《现代通信系统实验》课件

现代通信系统实验课程概述课程目标实验内容考核方式通过本课程的学习，学生应掌握现代通实验内容涵盖信号采样与量化、调制解信系统的基本概念、原理和设计方法调技术、数字调制技术、信道编码、扩能够独立完成通信系统的仿真、设计和频通信、系统、技术、软OFDM MIMO测试，并具备一定的创新能力件无线电、无线传感网以及通信技术5G等多个方面实验室安全规则电气安全设备使用注意事项12严格遵守电气安全规范，不得在使用实验设备前，务必认真私自乱拉电线，不得湿手触摸阅读设备的使用说明书，了解电器设备，实验完毕后及时关设备的功能和操作方法严禁闭电源违规操作，如有疑问及时向指导老师请教应急处理实验设备介绍硬件平台软件工具测量仪器包括信号发生器、示波主要使用、包括万用表、频率计、MATLAB器、频谱分析仪、逻辑等仿真软件，功率计等常用测量仪Simulink分析仪、矢量网络分析以及等软件无线器，用于测量电路参数USRP仪等常用通信实验设电平台和信号特性备实验一信号采样与量化实验目的原理介绍理解信号采样与量化的基本原理，掌握采样频率和量化级别的选采样是将连续时间信号转换为离散时间信号的过程量化是将连择方法，分析采样定理和量化噪声对信号质量的影响续幅度的信号转换为离散幅度的信号的过程采样定理指出，采样频率必须大于信号最高频率的两倍才能保证信号不失真量化噪声是由于量化过程引入的误差实验一实验步骤采样频率设置根据信号的最高频率，设置合适的采样频率，满足采样定理的要求可变动采样频率，观察不同频率下的采样结果量化级别选择选择合适的量化级别，平衡量化噪声和数据存储空间的需求可变动量化级别，观察不同级别下的量化结果数据采集过程使用数据采集设备采集信号，将采集到的数据存储到计算机中，进行后续的数据分析和处理实验一数据分析采样定理验证量化噪声分析12通过观察采样后的信号频谱，计算量化噪声的功率，分析量验证采样频率是否满足采样定化级别对量化噪声的影响量理的要求如果采样频率过化级别越高，量化噪声越小低，会出现频谱混叠现象实验结果讨论3讨论实验结果，总结实验经验，分析实验中遇到的问题和解决方法实验二调制解调技术实验目的调制原理概述理解模拟调制和解调的基本原理，掌握、、等调制方调制是将基带信号加载到高频载波上的过程解调是从已调信号AM FMPM式的实现方法，分析各种调制方式的优缺点中恢复出基带信号的过程常用的调制方式包括幅度调制（）、频率调制（）和相位调制（）AM FMPM实验二幅度调制（）AM调制器实现AM使用乘法器或二极管实现调制器调制信号与载波信号相乘，得到AM信号AM调制度的影响调制度是指调制信号幅度与载波信号幅度的比值调制度过大会导致过调制，信号失真；调制度过小则信号功率利用率低实验二频率调制（）FM调制器设计调频指数分析FM1使用压控振荡器（）实现调制调频指数是指载波频率偏移与调制信号VCO FM器调制信号控制的输出频率，频率的比值调频指数越大，信号带宽VCO2得到信号越大，抗噪声能力越强FM实验二相位调制（）PM调制器构建相位偏移效果观察PM使用相位调制器实现调制调制信号控制载波信号的相观察相位偏移对信号波形的影响相位偏移越大，信号变化越PM位，得到信号明显PM实验二解调技术包络检波1使用二极管和滤波器实现包络检波，用于解调信号适用AM于调制度较低的情况鉴频器2使用差分鉴频器或过零检测器实现鉴频，用于解调信号FM将频率变化转换为幅度变化相干解调3使用本地载波与已调信号相乘，然后进行低通滤波，用于解调、、信号需要精确的载波同步AM FMPM实验二调制解调性能比较指标AM FMPM抗噪声能力较差较好一般带宽效率低较低低实现复杂度简单中等中等调制实现简单，但抗噪声能力较差；调制抗噪声能力较好，但带宽效率较低；调制抗噪声能力一般，实现复杂度中等选择哪种调AM