實(shí)驗(yàn)2 多徑衰落信道

1、 本科學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué)號(hào) 114090389 姓名 簡(jiǎn)安文 學(xué)院 物電學(xué)院 專業(yè)、班級(jí) 11電子 實(shí)驗(yàn)課程名稱 現(xiàn)代通信原理實(shí)驗(yàn) 教師及職稱 金爭(zhēng) 開(kāi)課學(xué)期 2013 至 2014學(xué)年 下 學(xué)期 填報(bào)時(shí)間 2014 年 05 月 18 日云南師范大學(xué)教務(wù)處編印實(shí)驗(yàn)序號(hào)實(shí)驗(yàn)二實(shí)驗(yàn)名稱多徑衰落信道實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)時(shí)間2014-05-17實(shí)驗(yàn)室同析樓 三棟111一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.1認(rèn)識(shí)Matlab/Simulink的基本功能。1.2理解無(wú)線多徑衰落信道的特征及其產(chǎn)生機(jī)理。1.3觀察恒定包絡(luò)信號(hào)通過(guò)多徑衰落信道后的信號(hào)幅值，加深對(duì)多徑衰落信道的認(rèn)識(shí)和理解。2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容2.1在本仿真模型中改變信宿的移動(dòng)速度、載波頻率

2、來(lái)觀察仿真結(jié)果的變化。2.2將輸入信號(hào)改為隨機(jī)二進(jìn)制數(shù)據(jù)碼元序列，觀察信道的輸出信號(hào)。2.3在本仿真模型基礎(chǔ)上，添加一個(gè)直達(dá)波來(lái)仿真萊斯多徑衰落信道，觀察信道的輸出信號(hào)。三實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料3.1 Windows XP/Windows 73.2 Matlab R2011b四實(shí)驗(yàn)原理4.1 多徑衰落信道模型多徑衰落信道模型假設(shè)，信宿接收的信號(hào)是發(fā)送信號(hào)經(jīng)過(guò)多條路徑傳輸后信號(hào)的疊加結(jié)果。其中每條傳輸路徑信號(hào)具有獨(dú)立的信號(hào)幅度、延遲。因此，接收信號(hào)可表示為 (1)式中，n對(duì)應(yīng)第n條路徑；g(t)為信號(hào)包絡(luò)；為第n條路徑在t時(shí)刻的延遲；為載波角頻率，表示接收信號(hào)的等效基帶信號(hào)，記為Z(t)，試驗(yàn)中對(duì)該信號(hào)

3、進(jìn)行仿真。4.2 簡(jiǎn)化模型下面對(duì)式(1)的模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，并對(duì)該簡(jiǎn)化模型進(jìn)行仿真。實(shí)驗(yàn)?zāi)康膬H僅是觀察多路徑衰落對(duì)信號(hào)幅度的影響，而與具體信號(hào)無(wú)關(guān)，所以可以假設(shè)發(fā)送的是等幅載波信號(hào)，即g(t)=1，則Z(t)簡(jiǎn)化為 (2)在一個(gè)較短時(shí)間內(nèi)基本不發(fā)生變化，可假設(shè)其為常數(shù)，即，下面討論。假設(shè)的變化主要由信宿的移動(dòng)引起，那么在時(shí)刻附近，對(duì)可做如下近似： (3)式中，v為時(shí)刻信宿的移動(dòng)速度；為第n條路徑信號(hào)時(shí)刻信宿的入射角；c為光速；為第n條路徑長(zhǎng)度隨時(shí)間變化的斜率；為路徑n的時(shí)間延遲相對(duì)于時(shí)刻的變化，那么 (4)式中，=，為最大多普勒頻移；=，對(duì)應(yīng)時(shí)刻的初始相位。綜合上述簡(jiǎn)化，可以得到 (5)在假設(shè)反射

