觀察數(shù)據(jù)波形。（2） 獲得調(diào)制輸出數(shù)據(jù)，觀察數(shù)據(jù)波形。根據(jù)16QAM 調(diào)制原理和計(jì)算公式，驗(yàn)證 16QAM調(diào)制規(guī)則。（3） 獲得調(diào)制輸出星座圖，觀察星座圖。根據(jù)16QAM調(diào)制原理和計(jì)算公式，對(duì)比輸 入波形，觀察16QAM調(diào)制星座圖、調(diào)制后輸出波形、數(shù)據(jù)類型和傳輸速率的變化，驗(yàn)證調(diào)制規(guī)則。4、重復(fù)步驟3,改變不同信道類型，繼續(xù)仿真，多次驗(yàn)證16QAM調(diào)制規(guī)則。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目四 64QAM信道調(diào)制概述：本項(xiàng)目通過配置信道類型和輸入數(shù)據(jù)，分別觀測(cè)輸入、輸出波形和星座圖， 觀察和理解64QAM調(diào)制規(guī)則與原理

16、。1、返回?cái)?shù)據(jù)調(diào)制實(shí)驗(yàn)的參數(shù)配置界面。2、 按表格1-5所示在子界面中進(jìn)行參數(shù)配置，配置指示如圖1-9所示，點(diǎn)擊調(diào)制按鈕。表1-5參數(shù)名稱配置參數(shù)值參數(shù)說明cha nnel typePUSCH/PDSCH物理上行共享信道/物理下行 共享信道CodeTypeTurbo/ TurboTurbo編碼/ Turbo編碼cha nnel modulati on64QAM16進(jìn)制的正交振幅調(diào)制in putdata101001000010000000000000輸入數(shù)據(jù)圖1-9 LTE通信鏈路仿真平臺(tái) 64QAM參數(shù)配置指示圖3、波形觀測(cè)。（1）獲得調(diào)制輸入數(shù)據(jù)，觀察數(shù)據(jù)波形。（2） 獲得調(diào)制輸出數(shù)據(jù)，觀察

17、數(shù)據(jù)波形。根據(jù)64QAM 調(diào)制原理和計(jì)算公式，驗(yàn)證 64QAM調(diào)制規(guī)則。（3） 獲得調(diào)制輸出星座圖，觀察星座圖。根據(jù)64QAM調(diào)制原理和計(jì)算公式，對(duì)比輸 入波形，觀察64QAM調(diào)制星座圖、調(diào)制后輸出波形、數(shù)據(jù)類型和傳輸速率的變化，驗(yàn)證調(diào)制規(guī)則。4、 重復(fù)步驟3,改變不同信道類型，繼續(xù)仿真，多次驗(yàn)證64QAM調(diào)制規(guī)則。 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目五概述：本項(xiàng)目通過配置 PDSCH信道的輸入數(shù)據(jù)，分別觀測(cè) QPSK與16QAM兩種調(diào)制 方式在相同信噪比下的誤碼率 -SNR圖，并分析兩種調(diào)制方式的抗干擾性能。1、返回?cái)?shù)據(jù)調(diào)制實(shí)驗(yàn)的參數(shù)配置界面。2、按表格1-6所示在子界面中進(jìn)行參數(shù)配置。表1-6參數(shù)名稱配置參數(shù)值參數(shù)

18、說明cha nnel typePDSCH物理下行共享信道channel encodeTurboTurbo編碼cha nnel modulati onQPSK/16QAM正交相移鍵控/16進(jìn)制正交幅度調(diào)制in putdata101001000010000000000000輸入數(shù)據(jù)min_SNR-30最小信噪比delta_SNR2信噪比步進(jìn)長(zhǎng)度max_SNR-14最大信噪比3、 在調(diào)制實(shí)驗(yàn)的參數(shù)配置界面中根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行QPSK/16QAM調(diào)制實(shí)驗(yàn)。4、 曲線觀測(cè)：點(diǎn)擊BER，獲得調(diào)制誤碼率-SNR曲線。觀察QPSK與16QAM各自在相 同SNR下的調(diào)制誤碼率-SNR曲線圖，分析抗干擾性能。5、 重復(fù)步驟3、4,改變不同SNR，繼續(xù)仿真，多次驗(yàn)證分析所得的 QPSK/16QAM調(diào) 制抗干擾性能結(jié)論。示例：1、返回?cái)?shù)據(jù)調(diào)制實(shí)驗(yàn)的參數(shù)配置界面。2、 將參數(shù)channel modulation配置為QP