無(wú)線(xiàn)課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、擴(kuò)頻實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué) 院：電子信息工程學(xué)院專(zhuān) 業(yè)：通信工程組員：12211008 呂興孝12211010 牟文婷12211096 鄭羲12211004 馮順任課教師：姚冬萍實(shí)驗(yàn)四 擴(kuò)頻實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)在本實(shí)驗(yàn)中你要基于LabVIEW+USRP平臺(tái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)擴(kuò)頻通信系統(tǒng)，你需要在對(duì)擴(kuò)頻技術(shù)有一定了解的基礎(chǔ)上編寫(xiě)程序，完成所有要求的實(shí)驗(yàn)任務(wù)。在這一過(guò)程中會(huì)讓你對(duì)擴(kuò)頻技術(shù)有更直接和感性的認(rèn)識(shí)，并進(jìn)一步掌握在LabVIEW+USRP平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的技巧。二、實(shí)驗(yàn)環(huán)境與準(zhǔn)備軟件環(huán)境：LabVIEW 2012（或以上版本）；硬件環(huán)境：一套USRP和一臺(tái)計(jì)算機(jī)；實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)：了解LabVIEW編程環(huán)境和USRP的基

2、本操作；知識(shí)基礎(chǔ)：了解擴(kuò)頻通信的基本原理。三、實(shí)驗(yàn)介紹1、擴(kuò)頻通信技術(shù)簡(jiǎn)介擴(kuò)頻通信技術(shù)是一種十分重要的抗干擾通信技術(shù)，可以大大提高通信系統(tǒng)的抗干擾性能，在電磁環(huán)境越來(lái)越惡劣的情況下，擴(kuò)頻技術(shù)在諸多通信領(lǐng)域都有了十分廣泛的應(yīng)用。擴(kuò)頻技術(shù)簡(jiǎn)單來(lái)講就是將信息擴(kuò)展到非常寬的帶寬上確切地說(shuō)，是比數(shù)據(jù)速率大得多的帶寬。在擴(kuò)頻系統(tǒng)中，發(fā)端用一種特定的調(diào)制方法將原始信號(hào)的帶寬加以擴(kuò)展，得到擴(kuò)頻信號(hào)；然后在收端對(duì)接收到的擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò)處理，把它恢復(fù)為原始的窄帶信號(hào)。擴(kuò)頻系統(tǒng)之所有具有較強(qiáng)的抗干擾能力，是因?yàn)榻邮斩嗽诮邮盏綌U(kuò)頻信號(hào)后，需要通過(guò)相關(guān)處理對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行帶寬的壓縮，將其恢復(fù)成窄帶信號(hào)。對(duì)于干擾信號(hào)而言

3、，由于與擴(kuò)頻信號(hào)不相關(guān)，所以會(huì)被擴(kuò)展到很寬的頻帶上，使之進(jìn)入信號(hào)帶寬內(nèi)的干擾功率大幅下降，即增加了相關(guān)器輸出端的信號(hào)/干擾比。因此擴(kuò)頻系統(tǒng)對(duì)大多數(shù)人為干擾都具有很強(qiáng)的抵抗能力。2、發(fā)射端程序簡(jiǎn)介本實(shí)驗(yàn)包括發(fā)射端和接收端兩個(gè)主程序，其中發(fā)射端主程序top_tx的前面板如圖1所示。圖1 發(fā)射端程序前面板前面板上部的選項(xiàng)卡控件中可以配置各項(xiàng)參數(shù)。在硬件參數(shù)部分中可以配置USRP的IP地址、載波頻率等參數(shù)；在信號(hào)參數(shù)部分中可以配置調(diào)制方式、設(shè)配采樣速率、成型濾波器等參數(shù)；在信道模型參數(shù)部分中你可以選擇不同的信道模型并設(shè)置噪聲功率；在右側(cè)你可以設(shè)置擴(kuò)頻碼的長(zhǎng)度。在前面板下方為顯示界面，包括發(fā)送信號(hào)的時(shí)域

