多径衰落信道仿真与分析教材.docx

1、多径衰落信道仿真与分析教材 多径衰落信道仿真与分析 移动通信是当前最主流的通信方式，而无线信道是移动通信中传输信号的媒介，只有深刻掌握和了解移动无线信道的特征，我们才能提出解决各种干扰的措施。移动无线信道传输特性的仿真对移动通信的研究具有重要意义,其中多径衰落仿真又是其中的重点和难点。 移动通信的特点是传播的开放性、接收环境的复杂性和通信用户的随机移动性。在无线通信信道中，大气的反射或折射、建筑物和其他物体的反射导致了发送和接收天线之间通常存在多于一条的信号传播路径。由多径引起的信号衰落是影响通信性能的一个主要因素，所以在通信方案可行性研究以及系统设计、优化等过程中，经常要考虑到多径衰落及相关

2、的解决方案。本次设计用MATLAB对信号在多径信道中的传输进行了仿真。 移动通信的传输媒介即大气空间就是无线道，信道很复杂的特性并 就是无线道，信有很复杂的特性并 就是无线道，信有很复杂的特性并 且其特性会不断变化， 各种地形物的影响和 用户终端的 移动使得无线信道具有极大的随机性 。一般用路径损失、阴影衰落和多三种效应描述 路径损失、阴影衰落和多三种效应描述 大、中小 大、中小 大、中小 3种不同尺度范围内信道对传输号的作用。多径衰落 也称快种不同尺度范围内信道对传输号的作用。多径衰落 也称快，是由于同一 信号沿两个或多路径传播 ，以微小的 时间差到达接收机相互干涉引起。而 这些波称为多径。

3、在接收天线处合成一个幅度和相位都急剧变化的信 这些波称为多径。在接收天线处合成一个幅度和相位都急剧变化的信 这些波称为多径。在接收天线处合成一个幅度和相位都急剧变化的信 这些波称为多径。在接收天线处合成一个幅度和相位都急剧变化的信 这些波称为多径。在接收天线处合成一个幅度和相位都急剧变化的信 号，其变化程度取决于多径波的强、传播时间差以及信号带宽 其变化程度取决于多径波的强、传播时间差以及信号带宽 。主要表现在 3个方面:1)经过短距离或时间传播后信号强度产生急剧变化 ；2) 在不同路径上 ，存在着时变多普勒频移引起的随机率调制 ；3) 多径传播时延引起的扩展。 常用的改善方法：针对种种情况，

4、在移动通信中，可以采取功率控制、基站切换、分集、交织、自适应均衡等各种有效的方法保证通信的质量。在仿真验证这些方法的效果时，常常首先对信道衰落尤其多径衰落进行仿真。 下面就从移动台距离基站的远近、基站发射信号的不同频率以及移动台的不同速度下（考虑有反射信号存在的两径信号）的几个方面来对多径信道的仿真与分析。 移动台靠近基站和移动台远离基站（靠近反射面）所接收的合成信号会不会有差别呢？到底对合成信号有什么影响呢？其与我们所学的理论知识有没有差别呢?下面我们就带着这些问题来进行仿真与分析。1、不同距离下，即r0的不同（d=1500，f=9e8，v=0）在此我使移动台靠近基站r0=300、移动台远离

5、基站r0=1100/1400，来观察接收到的合成信号。clear allf=9e8;v=0; %?,?0c=3e8; %?,?r0=300; %?d=1500; %?t1=0:0.001/f:10/f; %?E1=cos(2*pi*f*(1-v/c).*t1-r0/c)./(r0+v.*t1); %?E2=cos(2*pi*f*(1+v/c)*t1+(r0-2*d)/c)./(2*d-r0-v*t1); %?subplot(2,1,1)plot(t1,E1,t1,E2,-g,t1,E1-E2,-r) %?title(r0=300 d=1500 v=1 f=9e8)legend(?,?,?)su

6、bplot(2,1,2)plot(t1,E1-E2)title(r0=300 d=1500 v=1 f=9e8 ?)当r0=300m时的仿真结果： 由于r0=300m，则直射信号所走的距离为300m，而反射信号所走的距离为2d-r0=2700m（d=1500m）。信号在传播的过程中要衰减，自由空间中，电磁波功率随距离r按平方规律衰减，相应的电场强度（接收信号的电压）随1/r规律衰减。由此得出信号所走的距离越大，其到达接受端的幅度衰减也就越大。由于反射信号比直射信号多走2400m，则到达接收端直射信号幅度比反射信号的要大的多，理论分析与仿真结果相符。时刻t移动台接收的合成信号为式中，减号体现了反

7、射信号与直射信号的相位相反。通俗的说，可以认为移动台接收的合成信号=直射信号-反射信号，由上面的分析知合成信号幅度要接近于直射信号的幅度，这一点也与仿真结果相符。当r0=1100m时的仿真结果： 由于r0=1100m，则直射信号所走的距离为1100m，而反射信号所走的距离为2d-r0=1900m（d=1500m）。反射信号依旧比直射信号走的距离远，则反射信号的幅度还是比直射信号的小，但由于比上次的距离短，由此知其幅度比上次大，相应的直射信号幅度比上次要小，进而合成信号幅度也相应的减小（相对于r0=300m时的仿真结果）。这些都在仿真结果中得到了印证。当r0=1400m时的仿真结果： 由于r0=

