1、第十五章 衰落信道- 1 -硕士生课程实验报告实验题目:基于 systemview 平台的信道衰落原理与仿真姓 名: 学 号： 院系专业: 任课教师： 徐平平 评 阅: 第十五章 衰落信道- 2 -目录一 实验概述与分类 .- 3 -1.1 移动通信系统衰落信道的主要分类 - 3 -二 实验内容与实验数据分析 .- 4 -15.1 RAKE 接收机的原理 - 4 -15.2 频谱扩展和多径抵抗 - 6 -15.2.1 扩频技术的理论基础 - 6 -15.2.2 扩频技术的应用 - 6 -15.3 瑞利和莱斯概率密度函数 - 9 -15.4 宽带频率选择性衰落信道模型 - 10 -15.5 瑞利
2、衰落的误比特率 - 12 -15.6 3 路衰落信号的分集合并 .- 14 -15.7 RAKE 接收机的抗多径 - 15 -三 创新型实验设计： .- 17 -RUMMLER 多径衰落信道仿真实验 90 MBPS 数字微波数据链 .- 17 -四 总结与感想 .- 21 -第十五章 衰落信道- 3 -一 实验概述与分类1.1 移动通信系统衰落信道的主要分类大规模衰落定义：由于在大范围内移动而引起的平均信号能量的减少或路径损耗。产生原因：收、发端之间地表轮廓（如高山，森林，建筑群等）的移 影响。动通信 瑞利衰落：存在大量反射路径而不存在视行系 路径。统衰 小规模衰落 落 莱斯衰落：存在一个没有
3、衰落的主要信号分信 量。道 定义：信号的幅值、相位的动态变化。产生原因：由于收发端之间空间位置处理的微小变化第十五章 衰落信道- 4 -二 实验内容与实验数据分析15.1 RAKE 接收机的原理首先，给出传统的发射机和接收机。其原理就是我们熟知的频谱扩展，即在发送端用伪随机码调制发送信号，在接收端用相同的伪随机码解调。由第一个实验我们能看出信号被准确的解码。 （信道无噪）图 1 无噪声信道发送接收信号对比之后，在信道中增加瑞利衰落模块（无延时） ，这时我们可以发现接收信号的功率随着瑞利衰落信道变化。此时观察到的接收信号幅值就变得参差不齐了。如下图：图 2 引入瑞利衰落信道发送接收信号对比第十五
4、章 衰落信道- 5 -注：上面是接收信号，下面是发送信号，接收信号畸变明显但是，在此系统中，我们只要加一个判决门限，仍然可以得到正确的信号。在接收信号后加一个模块 ，作为判决器，我们可以观察到接收信号几乎无误码。图 3 瑞利衰落信道加入判决器后发送接收信号对比上面的信道仅是引入瑞利衰落信道，但是并没有延时，下面我们来讨论下带延时的瑞利衰落信道。这一步系统引入了 208.33s 的延时模块，显然，要想正确解码就需要在接收端进行同步。如果，能够做到完全同步，那么结果将和上面实验完全相同。下面引入的就是多径传播了，此处仅拿两路瑞利衰落信道来讨论，其中第一路直接传播，第二路有延时（208.33s） 。
5、接收端仅与第一路信号同步，那么，第二路信号对接收端来说就变成了噪声。所以，解码后的信号就会出现误码。如果接收端与第二路信号同步，同理可知仍然会引入噪声。此处不赘述。对系统进一步改变，在接收端用两路接收机来接收信号，每一路与同步于其接收信号。从这个试验中我们得到一个重要的结论，对于每一路信号我们都会出现一些解码错误，但是第一路错的码元，第二路不一定就错；同样，第二路解码错误时，第一路有可能就是对的，于是，将解码后的两路信号合并到一起就构成了 RAKE 接收机的基本原理。第十五章 衰落信道- 6 -图 4 RAKE 接收机基本原理15.2 频谱扩展和多径抵抗15.2.1 扩频技术的理论基础所谓扩频
6、，即将发射信号扩展到一个很宽的频带上，扩频系统将在频带和技术的复杂性上付出昂贵的代价，但是为什么仍然要这样做呢？这样做会给我们带来什么好处呢？香农定理给我们提供了答案。香农公式指出：在高斯白噪声干扰信道下，通信系统的极限传输速率（信道容量）是： 2log1SCWN其中： C信道容量（比特/秒）W信道带宽（赫兹）N噪声功率S信号平均功率当 S/N 很小时（ 0.1）得到： 1.4CNWS因此，在无差错传输信息速率 C 不变的情况下，可以通过增加发射信号的带宽，来降低对信噪比的要求。第十五章 衰落信道- 7 -15.2.2 扩频技术的应用扩频技术包括很多种类，我们这里使用的是直接序列扩频（DS）
