1、第一章 緒 論1.1 MATLAB簡介 1.2 通信仿真 1.1 MATLAB簡介一、MATLAB介紹MATLAB的名字是由MATrix和LABoratory兩個詞的前三個字母組合而成的。它是MathWorks公司于1982年推出的一套高性能的數值計算和可視化數學軟件，被譽為“巨人肩上的工具”。由于使用MATLAB進行編程運算與人進行科學計算的思路和表達方式完全一致，因此不像學習其他高級語言(如Basic、Fortran和C等)那樣難于掌握，用MATLAB編寫程序猶如在演算紙上排列出公式與求解問題，所以又被稱為演算紙式科學算法語言。MATLAB包含一般數值分析、矩陣運算、數字信號處理、建模和系

2、統控制與優化等應用程序，并集應用程序和圖形于一個便于使用的集成環境中。在這個環境下，用戶對所要求解的問題，只需簡單地列出數學表達式，其結果便會以數值或圖形方式顯示出來。 MATLAB的含義是矩陣實驗室，主要用于方便矩陣的存取，其基本元素是無需定義維數的矩陣。MATLAB自問世以來就以數值計算稱雄。MATLAB進行數值計算的基本單位是復數數組(或稱陣列)，這使得MATLAB高度“向量化”。經過多年的完善和擴充，MATLAB現已發展成為線性代數課程的標準工具。由于它不需定義數組的維數，并給出了矩陣函數、特殊矩陣等專門的庫函數，使之在求解諸如信號處理、建模、系統識別、控制、優化等領域的問題時，顯得大

3、為簡捷、高效、方便，這是其他高級語言所不能比擬的。美國許多大學的實驗室都安裝有MATLAB，供學習和研究之用。目前，MATLAB已成為攻讀學位的大學生、碩士生、博士生必須掌握的基本工具之一。MATLAB中包括了被稱作工具箱(TOOLBOX)的各類應用問題的求解工具。工具箱實際上是對MATLAB進行擴展應用的一系列MATLAB函數(稱為M文件)，它可用來求解各類學科的問題，包括信號處理、圖像處理、控制系統辨識、神經網絡等。隨著MATLAB版本的不斷升級，其所含的工具箱的功能也越來越豐富，因此，應用范圍也越來越廣泛，成為涉及數值分析的各類工程師最常用的工具。MATLAB7.0.1中包括了圖形界面編

4、輯GUI，改變了以前單一的“在指令窗通過文本形的指令進行各種操作”的狀況，讓用戶也可以像使用VB、VC、VJ和Delphi等那樣進行一般的可視化的程序編輯。在命令窗口鍵入SIMULINK，就會出現SIMULINK窗口。以往十分困難的系統仿真問題，用SIMULINK只需拖動鼠標即可輕而易舉地解決，這也是近來MATLAB受到重視的原因所在。二、MATLAB集成開發環境運行MATLAB的可執行文件，將自動創建MATLAB指令窗(CommandWindow)，如圖0-1所示。圖0-1 MATLAB指令窗在MATLAB下進行基本數學運算，只需在提示號“”之后直接輸入運算式并按“Enter”鍵即可。例如：

5、 (10*19+2/4-34)/2*3 ans =234.7500MATLAB會將運算結果直接存入一變數ans中，代表MATLAB運算后的答案，并在屏幕上顯示其數值。如果在上述的運算式結尾加上“;”，則計算結果不會顯示在指令視窗上，要得知計算值只需鍵入該變數值即可。MATLAB可以將計算結果以不同精確度的數字格式顯示，我們可以直接在指令視窗鍵入各個數字顯示格式的指令，例如： formatshort(這是默認的)MATLAB利用“”“”兩個游標鍵可以將所執行過的指令調回來重復使用。按下“”則前一次指令重新出現，之后再按“Enter”鍵，即再執行前一次的指令。而“”鍵的功用則是往后執行指令。其他在

6、鍵盤上的幾個鍵，如“”“”“Delete”“Insert”，其功能則顯而易見，試用即知，無需多加說明。當要暫時執行作業系統(例如DOS)的指令而還要執行MATLAB時，可以利用“!”加上原作業系統的指令，例如“!dir”“!format a:”。“Ctrl+C”(即同時按“Ctrl”及“C”兩個鍵)可以用來中止執行中的MATLAB工作。有三種方法可以結束MATLAB：按exit鍵;按quit鍵;直接關閉MATLAB的指令視窗。三、MATLAB基本操作1.變量及其命名規則與賦值語句MATLAB中的變量及其命名規則如下：(1)變量名的大小寫是敏感的。(2)變量名的第一個字符必須為英文字母，而且變量

7、名不能超過31個字符。(3)變量名可以包含下連字符、數字，但不能為空格符、標點。MATLAB中常用的預定義變量如表0-1所示。表0-1 預定義的變量 在提示號“”之后鍵入clear，則去除所有定義過的變量名稱。MATLAB書寫表達式的規則與手寫算式差不多，如果一個指令過長可以在結尾加上“.”(代表此行指令與下一行連續)。例如:3*.6ans =182.常用數學函數MATLAB常用數學函數如表0-2表0-7所示。表0-2 三角函數和雙曲函數表0-3 指 數 函 數表0-4 復 數 函 數表0-5 圓整函數和求余函數表0-6 矩陣變換函數表0-7 其 他 函 數3. MATLAB系統命令MATLA

8、B系統命令如表0-8所示。表0-8 系 統 命 令4. MATLAB語言中的關系與邏輯運算在執行關系及邏輯運算時，MATLAB將輸入的不為零的數值都視為真(True)而為零的數值則視為假(False)。運算的輸出值將判斷為真者以1表示，而判斷為假者以0表示。各個運算指令須用在兩個維數相同的陣列或矩陣中。表0-9 表0-11給出了關系運算、邏輯運算、邏輯關系函數中的各指令及其含義。表0-9 關 系 運 算表0-10 邏 輯 運 算表0-11 邏輯關系函數四、 MATLAB 矩陣運算MATLAB 的運算事實上是以陣列 ( Array )及矩陣( Matrix )方式在做運算,而這二者的基本運算性質

