无线通信技术实验教学课件

无线通信技术实验教学课件欢迎学习无线通信技术实验课程本课程将带领大家深入了解无线通信的基本原理、关键技术以及实验方法通过一系列精心设计的实验，您将掌握从基础调制解调到复杂通信系统的实践技能无线通信技术作为当代信息技术的核心组成部分，正以前所未有的速度发展并改变着我们的生活方式本课程将理论与实践相结合，帮助您建立扎实的技术基础，为未来在无线通信领域的深入研究或职业发展奠定基础让我们一起踏上这段无线通信技术的探索之旅！课程简介无线通信定义与发展实验课程目标无线通信技术是利用电磁波在自本课程旨在帮助学生掌握无线通由空间传播实现信息交换的技术信系统的基本原理与实验技能体系它消除了传统有线通信的通过理论讲解与动手实践相结合物理限制，实现了信息的高效流的方式，学生将能够理解调制解通与共享从最初的无线电报到调原理，分析无线信道特性，掌现代5G技术，无线通信已经成为握天线参数测量方法，以及熟悉信息社会的基础设施各类无线通信技术的应用场景行业应用背景无线通信已广泛应用于移动通信、物联网、智能交通、医疗健康等领域本课程将结合当前行业最新发展趋势，介绍5G、物联网、车联网等新兴技术在各行业中的具体应用案例，帮助学生了解无线通信技术的广阔前景无线通信的发展历程第一代移动通信1G20世纪80年代推出，采用模拟技术，主要提供语音服务代表系统有AMPS、TACS等虽然技术较为简单，但开创了移动通信的先河，为人们的通信方式带来了革命性变化第二代移动通信2G20世纪90年代出现，引入数字技术，支持短信和低速数据业务包括GSM、CDMA等系统2G技术显著提高了频谱利用率和通话质量，实现了全球漫游第三代移动通信3G21世纪初期发展，提供更高速的数据传输，支持视频通话和移动互联网代表技术有WCDMA、CDMA

2000、TD-SCDMA等3G技术使移动互联网成为可能第四代移动通信4G2010年代推广，基于全IP网络架构，提供高速数据服务代表技术是LTE和LTE-Advanced4G技术极大地促进了智能手机的普及和移动互联网的发展第五代移动通信5G2020年代开始商用，具有高速率、低时延、大连接特点支持增强移动宽带、超高可靠低时延通信和海量机器通信5G将成为物联网、智慧城市、自动驾驶等新兴技术的基础设施无线通信基本原理频谱与信道调制与解调频谱是电磁波按频率排列的总体分布，是无线通信的基础资源调制是将基带信号转换为适合在无线信道传输的过程，通常是将无线通信使用的频谱范围从几百kHz到数百GHz不等频谱被划信息加载到高频载波上常见的调制方式有幅度调制、频率调制分为不同的频段，用于不同的通信服务和相位调制信道是信息传输的路径，在无线通信中通常是指特定的频率带解调是调制的逆过程，即从接收到的已调信号中恢复出原始信宽多址技术允许多个用户共享同一频率资源，包括频分多址息调制解调技术的选择直接影响通信系统的性能、复杂度和成FDMA、时分多址TDMA、码分多址CDMA和空分多址本现代通信系统通常采用数字调制技术，实现更高的频谱效SDMA等率电磁波传播基础电磁波本质电磁波是电场和磁场相互垂直振荡形成的能量波传播特性真空中传播速度为光速，不同介质中传播速度不同传播机制包括自由空间传播、反射、折射、绕射和散射传播模型包括自由空间模型、对数距离模型和Okumura-Hata模型等电磁波在不同环境中传播时会受到各种因素影响在城市环境中，建筑物导致的多径反射会造成信号衰落；在室内环境，墙体穿透损耗是主要考虑因素；而在开阔地区，距离引起的路径损耗则占主导地位工程师们通过建立精确的传播模型来预测信号覆盖，这对于无线网络规划至关重要通过实验测量与理论分析相结合，我们可以获得更加准确的电磁波传播特性数据典型无线通信系统结构信源编码将信源信号转换为数字信号，并进行压缩信道编码添加冗余信息以增强抗干扰能力调制将信息加载到射频载波上发射天线将电信号转换为电磁波发射到空间接收与解调接收信号并恢复原始信息无线通信系统主要由发射端、传输信道和接收端三部分组成发射端负责信息的编码、调制和发射；传输信道是电磁波传播的媒介；接收端则完成信号的接收、解调和解码过程发射端通常包括信源编码器、信道编码器、调制器和功率放大器等部件接收端则包含低噪声放大器、解调器、信道解码器和信源解码器等整个系统设计需要综合考虑通信质量、频谱效率、功耗和成本等多种因素调制与解调概述幅度调制AM频率调制FM通过改变载波的振幅来携带信息，实通过改变载波的频率来携带信息，具现简单但抗噪声能力较弱常见的有较强的抗噪声能力FM技术在音频AM技术包括双边带调制DSB、单边广播、模拟电视声音传输和一些移动带调制SSB和残余边带调制VSB通信系统中得到广泛应用相比等AM技术在广播和一些传统通信AM，FM具有更好的音质和抗干扰性系统中仍有应用能相位调制PM通过改变载波的相位来携带信息，性能类似于FM但实现方式不同PM技术是许多现代数字调制方式的基础，如BPSK、QPSK等PM系统的实现通常比FM更复杂，但在某些应用中具有优势调制技术的选择取决于通信系统的具体需求，包括抗干扰能力、带宽效率、功率效率和实现复杂度等因素在实际应用中，通常需要在这些因素之间进行权衡现代通信系统趋