FMPM制方式取决于具体的应用场景和性能需求实验三数字调制技术实验目的数字调制概述理解数字调制的基本原理，掌握、、、等调数字调制是将数字基带信号加载到高频载波上的过程常用的数ASK FSKPSK QAM制方式的实现方法，分析各种调制方式的特点和应用场景字调制方式包括幅度键控（）、频率键控（）、相位键ASK FSK控（）和正交幅度调制（）PSK QAM实验三调制ASK调制器设计ASK1使用开关电路或乘法器实现调制器数字基带信号控制载波信号的幅度，得到信号ASK ASK码元映射2将数字信号的和分别映射为载波的有和无也可以将和映0101射为不同的幅度值实验三调制FSK调制器实现频率选择FSK1使用压控振荡器（）或频率合成选择合适的频率间隔，避免频率混叠VCO器实现调制器数字基带信号控制频率间隔越大，信号带宽越大，抗噪声FSK2载波信号的频率，得到信号能力越强FSK实验三调制PSK调制器BPSK使用相位键控器实现调制数字基带信号控制载波信号的相位，相位变化BPSK1为或0π调制器QPSK2使用正交调制器实现调制将数字基带信号分为两路，QPSK分别进行调制，然后将两路信号相加BPSK实验三调制QAM实现16QAM使用正交调制器实现调制将数字基带信号分为两路，分别进行16QAM调制，然后将两路信号相加4ASK星座图分析观察星座图，分析信号的幅度和相位分布星座图可以反映信号的调制方式和质量实验三数字解调相干解调使用本地载波与已调信号相乘，然后进行低通滤波需要精确的载波同步非相干解调使用包络检波或差分检测不需要载波同步，但性能较差软判决与硬判决硬判决直接判决信号是还是软判决输出信号的概率值，可以提高纠错性能01实验三误码率测量信噪比（dB）BERBER是指误码率，表示错误比特占总比特数的比例BER越小，信号质量越好在一定的信噪比范围内，BER随着信噪比的增加而减小不同调制方式的BER性能不同实验四信道编码实验目的信道编码原理理解信道编码的基本原理，掌握线性分组码、卷积码、信道编码是在发送端对信号进行编码，增加冗余信息，用于在接Turbo码、码等编码方式的实现方法，分析各种编码方式的纠错收端检测和纠正错误常用的信道编码方式包括线性分组码、卷LDPC性能积码、码和码Turbo LDPC实验四线性分组码汉明码编码器1汉明码是一种常用的线性分组码，可以检测和纠正一位错误汉明码编码器根据编码规则，将信息位编码为码字汉明码解码器2汉明码解码器根据解码规则，检测码字中的错误，并进行纠正实验四卷积码卷积编码器设计卷积码是一种具有记忆性的编码方式卷积编码器根据编码规则，将信息位编码为码字，码字与之前的输入有关维特比解码算法维特比算法是一种动态规划算法，用于解码卷积码维特比算法可以找到最有可能的路径，从而恢复出原始信息实验四码Turbo编码器实现Turbo码是一种高性能的信道编码方式编码器由两个Turbo Turbo并行级联的卷积编码器组成，中间通过交织器连接迭代解码过程码解码器采用迭代解码算法两个解码器之间相互传递Turbo信息，经过多次迭代，最终恢复出原始信息实验四码LDPC编码矩阵构造LDPC1码是一种具有稀疏校验矩阵的线性分组码编码矩阵的构造方法有很多种，常用的LDPC LDPC方法包括随机构造法和代数构造法信念传播解码信念传播（）算法是一种迭代解码算法，用于解码BP LDPC2码算法通过在变量节点和校验节点之间传递信息，逐步BP逼近最优解实验四纠错性能比较信噪比（dB）汉明码卷积码Turbo码LDPC码汉明码实现简单，但纠错性能较差；卷积码性能优于汉明码，但复杂度较高；Turbo码和LDPC码具有接近香农极限的纠错性能，但复杂度很高选择哪种编码方式取决于具体的应用场景和性能需求实验五扩频通信实验目的扩频通信原理理解扩频通信的基本原理，掌握直接序列扩频（）和频率扩频通信是将信号带宽扩展到远大于原始信号带宽的通信方式DSSS跳频（）等扩频方式的实现方法，分析扩频通信的抗干扰扩频通信可以提高信号的抗干扰能力、抗多径衰落能力和保密FHSS性能性实验五直接序列扩频（）DSSS扩频序列生成使用伪随机序列（序列）作为扩频序列序列具有良好的自相关性PN