8、1400m，则直射信号所走的距离为1400m，而反射信号所走的距离为2d-r0=1600m（d=1500m）。反射信号依旧比直射信号走的距离远，则反射信号的幅度还是比直射信号的小，但由于其所走的距离与直射信号所走的距离已经比较接近，由此得知其幅度与直射信号相接近，但反射信号的幅度还是比直射信号的小，但由于比上两次的距离短，由此知其幅度比上两次都大，相应的直射信号幅度比上两次都要小，进而合成信号幅度也相应的减小（相对于前两次时的仿真结果）。仿真结果也说明这些。总结：由上面知在r0取三种不同值的情况下，移动台离基站的距离不同，其接收的合成信号的强度是不同的，离基站距离近，合成信号强度大，离基站距离

9、远，合成信号强度小，这点在我们现实生活也能很好的说明，一般离基站近手机信号好，而远离基站信号差（特别是在山区的时候).2、不同频率f下（r0=300，d=1500，v=0）我国常用GSM手机占用的900/1800/1900MHZ 频段；3G手机占用的900/1800/1900/2100MHz频段。 鉴于此那么仿真频率f选择为900/1800/2100MHZ，另外在选取0.2MHZ作为参考频率，看看不同频率下的多径衰落信道的特点。clear allf=9e8;v=1; %?,?0c=2e5; %?,?r0=300; %?d=1500; %?t1=0:0.001/f:10/f; %?E1=cos(

10、2*pi*f*(1-v/c).*t1-r0/c)./(r0+v.*t1); %?E2=cos(2*pi*f*(1+v/c)*t1+(r0-2*d)/c)./(2*d-r0-v*t1); %?subplot(2,1,1)plot(t1,E1,t1,E2,-g,t1,E1-E2,-r) %?title(r0=300 d=1500 v=1 f=9e8)legend(?,?,?)subplot(2,1,2)plot(t1,E1-E2)title(r0=300 d=1500 v=1 f=9e8 ?)当f=2e5（即为0.2MHZ)时的仿真结果：当f=9e8（即为900MHZ)时的仿真结果：当f=1.8e

11、9（即为1800MHZ)时的仿真结果：当f=2.1e8（即为2100MHZ)时的仿真结果：总结：结合上面在四种不同的频率下的仿真结果，可知频率在900/1800/2100MHZ情况下信号的幅度变化不明显的，为什么会出现这种情况呢？下面就这一点着重分析一下。我们知道 是反射径与直射径的传播时延差。如果频率的改变量与远小于1/Td（相干带宽），还是削弱并不会出现明显的改变。若发射信号的频率f1/Td，信号的频带内受的衰落的影响基本是一致的，这时称这样的衰落为平坦衰落。f越小，直射径与反射径的波形重合的部分就越多，码间串扰就越轻。当f1/Td，则不同频率受到的影响是不一样的，这时称的衰落为频率选择性

12、衰落。将r0=300，d=1500，c=代入以上求Td的公式中得Td=8e-6 s1/Td=0.125MHZ 。由于上面四种频率都大于0.125MHZ则他们都会发生频率选择性衰落，由仿真结果知，频率为0.2MHZ的信号得到增强，而其他三种频率的信号得到削弱。下面我们来考虑移动台具有不同速度下，多径信道所呈出来的特性。在这里选取速度分别为V=1，25，45（它们分别代表人的步行速度，小汽车的速度以及火车的速度）。三、不同速度v下（r0=300，d=1500，f=9e8）clear allf=9e8;v=1; %?,?0c=3e8; %?,?r0=300; %?d=1500; %?t1=0:0.0

13、01/f:10/f; %?E1=cos(2*pi*f*(1-v/c).*t1-r0/c)./(r0+v.*t1); %?E2=cos(2*pi*f*(1+v/c)*t1+(r0-2*d)/c)./(2*d-r0-v*t1); %?subplot(2,1,1)plot(t1,E1,t1,E2,-g,t1,E1-E2,-r) %?title(r0=300 d=1500 v=1 f=9e8)legend(?,?,?)subplot(2,1,2)plot(t1,E1-E2)title(r0=300 d=1500 v=1 f=9e8 ?)当v=1时的仿真结果：当v=25时的仿真结果：当v=45时的仿真结

14、果：总结：我们知道在时刻t，移动台距离基站的位置r=r0+v*t。将此式中的r0用r代替：。第1项直射波是频率为f(1-v/c)的正弦波，经历的多普勒频移为：；第2项是频率为f(1+v/c)的正弦波，经历的多普勒频移为：，参数称为多普勒扩展。Ds=2fv/c，我们把信道基本保持不变的时间段称为信道的相干时间()。信道的相干时间与多普勒频移有关，多普勒越大，信道的相干时间就越短。根据相干时间与符号脉冲周期的相对长短，我们可以把信道分为慢变信道和快变信道。如果发送符号的周期小于相干时间，我们就可以认为这是慢变信道（或者准静态信道）如果发送符号周期大于相干时间，在发送符号的过程中，信道特性发生了显著变化，我们就认为这是快变信道。所以信道的快变还是慢变也是相对于发送符号的周期长短来说的。由以上知要是快信道则1/f1/2Ds=c/4vf，即vc/4=7.5e7m/s才是快变信道。由于上述所选用的速度远小于7.5e7m/s，所以此时多径信道是慢变信道，当速度相对比较非常小时，信号在此信道中传输衰落非常缓慢，与仿真结果相同。