向于采用更先进的数字调制技术，以获得更高的频谱利用率数字调制技术调制方式原理优点缺点应用场景幅移键控通过改变载波实现简单，硬抗噪声能力短距离光纤通ASK幅度表示数字件成本低差，容易受到信，RFID系统信息信道衰落影响频移键控通过改变载波抗噪声能力较频谱效率较无线传感器网FSK频率表示数字强，实现简单低，需要更宽络，蓝牙，无信息带宽线遥控相移键控通过改变载波频谱效率高，对相位噪声敏卫星通信，移PSK相位表示数字较好的误码性感，接收机复动通信，信息能杂WLAN正交幅度调制同时调制载波频谱效率最高对噪声和干扰数字电视，高QAM的幅度和相位敏感，实现复速无线局域杂网，4G/5G系统无线信道特性路径损耗阴影衰落电磁波在传播过程中能量的自然衰减，通由于地形、建筑物等大型障碍物引起的信常与距离的平方或更高次方成反比号强度缓慢变化干扰与噪声多径衰落包括同频干扰、邻频干扰和热噪声等影响信号通过多条路径到达接收端，导致的快通信质量的因素速信号强度波动无线信道的复杂特性是无线通信中的主要挑战之一不同于有线通信中相对稳定的传输环境，无线信道具有时变性和随机性，这导致了通信质量的不稳定现代无线通信系统采用多种技术应对这些挑战，如分集接收、自适应均衡和信道编码等在实验中，我们可以通过专用设备或软件仿真模拟各种信道条件，观察其对通信性能的影响，并评估不同抗衰落技术的效果系统容量与速率香农定理C=B×log₂1+S/N，其中C为信道容量，B为带宽，S/N为信噪比增加带宽系统容量与带宽呈线性关系，增加带宽可直接提高容量提高信噪比系统容量与信噪比呈对数关系，提高信噪比可增加容量但效率递减空间复用MIMO技术利用多根天线创建独立空间信道，倍增容量香农信道容量定理描述了在给定带宽和信噪比条件下，信道所能达到的理论最大无差错传输速率这一理论为我们理解通信系统的基本限制提供了框架在实际系统设计中，我们会根据这一理论来优化各项参数，尽可能接近理论极限现代无线通信技术通过多种手段来提高系统容量，包括更高效的调制编码方案、智能天线技术、干扰管理和频谱共享等5G通信通过毫米波通信、大规模MIMO和网络密集化等技术，将系统容量提升至4G的数十倍现代无线通信应用移动通信物联网无线局域网从1G到5G的演进使移动通信从单物联网技术通过无线通信将各类设Wi-Fi技术已成为日常生活中不可一的语音服务发展为支持高清视备连接到互联网，实现信息的感或缺的部分，提供了方便灵活的短频、虚拟现实等多媒体应用的综合知、传输和处理从智能家居到工距离高速无线接入从最初的IEEE平台5G技术的低时延、高可靠业自动化，再到智慧城市，物联网

802.11到现在的Wi-Fi6，数据传和大连接特性，正在推动自动驾正在改变人们的生活和工作方式输速率已从几Mbps提升到数驶、远程医疗等创新应用的发展NB-IoT、LoRa等低功耗广域网技GbpsWi-Fi技术广泛应用于家术为物联网提供了有效的连接方庭、办公、教育和商业场所案卫星通信卫星通信通过空间中的卫星中继站实现全球范围的通信覆盖低轨道卫星星座如Starlink正在部署，旨在提供全球高速互联网接入卫星通信在海洋、航空、偏远地区通信以及应急通信中发挥着不可替代的作用常见无线通信标准现代无线通信标准涵盖了不同应用场景和需求移动通信标准从3GWCDMA、CDMA2000到4GLTE再到5G，每一代都带来了速率和性能的显著提升WLAN标准经历了

802.11a/b/g/n/ac/ax的发展，速率从数Mbps提升到了数Gbps短距离通信标准如蓝牙已发展到

5.2版本，功耗更低，速率更高物联网领域的NB-IoT和LoRa标准则专注于低功耗、广覆盖的应用场景这些标准的发展不仅体现了技术的进步，也反映了人们对无线通信的多样化需求实验模块说明基础模块进阶模块涵盖基本原理实验侧重系统性能分析•基带信号产生与分析•无线信道模拟实验•模拟调制技术实验•多径与抗干扰实验•数字调制技术实验•MIMO系统实验创新模块应用模块探索前沿技术应用关注实际应用技术•5G信号实时分析•无线局域网实验•无线定位技术实验•蓝牙通信实验•LoRa远距离通信•物联网相关实验无线收发信机原理及实验

2.4GHz工作频段实验采用的ISM频段，无需申请频率使用许可1-100mW发射功率可调节的发射功率范围，满足不同实验需求1-10Mbps数据速率可配置的数据传输速率，观察不同速率下的性能-90dBm接收灵敏度保证在弱信号条件下的可靠接收能力无线收发信机是无线通信系统的核心部件，负责信号的调制、发射、接收和解调典型的收发信机包括射频前端、中频处理单元和基带处理单元射频前端负责信号的上下变频和功率放大/低噪声放大；中频处理单元完成信号的滤波和增益控制；基带处理单元则实现调制解调和数字信号处理在本实验中，学生将学习收发信机的基本工作原理，掌握其各部分的功能和参数配置方法，并通过实际操作观察不同配置下的通信性能差异这为后续更复杂的无线通信实验奠定基础基带信号产生与分析信号源选择方波、正弦波、随机序列等各类信号源滤波成型应用不同滤波器观察频谱特性变化编码调制实现基本的线路编码如NRZ、Manchester等波形分析使用示波器和频谱仪观察信号特性基带信号是未经调制的