PN和互相关性，可以有效抑制干扰调制器设计DSSS使用乘法器将基带信号与扩频序列相乘，得到信号信号的DSSS DSSS带宽远大于基带信号的带宽实验五频率跳频（）FHSS跳频图案设计系统实现FHSS1跳频图案是指载波频率随时间变化的规系统使用频率合成器快速切换载FHSS律跳频图案的设计需要保证频率的随波频率在每个跳频周期内，系统使用2机性和均匀性，避免频率碰撞不同的载波频率发送信号实验五扩频解调相关接收机1使用相关器将接收信号与本地扩频序列进行相关运算如果接收信号与本地扩频序列同步，则相关器的输出会产生峰值同步获取与跟踪2同步获取是指在接收端找到与发送端相同的扩频序列的过程同步跟踪是指在接收端保持与发送端同步的过程实验五抗干扰性能分析窄带干扰下的性能扩频通信可以将窄带干扰扩展到整个频带，降低干扰的功率谱密度，从而提高1信号的抗干扰能力多址干扰抑制能力扩频通信可以使用不同的扩频序列区分不同的用户，从而实现2多址接入扩频序列之间的互相关性越小，多址干扰抑制能力越强实验六系统OFDM实验目的原理OFDM理解的基本原理，掌握发射机和接收机的实现方是一种多载波调制技术，将高速数据流分解为多个低速数OFDM OFDM OFDM法，分析系统的性能据流，分别调制到多个正交的子载波上进行传输可以有OFDMOFDM效对抗频率选择性衰落实验六发射机OFDM实现IFFT使用（逆快速傅里叶变换）将频域信号转换为时域信号是IFFT IFFT发射机的核心模块OFDM循环前缀添加在每个符号前添加循环前缀（），可以消除符号间干扰OFDM CP（）的长度应大于信道的最大时延扩展ISI CP实验六接收机OFDM处理FFT使用（快速傅里叶变换）将时域信FFT2号转换为频域信号是接收FFT OFDM同步算法机的核心模块OFDM接收机需要进行精确的同步，包1括载波同步和符号同步常用的同步算信道估计与均衡法包括基于循环前缀的同步算法和基于导频的同步算法接收机需要进行信道估计和均OFDM衡，消除信道对信号的影响常用的信3道估计方法包括基于导频的信道估计和盲信道估计实验六问题PAPR测量PAPR是指峰均功率比，表示信号的峰值功率与平均功PAPR OFDM率的比值过大会导致信号失真和功率放大器效率降PAPR低削峰技术比较常用的削峰技术包括限幅、编码和预失真不同的削峰技术具有不同的性能和复杂度实验七技术MIMO实验目的系统模型MIMO理解的基本原理，掌握空间复用、空时编码和波束成形等是指多输入多输出，表示在发送端和接收端都使用多个天MIMO MIMO技术，分析系统的性能线可以提高信道容量、提高传输可靠性和提高信号的抗MIMO MIMOMIMO干扰能力实验七空间复用算法实现1V-BLAST是一种常用的空间复用算法算法将数据流分为V-BLAST V-BLAST多个子流，分别从不同的天线上发送在接收端，使用干扰消除技术分离不同的子流空间复用增益分析2空间复用可以提高信道容量空间复用增益与天线数量成正比天线数量越多，信道容量越高实验七空时编码方案设计Alamouti方案是一种常用的空时编码方案方案使用两个发送Alamouti Alamouti天线和一个接收天线，可以获得分集增益，提高传输可靠性分集增益测量分集增益是指使用分集技术获得的信噪比增益分集增益可以提高信号的抗衰落能力实验七波束成形方向图控制自适应天线阵列可以使用不同的算法控制天线的方向1使用自适应天线阵列可以调整天线的方图，常用的算法包括最小方差无失真响向图，使信号能量集中在目标方向上，2应（）算法和最大信噪比MVDR从而提高信号的信噪比（）算法SNR实验七系统MIMO-OFDM与结合MIMO