4、/頻域波形以及星座圖和眼圖。發(fā)射端的程序框圖主要由兩部分組成。主程序框圖左側(cè)的transmitter子程序完成發(fā)射信號(hào)的生成、擴(kuò)頻、調(diào)制等功能，程序框圖如圖2所示。圖2 transmitter的程序框圖圖中source子程序產(chǎn)生固定長(zhǎng)度的隨機(jī)比特流；條件結(jié)構(gòu)內(nèi)完成信源的擴(kuò)頻操作；其中的DSSS子程序用來(lái)對(duì)信源數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)頻；MOD子函數(shù)完成比特流的調(diào)制；Add control子函數(shù)的作用是添加訓(xùn)練序列，以便接收端進(jìn)行同步；Pulse shaping子函數(shù)用來(lái)完成脈沖成形；最后TX apply channel實(shí)現(xiàn)發(fā)送端的信道自適應(yīng)。output complex waveform即為輸出的波形。發(fā)射

5、端主程序框圖其余部分的功能是將transmitter子程序產(chǎn)生的output complex waveform通過(guò)USRP進(jìn)行發(fā)射。3、接收端程序簡(jiǎn)介接收端主程序top_rx的前面板如圖3所示。圖3 接收端程序前面板與發(fā)射端程序類(lèi)似，接收端主程序前面板上部為各項(xiàng)參數(shù)的輸入，例如硬件參數(shù)、擴(kuò)頻參數(shù)、同步參數(shù)等。前面板下部顯示生成的圖形，包括星座圖、眼圖、信噪比/誤碼率曲線(xiàn)等。接收端端的程序框圖也主要由兩部分組成。主程序框圖右側(cè)的receiver.vi子程序主要完成發(fā)射信號(hào)的接受、同步、解擴(kuò)和解調(diào)等功能，程序框圖如圖3所示。圖3 receiver.vi 的程序框圖其中RX init子程序是接收機(jī)的

6、初始化；matched filter子程序完成匹配濾波；synch子程序使同步模塊，完成收發(fā)同步；channel estimated子程序完成信道估計(jì)；equalize子程序的作用是信道均衡；strip control子程序用來(lái)刪除控制信息，即訓(xùn)練序列；decode子程序?qū)崿F(xiàn)信號(hào)的解調(diào)；DE-DSSS子程序用來(lái)實(shí)現(xiàn)解擴(kuò)；error detect子程序的作用是計(jì)算誤碼率。接收端主程序框圖的其他部分主要用來(lái)完成USRP的配置、計(jì)算信噪比/誤碼率曲線(xiàn)以及生成所需的圖形。四、實(shí)驗(yàn)任務(wù)1、DS-SS.vi子程序DS-SS子程序的作用是對(duì)信源進(jìn)行直接擴(kuò)頻（Direct Sequence Spread Sp

7、ectrum）。其原理是利用10個(gè)以上的chips來(lái)代表原來(lái)的0或1，使得原來(lái)較高功率、較窄的頻譜變成具有較寬頻的低功率頻譜，這種特性類(lèi)似于噪聲功率譜，因此接收端只有知道正確的擴(kuò)頻碼才能進(jìn)行正確的接收，進(jìn)而增加了傳輸?shù)目煽啃?。它是一種數(shù)字調(diào)制方法，具體說(shuō)，就是將信源與一定的PN碼（偽隨機(jī)碼、chip）進(jìn)行同或運(yùn)算。例如，在發(fā)射端用11000100110代替"1"，用00110010110代替"0"，這個(gè)過(guò)程就實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)頻。上述過(guò)程如圖4所示。圖4 擴(kuò)頻的實(shí)現(xiàn)過(guò)程前面板：圖6 DS-SS前面板DS-SS程序框圖：圖7 DS-SS程序框圖實(shí)驗(yàn)步驟：1、 首先產(chǎn)

8、生所需長(zhǎng)度的偽隨機(jī)序列（PN序列）：PN序列（Pseudo-noise Sequence）即偽噪聲序列，這類(lèi)序列具有類(lèi)似隨機(jī)噪聲的一些統(tǒng)計(jì)特性，但和真正的隨機(jī)信號(hào)不同，它可以重復(fù)產(chǎn)生和處理，故稱(chēng)作偽隨機(jī)噪聲序列。PN碼最見(jiàn)的用途是在擴(kuò)頻系統(tǒng)中用來(lái)擴(kuò)展信號(hào)頻譜；此外PN碼也可以用來(lái)作為信源信息。在實(shí)際應(yīng)用中，常利用MT Generate Bits函數(shù)來(lái)生成PN序列，它位于函數(shù)選板的RF Communications>>Modulation>>Digital中。MT Generate Bits.函數(shù)的輸入輸出如圖8所示：圖8 MT Generate Bits輸入輸出其中to