原始信息信号，在通信系统中起着至关重要的作用本实验中，学生将学习如何产生不同类型的基带信号，包括确定性信号（如正弦波、方波）和随机信号（如伪随机二进制序列）实验还将介绍各种线路编码技术，如不归零码（NRZ）、曼彻斯特编码等，以及它们的频谱特性和抗干扰能力通过示波器和频谱分析仪，学生可以直观地观察信号的时域和频域特性，加深对基带信号处理原理的理解这些基础知识对于后续的调制解调技术学习至关重要模拟调制技术实验数字调制技术实验幅移键控ASK频移键控FSK相移键控PSKASK调制将数字信息映射为载波的不同幅FSK调制使用不同频率的载波表示不同的PSK调制通过改变载波的相位来传输数字度状态在本实验中，学生将实现二进制数字状态实验中，学生将配置FSK调制信息在实验中，学生将实现BPSK和ASK调制，通过观察时域波形和频谱，了器的频偏参数，观察其对带宽和抗干扰能QPSK调制，观察其星座图和眼图，分析相解ASK的带宽特性和抗噪声性能实验还力的影响通过实际测量，比较FSK与位噪声和定时偏移对PSK系统性能的影将分析ASK在不同信噪比条件下的误码率ASK在各种信道条件下的性能差异响实验还将演示相干解调和非相干解调表现的实现方法及性能差异多径与抗干扰实验多径环境建模通过实验设备模拟不同的多径环境，包括城市、郊区和室内场景模型中包含直射路径和多条反射路径，每条路径都有特定的时延、衰减和相位变化学生将了解功率延迟谱的概念及其在信道特性分析中的应用多径效应观察在模拟的多径环境中传输各种调制信号，使用示波器和频谱分析仪观察多径效应导致的信号失真，包括符号间干扰和频率选择性衰落学生将测量并记录不同条件下的信号质量参数，如误码率和信噪比抗多径技术应用实验各种抗多径技术的效果，包括均衡器、扩频技术和OFDM通过对比使用这些技术前后的系统性能，学生可以深入理解每种技术的工作原理和适用条件实验还将探讨分集接收技术在抵抗多径衰落中的作用抗干扰设计分析在存在各种干扰（如窄带干扰、同频干扰和脉冲干扰）的环境中测试通信系统性能，评估不同抗干扰技术的效果学生将学习如何设计和优化滤波器、编码方案和适应性算法，以提高系统在恶劣环境中的可靠性无线信道模拟实验路径损耗模型阴影与快衰落模拟实验中使用的路径损耗模型包括自由空间模型、对数距离模型和实验设备能够模拟阴影衰落和快衰落效应阴影衰落通常用对数Okumura-Hata模型学生将通过调整模型参数，模拟不同环境正态分布描述，表示大尺度障碍物造成的信号强度变化；快衰落（城市、郊区、开放区域）下的路径损耗特性则使用瑞利分布或莱斯分布，代表多径效应导致的快速信号波动通过实验，学生可以理解不同频率、距离和环境因素对信号传播的影响，学会预测给定条件下的信号覆盖范围和强度这些知识学生将观察不同衰落条件下的信号特性，测量关键统计参数如平对于无线网络规划和优化至关重要均衰落深度、电平交叉率和衰落持续时间等这些实验有助于理解无线信道的随机性质及其对通信系统性能的影响天线参数与测试辐射方向图测量使用专用旋转平台和场强测量设备，测量各种天线的辐射方向图实验中将测试全向天线、偶极天线、八木天线等不同类型天线的水平面和垂直面辐射特性，绘制2D和3D辐射图通过分析方向图，学生可以理解天线定向性的概念及其应用天线增益测定采用标准增益法和比较法测量天线增益实验将使用已知增益的参考天线作为标准，通过测量接收功率的比值，计算待测天线的增益学生将学习天线增益与方向性、辐射效率的关系，以及增益对通信距离的影响输入阻抗与匹配使用矢量网络分析仪测量天线的输入阻抗和驻波比实验中将观察天线在不同频率下的阻抗变化，以及匹配不良对信号传输的影响学生还将设计和测试简单的匹配网络，优化天线系统的功率传输效率工作带宽测试测定各种天线的工作带宽，包括阻抗带宽和方向图带宽实验中将分析频率变化对天线特性的影响，理解宽带天线和窄带天线的设计差异学生将了解现代通信系统中多频段和宽带天线的应用需求系统实验MIMO多天线部署信道矩阵估计配置2×2或4×4MIMO系统的天线阵列，测试使用导频信号估计MIMO信道矩阵，并分析天线间距和排列方式对性能的影响其特征值分布检测算法比较空间复用实现比较零强制ZF、最小均方误差MMSE和最实现空间复用技术，通过多个空间流并行传大似然ML等检测算法的性能输数据MIMO多输入多输出技术是现代无线通信系统提高频谱效率和可靠性的关键技术通过在发射端和接收端使用多个天线，MIMO系统可以创建多个独立的空间信道，实现空间复用或空间分集本实验将帮助学生理解MIMO技术的基本原理和实现方法实验中，学生将学习MIMO系统中的关键技术，如信道估计、空间复用、分集合并和空时编码等通过比较不同配置和算法下的系统性能，学生可以深入理解MIMO技术在不同信道条件下的优势和局限性这些知识对于理解4G、5G等现代通信系统至关重要扩频通信原理及实验直接序列扩频DSSS跳频扩频FHSSDSSS技术通过使用伪随机码序列将信息信号展开到更宽的频FHSS技术通过按照预定的伪随机序列快速改变载波频率，实现带，提高抗干扰能力和保密性在本实验中，学生将实现基本的频谱扩展本实验部分将让学生设计和实现一个基本的FHSS系DSSS系统，包括扩频码生成、调制和解扩统，包括跳频图案生成和同步机制实验内容包括观察扩频前后的信号频谱变化，测量处理增益，以学生将观察FHSS信号的时频特性，测试不同跳频速率和跳频带及评估DSSS系统在各种干扰条件下的性能学生还将探讨扩频宽下的系统性能，并评估FHSS技术在频率选择性干扰环境中的码长度和芯片率对系统性能的影响优势实验还将比较FHSS与DSSS在各种应用场景中的适用性无线局域网实验信号覆盖与性能使用不同位置与障碍测量信号强度和数据率变化安全机制配置实现并测试WEP、WPA和WPA2等不同安全机制信道干扰分析3研究相邻信道干扰和共存问题协议分析与优化4使用协议分析仪观察WLAN帧结构和网络性能无线局域网WLAN实验旨在帮助学生深入理解IEEE

