(毕业论文)多径时变信道模型的仿真与性能分析.doc

1、*实践教学*兰州理工大学计算机与通信学院2013年春季学期通信系统仿真训练课程设计题 目：多径时变信道模型的仿真与性能分析专业班级： 通信工程（1）班 姓 名： 学 号： 指导教师： 成 绩： 摘 要本课程设计从信道的随机过程特征出发，分析了多径衰落信道的时间选择性和频率选择性，讨论信道的衰落特征，并重点针对服从瑞利分布的多径衰落信道模型在matlab环境下进行模拟仿真，然后观察单频信号、数字信号经过多径时变信道后的时域波形和频谱，通过仿真分析了多径效应和多普勒效应对信道以及信号的影响,有助于对信道的进一步理解和掌握以及工程实践提供一定的借鉴。关键词：多径效应；时变信道；瑞利衰落；matlab

2、a目 录前 言1一、多径时变信道概述21.1 多径衰落信道的分类21.1. 1 平坦衰落和频率选择性衰落21.1. 2 快衰落和慢衰落31.1.3 时不变多径衰落信道31.1.4时变多径衰落信道31.2多径衰落信道基本特性41.2.1 时间选择性与频率选择性41.2.2多径效应与频率选择性41.3瑞利衰落信道51.3.1瑞利衰落信道简介51.3.2瑞利衰落信道基本模型61.3.3产生服从瑞利分布的路径衰落r(t)61.3.4产生多径延时71.3.5仿真框架8二、时变多径信道仿真程序设计92.1时变多径信道仿真模块92.2瑞利信道仿真模块92.3单频信号经过多径信道仿真模块102.4数字信号经过

3、多径信道仿真模块10三、设计结果与测试113.1时变多径信道仿真113.1.1仿真移动台在不同位置的多径信号113.1.2仿真不同频率的信号的多径信号改变123.1.3仿真移动台不同速度的信号的多径信号改变133.2瑞利信道仿真133.3多径信道对单音频信号的影响仿真143.4 多径信道对数字信号影响15总结17参考文献18附录19致谢252前 言 由于信道中电磁波受到反射、绕射、散射、多径传播等因素的影响，接收端所接收到的信号是各个方向到达电磁波的叠加，使信号在小范围内引起剧烈的波动，称之为多径衰落，亦称为小尺度衰落。小尺度衰落直接体现了无线信道的复杂性和随机性，是决定无线通信系统性能的基本

4、问题。小尺度衰落信道按相干带宽分为平坦衰落信道和频率选择性衰落信道，按相干时间与信号周期的关系分为慢衰落信道和快衰落信道。由于频率选择性信道可以通过平坦衰落信道实现，因此，平坦衰落信道的计算机仿真是研究多径信道、MIMO信道的重要方法，更是进一步研究信道容量、信道编码及均衡器等模型的前提。一般而言，在市区内，平坦衰落信道响应的包络服从瑞利分布，而相位服从均匀分布。因此，无线信道建模的核心与关键即是如何简单有效地产生瑞利衰落包络，这也是研究与分析各种移动通信系统的首要任务。当信号的多径发生在发送信号经由传播路径以不同的延迟到达接收机的时候,一般会引起数字通讯系统中的符号间干扰。而且,由不同传播路

5、径到达的各信号分量会相互削弱,导致信号能量衰减,造成信噪比降低。多径传播导致信号在不同域中的扩展,包括角度(或空间)扩展、时延(或时间)扩展和多普勒(或频率)扩展,这些扩展对信号有显著影响。研究多径衰落信道的特性有利于找到适合不同通讯要求的数字通讯方式,特别是针对军事领域电子对抗的通讯设计和有限信道资源的合理使用。25一、多径时变信道概述多径时变信道是指信道参数随时间变化，它对信号传输的影响是输入信号的频率弥散。当输入信号为单频信号，经过时变信道后的输出不再是单频信号，而是一个窄带信号，带宽大小视时变因素的快慢而定。多径时变信道是信号传输的路径不止一条，接收端同时受到来自多条传输路径的信号，这