9、tal bits為生成的偽隨機(jī)序列的總長(zhǎng)度、PN sequence order用來(lái)設(shè)定PN序列的循環(huán)周期（如果PN sequence order設(shè)為N，則周期為）、seed in指定PN序列生成器移位寄存器的初始狀態(tài)（默認(rèn)為0xD6BF7DF2）；output bit stream為偽隨機(jī)序列的輸出。此外MT Generate Bits函數(shù)還有User Defined模式，在此模式下函數(shù)可以根據(jù)用戶(hù)自定義的輸入序列生成所需長(zhǎng)度的循環(huán)序列。其輸入輸出如圖9所示：圖9 User Defined模式的輸入輸出其中user base bit pattern為用戶(hù)指定的序列，控件會(huì)不斷循環(huán)用戶(hù)指定的序列

10、直到輸出序列的長(zhǎng)度達(dá)到total bits所設(shè)定的值。output bit stream為生成序列的輸出。本例中用到了三個(gè)MT Generate Bits函數(shù)，分別用來(lái)生成保護(hù)序列、同步序列和信息序列。2、 利用產(chǎn)生的序列對(duì)信源序列進(jìn)行擴(kuò)展：圖10 擴(kuò)頻模塊輸入信源bit碼、PN擴(kuò)頻碼、誤差；輸出擴(kuò)頻碼、誤差。2、DE-DSSS.vi子程序DE-DSSS子程序的作用是在接收端實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的解擴(kuò)。解擴(kuò)操作即擴(kuò)頻操作的逆過(guò)程。繼續(xù)使用上面的例子，當(dāng)你在發(fā)射端用11000100110代替"1"，而用00110010110代替"0"后，在接收機(jī)處只要把收到的序列是

11、11000100110恢復(fù)成"1"，而00110010110恢復(fù)成"0"，這就是解擴(kuò)。上述過(guò)程如圖0所示。圖11 解擴(kuò)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程前面板：圖12 DE-DSSS前面板DE-DSSS程序框圖： 圖13 DE-DSSS程序框圖五、實(shí)驗(yàn)步驟：1、產(chǎn)生所需長(zhǎng)度的并與發(fā)射端相同偽隨機(jī)序列（PN序列），同DS-SS；2、然后利用產(chǎn)生的序列對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò)：輸入：將信源與PN序列通過(guò)“數(shù)組大小”模塊返回其長(zhǎng)度，相除得到的商作為搜索深度；輸入經(jīng)信道傳輸后的擴(kuò)頻碼、與發(fā)送端同步的擴(kuò)頻序列以及誤差。輸出得解擴(kuò)后碼序列以及誤差。3、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證在DS-SS子程序中，你可以手動(dòng)輸入

12、一串0/1作為信源序列，并設(shè)置好PN序列的長(zhǎng)度（設(shè)為N）。單獨(dú)運(yùn)行DS-SS子程序，觀察輸出的序列長(zhǎng)度是否擴(kuò)展了N倍，并注意輸出序列中PN碼是否與相應(yīng)的0或者1對(duì)應(yīng)。驗(yàn)證成功的話(huà)便表明你的DS-SS子程序編寫(xiě)正確。并利用類(lèi)似的方法驗(yàn)證DE-DSSS子程序的正確性。然后驗(yàn)證發(fā)射端主程序是否能正確的發(fā)射我們想要的擴(kuò)頻信號(hào)。首先正確的連接USRP并合理的配置發(fā)射端的各項(xiàng)參數(shù)，運(yùn)行程序。然后你可能會(huì)看到如圖至圖所示的發(fā)射信號(hào)時(shí)域波形和頻域波形。20圖14不擴(kuò)頻的時(shí)域信號(hào)圖15不擴(kuò)頻的頻域信號(hào)圖16擴(kuò)頻后的時(shí)域信號(hào)圖17擴(kuò)頻后的頻域信號(hào)可以看出經(jīng)過(guò)擴(kuò)頻的發(fā)射信號(hào)與不經(jīng)過(guò)擴(kuò)頻的發(fā)射信號(hào)相比，在頻域上進(jìn)行了