802.11系列标准及其实际应用学生将学习WLAN的基本架构、物理层和MAC层协议，以及各种网络配置和优化技术实验中将使用商用无线路由器、接入点和网卡，构建基本的无线网络环境通过实际测量和分析，学生将了解影响WLAN性能的各种因素，包括信道分配、发射功率、天线配置和干扰源等实验还将涵盖漫游机制、服务质量QoS配置和网络故障排除等高级主题，培养学生的实际网络规划和优化能力蓝牙通信实验设备发现与查询实现蓝牙设备的搜索、识别和基本信息获取过程配对与连接完成设备间的安全配对和连接建立，包括PIN码验证和安全密钥交换配置文件选择配置并测试不同的蓝牙应用配置文件，如SPP、HFP、A2DP等数据传输测试实现设备间的数据交换，并测量不同条件下的吞吐量和延迟蓝牙技术是最为广泛应用的短距离无线通信技术之一，本实验将帮助学生掌握蓝牙通信的基本原理和应用方法实验涵盖经典蓝牙和低功耗蓝牙BLE两种技术，学生将了解它们的协议栈结构、工作模式和性能特点在实验中，学生将使用开发板或智能设备实现基本的蓝牙通信功能，测量不同距离和障碍条件下的通信性能实验还将探讨蓝牙技术在物联网、可穿戴设备和智能家居等领域的应用场景，帮助学生理解蓝牙技术的优势和局限性物联网相关实验无线传感器网络LoRa技术实验NB-IoT实验无线传感器网络WSN是物联网的重要组LoRa是一种低功耗广域网技术，适用于需窄带物联网NB-IoT是基于蜂窝网络的低成部分在这部分实验中，学生将使用要长距离、低功耗通信的物联网应用本功耗广域网技术在这部分实验中，学生ZigBee或IEEE

802.

15.4通信模块构建简单实验将让学生配置LoRa终端节点和网关，将使用NB-IoT开发板接入运营商网络，实的传感器网络，实现数据采集和传输实测试不同扩频因子和编码率下的通信距离现数据上传和下发实验内容包括AT指令验内容包括网络拓扑配置、路由协议测试和可靠性学生还将探讨LoRaWAN协议的配置、PSM/eDRX节能模式测试和与云平和功耗优化等特点和应用场景台的对接等通信安全与加密实验基本加密技术本部分实验介绍无线通信中常用的加密技术原理，包括对称加密AES、RC4和非对称加密RSA学生将通过编程或使用工具实现这些算法，观察加密过程和密文特性实验还将分析不同密钥长度和加密模式对安全性和性能的影响无线认证机制认证是确保通信双方身份的关键机制实验将演示基于密码、证书和生物特征的多种认证方式，实现WPA2-PSK、WPA2-Enterprise等安全机制学生将学习认证过程中的消息交换流程，并探讨如何防范中间人攻击等安全威胁数据完整性保护数据完整性确保信息在传输过程中不被篡改本实验将实现和测试各种散列算法MD

5、SHA和消息认证码HMAC，验证它们在防止数据篡改方面的有效性学生还将学习数字签名的概念和应用，了解其在安全通信中的重要作用常见攻击与防护了解潜在威胁是实现安全通信的基础实验将在受控环境中模拟干扰攻击、重放攻击和密码破解等常见安全威胁，并测试各种防护措施的有效性通过这些实践，学生将建立安全意识，掌握基本的通信安全保障技能实验设备总览本实验室配备了全面的无线通信实验设备，满足基础教学和科研需求核心设备包括通用软件无线电平台USRP，支持从HF到5GHz的频段，可实现各种无线通信系统的软件定义实现矢量信号发生器和矢量信号分析仪用于产生和分析复杂的调制信号，支持至少100MHz的分析带宽专用的无线通信实验箱集成了基本的射频收发电路、调制解调单元和数字处理模块，支持模拟和数字调制实验针对特定应用的设备还包括WLAN测试仪、蓝牙分析仪和物联网开发平台等实验室还配备了全套的测量仪器，包括示波器、频谱分析仪、网络分析仪和功率计等，确保实验数据的准确采集仪器仪表介绍数字示波器频谱分析仪信号发生器用于观察信号的时域特性，包括波用于观察信号的频域特性，测量频用于产生各种测试信号，包括正弦形、幅度、频率和相位等参数实谱分布、带宽和功率等参数实验波、方波、脉冲和调制信号等实验室配备的数字示波器具有至少室的频谱分析仪覆盖9kHz至6GHz频验室配备的射频信号发生器能够产500MHz带宽和5GSa/s采样率，支率范围，分辨带宽可调，具有高动生高达6GHz的载波，支持多种模拟持FFT频谱分析和各种触发功能使态范围使用频谱分析仪时，需要和数字调制方式使用信号发生器用示波器时，需注意正确设置触发正确设置中心频率、扫宽、分辨带时，需注意输出功率的设置，避免条件、时基和垂直灵敏度，以获得宽和参考电平，以准确捕捉信号特超过连接设备的最大输入电平稳定清晰的波形显示征网络分析仪用于测量网络参数，如反射系数、阻抗和传输特性等实验室的矢量网络分析仪支持S参数测量，频率范围覆盖300kHz至6GHz使用网络分析仪前需进行校准，消除测试线缆和连接器的影响，确保测量精度软件平台与仿真工具MATLAB/Simulink