OFDM系统将技术与技术结合起来，可以MIMO-OFDM MIMOOFDM同时获得空间复用增益和频率分集增益，从而提高系统性能系统性能评估可以使用不同的指标评估系统的性能，常用的MIMO-OFDM指标包括信道容量、误码率和吞吐量实验八软件无线电实验目的平台介绍SDR理解软件无线电的基本原理，掌握平台的搭建和使用方法，是指软件无线电，表示使用软件实现无线电的各种功能，如SDR SDR能够使用平台实现简单的通信系统调制解调、信道编码和信号处理常用的平台包括和SDR SDRUSRPGNU Radio实验八收发机架构SDR硬件组成收发机主要由射频前端和基带处理单元组成射频前端负责信号的收发和SDR1频率转换，基带处理单元负责信号的调制解调、信道编码和信号处理软件框架2软件框架提供了一套和工具，用于开发和部署应SDR APISDR用常用的软件框架包括和SDR GNU Radio LabVIEW实验八射频前端设计频率转换1射频前端需要进行频率转换，将射频信号转换为中频信号，或将中频信号转换为基带信号常用的频率转换器件包括混频器和本地振荡器滤波器实现2射频前端需要使用滤波器滤除不需要的信号，如干扰信号和噪声常用的滤波器包括低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器实验八基带信号处理数字上下变频基带信号处理单元需要进行数字上下变频，将数字基带信号转换为数字中频信号，或将数字中频信号转换为数字基带信号常用的数字上下变频方法包括正交调制和希尔伯特变换脉冲成形滤波器基带信号处理单元需要使用脉冲成形滤波器限制信号的带宽，避免符号间干扰常用的脉冲成形滤波器包括升余弦滤波器和根升余弦滤波器实验八实现接收机SDR AM/FM软件流程图实时处理优化使用SDR平台实现AM/FM接收机需要1SDR平台需要进行实时处理优化，保绘制软件流程图，明确各个模块的功能证信号处理的实时性常用的实时处理2和连接关系常用的软件平台包优化方法包括多线程处理和硬件加速SDR括和GNURadioLabVIEW实验九无线传感网实验目的架构WSN理解无线传感网的基本原理，掌握节点的硬件设计和软件是指无线传感网，由大量的传感器节点组成，通过无线通WSN WSN编程方法，能够搭建简单的系统信技术相互连接，协同完成特定的任务，如环境监测和目标跟WSN踪具有低功耗、低成本、自组织等特点WSN.实验九节点硬件设计传感器选择根据应用需求选择合适的传感器，如温度传感器、湿度传感器、光照传感器和1压力传感器传感器的选择需要考虑精度、量程、功耗和成本等因素微控制器编程使用微控制器控制传感器的采集和数据传输常用的微控制器2包括和微控制器编程需要掌握语言和汇编语言ARM AVRC实验九无线通信协议协议栈实现1ZigBee是一种常用的无线通信协议，具有低功耗、低成本、自ZigBee WSN组织等特点协议栈包括物理层、层、网络层和应用ZigBee MAC层网络拓扑构建2网络拓扑是指传感器节点之间的连接关系常用的网络拓扑包括WSN星型拓扑、树型拓扑和网状拓扑不同的网络拓扑具有不同的特点和适用场景实验九数据采集与融合分布式数据处理节点需要进行分布式数据处理，将采集到的数据进行预处理，如滤WSN波和校准分布式数据处理可以降低数据传输量和能量消耗能量效率优化节点需要进行能量效率优化，延长节点的寿命常用的能量效率优WSN化方法包括休眠调度、路由优化和数据压缩实验九应用演示WSN环境监测系统智能家居控制使用WSN节点监测环境参数，如温1使用节点控制智能家居设备，如WSN度、湿度、光照和环境监测PM