9、不同,陣列強調元素對元素的運算,而矩陣則采用線性代數的運算方式。當宣告一變數為陣列或是矩陣時,如果要個別鍵入元素,須用中括號“”將元素置于其中。陣列由一維元素構成,而矩陣由多維元素構成。在 MATLAB 的內部資料結構中,每一個矩陣都是一個以行為主(Column-oriented )的陣列,因此對于矩陣元素的存取,我們可用一維或二維的索引(Index )來定址。MATLAB 中經典的算術運算符如表 012 所示。表0-12 經典的算術運算符五、 MATLAB 字符串及其處理在 MATLAB 工作空間中,字符串是以向量形式來存儲的,我們把用單引號所包含的內容來表示字符串。字符串內的單引號是由兩個

10、連續的單引號來表示的。 MATLAB 中常用的字符串函數如表 013 所示。六、 MATLAB 控制語句1.for 循環語句for 循環允許一組命令以固定的和預定的次數重復。 for 循環的一般形式是:for 變數 = 矩陣運算式;end在 for 和 end 語句之間的運算式按數組中的每一列執行一次。在每一次迭代中, x 被指定為數組的下一列,即在第 n 次循環中, x=array (:, n )。for 循環不能用 for 循環內重新賦值循環變量 n 來終止。在 for 循環內可接受任何有效的MATLAB 數組。 for 循環可按需要嵌套。為了得到最大的速度,在 for 循環( while

11、 循環)被執行之前,應預先分配數組。2while循環語句while循環語句根據表達式的結果來確定循環執行一組語句的次數。while循環的一般形式為while 表達式； 運算式； end只要在條件式里的所有元素為真,就執行 while 和 end 語句之間的運算式。通常,條件式的求值給出一個標量值,但數組值也同樣有效。在數組情況下,所得到數組的所有元素必須都為真。就是說,只要條件式成立,運算式就會一直被執行。可以利用 break 命令跳出while 循環。 while 循環可按需要嵌套。3if-else-end分支語句最簡單的if-else-end結構為if 表達式； 運算式； end4swit

12、ch-case語句switch-case語句的一般格式為switch numcase n1commandcase n2commandcase n3commandotherwisecommandend一旦num等于n1，n2，n3，中的每個值或字符串時，就執行所對應的指令；否則執行otherwise后的語句。七、 MATLAB 編程語言MATLAB 程序大致分為兩類,即 M 腳本文件( M-script )和 M 函數文件( M-funtion ),它們均是普通的文本文件。 M 腳本文件中包含一組由 MATLAB 語言編寫的語句,它類似于DOS 下的批處理文件。 M 腳本文件的執行方式很簡單,用

13、戶只需在 MATLAB 的提示符“ ”下鍵入該 M 文件的文件名, MATLAB 就會自動執行該 M 文件中的各條語句,并將結果直接返回到 MATLAB 的工作區。 M 函數格式是 MATLAB 程序設計的主流,一般情況下,不建議使用 M 腳本文件編程。MATLAB的M函數是由function語句引導的，其基本格式如下：function返回變量列表 =函數名(輸入變量列表)注釋(由%引導)檢查輸入變量和輸出變量的格式函數體語句在M函數中，輸入變量和返回變量的個數分別由nargin和nargout兩個變量確定，并且這兩個變量是由MATLAB自動生成的，只要進入該函數就可以使用。如果輸入變量的數目

14、大于1，則應該用括號“( )”將它們包圍起來，中間用逗號分割。注釋語句段的每行語句都應該由百分號“%”引導，百分號后面的內容不執行，只起注釋作用。用戶使用help命令可以顯示出注釋語句段的內容。此外，正規的變量個數檢查也是必要的。如果輸入或返回變量格式不正確，則應該給出相應的提示。下面將通過例子來演示函數編程的格式與方法。假設要生成一個nm階Hilbert矩陣，其中第i行第j列的元素值等于1/(i+j-1)。在這個M函數中如果只有一個輸入變量，則生成一個方陣(即m=n)。同時，這個M函數具有參數檢測功能，它在發現輸入參數和輸出參數的個數有錯時給出錯誤信息。程序如下：將這個M函數保存到Hilbe

15、rtExample.m文件中，然后把MATLAB的當前工作目錄設置為這個M文件所在的目錄(這點很重要，否則，MATLAB將提示找不到文件)，這時就可以運行這個M函數了。下面的程序段列出了針對這個M函數的各種操作及其結果。 第二節 通 信 仿 真一、 通信仿真的概念 通信仿真是衡量通信系統性能的工具。通信仿真可以分為離散事件仿真和連續仿真。在離散事件仿真中,仿真系統只對離散事件做出響應,而在連續仿真中,仿真系統要對輸入信號產生連續的輸出信號。離散事件仿真是對實際通信系統的一種簡化,它的仿真建模比較簡單,整個仿真過程需要花費的時間也比連續仿真少。雖然離散事件仿真舍棄了一些仿真細節,在有些場合顯得不

16、夠具體,但仍然是通信仿真的主要形式。與一般的仿真過程類似,在對通信系統實施仿真之前,首先需要研究通信系統的特性,通過歸納和抽象,建立通信系統的仿真模型。圖 02 所示是關于通信系統仿真流程的一個示意圖。從圖中可以看到,通信系統仿真是一個循環往復的過程,它從當前系統出發,通過分析建立起一個能夠在一定程度上描述原通信系統的仿真模型,然后通過仿真實驗得到相關的數據,通過對仿真數據的分析得到相應的結論,最后把這個結論應用到對當前通信系統的改造中。如果改造后通信系統的性能并不像仿真結果那樣令人滿意,還需要重新實施通信系統仿真,這時候改造后的通信系統就成了當前系統,并且開始新一輪的通信系統仿真過程。圖 0