6、些信号可能同相相加或反向相消。信号经多径时变信道后，会产生码间干扰和衰落。其中衰落快慢取决于信道随时间变化的快慢，码间干扰的严重程度取决于码元间隔和多径间的时延差的相对关系。1.1 多径衰落信道的分类移动通信中的时间色散和频率色散可能产生4种衰落效应1,这是由信号、信道以及相对运动的特性引起的。根据信号带宽和信道带宽的比较,可将信道分为平坦衰落信道和频率选择性衰落信道;而根据发送信号与信道变化快慢程度的比较,可以将信道分为快衰落和慢衰落信道。1.1. 1 平坦衰落和频率选择性衰落如果信道带宽大于发送信号带宽,且在带宽范围内有恒定增益,且线性相关,则接收机信号就会经历平坦衰落过程。在平坦衰落情况

7、下,信道的多径结构使发送信号的频谱特性在接收机内仍能保持不变,所以平坦衰落也称为频率非选择性衰落2。平坦衰落信道的条件可以概括为:Bs 其中, Ts 为信号周期(信号带宽Bs 的倒数) ;t 为时延扩展; BC 为相关带宽。如果信道具有恒定增益和线性相位的带宽范围小于发送信号带宽,则该信道特性会导致接收信号产生频率选择性衰落。此时,信道冲激响应具有多径时延扩展,其值大于发送信号带宽的倒数。在这种情况下,接收信号中包含经历了衰减和时延的发送信号的多径波,因而产生接收信号失真。频率选择性衰落是由信道中发送信号的时间色散引起的,这种色散会引起符号间干扰。对于频率选择性衰落而言,发送信号的带宽大于信道

8、的相关带宽,有频域可以看出,不同频率信号获得不同增益,产生频率选择性衰落,其条件是:Bs BC ,Ts 1.1. 2 快衰落和慢衰落当信道的相关时间比发送信号周期短,且信号的带宽Bs 小于多普勒扩展BD 时,信道冲激响应在符号周期内变化很快,从而导致信号失真,产生衰落,此衰落为快衰落1。当信号的相关时间远大于发送信号的周期,且信号的带宽Bs 远远大于多普勒扩展BD 时,信道冲激响应变化比要传送的信号码元的周期低的多,可以认为该信道是慢衰落信道1。1.1.3 时不变多径衰落信道在没有多普勒效应的情况下(收发两端不存在相对运动) ,信道为时不变多径信道2,信道的转移函数只是频率的函数, 对于时不变

9、多径信道,信道转移函数随着频率的变化而改变。因为多径波幅度和到达时间取决于收发两端的距离,所以信号接收强度同样取决于收发两端的距离。转移函数随着距离增加衰落加剧,它同样是距离的函数。可以看出对于时不变多径衰落信道而言,如果信道的时延扩展越大,则输入信号衰落越严重。1.1.4时变多径衰落信道在此种情况下,由于存在多条到达路径,所以每条路径的到达角度和到达时间都不相同,并且各自相互独立。当收发两端存在相对运动时,则信道变为了时变信道2。下面以正弦信号举例说明时不变信道与时变信道对信号的影响。信号经过时变信道后产生很大的衰落,其幅度随着时间的变化而变化,而时不变信道对信号基本没有改变。时变信道对信号

10、的衰落随着多普勒扩展的增大而加剧。1.2多径衰落信道基本特性1.2.1 时间选择性与频率选择性由于移动台随机运动的多普勒2 (Doppler) 效应引起的信道频率色散,造成了传播信道的时间选择性衰落;而微区环境使信号传播多径时延引起的信道时间色散,造成了传播信道的频率选择性衰落。多普勒效应2与时间选择性信道的时变特性是通过频率色散参数来描述的。这种时变特性或是由移动台和基站之间的相对运动引起的,或是由信道中物体运动引起的。当信道是时变的,则这种信道具有时间选择性衰落。时间选择性衰落会造成信号的失真,这是由于信号的接收端和发送端的信道特性改变所致,信号在时刻改变的信道中传输自然会导致信号的失真。