LabVIEWMATLAB是无线通信研究和教学中最常用的数值计算和仿真平台LabVIEW是一种图形化编程环境，特别适合于仪器控制和数据采之一实验室使用的MATLAB通信工具箱提供了调制、编码、信集实验室使用的LabVIEW通信模块提供了丰富的通信系统分析道模型等功能模块，方便快速构建通信系统模型功能，支持与各种测量仪器的集成Simulink提供图形化的系统建模界面，支持通过组合不同的功能通过LabVIEW，学生可以构建交互式的虚拟仪器面板，实现对实模块来构建复杂的通信系统通过MATLAB和Simulink，学生可验过程的实时控制和监测LabVIEW的数据可视化功能也有助于以深入了解系统内部工作原理，进行参数优化和性能分析实验学生理解复杂的通信现象某些实验将采用LabVIEW编写的专用中的许多仿真任务将使用这一平台完成程序来进行数据采集和处理实验室安全规范一般安全要求进入实验室前，必须了解实验室的安全出口位置和消防设备使用方法实验过程中应注意用电安全，不得擅自拆卸或改装设备电源使用设备前应检查电源线和连接器的完好状态，发现异常应立即报告射频安全事项使用高功率射频设备时，应注意避免长时间暴露在强射频场中测试天线应正确安装在指定位置，发射功率不得超过安全限值不使用的射频设备应及时关闭，减少不必要的电磁辐射设备保护措施连接或断开设备前，应确保相关设备处于关闭状态使用精密仪器时，应避免强烈振动和碰撞贵重设备使用完毕后应按规定程序关机，并填写使用记录如发现设备故障，应立即停止使用并报告应急处理流程遇到紧急情况如设备冒烟、起火等，应立即切断电源并使用合适的灭火设备如有人员受伤，应根据伤情采取适当的急救措施并呼叫紧急医疗服务每次实验结束后，应检查设备是否关闭，确保实验室安全实验一收发信机调试步骤硬件连接配置首先，按照实验指导书上的连接图，正确连接收发信机模块、天线、电源和测试设备确保所有连接牢固，接口清洁无损特别注意射频连接器的扭矩，避免过紧或过松信号路径的电缆应尽量短，减少不必要的损耗完成连接后，进行目视检查，确认所有器件位置正确参数设置与校准打开设备电源，等待系统自检完成根据实验要求，设置工作频率、发射功率、调制方式和数据速率等参数使用校准功能或校准设备对收发信机进行基本校准，包括频率准确度、输出功率和本振泄漏等参数对于数字调制系统，还需校准IQ平衡和相位误差，确保调制质量回环测试验证在本地进行回环测试，验证收发信机的基本功能可使用射频衰减器连接发射端和接收端，模拟信号传输路径发送测试序列或图案，在接收端验证数据完整性调整接收机增益和检测阈值，找到最佳工作点观察和记录关键测试点的信号波形，确认各级电路工作正常实际通信测试最后，拆除回环连接，使用实际的无线信道进行通信测试根据实验要求调整发射机与接收机的距离和位置，测试不同条件下的通信性能记录信号强度、误码率和链路可靠性等指标进行对比实验，验证理论预测与实际结果的一致性完成测试后，按规定程序关闭设备并整理实验记录实验一调试现象及结果正常通信现象常见故障分析当收发信机工作正常时，可以观察到以下现象发射机输出端的本部分总结了实验中可能遇到的典型问题及解决方法射频信号波形完整，频谱分布符合预期；接收机解调后的基带信•无输出信号检查电源连接、开关状态和信号路径号清晰，眼图开口度良好；误码率低于预设阈值（通常为10^-3•信号幅度异常检查增益设置、衰减器状态和阻抗匹配以下）；系统响应迅速，延迟在可接受范围内•频谱杂散过多检查本振泄漏、谐波抑制和混频产物测试数据传输时，接收端能够正确显示或处理发送的信息，如文•调制信号失真检查IQ不平衡、相位误差和线性度本、音频或图像数据这些都表明收发信系统各部分工作协调，能够实现可靠的无线通信•误码率过高检查信噪比、同步状态和干扰源•系统不稳定检查温度影响、电源稳定性和接触情况实验二基本调制实验流程信号源设置配置信号源产生1kHz正弦波作为调制信号，振幅1Vpp载波源配置设置射频信号源产生1MHz正弦载波，功率适中调制器连接将调制信号和载波信号连接到相应调制器输入端调制度调整调节调制深度/频偏/相位偏移，观察调制效果解调设置连接解调器，调整参数以获得最佳解调效果基本调制实验是理解无线通信原理的关键步骤在本实验中，学生将亲自实现和观察幅度调制AM、频率调制FM和相位调制PM的基本过程通过手动调整调制参数，学生可以深入理解调制深度、频偏等参数对调制信号特性的影响实验中使用示波器观察时域波形变化，用频谱分析仪观察频谱分布特征对于AM信号，学生将观察边带产生和载波抑制的现象；对于FM信号，则关注频谱展宽和贝塞尔函数分布；对于PM信号，则分析其与FM的相似性和差异这些观察将帮助学生建立调制理论与实际信号之间的联系实验二数据采集及分析实验三数字调制解调实验步骤基带信号配置配置伪随机二进制序列PRBS发生器，设置适当的码元速率典型值为1Mbps选择数据编码方式，如NRZ或曼彻斯特编码调整基带信号的幅度和偏置，确保信号在调制器的线性工作区域内对于多电平调制，配置星座映射表，将比特流映射为符号调制器参数设置2根据实验要求，选择相应的数字调制方式ASK、FSK、BPSK、QPSK或QAM设置载波频率通常为70MHz或