17、2 通信系統仿真的流程二、 通信仿真的一般步驟1. 仿真建模仿真建模是根據實際通信系統建立仿真模型的過程,它是整個通信仿真過程中的一個關鍵步驟,因為仿真模型的好壞直接影響著仿真的結果以及仿真結果的真實性和可靠性。仿真模型是對實際系統的一種模擬和抽象,但又不是完全的復制。簡單的仿真模型容易被理解和操作,但是由于它忽略了很多關于實際系統的細節,因而在一定程度上影響了仿真的可靠性。如果仿真模型比較復雜,雖然它是對實際系統的一種忠實反映,但是其中包含了過多的相互作用因素,這些因素不僅需要消耗過多的仿真時間,而且使仿真結果的分析過程變得相當復雜。因此,仿真模型的建立需要綜合考慮其可行性和簡單性。在仿真建

18、模過程中,我們可以先建立一個相對簡單的仿真模型,然后再根據仿真結果和仿真過程的需要逐步增加仿真模型的復雜度。 仿真模型一般是一個數學模型。數學模型有多種分類方式,包括確定性模型和隨機模型、靜態模型和動態模型等。確定性模型的輸入變量和輸出變量都是固定數值,而在隨機模型中,至少有一個輸入變量是隨機的。靜態模型不需要考慮時間變化因素,而動態模型的輸入輸出變量則需要考慮時間變化因素。一般情況下通信仿真模型是一個隨機動態系統。在仿真建模過程中,首先需要分析實際系統存在的問題或設立系統改造的目標,并且把這些問題和目標轉化成數學變量和公式。例如,我們可以設定改造后的系統或新系統,使之達到系統最大容量的誤幀率

19、或誤碼率等。有了這些具體的仿真目標后,下一步就是獲取實際通信系統的各種運行參數,如通信系統占用的帶寬及其頻率分布,系統對于特定輸入信號產生的輸出等。同時,對于通信系統中的各個隨機變量,可以采集這些變量的數據,然后通過數學工具來確定隨機變量的分布特性。有了上面的準備工作,就可以通過仿真軟件來建立模型了。最簡單的工具是采用 C 語言等編程工具直接編寫仿真程序,這種方法的優點是效率高,缺點是不夠靈活,沒有一個易于實現的人機交互界面,不便于對仿真結果進行分析。除此之外,還可以采用專門的仿真軟件來建立仿真模型,比較常用的仿真軟件包括 MATLAB 、 OPNET 、 NS2 等,這些軟件具有各自不同的特

20、點,適用于不同層次的通信仿真。例如,物理層仿真通常采用 MATLAB ,而網絡層仿真則適合采用 OPNET 。在完成仿真模型的軟件實現之后,還需要對這個仿真模型的有效性進行初步的驗證。一種簡便的驗證方法是采用特定的已知輸入信號,這個輸入信號分別通過仿真模型和實際系統,產生兩種輸出信號。如果仿真模型的輸出信號與實際系統的輸出信號比較吻合,則說明這個仿真模型與原系統具有較好的相似性。當這兩種輸出信號差別很大時,最好先檢查一下仿真模型的內部連接和設置,找出造成這種差異的原因。仿真建模的最后一步是做好仿真模型的文檔工作,這是最容易被大家忽略的。很多情況下,我們在完成系統的設計之后就迫不及待地運行仿真程

21、序,待發現仿真結果與預期目標相差甚遠時才回過頭來焦頭爛額地檢查仿真模型的內部結構。這時候,往往原先的很多參數設置和條件假設都變得不可理解,這非常不利于修改參數和結構,不利于找錯和排錯。2. 仿真實驗仿真實驗是一個或一系列針對仿真模型的測試。在仿真實驗過程中,通常需要多次改變仿真模型輸入信號的數值,以觀察和分析仿真模型對這些輸入信號的反應以及仿真系統在這個過程中表現出來的性能。需要強調的一點是,仿真過程中使用的輸入數據必須具有一定的代表性,即能夠從各個角度顯著地改變輸出信號的數值。實施仿真之前需要確定的另外一個因素是性能尺度。性能尺度指的是能夠衡量仿真過程中系統性能的輸出信號的數值(或根據輸出信

22、號計算得到的數值),因此,在實施仿真之前,首先需要確定仿真過程中應該收集哪些仿真數據,這些數據以什么樣的格式存在,以及收集多少數據。在明確了仿真系統對輸入信號和輸出信號的要求之后,最好把這些設置整理成一份簡單的文檔。編寫文檔是一個好習慣,它能夠幫助我們回憶起仿真在設計過程中的一些細節。當然,文檔的編寫不一定要求很規范,并且文檔大小應該視仿真設計的規模而定。最后,還應該明確各個輸入信號的初始位置以及仿真系統內部各個狀態的初始值。仿真的運行實際上是計算機的計算過程,這個過程一般不需要人工干預,花費的時間由仿真的復雜度確定。如果需要比較仿真系統在不同參數設置下的性能,應該使仿真系統在取不同參數值時具

23、有相同的輸入信號(或相同的隨機輸入信號),這樣才能夠保證分析和比較的客觀性和可靠性。對于需要較長時間的仿真,應該盡可能地使用批處理方式,使得仿真過程在完成一種參數配置的仿真之后,能夠自動啟動針對下一個參數配置的下一個仿真。這種方式可以減少仿真過程中的人工干預,提高系統的利用率和仿真效率。3. 仿真分析仿真分析是通信仿真流程中的最后一個步驟。在仿真分析過程中,用戶已經從仿真過程中獲得了足夠多的關于系統性能的信息,但是這些信息只是一些原始數據,一般還需要經過數值分析和處理后才能夠獲得衡量系統性能的尺度,從而獲得對仿真系統性能的一個總體評價。常用的系統性能尺度包括平均值、方差、標準差、最大值和最小值