4、路徑均勻分布的情況下，和均為上的均勻分布隨機(jī)變量。另外對(duì)于，處于簡(jiǎn)化考慮假設(shè)其為01的均勻分布。各條傳輸路徑的、和是獨(dú)立的，與其他傳輸路徑不相關(guān)。3. 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì) 本實(shí)驗(yàn)的仿真模型文件名是multipath_fading.mdl，打開(kāi)該文件可以看到如圖1所示的仿真模型結(jié)構(gòu)。整個(gè)仿真系統(tǒng)可以分為三個(gè)主要的部分：第一部分在圖1的左部，主要完成最大多普勒頻移的計(jì)算、時(shí)間t的計(jì)算和產(chǎn)生輸入信號(hào)；第二部分是傳輸路徑的計(jì)算，仿真了總共40條獨(dú)立傳輸路徑；第三部分將40條傳輸路徑的信號(hào)進(jìn)行累加，并統(tǒng)計(jì)總的信號(hào)幅值和作圖。圖1 仿真模型結(jié)構(gòu)圖五. 實(shí)驗(yàn)步驟5.1 打開(kāi)matlab應(yīng)用軟件，如圖2所示。5.2

5、 在圖2中右邊的命令窗(Command Window)的光標(biāo)處輸入：simulink,回車(chē)。圖2 Matlab界面5.3 在圖2中，選擇：File>New>Model新建文件，保存在matlab工作目錄下，并取名為 multipath_fading.mdl。5.4 在Find命令行處輸入：Ramp，就在窗口的右邊找到了該仿真模塊圖標(biāo)。用鼠標(biāo)右鍵選擇該模塊，將其添加到創(chuàng)建的multipath_fading窗口中。5.5 用相同的方法創(chuàng)建零階保持模塊（Zero-Order Hold）、數(shù)字函數(shù)模塊（Math Function）、子系統(tǒng)模塊（Subsystem）、直方圖（Histogra

6、m）和矢量示波器（Vector Scope）等，觀察每個(gè)設(shè)備的連接點(diǎn)，用鼠標(biāo)左鍵把設(shè)備連接起來(lái)，如圖1所示。5.6 進(jìn)行參數(shù)設(shè)置1）最大多普勒頻移的計(jì)算、時(shí)間t的計(jì)算、輸入信號(hào)（如圖3、圖4所示） 該部分實(shí)現(xiàn)了最大多普勒頻移的計(jì)算：m =。其中載波頻率，光速,信宿的移動(dòng)速度取33.33(相當(dāng)于120)。而仿真計(jì)算中用到的時(shí)間t是通過(guò)一個(gè)零階采樣保持器對(duì)一個(gè)斜率為1的斜坡函數(shù)進(jìn)行采樣，可按照后續(xù)模塊需要的采樣速率得到時(shí)間t。根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理的簡(jiǎn)化假設(shè)，輸入信號(hào)固定為1。圖3 最大多普勒頻移的計(jì)算圖4 時(shí)間t的計(jì)算2）無(wú)線傳輸路徑的仿真（如圖5所示）路徑的入射角度常數(shù)（圖5中Angle模塊）設(shè)為02上

7、的隨機(jī)值，初始相位常數(shù) （圖5中的Phase模塊）設(shè)為02的隨機(jī)值，路徑的增益（圖5中的Gainl模塊）設(shè)為01的隨機(jī)值。輸入信號(hào)為常數(shù)1，表示輸入信號(hào)復(fù)包絡(luò)為1。圖5 每條無(wú)線路徑的仿真模型3）求和、統(tǒng)計(jì)和顯示（如圖6所示）該部分實(shí)現(xiàn)了40條路徑的復(fù)包絡(luò)求和，將求和之后的信號(hào)幅值取絕對(duì)值，然后一起被送去直方圖統(tǒng)計(jì)，并顯示其直方圖；另一支路換算成dB單位，并顯示其時(shí)域波形。圖6 求和、統(tǒng)計(jì)和顯示5.7 用鼠標(biāo)點(diǎn)擊“運(yùn)行仿真模型按鈕”即可運(yùn)行multipath_fading.mdl,觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。6. 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果運(yùn)行multipath_fading.mdl,可以得到以下的仿真結(jié)果。圖7顯示了

