多徑時變信道模型的仿真與性能分析

1、* 實踐教學(xué)*蘭州理工大學(xué)計算機(jī)與通信學(xué)院2013年春季學(xué)期通信系統(tǒng)仿真訓(xùn)練課程設(shè)計題 目：多徑時變信道模型的仿真與性能分析專業(yè)班級： 通信工程一班 姓 名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 成 績： 17摘要本次課程設(shè)計是對多徑時變信道模型的仿真與性能分析，多徑信道是指信道的路徑不止一條，接收端同時收到來自多條傳輸路徑的信號，其中接收信號包絡(luò)一般服從幾種典型分布，如瑞利分布、萊斯分布等。在本次設(shè)計中，專門針對服從瑞利分布的多徑信道進(jìn)行模擬仿真，信號經(jīng)多徑時變信道后，會產(chǎn)生衰落，其中衰落快慢取決于信道隨時間變化的快慢。本次課設(shè)主要是觀察單頻信號和數(shù)字信號經(jīng)多徑信道后接收信號的時域波形及頻譜變化。關(guān)鍵詞:

2、多徑; 時變信道; 衰落; 瑞利分布目錄一 多徑時變信道的基本原理11.1多徑傳播簡介11.2多徑時變信道基本模型11.3瑞利分布簡介21.4產(chǎn)生服從瑞利分布的路徑衰落21.5產(chǎn)生多徑延時3二 仿真框圖42.1多徑信道的仿真框圖42.2多徑信道的仿真簡介4三 仿真結(jié)果及結(jié)論分析53.1多徑信道對單頻信號的影響53.2多徑信道對數(shù)字信號的影響63.3結(jié)論分析10總結(jié)11參考文獻(xiàn)12附錄14致謝18一 多徑時變信道的基本原理1.1多徑傳播簡介無線電波是一種電磁波，其傳播的主要方式是空間波，即直射波、反射波、折射波、繞射波以及它們的合成波。當(dāng)無線電波遇到物體時，產(chǎn)生反射、折射和散射，而在電波傳播的過

3、程中會遇到不同的物體，因而會產(chǎn)生不同的發(fā)射、折射和散射，所以在任何一個接受點上均可能收到來自不同路徑的同源電磁波，這就是多徑傳播。接收端接收到的信號是直達(dá)波和多個反射波的合成。由于大氣折射是隨時間變化的，傳播路徑差也會隨時間和地形地物而變化。那么多徑信號如果同相，則相加；如果反相，則抵消。由此造成接收端接收信號幅度的變化即為衰落1。1.2多徑時變信道基本模型根據(jù)ITU-RM.1125標(biāo)準(zhǔn)，離散多徑時變信道模型為 (1-1)其中,復(fù)路徑衰落，服從瑞利分布; 是多徑時延。 多徑時變信道模型框圖如圖1-1所示：圖1-1 多徑時變信道模型框圖1.3瑞利分布簡介（1）環(huán)境條件：通常在離基站較遠(yuǎn)、反射物較

4、多的地區(qū)，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間沒有直射波路徑，存在大量反射波；到達(dá)接收天線的方向角隨機(jī)且在（02）均勻分布；各反射波的幅度和相位都統(tǒng)計獨立2。（2）幅度、相位的分布特性：包絡(luò) r 服從瑞利分布，在02內(nèi)服從均勻分布。瑞利分布的概率分布密度如圖1-2所示：圖1-2 瑞利分布的概率分布密度 1.4產(chǎn)生服從瑞利分布的路徑衰落利用窄帶高斯過程的特性，其振幅服從瑞利分布，即 （1-2）上式中，、分別為窄帶高斯過程的同相和正交支路的基帶信號。首先產(chǎn)生獨立的復(fù)高斯噪聲的樣本，并經(jīng)過FFT后形成頻域的樣本，然后與S（f）開方后的值相乘，以獲得滿足多普勒頻譜特性要求的信號，經(jīng)IFFT后變換成時域波形，再經(jīng)過平方，

5、將兩路的信號相加并進(jìn)行開方運算后，形成瑞利衰落的信號r(t)。如下圖1-2所示:圖1-2 瑞利衰落的產(chǎn)生示意圖其中， （1-3）1.5產(chǎn)生多徑延時多徑延時參數(shù)如表1-1所示：表1-1 多徑延時參數(shù)路徑相對時延 (ns)平均功率 (dB)1002310-1.03710-9.041 090-10.051 730-15.062 510-20.0二 仿真框圖2.1多徑信道的仿真框圖 根據(jù)多徑衰落信道模型（見圖1-1），利用瑞利分布的路徑衰落r(t)（見圖1-3）和多徑延時參數(shù)（見表1-1），我們可以得到多徑信道的仿真框圖3，如圖2-1所示:圖2-1 多徑信道的仿真框圖2.2多徑信道的仿真簡介多徑信道是