24、等,它們從不同的角度描繪了仿真系統的性能。如果仿真過程需要一定的時間才能達到平衡狀態,在對輸出數據進行分析處理時一般要忽略最初的若干個數據,而只考慮平衡之后的輸出。對于仿真尺度不隨時間變化的平衡系統,還可能涉及對輸出變量穩定狀態的求解。另外,需要注意的是,即使仿真過程中收集的數據正確無誤,由此得到的仿真結果并不一定就是準確的。造成這種結果的原因是輸入信號恰好與仿真系統的內部特性相吻合,或者輸入的隨機信號不具有足夠的代表性。圖表是最簡潔的說明工具,它具有很強的直觀性,便于分析和比較,因此,仿真分析的結果一般都繪制成圖表形式。我們使用的仿真工具一般都具有很強的繪制圖表的功能,能夠便捷地繪制各種類型

25、的圖表。以上就是通信仿真的一個循環。應該強調的是,仿真分析并不一定意味著通信仿真過程的完全結束。如果仿真分析得到的結果達不到預期的目標,用戶還需要重新修改通信仿真模型,這時候仿真分析就成為了另外一個循環的開始。第二章 數字調制及解調仿真實驗實驗一 四相相移鍵控(QPSK)調制及解調實驗二 MSK、GMSK調制及相干解調實驗三 正交振幅調制(QAM)及解調實驗四 OFDM調制及解調實驗一 四相移相鍵控(QPSK) 調制及解調實驗一、實驗目的(1) 掌握QPSK調制解調原理及特性。(2) 熟悉MATLAB仿真軟件的使用。二、實驗內容(1) 編寫MATLAB程序仿真QPSK調制及相干解調。(2) 觀

26、察I、Q兩路基帶信號的特征及與輸入NRZ碼的關系。(3) 觀察I、Q調制解調過程中各信號的變化。(4) 觀察功率譜的變化。(5) 分析仿真中觀察的數據，撰寫實驗報告。三、 實驗原理1.QPSK 調制原理QPSK 是一種正交相移鍵控,又叫四相絕對相移調制。QPSK 利用載波的四種不同相位來表征數字信息。由于每一種載波相位代表兩個比特信息,因此,對于輸入的二進制數字序列應該先進行分組,將每兩個比特編為一組,然后用四種不同的載波相位來表征。我們把組成雙比特碼元的前一信息比特用 a 表示,后一信息比特用 b 表示。雙比特碼元中的兩個信息比特 a 、b 通常是按格雷碼排列的,它們與載波相位的關系如表 1

27、-1 所示,矢量關系如圖 1-1 所示。圖 1-1 ( a )表示 A 方式( / 4 系統)時 QPSK 信號的矢量圖,圖 1-1 ( b )表示 B 方式( / 2 系統)時 QPSK 信號的矢量圖。 由于正弦和余弦的互補特性,對于載波相位的四種取值,在 A 方式中,為 45 、 135 、225 、 315 ,數據 I k 、 Q k 通過處理后輸出的成形波形幅度有兩種取值,為 2 / 2 ;在 B 方式中,為 0 、 90 、 180 、 270 ,數據 I k 、 Q k 通過處理后輸出的成形波形幅度有三種取值,為 +1 、 -1 、0 。圖 11 QPSK 信號的矢量圖圖-2 矢量

28、圖表-2 QPSK信號相位編碼邏輯關系用調相法產生QPSK調制器框圖如圖-3所示。圖-3 QPSK調制器框圖由圖1-3可以看到，QPSK的調制器可以看做是由兩個BPSK調制器構成的，輸入的串行二進制信息序列經過串/并變換，變成兩路速率減半的序列，電平發生器分別產生雙極性的二電平信號I(t)和Q(t)，然后對和進行調制，相加后即可得到QPSK信號。經過串/并變換后形成的兩個支路如圖2-4所示，一路為單數碼元，另外一路為偶數碼元，這兩個支路互為正交，一個稱為同相支路，即I支路；另外一路稱為正交支路，即Q支路。圖1-4 二進制碼經串/并變換后的碼型2QPSK相干解調原理由于QPSK可以看做是兩個正交

29、2PSK信號的合成，故它可以采用與2PSK信號類似的解調方法進行解調，即由兩個2PSK信號相干解調器構成，其原理框圖如圖1-5所示。圖1-5 QPSK解調原理框圖3星座圖星座顯示是示波器顯示的數字等價形式，將正交基帶信號的I和Q兩路分別接入示波器的兩個輸入通道，通過示波器的“X-Y”的功能即可以很清晰地看到調制信號的星座圖。我們知道QPSK信號可以用正交調制方法產生。在它的星座圖中，四個信號點之間任何過渡都是可能的，如圖1-6(a)所示。OQPSK信號將正交路信號偏移T/2(T為一個周期)，結果是消除了已調信號中突然相移180的現象，每隔T/2信號相位只可能發生90的變化。因而星座圖中信號點只

30、能沿正方形四邊移動，如圖1-6(b)所示。MSK信號配置圖如圖1-6(c)所示，1比特區間僅使用圓周的1/4，信號點必是軸上4個點中任何一個，因此，相位必然連續。圖1-6 相位轉移圖四、實驗步驟(1) 預習QPSK調制及相干解調原理，獨立畫出系統方框圖。(2) 根據系統方框圖，畫出仿真流程圖。(3) 編寫MATLAB程序并上機調試。(4) 觀察并分析各階段波形、數據。(5) 修改相關參數，觀察波形變化。(6) 撰寫實驗報告。五、思考題 3G 移動通信系統普遍采用 QPSK 調制,試簡要說明其技術優勢。 實驗二 MSK、GMSK調制及相干解調實驗一、實驗目的(1) 掌握MSK調制、相干解調原理及