8、仿真1s得到的時(shí)域波形，該時(shí)域波形反映了信號(hào)經(jīng)過(guò)多徑衰落信道傳輸，1s內(nèi)信宿接收到的信號(hào)幅值的變化情況?？梢钥吹叫盘?hào)幅值隨時(shí)間發(fā)生劇烈變化（衰落），最高幅值和最低幅度之間相差超過(guò)了40dB。經(jīng)過(guò)局部放大，可以看到如圖8所示的細(xì)節(jié)。從圖8可以看到信號(hào)幅值的波動(dòng)具有一定的周期規(guī)律，相鄰的深衰落之間的時(shí)間間隔比較穩(wěn)定，經(jīng)過(guò)測(cè)量大致是0.006s，對(duì)應(yīng)33.33m/s的信宿移動(dòng)速度，信宿大致移動(dòng)了20cm，對(duì)應(yīng)900MHz的載波頻率，20cm大致相當(dāng)于1/2波長(zhǎng)。圖7 經(jīng)過(guò)多徑衰落信道接收到的信號(hào)幅值圖8 圖7的局部恒定幅度信號(hào)經(jīng)過(guò)多徑衰落信道后幅值統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖9所示，圖9 直方圖統(tǒng)計(jì)結(jié)果七. 實(shí)驗(yàn)數(shù)

9、據(jù)處理方法 圖像法八. 參考文獻(xiàn) (1)現(xiàn)代通信原理實(shí)驗(yàn)及仿真教程 何文學(xué),金爭(zhēng),景艷梅,毛慰民編著 (2)現(xiàn)代通信技術(shù)講義PPT (3)通信原理(第六版)樊昌信,曹麗娜編著九思考題 9.1 綜述無(wú)線多徑衰落信道的特征及其產(chǎn)生機(jī)理。答：在通信系統(tǒng)中，由于通信地面站天線波束較寬，受地物、地貌和海況等諸多因素的影響，使接收機(jī)收到經(jīng)折射、反射和直射等幾條路徑到達(dá)的電磁波，這種現(xiàn)象就是多徑效應(yīng)。這些不同路徑到達(dá)的電磁波射線相位不一致且具有時(shí)變性，導(dǎo)致接收信號(hào)呈衰落狀態(tài)；這些電磁波射線到達(dá)的時(shí)延不同，又導(dǎo)致碼間干擾。若多射線強(qiáng)度較大，且時(shí)延差不能忽略，則會(huì)產(chǎn)生誤碼，這種誤碼靠增加發(fā)射功率是不能消除的，而

10、由此多徑效應(yīng)產(chǎn)生的衰落叫多徑衰落，它也是產(chǎn)生碼間干擾的根源。9.2 分析仿真中各模塊的作用并結(jié)合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容得出相關(guān)結(jié)果，綜述你的見(jiàn)解。答：仿真模型中左上角四個(gè)Constant模塊以及一個(gè)Divide模塊實(shí)現(xiàn)了最大多普勒頻移的計(jì)算，即m =。Constant1為信宿的移動(dòng)速度取33.33，Constant2為載波頻率，Constant3為光速, Constant4為，Divide模塊實(shí)現(xiàn)了以上數(shù)據(jù)的乘除；Ramp模塊為一個(gè)斜率為1的斜坡函數(shù)和Zero-Order Hold模塊為一個(gè)零階采樣保持器，這兩個(gè)模塊可以按照后續(xù)模塊需要的采樣速率得到時(shí)間t；每一個(gè)Subsystem模塊中，都是一個(gè)無(wú)線路徑的仿真模型，最后通過(guò)Sum模塊求和再經(jīng)Abs模塊、Math Function模塊、Gain模塊、Scope模塊和Histogram模塊、Vector Scope模塊進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和顯示功能的實(shí)現(xiàn)。仿真結(jié)果的時(shí)域波形反映了信號(hào)經(jīng)過(guò)多徑衰落信道傳輸，1s內(nèi)信宿接收到的信號(hào)幅值的變化情況?？梢钥吹叫盘?hào)幅值隨時(shí)間發(fā)生劇烈變化即衰落，最高幅值和最低幅度之間相差超過(guò)了40dB。經(jīng)局部放大可以看到信號(hào)幅值的波動(dòng)具有一定的周期規(guī)律，相鄰的深衰落之間的時(shí)間間隔比較穩(wěn)定，經(jīng)過(guò)測(cè)量大致是0.006s，對(duì)應(yīng)33.33m/s的信宿移動(dòng)速度，信宿大致移動(dòng)了20cm，對(duì)應(yīng)900MH