2.5灯光、窗帘和空调智能家居控制系统2系统可以应用于智能农业和环境保护可以提高生活质量和节能降耗实验十通信技术5G实验目的关键技术概述5G理解的关键技术，掌握大规模、毫米波通信、网络切是第五代移动通信技术，具有高速率、低时延、大连接等特5G MIMO5G片和边缘计算等技术的基本原理和应用场景点的关键技术包括大规模、毫米波通信、网络切片5G MIMO和边缘计算实验十大规模MIMO波束赋形算法大规模使用大量的天线，可以实现精确的波束赋形，将MIMO信号能量集中在目标用户方向上，提高信号的信噪比和系统容量常用的波束赋形算法包括迫零（）算法和最小均方误差ZF（）算法MMSE用户调度策略大规模需要进行用户调度，选择合适的用户进行传输，MIMO以提高系统容量和用户公平性常用的用户调度策略包括轮询调度和比例公平调度实验十毫米波通信信道模型1毫米波通信使用以上的频率，具有带宽大、速率高等优点，但也存在路径损耗大、穿透30GHz能力弱等缺点需要建立准确的信道模型，用于评估系统性能和优化参数波束对准技术毫米波通信需要进行波束对准，保证发送端和接收端的天线对2准，以提高信号的接收功率常用的波束对准技术包括穷尽搜索和基于码本的对准实验十网络切片切片资源分配网络切片是指将物理网络划分为多个虚拟网络，每个虚拟网络提供不同的服务和性能保障网络切片需要进行资源分配，保证每个切片获得足够的资源保证机制QoS网络切片需要提供（服务质量）保证机制，保证每个切片获得所需QoS的性能指标，如带宽、时延和抖动常用的保证机制包括流量整形QoS和优先级调度实验十边缘计算服务器部署任务卸载决策MEC边缘计算是指将计算任务部署到网络边边缘计算需要进行任务卸载决策，判断1缘，靠近用户，从而降低时延和提高用哪些任务需要在边缘服务器上执行，哪户体验（多接入边缘计算）服些任务需要在云服务器上执行任务卸MEC2务器部署在移动网络的基站附近，可以载决策需要考虑任务的计算量、数据提供低时延的应用服务量、时延要求和安全性数据可视化技巧图表选择选择合适的图表类型，如柱状图、折线图、饼图和散点图不同的图表类型适用于不同的数据类型和分析目的颜色与布局使用合适的颜色和布局，使图表易于阅读和理解颜色应该具有区分性，布局应该简洁明了避免使用过多的颜色和复杂的布局实验报告撰写指南结构安排数据分析方法12实验报告应该包括以下几个部使用合适的数据分析方法，如分实验目的、实验原理、实统计分析、回归分析和假设检验设备、实验步骤、实验结验数据分析应该客观公正，果、数据分析和实验结论实避免主观臆断验报告的结构应该清晰明了，逻辑性强常见问题与解决3总结实验中遇到的常见问题和解决方法，为后续实验提供参考可以对实验步骤进行改进，提高实验效率和准确性创新实验项目开放性实验题目鼓励学生进行创新实验项目，探索新的通信技术和应用可以设计开放性实验1题目，给学生提供更大的自由度和创造空间例如，基于SDR平台的无线通信系统设计，基于的智能农业应用，基于的虚拟现实应用等WSN5G评分标准创新实验项目的评分标准包括创新性、实用性、完整性和规范2性鼓励学生提出新的思路和方法，解决实际问题，并撰写规范的实验报告课程总结知识点回顾技能培养回顾本课程所学知识点，包括信号采样与量化、调制解调技术、总结本课程所培养的技能，包括通信系统的设计、实现、仿真、数字调制技术、信道编码、扩频通信、系统、技测试和优化通过本课程的学习，学生应具备独立完成通信系统OFDM MIMO术、软件无线电、无线传感网和通信技术项目的能力5G未来展望通信技术发展趋势1展望未来通信技术的发展趋势，包括、人工智能在通信领域的应6G用、量子通信和卫星通信随着科技的进步，通信技术将更加智能化、高速化和安全化继续学习建议2建议学生继续学习通信领域的知识，阅读相关的书籍和论文，参加学术会议和技术培训，不断提高自己的专业水平鼓励学生积极参与科研项目，探索新的技术和应用。