31、特性。(2) 了解MSK調制與GMSK調制的差別。二、實驗內容(1) 編寫MATLAB程序仿真MSK調制及相干解調。(2) 觀察I、Q兩路基帶信號的特征及與輸入NRZ碼的關系。(3) 觀察I、Q調制解調過程中各信號變化。(4) 對程序做修改，進行GMSK調制及解調仿真。(5) 分析仿真中觀察的數據，撰寫實驗報告。三、實驗原理1MSK調制原理MSK稱為最小移頻鍵控調制，是一種恒包絡調制。因為MSK屬于二進制連續相位移頻鍵控(CPFSK)的一種特殊情況，它不存在相位躍變點，因此在帶限系統中，MSK能保持恒包絡特性。恒包絡調制有以下優點:極低的旁瓣能量;可使用高效率的 C 類功率放大器;容易恢復用于

32、相干解調的載波;已調信號峰平比低。MSK是CPFSK滿足移頻系數h=0.5時的特例：當h=0.5時，滿足在碼元交替點相位連續的條件，是移頻鍵控為保證良好的誤碼性能所允許的最小調制指數；且此時波形的相關性為0，待傳送的兩個信號是正交的。它能比PSK傳送更高的比特速率。二進制MSK信號的表達式可寫為(2-1)或者(2-2)這里wc為載波角頻率；Ts為碼元寬度；ak為第k個碼元中的信息，其取值為1；為第k個碼元的相位常數，它在時間中保持不變。由式(2-1)可見，當ak=+1時，信號的頻率為(2-4)(2-3)當ak=+1時，信號的頻率為由此可得頻率間隔f為相應地，調制指數h為(2-6)(2-5)MS

33、K信號的頻率間隔如圖2-1(a)所示。由圖2-1(b)中的波形可以看出，“+”信號與“”信號在一個碼元期間恰好相差1/2周，即相差。下面我們說明MSK信號的頻率間隔是如何確定的。圖2-1 MSK信號的頻率間隔與波形對于一般移頻鍵控(2FSK)，兩個信號波形具有以下的相關系數：(2-7)(2-8)這說明，MSK信號在每一個碼元周期內，必須包含1/4載波周期的整數倍。由此可得N為正整數；m=0，1，2，3 (2-9)相應地圖2-1(b)中的信號波形是N=1，m=3的特殊情況。相位常數jk的選擇應保持信號相位在碼元轉換時刻是連續的。根據這一要求，由式(2-3)可以導出以下的相位遞歸條件，或者稱為相位

34、約束條件： (2-10)(2-11)上式表明，MSK信號在第k個碼元的相位常數不僅與當前的ak有關，而且與前面ak1及相位常數jk1有關。或者說，前后碼元之間存在著相關性。對于相干解調來說， jk的起始參考值可以假定為零，因此，從式(2-11)可以得到(2-12)圖2-2(a)是針對一特定數據序列畫出的附加相位軌跡；圖2-2(b)表示的是附加相位路徑的網格圖，它是附加相位函數由零開始可能經歷的全部路徑。 jk與ak之間的關系舉例給出，如表2-1所示。圖2-2 附加相位函數(t)及附加相位路徑網格表2-1 相位常數k與ak的關系下面討論MSK信號的調制與解調方法。MSK信號表達式可正交展開為(2

35、-13)(2-14)根據上面描述可構成一種MSK調制器，其方框圖如圖2-3所示。圖2-3 MSK調制原理框圖 MSK基帶波形只有兩種波形組成，如圖2-4所示。圖2-4 MSK成形信號在MSK調制中，成形信號取出原理如下：由于成形信號只有兩種波形選擇，因此當前數據取出的成形信號只與它的前一位數據有關。當當前數據與前一數據相同，數據第一次保持時，輸出的成形信號不變(如果前一數據對應波形1，那么當前數據仍對應波形1)；從第二次保持開始，輸出的成形信號與前一信號相反(如果前一數據對應波形1，那么當前數據對應波形2)。當當前數據與前一位數據相反，數據第一次跳變時，輸出的成形信號與前一信號相反(如果前一數

36、據對應波形1，那么當前數據對應波形2)；從數據第二次跳變開始，輸出的成形信號不變(如果前一數據對應波形1，那么當前數據仍對應波形1)。MSK的基帶成形信號波形如圖2-5所示。圖2-5 MSK的基帶信號波形2MSK解調原理MSK信號的解調與FSK信號的相似，可以采用相干解調方式，也可以采用非相干解調方式。本實驗模塊中采用一種相干解調的方式。已知把該信號進行正交解調，可得到：Ik路：Qk路：圖2-6 MSK解調原理框圖將得到的MSK調制信號正交解調，通過低通濾波器得到基帶成形信號，并對由此得到的基帶信號的波形進行電平比較得到數據，再將此數據經過CPLD的數字處理，就可解調得到NRZ碼。在實際系統中

37、，相干載波是通過載波同步獲取的，相干載波的頻率和相位只有和調制端載波相同時，才能完成相干解調。由于載波同步不是本實驗的內容，因此在本模塊中的相干載波是直接從調制端引入的，因此解調器中的載波與調制器中的載波同頻同相。3. GMSK調制及相干解調原理GMSK調制方式是在MSK調制器之前加入一個基帶信號預處理濾波器，即高斯低通濾波器。由于這種濾波器能將基帶信號變換成高斯脈沖信號，其包絡無陡峭邊沿和拐點，因而可達到改善MSK信號頻譜特性的目的。基帶的高斯低通濾波平滑了MSK信號的相位曲線，因此穩定了信號的頻率變化，這使得發射頻譜上的旁瓣水平大大降低。實現GMSK信號的調制，關鍵是設計一個性能良好的高斯

38、低通濾波器，它必須具有如下特性：(1) 有良好的窄帶和尖銳的截止特性，以濾除基帶信號中多余的高頻成分。(2) 脈沖響應過沖量應盡量小，防止已調波瞬時頻偏過大。(3) 輸出脈沖響應曲線的面積對應的相位為/2，使調制系數為1/2。以上要求是為了抑制高頻分量、防止過量的瞬時頻率偏移以及滿足相干檢測所需要的。高斯低通濾波器的沖激響應為(2-15)式中該濾波器對單個寬度為Tb的矩形脈沖的響應為式中當Bb、Tb取不同值時，g(t)的波形如圖2-13所示。(2-16)(2-17)圖2-7 高斯濾波器的矩形脈沖響應GMSK的信號表達式為GMSK的相位路徑如圖2-14所示。(2-18)圖2-8 GMSK的相位路