2.4GHz和功率电平对于ASK，设置调制深度；对于FSK，设置频偏；对于PSK/QAM，调整IQ平衡和滤波参数完成调制器校准，确保输出信号质量信道模型配置3设置信道衰减器，模拟空间传播损耗添加白噪声，调节信噪比至预定值如0dB、5dB、10dB等对于高级实验，可配置多径信道或干扰源记录各种信道参数，为后续分析提供依据必要时使用信道估计技术，测量实际信道状况解调器优化4调整接收机增益，保持信号在适当电平完成载波同步和定时恢复，确保解调器正确锁定对于相干解调，优化相位跟踪环路参数；对于非相干解调，调整检测阈值配置均衡器参数，减少符号间干扰设置解调后的数据处理流程，准备进行误码统计性能测试与分析使用误码率测试仪，测量不同信噪比下的误码率记录解调信号的星座图和眼图，评估信号质量分析实测结果与理论预期的差异，找出主要误差来源改变系统参数如滤波器类型、符号速率等，观察对性能的影响完成各种调制方式的对比实验，总结各自的优缺点实验三典型误码分析噪声引起的误码通道加性高斯白噪声是导致误码的最主要因素噪声在接收端叠加到有用信号上，使判决器难以正确识别原始符号实验中观察到，随着信噪比的降低，星座点的散布范围增大，导致误码率上升对于不同的调制方式，抗噪声能力各异BPSK最强，其次是QPSK，而16QAM等高阶调制则最易受噪声影响定时误差影响定时恢复不精确会导致在非最佳时刻进行采样，使接收信号的眼图闭合实验中通过调整采样相位，可以观察到误码率随采样时刻的变化当定时误差超过符号周期的15%时，误码率显著增加改善定时恢复可通过增加上采样率、使用更高性能的锁相环或采用数据辅助的定时恢复算法相位噪声问题本地振荡器的相位噪声会导致解调信号的相位抖动，对相位调制特别敏感在实验中，相位噪声表现为星座图上的圆弧状散布，而非理想的点状分布为降低相位噪声影响，可以使用更高质量的振荡器，或在接收端采用相位跟踪算法差分编码技术也可减轻相位噪声的影响，但会带来误码率的轻微增加非线性失真发射机功率放大器或接收机前端的非线性特性会导致信号失真在实验中，这种失真表现为星座点向内或向外偏移，高阶调制受影响更严重具体表现为高幅度符号发生更多错误，星座图外围点压缩或扩张解决方法包括降低功率放大器的工作点，使用预失真技术，或采用具有较高线性度的放大器，尽管这可能降低功率效率实验四多径信道仿真实验流程2-80-5μs多径数量时延扩展可配置的多径分量数，模拟不同复杂度的多径环境可调节的多径时延范围，对应不同的信道记忆长度0-40dB0-100Hz功率衰减多普勒频移各路径信号的相对功率衰减，影响接收信号质量可设置的最大多普勒频移，模拟移动环境的影响多径信道仿真实验旨在帮助学生理解无线通信中的多径传播现象及其影响实验使用专用的信道仿真器，能够精确模拟各种多径环境，包括室内、城市、郊区和开阔地区等场景学生可以观察多径效应导致的频率选择性衰落和时间选择性衰落，以及它们对通信系统性能的影响实验流程包括配置多径信道参数、传输测试信号、观测接收信号特性、测量误码率性能，以及评估各种抗多径技术的效果学生将实践使用均衡器、OFDM和扩频等抗多径技术，比较它们在不同多径环境下的性能优劣这些实验经验对于理解现代无线通信系统的设计原理至关重要实验五天线增益测量步骤测量环境准备天线增益测量应在电波暗室或开阔场地进行，减少环境反射和干扰首先检查暗室状态，确保吸波材料完好准备测量设备，包括信号源、功率计、频谱分析仪和天线转台设置适当的测试距离，确保在远场区域（通常要求距离大于2D²/λ，其中D为天线最大尺寸，λ为波长）校准所有测量设备，建立准确的参考基准基准天线设置选择一个增益已知的标准天线作为参考标准天线应与被测天线工作在相同频段，且具有稳定可靠的性能将标准天线安装在发射端或接收端（取决于测量方法）调整天线方向，确保最大辐射方向对准接收点记录标准天线的精确参数，包括增益值、工作频率和极化方式等这些参数将用于后续计算中被测天线测量将被测天线替换标准天线，保持位置和方向不变在多个频点上测量接收功率，确保覆盖天线的整个工作频带对于方向性天线，还需要测量不同方向的辐射特性，绘制方向图测量时注意天线极化的一致性，避免极化损失对每个测量点重复多次测量，计算平均值，减少随机误差的影响数据处理与分析使用比较法计算被测天线的增益G被测=G标准+P被测,dBm-P标准,dBm分析测量不确定度，考虑设备精度、环境影响和操作误差等因素将测量结果与天线理论值或仿真结果进行对比，分析差异原因计算天线的其他参数，如半功率波束宽度、前后比和轴比等，全面评估天线性能最后，编写详细的测量报告，记录所有测量条件、结果和结论实验六实际组网实验WLAN接入点配置客户端连接配置无线路由器/接入点设置多种设备接入网络•设置SSID与信道•笔记本电脑接入•配置安全机制WPA2/WPA3•智能手机连接•设置IP地址分配方式•物联网设备添加•配置QoS参数•验证连接状态性能测试覆盖测试评估网络通信性能测量信号强度与质量•测量吞吐量与延迟•使用分析软件测量RSSI•评估多用户场景•绘制覆盖热力图•测试漫游性能•识别盲区与重叠区•压力测试网络容量•测试不同环境影响实验六组网故障排查无线局域网组网过程中可能遇到多种故障，本节将介绍常见问题的诊断和解决方法首先是连接问题当设备无法连接到网络时，可能是由于认证失败、DHCP服务问题或信号覆盖不足通过检查安全设置、IP配置和进行信号强度测量可以确定具体原因信号干扰是影响WLAN性能的主要因素，特别是在

