数字通信系统中BPSK/ 4-QAM调制与脉冲成型滤波.pdf-资料库

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通信原理与系统实验报告实验六数字通信系统中 BPSK/ 4-QAM 调制与脉冲成型滤波小组成员张燕梅（学号：15352423），赵钰莹（学号：15352433）实验分工实验日期班级张燕梅：（50%）编写部分 VI 以及实验报告赵钰莹：（50%）编写部分 VI 以及实验报告 2017-04-27 2015 级移动信息工程 1519 【实验目的】（1）理解数字调制解调以及脉冲成型和匹配滤波器的等基本概念；（2）理解数字通信系统中 BPSK/QPSK 的调制解调原理；（3）利用 LABVIEW 和 NI USRP 数字通信实验平台，实践 4-QAM 数字调制器和脉冲成型滤波器的原型设计和性能评测。【实验原理】  BPSK 调制原理相移键控是利用载波的相位变化来传递数字信息，而振幅和频率保持不变。在 2PSK 中中，通常用初始相位 0 和π分别表示二进制“0”和“1”。因此，2PSK 信号的时域表达式为：（1） e2psk(t)=Acos(Wct+¢n) 其中，¢n 表示第 n 个符号的绝对相位：（2）因此，式（1）可以改写为：（3）典型的波形如下图所示：由于两种码元的波形相同，极性相反，故 BPSK 信号可以表述为一个 1

通信原理与系统实验报告双极性全占空矩形脉冲序列与一个正弦载波的相乘，即：（4） e2psk(t)=s(t)cosWct 其中，（5）这里，s（t）为双极性全占空（非归零）矩形脉冲序列，g（t）是脉冲为 Ts 的单个矩形脉冲，而 an 的统计特性为：（6）即发送二进制符号“0”时（an 取+1），e2psk(t)取 0 相位；发送二进制符号“1”时，（an 取 -1），e2psk(t)取π相位。这种以载波的不通过相位直接取表示响应二进制数字信号的调制方式，成为二进制绝对相移方式。 2PSK 信号的调制原理框图如下图所示，这里 s（t）是双极性的基带信号。 2PSK 信号的时间波形 2PSK 信号的调制原理图  QPSK 调制原理 QPSK 信号可以看做两个载波正交 2PSK 信号的合成。用调相法产生 QPSK 调制器框图如下图所示，QPSK 的调制器可以看作是由两个 BPSK 调制器构成，输入的串行二进制信息序列经过串并变换，变成两路速率减半的序列，电平发生器分别产生双极性 2

通信原理与系统实验报告的二电平信号 I（t）和 Q（t），然后对 cosAtω和 sinAtω进行调制，相加后即可得到 QPSK 信号。 QPSK 调制器框图  过采样过采样是使用大于奈奎斯特采样频率的频率对输入信号进行采样。设数字音频系统原来的采样频率为 fs，通常为 44.1kHz 或 48kHz。若将采样频率提高到 R×fs，R 称为过采样比率，并且 R>1。在这种采样的数字信号中，由于量化比特数没有改变，故总的量化噪声功率也不变，但这时量化噪声的频谱分布发生了变化，即将原来均匀分布在 0 ~ fs/2 频带内的量化噪声分散到了 0 ~ Rfs/2 的频带上。下图表示的是过采样时的量化噪声功率谱。若 R>>1，则 Rfs/2 就远大于音频信号的最高频率 fm，这使得量化噪声大部分分布在音频频带之外的高频区域，而分布在音频频带之内的量化噪声就会相应的减少，于是，通过低通滤波器滤掉 fm 以上的噪声分量，就可以提高系统的信噪比。这时，过采样系统的最大量化信噪比为公式如下图. 式中 fm 为音频信号的最高频率，Rfs 为过采样频率，n 为量化比特数。从上式可以看出，在过采样时，采样频率每提高一倍，则系统的信噪比提高 3dB，换言之，相当于量化比特数增加了 0.5 个比特。由此可看出提高过采样比率可提高 A/D 转换器的精度。 3