39、徑從圖2-7和2-8可以看出，GMSK是通過引入可控的碼間干擾(即部分響應波形)來達到平滑相位路徑的目的的，它消除了MSK相位路徑在碼元轉換時刻的相位轉折點。從圖中還可以看出，GMSK信號在一碼元周期內的相位增量，不像MSK那樣固定為/2，而是隨著輸入序列的不同而不同。由式(2-18)可得(2-19)式中盡管g(t)的理論是在t+范圍取值，但實際中需要對g(t)進行截短，僅取(2N+1)Ts區間，這樣可以證明(t)在碼元變換時刻的取值(kTs)是有限的。(2-20)圖2-9描述出了GMSK信號的功率譜密度。圖中，橫坐標為歸一化頻率(ffc)Ts)，縱坐標為譜密度，參變量BsTs為高斯低通濾波器

40、的歸一化3 dB帶寬Bs與碼元長度Ts的乘積。BsTs=的曲線是MSK信號的功率譜密度。由圖2-15可見，GMSK信號的頻譜隨著BsTs值的減小變得緊湊起來。需要說明的是，GMSK信號頻譜特性的改善是通過降低誤比特率性能換來的。前置濾波器的帶寬越窄，輸出功率譜就越緊湊，誤比特率性能變得越差。不過，當BsTs=0.25時，誤比特率性能下降的并不嚴重。圖2-9 GMSK的功率譜密度四、實驗步驟(1) 預習MSK、GMSK調制及相干解調原理，獨立畫出系統方框圖。(2) 根據系統方框圖，畫出仿真流程圖。(3) 編寫MATLAB程序并上機調試。(4) 觀察并分析各階段波形、數據。(5) 修改相關參數，觀

41、察波形變化。(6) 比較分析MSK、GMSK之間的異同。(7) 撰寫實驗報告。五、思考題(1) GMSK與MSK中的相位軌跡各有什么特點？有什么異同？原因是什么？(2) GSM系統中采用GMSK而不是MSK，試說明GMSK得到應用的原因。實驗三 正交幅度調制(QAM)及解調實驗一、實驗目的(1) 掌握QAM及解調原理與特性。(2) 了解星座圖的原理及用途。二、實驗內容(1) 編寫MATLAB程序仿真QAM及相干解調。(2) 觀察I、Q兩路基帶信號的特征及與輸入NRZ碼的關系。(3) 觀察I、Q調制解調過程中各信號的變化。(4) 觀察星座圖在不同噪聲環境下的變化。(5) 分析仿真中觀察的數據，撰

42、寫實驗報告。三、實驗原理在現代通信中，提高頻譜利用率一直是人們關注的焦點之一。近年來，隨著通信業務需求的迅速增長，尋找頻譜利用率高的數字調制方式已成為數字通信系統設計、研究的主要目標之一。正交振幅調制(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)就是一種頻譜利用率很高的調制方式，其在中、大容量數字微波通信系統、有線電視網絡高速數據傳輸、衛星通信系統等領域得到了廣泛應用。在移動通信中，隨著微蜂窩和微微蜂窩的出現，使得信道傳輸特性發生了很大變化。過去在傳統蜂窩系統中不能應用的正交振幅調制也引起人們的重視。1. QAM原理單獨使用振幅或相位攜帶信息時，不能充分地利用信號平

43、面，這可以由矢量圖中信號矢量端點的分布直接觀察到。多進制振幅調制時，矢量端點在一條軸上分布；多進制相位調制時，矢量端點在一個圓上分布。隨著進制數M的增大，這些矢量端點之間的最小距離也隨之減小。但如果我們可以充分利用整個平面，將矢量端點重新合理的分布，則有可能在不減小最小距離的情況下，增加信號矢量的端點數量。基于上述概念，我們可以引出振幅與相位結合的方式，這種方式常稱為數字復合調制方式。一般的復合調制稱為幅相鍵控(APK)，兩個正交載波幅相鍵控稱為正交振幅調制(QAM)。正交振幅調制是用兩個獨立的基帶數字信號對兩個相互正交的同頻載波進行抑制載波的雙邊帶調制，利用這種已調信號在同一帶寬內頻譜正交的

44、性質來實現兩路并行的數字信息傳輸。正交振幅調制信號的一般表示式為式中，MQAM中的M表示調制進制數；An是基帶信號幅度；g(tnTs)是寬度為Ts的單個基帶信號波形。式(3-1)還可以變換為正交表示形式：(3-1)令(3-2)則式(2-22)變為其中(3-3)QAM中的振幅Xn和Yn可以表示為其中，A是固定振幅；cn和dn由輸入數據決定，同時它們也決定了已調QAM信號在信號空間中的坐標點。QAM信號調制原理圖如圖3-1所示。(3-4)圖3-1 QAM信號調制原理圖2. QAM的星座圖信號矢量端點的分布圖稱為星座圖。通常，可以用星座圖來描述QAM信號的信號空間分布狀態。對于M=16的16QAM來

45、說，有多種分布形式的信號星座圖。兩種具有代表意義的信號星座圖如圖3-2所示。圖3-2 16QAM的星座圖在圖3-2(a)中，信號點的分布呈方形，故稱為方型16QAM星座，也稱為標準型16QAM。在圖3-2(b)中，信號點的分布呈星形，故稱為星型16QAM星座。若信號點之間的最小距離為2A，且所有信號點等概率出現，則平均發射信號功率為對于方型16QAM，信號平均功率為(3-5)對于星型16QAM，信號平均功率為兩者功率相差1.4 dB。另外，兩者的星座結構也有重要的差別。一是星型16QAM只有兩個振幅值，而方型16QAM有3種振幅值；二是星型16QAM只有8種相位值，而方型16QAM有12種相位