2.4GHz频段，邻近的无线网络、蓝牙设备和微波炉等都可能造成干扰对于性能问题，可以通过信道调整、功率控制和频段迁移从

2.4GHz迁移到5GHz等方式改善使用频谱分析仪可以直观地观察信道占用情况，辅助选择最佳信道对于覆盖问题，可以通过调整接入点位置、增加中继器或采用网状网络结构来改善网络安全问题则需要检查认证机制、加密方式和访问控制列表，确保网络免受未授权访问和数据窃听的威胁实验七蓝牙通信实验过程模块初始化上电并初始化蓝牙模块设备发现设置为可发现模式并扫描周围设备配对过程实现设备间安全配对与连接服务发现识别支持的蓝牙配置文件数据传输通过建立的连接实现数据交换蓝牙通信实验旨在让学生掌握蓝牙技术的基本工作原理和实际应用方法实验使用蓝牙开发板或模块，配合相应的开发环境，实现设备之间的无线连接和数据传输学生将学习蓝牙通信的基本流程，包括设备发现、配对认证、连接建立和数据交换等环节实验中还将探讨蓝牙技术的不同版本和工作模式，如经典蓝牙和低功耗蓝牙BLE的区别，以及各种蓝牙配置文件Profile的功能和使用方法通过测量不同距离、障碍物条件下的通信性能，学生可以了解蓝牙技术的适用范围和局限性实验还将涉及蓝牙安全机制，如配对过程中的密钥交换和数据加密方法，帮助学生理解无线通信中的安全问题实验八物联网节点组网流程节点硬件配置网络部署与初始化数据采集与传输物联网节点通常由微控制器、通信模块、传根据实验场景要求，在指定区域部署多个传编程实现传感器数据的采集、处理和传输功感器和电源单元组成本实验使用的节点集感器节点配置每个节点的网络参数，包括能设置适当的采样间隔和传输周期，平衡成了温湿度、光照和加速度等传感器，以及节点ID、工作频率、传输功率和数据速率数据实时性和能源消耗学生将学习数据压LoRa/ZigBee/Wi-Fi通信模块学生需要熟等对于特定的网络协议，如ZigBee，还需缩和聚合技术，减少传输数据量实验中还悉节点的硬件结构，掌握各模块的接口和工配置网络类型星型、树型或网状和节点角将探讨不同数据传输模式的特点和适用场作参数，能够进行基本的硬件组装和测试色协调器、路由器或终端设备完成初始景，如周期报告、事件触发和查询响应等模化后，验证各节点的唤醒和自检功能式实验报告撰写规范实验目的与原理清晰阐述实验目标、理论背景和关键技术点实验设备与环境详细记录使用的设备型号、软件版本和实验条件实验步骤与数据按时间顺序描述实验流程并记录所有原始数据结果分析与讨论深入分析数据，比较理论与实际，探讨误差原因结论与改进建议总结关键发现，提出实验和系统改进的具体建议实验报告是实验教学的重要组成部分，体现了学生的实验能力和理论理解水平一份优秀的实验报告应当逻辑清晰、数据完整、分析深入、结论明确报告中的图表应当规范美观，能够直观展示实验结果；文字描述应当准确简洁，使用专业术语和标准单位报告评分标准包括实验原理理解20%、实验操作描述15%、数据记录完整性20%、结果分析深度25%、结论与讨论质量15%、报告格式与规范性5%学生应避免常见错误，如数据记录不完整、分析流于表面、结论缺乏依据等鼓励学生在报告中加入自己的见解和创新想法，展示对实验内容的深入思考实验数据统计与处理基本统计分析高级数据处理实验数据处理首先要进行基本的统计分析，包括计算平均值、标无线通信实验中经常需要进行相关性分析，评估不同参数之间的准差、最大值和最小值等统计量对于多次重复测量的数据，应关系通过计算相关系数和绘制散点图，可以发现参数间的线性计算置信区间，评估测量的可靠性在Excel中，可以使用或非线性关联回归分析则可以建立参数间的定量关系，预测系AVERAGE、STDEV等函数快速完成这些计算统在不同条件下的性能数据的分布特性也是重要的分析内容通过绘制直方图和概率密频域分析是处理信号数据的重要工具使用快速傅里叶变换度函数，可以直观地观察数据的分布形态，判断是否符合正态分FFT可以将时域信号转换为频域表示，分析信号的频谱特性布或其他理论分布对于无线通信中的衰落现象，通常需要检验对于调制信号，频域分析可以评估带宽利用率、频谱泄露和谐波是否符合瑞利分布或莱斯分布抑制等性能指标MATLAB和LabVIEW都提供了强大的信号处理功能，支持复杂的频域和时频域分析典型误码率曲线分析性能测试关键指标性能指标定义测试方法典型值接收灵敏度在规定误码率下能接降低输入信号强度直-90~-110dBm收的最小信号功率至BER达到10⁻³邻道选择性抑制邻近频道干扰的测量邻道干扰功率与60~80dB能力主信