13、展寬，在時(shí)域上變得更加密集。這與擴(kuò)頻的基本原理相符，說(shuō)明發(fā)射端的設(shè)計(jì)基本正確。在接收端，我們需要使得參數(shù)能夠與發(fā)射端匹配，這樣才能正常的接收。特別需要注意Capture Time、packet length和RX Sample Rate這幾個(gè)參數(shù)，你首先需要理解它們的意義，這樣才能夠正確的配置它們。如果你在發(fā)射端沒(méi)有修改默認(rèn)參數(shù)的話(huà)，接收端的默認(rèn)參數(shù)恰好能夠與發(fā)射端匹配。你需要同時(shí)運(yùn)行發(fā)射端和接收端程序，在發(fā)射端正確運(yùn)行時(shí)觀察接收端能否正確接收。程序會(huì)計(jì)算當(dāng)前信噪比下的誤碼率，并逐漸增大信噪比、最終得出一條信噪比/誤碼率曲線(xiàn)，如圖3-4- 11所示。你可能需要稍等一段時(shí)間才能夠看到程序運(yùn)行完成

14、的結(jié)果。在接收端程序運(yùn)行的同時(shí)，你可以進(jìn)入receiver子程序中的Ber detected子程序，在里面觀察當(dāng)前信噪比接收到的數(shù)據(jù)數(shù)和誤碼數(shù)，如圖3-4- 12所示。 圖18誤碼率曲線(xiàn) 圖19運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)顯示然后你可以嘗試改變收發(fā)端的各項(xiàng)參數(shù)，觀察不同參數(shù)對(duì)運(yùn)行結(jié)果的影響。最后你需要按照要求完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。6、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 QPSK:將USRP連接電腦，更改IP地址等參數(shù)。頻率使用915MHz避免干擾。如下圖20：發(fā)送端前面板調(diào)制參數(shù)以及發(fā)送星座圖發(fā)送時(shí)域波形如下圖21：發(fā)送端眼圖和發(fā)送端頻域波形如下，眼圖的尖銳程度和發(fā)送頻率有關(guān)，如圖22：接收端的硬件參數(shù)和誤碼率如下圖，如圖23：接收端眼圖如

15、圖24所示：BPSK：調(diào)制參數(shù)如下：BPSK:發(fā)送端硬件參數(shù)發(fā)送端星座圖：接收端眼圖：接收端星座圖及誤碼率曲線(xiàn)（信噪比較低）：五、實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展1、解釋接收端同步模塊的具體實(shí)現(xiàn)方式及其利用的基本原理。（1）初始同步，或稱(chēng)粗同步、捕獲。它主要解決載波頻率和碼相位的不確定性，保證解擴(kuò)后的信號(hào)能通過(guò)相關(guān)器后面的中頻濾波器，這是所有問(wèn)題中最難解決的問(wèn)題。 （2）跟蹤，或稱(chēng)精同步。接收機(jī)對(duì)接收到的信號(hào)，首先進(jìn)行搜索，對(duì)收到的信號(hào)與本地碼相位差的大小進(jìn)行判斷，若不滿(mǎn)足捕獲要求，即收發(fā)相位差大于一個(gè)碼元，則調(diào)整時(shí)鐘再進(jìn)行搜索。直到使收發(fā)相位差小于一個(gè)碼元時(shí)，停止搜索，轉(zhuǎn)入跟蹤狀態(tài)。圖3-4- 5同步流程圖圖3-4

16、- 6跟蹤流程圖2、擴(kuò)頻通信技術(shù)除了有較強(qiáng)的抗干擾能力外，還具有哪些優(yōu)點(diǎn)？逐一例舉出來(lái)并簡(jiǎn)述擴(kuò)頻技術(shù)具有這些優(yōu)點(diǎn)的原因。（1）易于重復(fù)使用頻率，提高了無(wú)線(xiàn)頻譜利用率無(wú)線(xiàn)頻譜十分寶貴，雖然從長(zhǎng)波到微波都得到了開(kāi)發(fā)利用，仍然滿(mǎn)足不了社會(huì)的需求。在窄帶通信中，主要依靠波道劃分來(lái)防止信道之間發(fā)生干擾。為此，世界各國(guó)都設(shè)立了頻率管理機(jī)構(gòu)，用戶(hù)只能使用申請(qǐng)獲準(zhǔn)的頻率。擴(kuò)頻通信發(fā)送功率極低，采用了相關(guān)接收技術(shù)，且可工作在信道噪聲和熱噪聲背景中，易于在同一地區(qū)重復(fù)使用同一頻率，也可與各種窄道通信共享同一頻率資源。所以，在美國(guó)及世界絕大多數(shù)國(guó)家，擴(kuò)頻通信無(wú)須申請(qǐng)頻率，任何個(gè)人與單位都可以無(wú)執(zhí)照使用。（2）抗干擾