6、指信道的路徑不止一條，接收端同時收到來自多條傳輸路徑的信號，本次多徑信道主要簡要介紹了多徑時變信道的基本概念、特點、分類及理論知識,并推導(dǎo)了典型的衰落信道的基礎(chǔ)上，針對無線信道中信號傳輸環(huán)境的復(fù)雜性和隨機(jī)性，結(jié)合MATLAB軟件運用數(shù)字信號處理方法仿真分析了無線信道中信號受多徑干擾的情況，并與理想信道下信號的傳輸情況進(jìn)行對比。最終得出結(jié)論：無線信道中多徑衰落會對信號造成很大的影響，對衰落信道的仿真至關(guān)重要。三 仿真結(jié)果及結(jié)論分析3.1多徑信道對單頻信號的影響設(shè)一個幅度為 1，頻率為10Hz 的單頻信號經(jīng)過6條路徑傳輸?shù)玫降牟ㄐ渭邦l譜，這6條路徑的衰減相同，但時延的大小隨時間變化，每徑的時延變化

7、規(guī)律為正弦型，變化的頻率從02Hz 隨機(jī)均勻抽取。用matlab 進(jìn)行時域和頻域的對比分析4。其仿真代碼見附錄1，仿真結(jié)果如圖3-1和3-2所示：圖 3-1原始信號和經(jīng)過多徑信道接收信號的時域圖圖3-2原始信號和經(jīng)過多徑信道接收信號的頻譜圖由時域波形圖可知，單頻信號經(jīng)過多徑信道后，接收信號的包絡(luò)隨時間隨機(jī)起伏；由頻譜圖看出，單頻信號的頻譜為兩個沖擊，而多徑傳輸后頻譜變?yōu)橐粋€窄帶頻譜。 在多徑傳播的隨參信道中，衰耗是恒定的，然而時延是隨機(jī)變化的，因此接收到的信號便是各路徑時延隨時間變化的各路徑的合成。因為隨機(jī)時延的存在，導(dǎo)致了包絡(luò)的起伏，同時時延誤差導(dǎo)致了頻率上出現(xiàn)一系列頻率間隔，形成

8、如上的頻譜圖。3.2多徑信道對數(shù)字信號的影響設(shè)有一6徑傳輸?shù)男诺?（3-1）其參數(shù)如下：=0.5,0.707,0.5,0.707,0.5,0.707;(i=1,2,3,4,5,6) 的值見表1-15。用matlab畫出信道的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)如圖3-3所示：圖3-3 幅頻和相頻特性從圖3-3可以得出，因為采用的是多徑信道對信號進(jìn)行傳輸，所以信道的幅頻特性不為常數(shù)，對一些頻率的信號成分衰減比較大，對一些頻率的信號衰減比較小，即會對輸入的信號產(chǎn)生了一定的影響，也就是說信道具有頻率選擇性。設(shè)信道輸入信號為（3-2）畫輸出信號波形。同相的輸入信號，改變后畫出波形并比較。圖3-4 Ts=1時的輸入信號和

9、輸出信號的時域圖 圖3-5 Ts=1時的輸入信號和輸出信號的頻譜圖圖3-6 Ts=8時的輸入信號和輸出信號的時域圖圖3-7 Ts=8時的輸入信號和輸出信號的頻譜圖3.3結(jié)論分析單頻信號經(jīng)過多徑信道后，接收信號的包絡(luò)隨時間隨機(jī)起伏；由頻譜圖看出，單頻信號的頻譜為兩個沖擊，而多徑傳輸后頻譜變?yōu)橐粋€窄帶頻譜。主要原因是在多徑傳播的隨參信道中，會產(chǎn)生頻率彌散，衰耗是恒定的，然而時延是隨機(jī)變化的，因此接收到的信號便是各路徑時延隨時間變化的各路徑的合成。因為隨機(jī)時延的存在，導(dǎo)致了包絡(luò)的起伏，同時時延誤差導(dǎo)致了頻率上出現(xiàn)一系列頻率間隔。隨著碼元間隔Ts的增大，輸出信號波形與輸入信號波形越接近。因為信道幅頻特

10、性不理想，會造成輸入信號失真，針對數(shù)字信號主要體現(xiàn)為碼間干擾。由于各徑時延差不同，通過各路徑的信號衰減不同，信號經(jīng)過多徑后形成碼間干擾。當(dāng)信號的碼元間隔Ts遠(yuǎn)大于多徑間的最大時延差（=2）時，信號經(jīng)過多徑后所產(chǎn)生的碼間干擾不明顯。總結(jié)本次課程設(shè)計是對多徑時變信道模型的仿真與性能分析，多徑信道是指信道的路徑不止一條，接收端同時收到來自多條傳輸路徑的信號，其中接收信號包絡(luò)一般服從幾種典型分布，如瑞利分布、萊斯分布分布。在本次設(shè)計中，專門針對服從瑞利分布的多徑信道進(jìn)行模擬仿真，信號經(jīng)多徑時變信道后，會產(chǎn)生衰落，其中衰落快慢取決于信道隨時間變化的快慢。本次課設(shè)主要是觀察單頻信號和數(shù)字信號經(jīng)多徑信道后接