号功率比动态范围可处理的最大与最小在保持线性度下测量80~100dB信号之比最大接收功率数据速率单位时间内传输的比测量固定数据量的传1~100Mbps特数输时间时延数据从发送到接收的测量环回测试中的往1~100ms时间间隔返时间无线通信系统性能测试涉及多种关键指标，全面评估通信质量和可靠性接收灵敏度决定了系统的覆盖范围，通常以达到特定误码率如BER=10⁻³所需的最小接收功率表示噪声系数则反映了接收机引入的额外噪声，直接影响系统灵敏度选择性是系统抵抗干扰的能力，包括邻道选择性和阻带衰减等指标在动态性能方面，捕获时间表示接收机锁定到信号所需的时间；频率稳定度反映本振频率的漂移程度；相位噪声则影响相干解调的性能吞吐量是实际数据传输能力的直接体现，受到调制方式、编码效率和协议开销的影响功耗和能效对移动设备尤为重要，通常以每比特能耗J/bit表示这些指标相互影响、相互制约，系统设计需要根据具体应用场景进行合理权衡实验教学创新案例信号实时分析15G创新点结合商用5G网络与教学平台，实现实时信号捕获与分析设备构成5G测试终端、宽带信号分析仪和专用软件平台实验内容5G信号特征分析、波束赋形效果观测和网络性能评估教学价值使学生直观了解最新通信技术，提高实践创新能力本创新实验将理论教学与前沿技术紧密结合，通过特殊设计的测试平台，允许学生捕获并分析真实的5G信号实验设备包括支持5G NR的专业信号分析仪、高性能天线阵列和定制的信号处理软件这些设备能够实时解调5G信号，显示资源块分配、调制方案和信道编码等关键参数实验中，学生将观察5G信号的时频资源分配特点，分析大规模MIMO波束赋形的实际效果，测量不同场景下的网络吞吐量和时延性能通过与4G LTE信号对比，直观理解新一代移动通信技术的进步这一创新实验填补了理论教学与实际应用之间的鸿沟，使学生能够接触并掌握最新的通信技术，为未来在5G领域的研究和工作打下坚实基础实验教学创新案例远距离通信2LoRa网关部署终端设计覆盖测试本创新实验在校园内战略位置部署LoRa网学生自主设计和构建LoRa终端节点，集成学生携带移动测试终端在校园及周边区域关，通常选择楼顶等高点，配备全向天线温湿度、GPS或光照等传感器终端采用进行实地测试，采集不同位置的信号强以获得最大覆盖范围网关通过以太网或超低功耗设计，配备太阳能电池或大容量度、误包率和连接质量数据通过GPS定4G连接到云服务器，实现数据的实时传输锂电池，实现长期无人维护运行实验要位和数据可视化技术，绘制详细的覆盖热和远程管理学生需要学习网关的安装流求学生掌握LoRa模块的编程接口、协议栈力图，分析地形、建筑物和植被对信号传程、天线定向和参数配置，理解网关在实现和低功耗技术，能够根据不同应用场播的影响这一过程帮助学生理解无线传LoRa网络中的核心作用景优化设备性能播理论与实际环境的关系实验教学创新案例无线定位技术实验3定位算法原理硬件系统构建1探讨三边测量、到达角度和指纹匹配等多种定位算设计基于UWB、WiFi或蓝牙的定位节点网络，构建法的数学模型实验平台系统部署校准精度性能测试在实验区域部署定位设备，建立参考点，进行系统在不同环境条件下测试定位精度、稳定性和实时性校准无线定位技术实验是一项综合性的创新实践项目，结合了无线通信、信号处理和位置服务等多个领域的知识实验采用多种无线技术，包括超宽带UWB、WiFi和蓝牙等，比较它们在室内定位中的性能差异UWB技术因其高时间分辨率，可提供厘米级定位精度；WiFi利用现有基础设施，实现方便但精度较低的定位；蓝牙特别是iBeacon技术，则适合于低功耗场景学生在实验中将系统地比较不同定位算法的优缺点，包括基于距离的三边测量法、基于角度的三角测量法、基于RSSI的指纹匹配法以及新兴的机器学习方法通过在不同环境下（如开阔空间、多室内隔断、人员密集区域）测试这些算法的表现，学生能够深入理解无线定位的挑战和解决方案实验还探讨了多传感器融合技术，如何结合惯性测量单元IMU提高定位精度和连续性总结与课程答疑教学内容回顾重点难点解析本课程系统讲解了无线通信的基本原理、关键技术和实验方法从电磁波无线通信中的重点和难点主要集中在信道特性分析、高阶调制技术和系统传播基础到现代无线通信应用，从基础调制技术到复杂通信系统，学生通性能优化等方面多径传播和衰落是影响系统性能的关键因素；数字调制过理论学习和实验操作，全面掌握了无线通信的核心知识和技能课程内中的时序同步和载波恢复是实现可靠通信的挑战；MIMO与空间复用技术容紧跟技术发展，涵盖5G、物联网等前沿技术则是提高频谱效率的关键课程通过精心设计的实验，帮助学生克服这些难点常见问题解答未来学习方向课程中学生常常关心调制方式选择的依据、天线增益的实际意义、信道编无线通信技术正在快速发展，建议学生关注6G技术研究、人工智能在通信码效率与冗余度的权衡等问题这些问题反映了理论与实践结合的重要中的应用、新型天线技术和太赫兹通信等前沿领域课程为学生提供了坚性教师通过案例分析和实验演示，帮助学生建立直观理解，并鼓励学生实的基础，使他们能够在这些新兴方向上继续深入学习和研究鼓励学生通过额外实验进一步探索感兴趣的主题参与科研项目，将课堂知识应用于实际问题解决。