46、值。這兩點使得在衰落信道中，星型16QAM比方型16QAM更具有吸引力。M=4，16，32，256時，MQAM信號的星座圖如圖3-3所示。圖3-3 MQAM信號的星座圖圖2-18中，M=4，16，64，256時，星座圖為矩形，而M=32，128時，星座圖為十字形。前者M為2的偶次方，即每個符號攜帶偶數個比特信息；后者M為2的奇次方，每個符號攜帶奇數個比特信息。若已調信號的最大幅度為1，則MPSK信號星座圖上信號點間的最小距離為而MQAM信號矩形星座圖上信號點間的最小距離為(3-6)(3-7)式中，L為星座圖上信號點在水平軸和垂直軸上投影的電平數，M=L2。由式(3-6)和(3-7)可以看出，當

47、M=4時，d4PSK=d4QAM，實際上，4PSK的星座圖與4QAM的星座圖相同。當M=16時，d16QAM=0.47，而d16PSK=0.39，d16PSK center_number = 8613800755500F(2) 將奇數位和偶數位交換。 = center_number = 683108705505F0(3) 在短信息中心號碼前面加上字符91，表示短信息中心號碼類型。91是TON/NPI遵守International/E.164標準，指在號碼前需加+號。 = center_number = 91683108705505F0(4) 算出center_number長度，結果除2，格式化

48、成2位的十六進制字符串，16 / 2 = 8 = 08 = center_number = 0891683108705505F0圖15-1 短信中心號碼處理流程2) 目的號碼部分目的號碼處理流程如圖6-7所示，具體過程如下：(1) 將手機號碼去掉+號，看其長度是否為偶數，如果不是，最后添加F。即 phone = +8613612345678 = phone = 8613612345678F = phone = 8613798264926F(2) 將手機號碼奇數位和偶數位交換。 = phone = 683116325476F8 = phone = 683197284629F6(3) 在號碼前加上

49、字符串11000D91，這是一些PDU代碼，需轉化為二進制數據來查看各個位代表的意義。(4) 號碼后加上000800，這部分也是PDU代碼，所有發送的短信基本相同。3) 信息內容處理信息內容處理過程如下：(1) 編輯信息，并將其轉換為unicode大端存儲形式。(2) 得到信息的長度，結果除以2，格式化為2位十六進制字符串，加為前綴；實際上是要得到unicode編碼形式的信息內容所占的字節數。4) 組合將目的號碼與信息內容連接，并計算得到組合后的信息所占的字節數，格式化為3位十進制字符串。流程圖如圖15-2所示。圖15-2 目的號碼及信息處理流程5) 發送格式(1) 設定短消息格式。使用命令“

50、AT+CMGF=0r”，將短消息設為PDU格式；(2) 發送信息。“AT+CMGS=len+center_number+ phone_message+”注：命令中無尖括號和“+”號，這里是表示將各部分信息區分開并連起來；rn分別表示回車和換行；Z是Ctrl+ Z，ASCII碼為0 x1a，Ctrl+Z是發送信息的標志。3AT命令接收短信的處理算法流程接收短信的算法處理流程是發送流程的逆過程。需要注意的是，接收的信息中含有短信中心號碼、發送方號碼、時間戳、時區及信息內容，要提取的主要信息是發送方號碼、時間戳、信息內容。當有新短信時會有信息提示：“+CMTI: “SM”,N”，其中N是一個十進制數

51、，用于標示收到的短信。使用命令“AT+ CMGR=Nrn”就可以顯示收到的編號為N的短信。本實驗軟件采用實驗十四中介紹的軟件來實現。五、實驗步驟(1) 硬件連接。在操作之前需要進行硬件連接： 連接計算機串口跟GSM/GPRS模塊串口； 連接好GSM/GPRS模塊天線； 在GSM/GPRS模塊的SIM卡座上插入SIM卡； 檢查無誤后接上5 V穩壓電源，模塊通電。(2) 運行軟件。(3) 選擇與模塊連接的串口，打開，連接設備。串口打開成功后會有消息提示：“com N open success”。(4) 在短信編輯區編輯所要發送的短信，在號碼區輸入號碼，按下“Send Msg”就可以發送短信。顯示區

52、會顯示發送的經過處理后的信息內容，發送成功會提示：“+CMGS: N”，如圖15-3所示。圖15-3 發送短信顯示(5) 使用手機給模塊中的SIM卡發短信，當有短信到來時，會顯示在軟件右邊顯示區，并自動解碼處理，顯示出發送號碼、接收時間和消息內容，如圖15-4所示。六、 思考題用 AT 命令發送短消息時的目的號碼及信息處理流程是怎樣的? 請簡要闡述。圖15-4 接收短信顯示 實驗十六 無線數據傳輸實驗一、實驗目的(1) 了解GPRS基本原理。(2) 了解GPRS無線數據傳輸的過程。二、實驗器材實驗器材同實驗十五的實驗器材(但本實驗需要兩個GSM/GPRS模塊)。三、 實驗內容測試 GSM /

53、GPRS 模塊的話路通信和數據傳輸功能。四、實驗原理GSM所提供的基本業務可分為承載業務和電信業務，這兩種業務是獨立的通信業務，其區別在于用戶接入點的不同。承載業務提供接入點(ISDN協議中稱為用戶網絡間接口)之間傳輸信號的能力。GSM系統一開始便考慮到了兼容多種在ISDN中定義的承載業務，以滿足GSM移動用戶對數據通信服務的需要。GSM系統設計的承載業務不僅使移動用戶之間能完成數據通信，更重要的是能為移動用戶與PSTN或ISDN用戶之間提供數據通信服務，同時還能使GSM移動通信網與其它公用數據網(如公用分組數據網和公用電路數據網)實現互通。在傳輸數據業務時，MSC需啟用互通功能單元IWF。互