11、由于移动台的移动,产生了多普勒频移,也就是频率色散,使得信道是时变的。如果信号持续的时间比较短,以至于信道在信持续的时间里没有显著的变化,那么信号受信道时间选择性衰落较小;但随着信号持续时间的增加,信道的特性产生较为显著的变化,那么信号就会产生时间选择性衰落,产生失真。信号的失真会随着持续时间的增加而加剧。1.2.2多径效应与频率选择性时间色散和频率选择性是同时出现的,只是表现的形式不同,都是依赖与所处的环境中的因素变化,具体来说就是因为不同时延的多径波叠加的结果。从时域上说,由于经历了多径效应的影响,导致在接收端不同分量的叠加,展宽了时域。从频域上说,由于信道也就是起到了滤波的作用,当发送信

12、号的带宽极窄时,那么接收端的信号的所有频率成分都经历了相同的衰减,也就是频率非选择性衰落(平坦衰落) 。随着发送信号的带宽增加,那么接收信号在传输过程中,频率接近的分量经历了相似的衰减,而频率相差很远的分量就会经历不同的衰减。也就是频率选择性衰落。当发送信号的带宽非常大的时候,那么在接收端接收到的信号会与发送信号大相径庭,接收机会受到时间色散的影响,产生严重的衰落。在数字通信系统中,会导致严重的符号间干扰。时延扩展:用来描述时延扩展的参数有:平均附加时延, rms 时延扩展和附加时延扩展。相关带宽:相关带宽BC 表示信号包络相关度为某一特定值时的信号带宽。也就是说,当频率间隔小于BC 时,信号

13、包络(幅度) 具有很强的相关性,当频率间隔大于BC 时,信号包络(幅度) 相关性很小。1.3瑞利衰落信道1.3.1瑞利衰落信道简介瑞利衰落信道3（Rayleigh fading channel）是一种无线电信号传播环境的统计模型。这种模型假设信号通过无线信道之后，其信号幅度是随机的，表现为“衰落”特性，并且多径衰落的信号包络服从瑞利分布。由此，这种多径衰落也称为瑞利衰落。 （1）环境条件：通常在离基站较远、反射物较多的地区，发射机和接收机之间没有直射波路径，存在大量反射波；到达接收天线的方向角随机且在（02）均匀分布；各反射波的幅度和相位都统计独立。（2）幅度、相位的分布特性：包络 r 服从瑞

14、利分布，在02内服从均匀分布。瑞利分布的概率分布密度如图1-1所示：图1-1 瑞利分布的概率分布密度1.3.2瑞利衰落信道基本模型根据ITU-RM.1125标准，离散多径衰落信道模型3为 (1-1)其中复路径衰落，服从瑞利分布； 是多径时延。多径衰落信道模型框图如图1-2所示：图1-2 多径衰落信道模型框图假设经反射（或散射）到达接收天线的信号为N个幅值和相位均随机的且统计独立的信号之和。信号振幅为r,相位为,则信号经过瑞利衰落信道其包络概率密度函数为P(r)= (r0) （1-2）相位概率密度函数为：P()=1/2 （） （1-3）1.3.3产生服从瑞利分布的路径衰落r(t)利用窄带高斯过程的特性，其振幅服从瑞利分布4，即 （1-4）上式中，、分别为窄带高斯过程的同相和正交支路的基带信号。首先产生独立的复高斯噪声的样本，并经过FFT后形成频域的样本，然后与S（f）开方后的值相乘，以获得满足多普勒频谱特性要求的信号，经IFFT后变换成时域波形，再经过平方，将两路的信号相加并进行开方运算后，形成瑞利衰落的信号r(t)。如下图1-3所示:图1-3 瑞利衰落的产生示意图