11、收信號的時域波形及頻譜變化。單頻信號經(jīng)過多徑信道后，接收信號的包絡(luò)隨時間隨機(jī)起伏，單頻信號的頻譜為兩個沖擊，而多徑傳輸后頻譜變?yōu)橐粋€窄帶頻譜。主要原因是在多徑傳播的隨參信道中，衰耗是恒定的，然而時延是隨機(jī)變化的，因此接收到的信號便是各路徑時延隨時間變化的各路徑的合成。因為隨機(jī)時延的存在，導(dǎo)致了包絡(luò)的起伏，同時時延誤差導(dǎo)致了頻率上出現(xiàn)一系列頻率間隔。數(shù)字信號隨著碼元間隔的增大，輸出信號波形與輸入信號波形越接近。因為信道幅頻特性不理想，會造成輸入信號失真，針對數(shù)字信號主要體現(xiàn)為碼間干擾。由于各徑時延差不同，通過各路徑的信號衰減不同，信號經(jīng)過多徑后形成碼間干擾。當(dāng)信號的碼元間隔遠(yuǎn)大于多徑間的最大時延

12、差時，信號經(jīng)過多徑后所產(chǎn)生的碼間干擾不明顯。參考文獻(xiàn)1鄔正義,范瑜，徐惠鋼.現(xiàn)代無線通信技術(shù).北京：高等教育出版社，2006:5-18 2樊昌信，曹麗娜.通信原理（第六版）.北京:國防工業(yè)出版社,2008：65-833孫祥，徐流美，吳清.MATLAB 7.0基礎(chǔ)教程.北京：清華大學(xué)出版社,2004:52-604李建新.現(xiàn)代通信系統(tǒng)分析與仿真-MATLAB 通信工具箱.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2000：101-1245唐向宏，岳恒立，鄧雪峰.MATLAB及在電子信息類課程中的應(yīng)用.北京：電子工業(yè)出版社,2006:113-121附錄附錄1：%單頻信號的仿真程序f0=10;a0=1;m=6;a

13、1=0.9;%初值t=0:0.001:2;r=rand(1,10)*2;%時延的隨機(jī)抽取si=a0*cos(2*pi*f0*t);%單頻信號s=0;for i=1:m tao=abs(sin(2*pi*r(i)*t); s0=a1*cos(2*pi*f0*(t-tao); s=s+s0;end%接收信號s=sum(s);s0f=fft(si);sf=fft(s);%傅里葉變換figure(1)subplot(2,1,1)plot(t,si);xlabel('t');ylabel('si');title('單頻信號');%單頻輸入信號時域波形sub

14、plot(2,1,2)plot(t,s);xlabel('t');ylabel('s');title('多徑信道接收信號');%接收信號時域波形figure(2)subplot(2,1,1)plot(abs(s0f);axis(0 200 0 800);xlabel('f');ylabel('s0f');title('單頻信號頻譜');%單頻信號頻譜subplot(2,1,2)plot(abs(sf);xlabel('f');axis(0 200 0 800);ylabel('

15、;sf');title('多徑信道后信號頻譜');%多徑傳輸后接受頻譜附錄2%數(shù)字信號仿真程序f=-2:0.01:2;h1=0.5*exp(-j*2*pi*f*0);h2=0.707*exp(-j*2*pi*f*1);h3=0.5*exp(-j*2*pi*f*2);h4=0.5*exp(-j*2*pi*f*3);h5=0.707*exp(-j*2*pi*f*4);h6=0.5*exp(-j*2*pi*f*5);h=h1+h2+h3+h4+h5+h6;subplot(2,1,1);plot(f,h);title('幅頻特性');grid on;axis(0

16、 2 -0.5 4);subplot(2,1,2);plot(f,angle(h)/pi);axis(0 2 -1 1);grid on;title('相頻特性');TS=1;clc;clear all;a = rand(1,1000)<0.5;sample=8; %每個碼元的抽樣點數(shù)Ts=1 ;dt=1/sample; %抽樣時間間隔f=-2:0.01:1.99;N=100 ; %碼元數(shù)t=0:dt:(N*sample-1)*Ts*dt;bt=0;for i=1:1000 bt=bt+a(i)*(t>0+i*Ts)-(t>Ts+i*Ts);endst=0.5

17、*bt+0.707*zeros(1,sample),bt(1:length(t)-sample)+0.5*zeros(1,2*sample),bt(1:length(t)-2*sample);figure(1);subplot(2,1,1);plot(t,bt,'LineWidth',2);title('輸入信號');grid on;axis(0 40 -0.5 1.5);subplot(2,1,2);plot(t,st,'LineWidth',2);title('輸出信號');grid on;axis(0 40 -0.5 2);SF1=abs(fft(bt,1024);figure(2);subplot(2,1,1);plot(SF1/10,'LineWidth',2);axis(0 200 0 60);title('輸入信號的幅度譜');grid on;subplot(2,1,2);SF2=abs(fft(st,1024);plot(SF2/1