通信原理与系统实验报告  脉冲成型及匹配滤波器基带信号（调制后却未经脉冲成形）：时域上为数字 1 的矩形冲击，其上升和下降是突变的；频域上高频分量使得频域无限展宽。所以，如果送入有限的信道中传输，就会出现干扰。脉冲成型滤波器的作用：基带信号在传输前，通过脉冲成形滤波器可以有效地限制带宽外部的信号，在保证本路信号没有码间串扰的情况下，既能最大限度的利用带宽，又能减少子载波间的各路信号的相互干扰。如果数字 1 不用一个矩形脉冲，则更好的选择有高斯脉冲、升余弦脉冲（升余弦函数具有理想低通特性、边缘缓慢下降的特点）。平方根升余弦函数为（α为滚降系数）：数字信号的最佳接收准则：接受错误概率最小；信噪比越大，误码率越低。匹配滤波器：对接收信号滤波时，使抽样时刻上线性滤波器的输出信噪比最大，并且令输出信噪比最大；匹配滤波器是为了在接收端得到一个最佳的采样点，保证输出信噪比最大。匹配滤波器的传输特性等于信号码元频谱的复共轭。  眼图眼图的 “眼睛” 张开的大小反映着码间串扰的强弱。“眼睛”张的越大，且眼图越端正，表示码间串扰越小；反之表示码间串扰越大。当存在噪声时，噪声将叠加在信号上，观察到的眼图的线迹会变得模糊不清。若同时存在码间串扰， “眼睛”将张开得更小。与无码间串扰时的眼图相比，原来清晰端正的细线迹，变成了比较模糊的带状线，而且不很端正。噪声越大，线迹越宽，越模糊；码间串扰越大，眼图越不端正。眼图对于展示数字信号传输系统的性能提供了很多有用的信息：可以从中看出码间串扰的大小和噪声的强弱，有助于直观地了解码间串扰和噪声的影响，评价一个基带系统的性能优劣；可以指示接收滤波器的调整，以减小码间串扰。（1）最佳抽样时刻应在 “眼睛” 张开最大的时刻。（2）对定时误差的灵敏度可由眼图斜边的斜率决定。斜率越大，对定时误差就越灵敏。（3）在抽样时刻上，眼图上下两分支阴影区的垂直高度，表示最大信号畸变。 4

通信原理与系统实验报告（4）眼图中央的横轴位置应对应判决门限电平。（5）在抽样时刻上，上下两分支离门限最近的一根线迹至门限的距离表示各相应电平的噪声容限，噪声瞬时值超过它就可能发生错误判决。（6）对于利用信号过零点取平均来得到定时信息的接收系统，眼图倾斜分支与横轴相交的区域的大小，表示零点位置的变动范围，这个变动范围的大小对提取定时信息有重要的影响。【程序设计】 1、总体程序（4-QAM 调制解调.vi） 5

通信原理与系统实验报告 2、子 VI 图（1）mSource.vi（信源）：产生 0/1 随机序列运用 MT Generate Bits 函数来生成 PN 序列，即伪随机序列；在 seed in 接口接上一个时间计数器是为了让序列在不同时间内产生的序列不同，使产生的随机序列更随机。（2）mModulate.vi（调制）：将序列映射为符号分别运用 QPSK 和 BPSK 进行调制：首先运用一个条件结构来选择调制方式：其中，BPSK 的星座符号集为{-1,1}，因此每一个输入比特位映射一个符号；QPSK 的星座符号集为{1+j，1-j，-1+j， -1-j}，因此每两个输入比特位映射一个符号；最后对调制后输出的符号进行归一化，使其具有单位能量（symbol_energy.vi）。 6

通信原理与系统实验报告（3）symbol_energy.vi 在 mModulate.vi 中调用，运用特定算法求出输入信号平均能量，将此能量与符号能量相乘乘上符号幅值，得出输出信号。（4）AWGN_channel.vi（信道）：AWGN 信道首先将噪声功率（dB）=10lg(S/N) dB（此处 S、N 代表参与比较的功率值）进行线性化，然后将其连接到两个高斯白噪声再通过“实部虚部至复数转换”产生一个复高斯白噪声。其中，加入一个“数组大小”是为了测量原信号长度，使其以原信号长度作为采样点数。（5）mDecode.vi（解调）：将符号映射为序列 7

通信原理与系统实验报告（6）make_MTwaveform.vi （7）mPulse_shaping.vi （脉冲成型）：发射脉冲成型脉冲成型模块利用 MT Generate Filter Coefficients 产生所需的滤波器通过卷积实现脉冲成型滤波。（8）Matched_filtering.vi（匹配滤波）：接收脉冲成型匹配滤波模块与脉冲成型滤波模块相似。 8

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