17、性強(qiáng)，誤碼率低擴(kuò)頻通信在空間傳輸時(shí)所占用的帶寬相對(duì)較寬，而接收端又采用相關(guān)檢測(cè)的辦法來(lái)解擴(kuò)，使有用寬帶信息信號(hào)恢復(fù)成窄帶信號(hào)，而把非所需信號(hào)擴(kuò)展成寬帶信號(hào)，然后通過(guò)窄帶濾波技術(shù)提取有用的信號(hào)。這樣，對(duì)于各種干擾信號(hào)，因其在接收端的非相關(guān)性，解擴(kuò)后窄帶信號(hào)中只有很微弱的成分，信噪比很高，因此抗干擾性強(qiáng)。在商用的通信系統(tǒng)中，擴(kuò)頻通信是唯一能夠工作在負(fù)信噪比條件下的通信方式。（3）隱蔽性好，對(duì)各種窄帶通信系統(tǒng)的干擾很小由于擴(kuò)頻信號(hào)在相對(duì)較寬的頻帶上被擴(kuò)展了，單位頻帶內(nèi)的功率很小，信號(hào)湮沒(méi)在噪聲里，一般不容易被發(fā)現(xiàn)，而想進(jìn)一步檢測(cè)信號(hào)的參數(shù)如偽隨機(jī)編碼序列就更加困難，因此說(shuō)其隱蔽性好。再者，由于擴(kuò)頻信

18、號(hào)具有很低的功率譜密度，它對(duì)使用的各種窄帶通信系統(tǒng)的干擾很小。（4）可以實(shí)現(xiàn)碼分多址擴(kuò)頻通信提高了抗干擾性能，但付出了占用頻帶寬的代價(jià)。如果讓許多用戶(hù)共用這一寬頻帶，則可大大提高頻帶的利用率。由于在擴(kuò)頻通信中存在擴(kuò)頻碼序列的擴(kuò)頻調(diào)制，充分利用各種不同碼型的擴(kuò)頻碼序列之間優(yōu)良的自相關(guān)特性和互相關(guān)特性，在接收端利用相關(guān)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行解擴(kuò)，則在分配給不同用戶(hù)碼型的情況下可以區(qū)分不同用戶(hù)的信號(hào)，提取出有用信號(hào)。這樣一來(lái)，在一寬頻帶上許多對(duì)用戶(hù)可以同時(shí)通話(huà)而互不干擾。（5）抗多徑干擾這兩種技術(shù)在擴(kuò)頻通信中都易于實(shí)現(xiàn)。利用擴(kuò)頻碼的自相關(guān)特性，在接收端從多徑信號(hào)中提取和分離出最強(qiáng)的有用信號(hào)，或把多個(gè)路徑來(lái)的同

19、一碼序列的波形相加合成，這相當(dāng)于梳狀濾波器的作用。另外，在采用頻率跳變擴(kuò)頻調(diào)制方式的擴(kuò)頻系統(tǒng)中，由于用多個(gè)頻率的信號(hào)傳送同一個(gè)信息，實(shí)際上起到了頻率分集的作用。（6）能精確地定時(shí)和測(cè)距電磁波在空間的傳播速度是固定不變的光速，人們自然會(huì)想到如果能夠精確測(cè)量電磁波在兩個(gè)物體之間的傳播時(shí)間，也就等于測(cè)量?jī)蓚€(gè)物體之間的距離。在擴(kuò)頻通信中如果擴(kuò)展頻譜很寬，則意味著所采用的擴(kuò)頻碼速率很高，每個(gè)碼片占用的時(shí)間就很短。當(dāng)發(fā)射出去的擴(kuò)頻信號(hào)在被測(cè)量物體反射回來(lái)后，在接收端解調(diào)出擴(kuò)頻碼序列，然后比較收發(fā)兩個(gè)碼序列相位之差，就可以精確測(cè)出擴(kuò)頻信號(hào)往返的時(shí)間差，從而算出兩者之間的距離。測(cè)量的精度決定于碼片的寬度，也就是擴(kuò)展頻譜的寬度。碼片越窄，擴(kuò)展的頻譜越寬，精度越高。（7）適合數(shù)字話(huà)音和數(shù)據(jù)傳輸，以及開(kāi)展多種通信業(yè)務(wù)擴(kuò)頻通信一般都采用數(shù)字通信、碼分多址技術(shù)，適用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，適合于數(shù)據(jù)和圖像傳輸。（8）安裝簡(jiǎn)便，