54、通功能單元是為完成數據連通而規定的全部功能。用戶總是需要不同種類的承載業務，要支持各種承載業務也就要經過不同類型的MS或IWF接入接口和終端網絡。下面簡要介紹不同種類的承載業務所能支持的各種用戶應用。(1 )具有透明和不透明非限制數字能力的非結構電路型所支持的用戶應用是經過速率適配的子速率信息流。(2 )分組組合和分解器( PAD )業務所支持的用戶應用包括:經過速率適配的高速率信息流;接入分組組合/分解功能。(3 )分組業務所支持的用戶應用包括:采用 X32 或 X31 選擇 A 接入 X. 25 公用數據網;X31 選擇 B 接入的應用(虛擬電路承載業務)。 選擇 B 接入的應用(虛擬電路

55、承載業務)。(4 )具有透明和不透明交替話音/非限制數字能力的非結構電路型所支持的用戶應用包括:通過速率適配的子速率信息流;具有在呼叫中交替話音和數據的能力。(5 )具有透明和不透明話音后接非限制數字能力的非結構電路型所支持的用戶應用包括:經過速率適配的子速率信息流;開始建立語音呼叫,然后在呼叫持續過程中的某段時間能使用戶轉換為數據通信。五、實驗步驟(1) 硬件連接。在操作之前需要進行硬件連接。 連接計算機串口跟GSM/GPRS模塊串口； 連接好GSM/GPRS模塊天線； 在GSM/GPRS模塊的SIM卡座上插入SIM卡； 檢查無誤后接上5 V穩壓電源，模塊通電。(2) 運行移動實驗系統程序，

56、選擇GSM模式。(3) 選擇與模塊連接的端口后連接設備。(4) 點擊“話路通信”按鈕，打開下拉菜單，點擊“數據傳輸”選項，打開數傳系統子窗口，如圖16-1所示。圖16-1 數傳系統子窗口 數據傳輸功能模塊主要是進行無線數據傳輸,此功能模塊既能進行單字節傳輸,也能進行文件傳輸。首先在目標號碼文本框內輸入目標手機號,點擊“呼叫連接”,呼叫數據接收方模塊,等待連接。需要注意的是,此目標手機號應為支持數據傳輸功能的模塊所使用的手機號,普通手機不支持數據傳輸功能。并且使用 GSM 網絡手機號的模塊只能與使用同網絡手機號的模塊進行數據傳輸,而不能跨網數據傳輸,此功能限制與移動通信運營商有關。 在連接成功前

57、,連接軟件上的連接指示燈為紅色,并提示未連接成功,點擊“呼叫連接”按鈕后等待對方應答信號,這個過程約需要 34 秒,如連接成功,連接指示燈變為綠色,并提示連接成功,此時,在數據傳輸呼叫方的窗口靠右側文本框內容被清空,并做好數據發送準備。此時在這個文本框中敲擊鍵盤按鍵,所按鍵的值都將被作為數據傳送到被叫方數據傳輸窗口右側文本框中顯示。如果進行文件傳輸,則點擊子窗口文件數據傳送中的“打開”按鈕,彈出文件選擇對話框,然后選中要傳送的文件,點擊對話框“確定”按鈕返回,被傳送的文件路徑就被顯示在文本框中,再點擊“發送文件”按鈕,文件數據傳輸即開始。在被叫方數據傳輸窗口將出現接收到的文件十六進制數據內容,

58、當傳送完畢后,主叫方的窗口也會顯示所發送的文件十六進制數據內容,而在被叫方接收到的數據將被重新存儲成一個文件,存儲在默認路徑下,默認路徑為“C : sendfile ”,即 C 盤根目錄下 sendfile 文件夾內。(5 )傳輸完成后,點擊“斷開連接”按鈕,則數據傳輸連接指示燈恢復為紅色狀態。需要注意的是,由于數據傳輸是按通話時間計費,所以建議數據傳輸時使用小文件,達到實驗目的即可。六、 思考題承載業務和電信業務分別是什么? 請分別闡述它們的作用和意義。實驗十七 CDMA移動臺主呼及被呼叫過程實驗(選做)一、實驗目的了解CDMA用戶主呼和被呼的接續過程。二、實驗器材(1) PC機一臺；(2)

59、 CDMA2000手機測試板一個；(4) UIM卡兩個；(5) 手機一部；(6) 串口線一條。三、 實驗內容使用 CDMA2000 開發板完成 CDMA 移動臺主呼及被呼過程實驗。四、實驗原理1移動臺呼叫處理1) 移動臺初始化狀態移動臺接通電源后就進入初始化狀態。在此狀態下，移動臺首先要判定它要在模擬系統中工作，還是要在CDMA系統中工作。如果是后者，它就不斷地檢測周圍各基站發來的導頻信號和同步信號。各基站使用相同的引導PN序列，但其偏置各不相同，移動臺只要改變其本地PN序列的偏置，就能很容易地測出周圍有哪些基站在發送導頻信號。移動臺比較這些導頻信號的強度，即可判斷出自己目前處于哪個小區之中，

60、因為一般情況下，最強的信號是距離最近的基站發送的。2) 移動臺空閑狀態移動臺在完成同步和定時后，即由初始化狀態進入空閑狀態。在此狀態下，移動臺可接收外來的呼叫，可進行向外的呼叫和登記注冊的處理，還能制定所需的碼信道和數據率。移動臺的工作模式有兩種：一種是時隙工作模式，另一種是非時隙工作模式。如果是后者，移動臺要一直監聽尋呼信道；如果是前者，則移動臺只需在其指配的時隙中監聽尋呼信道，其它時間可以關掉接收機(有利于節電)。3) 系統接入狀態如果移動臺要發起呼叫，或者要進行注冊登記，或者收到一種需要認可或應答的尋呼信息，則移動臺即進入系統接入狀態，并在接入信道上向基站發送有關的信息。這些信息可分為兩