7、，即直接将伪随机码与信号相乘，得到扩频序列。这里不得不提下扩频码的特性，我们选用的是伪随机码（PN） ，它具有像白噪声一样的自相关特性，易于产生而又不能通过截获一部分而重建。下面这个实验通过扩频和解扩来传输信号，并且可以准确的恢复信号。图 5 扩频系统原理仿真图图 6 仿真结果图由图 6 可以看到，通过扩频和解扩，可以正确恢复信号。下面这个实验是本节的重点，通过扩频技术抵抗多径干扰。系统原理图如下：第十五章 衰落信道- 8 -图 7 多径干扰信道中的扩频系统图系统原理较为简单，信道中的图标 需要说明下，它是三路径信道，一路直接传播，一路延迟 0.2 秒，第三路延迟 0.4 秒，信道冲激响应图如
8、下：（信道对信号没有衰落）图 8 信道冲激响应图由图 9 知，扩频信号经过多径信道后仍然可以准确的解码，但为扩频信号解码后出现错误。首先，未扩频信号不能准确解码是由于信号信道后产生了码间串扰。信号的码元周期是 0.1 秒，而两路延迟分别为 0.2 秒和 0.4 秒，这样在接收端必然会产生码间串扰，从而导致误码的出现。而对于扩频信号，延迟的信号与原信号之间几乎不相关（由于 PN 码自相关性知） ，所以在解扩时，只是将直接传输（无延迟）的信号恢复，这样信号就被完好的恢复了。第十五章 衰落信道- 9 -图 9 扩频信号和未扩频信号解码对比图15.3 瑞利和莱斯概率密度函数瑞利分布的概率密度函数： 2
9、2expzzf从这个公式中可以发现，瑞利分布的概率密度函数与高斯分布的概率密度函数什么相似，于是通过推导发现，可以通过高斯概率密度函数得到瑞利分布的概率密度函数。均值为 0 的二维高斯分布的 PDF 为：221,expfxyy将其换成极坐标形式： cosriny于是微分形式的概率密度函数变为： 21, rprded两边对 积分，将 看成时 为变量的函数，得到：,第十五章 衰落信道- 10 -2rpre因此，我们可以通过两个高斯变量生成一个服从瑞利分布的变量，实现方法如下：图 10 瑞利变量生成模块莱斯分布的概率密度函数： 202 21exp,zAzf zI同理可得服从莱斯分布的随机变量，系统图
10、如下：图 12 莱斯变量生成模块第十五章 衰落信道- 11 -图 11 莱斯概率密度函数图此处的莱斯分布均值为 m=2，改变均值使 m=3,4,5,6；我们可以发现莱斯分布可近似看成高斯分布。15.4 宽带频率选择性衰落信道模型本实验目的是仿真衰落信道的频率选择性，实验原理图如下所示：首先输入信号为冲激信号，其频谱满足要求的宽带特性，经过若干延迟后加权输出，刚好可以仿真实际信号在无线信道中传输的多径衰落特性。图 12 多径衰落信道频率选择性原理图第十五章 衰落信道- 12 -图 13 系统仿真模型图系统模型图不作过多介绍，完全按照模型图的搭建，只要注意这里的加权系数是均匀分布的随机变量，所以每
11、次运行后，系统的冲激响应是是不同的。图 14 和图 15 给出的是频率选择性衰落图的理论和实验结果图。对比两幅图，其频率的衰落都是无规律且幅度变化很快，所以对于一个普通的输入信号，必然会在其频谱中产生某些频点或者频段衰落。图 14 典型频率选择性衰落图第十五章 衰落信道- 13 -图 15 多径衰落信道频率选择性仿真结果图15.5 瑞利衰落的误比特率首先我们来看下本实验的原理，直接将二进制 PN 信号通过带有高斯噪声的瑞利信道传输，接收端用比特判决器判断，当系统的错误比特积累到一定数目时（本实验 25 个）结束此次循环，系统进入下一次循环，直至结束。最后将得到平均错误比特曲线计算得出 BER-
12、Eb/No 曲线。看似十分简单的一个实验，在实际的操作中却给我带来了极大的困扰！我们观察下面得实验系统图，无论是任何参数都是常量，但奇怪的是：系统每个循环的结果却大为不同！问题出在哪里呢？首先，我给大家介绍下误比特曲线的产生办法，这个曲线的生成并不是大家想的直接添加个模块，在观察窗就会得到结果的。我们大家都清楚所谓的误比特率性能曲线是误比特率随着信噪比（ ）变化的曲线。对于基带信号boEN信噪比的定义是：每比特信号所携带的能量与噪声功率密度的比值。 22booATR这里 A 表示信号的幅度，R=1/T 表示比特速率，所以 ,单位为2oNARW/Hz。这就能够解释高斯噪声模块参数的选择了。下面再
13、继续说明误比特率曲线，改变信噪比的方法无外乎两种：一是，改变噪声大小；二是，改变信号大小。通常使用的办法是在噪声模块后加一个增益，并将其参数设置成全局变量，变量的大小随着系统循环次数变化。但是，我们可以发现这里并没有使用这种方法。最终，在无数次尝试之后，发现了这第十五章 衰落信道- 14 -个玄机，其实，这个实验只是简单的将模块参数设置成变量，每次循环信号的幅度值都在变化，并且它的变化不是随机的，而是每一次幅度变化对应误比特曲线中信噪比增加 1dB。至此对于理解本的实验实现已无障碍。图 16 瑞利衰落比特误码率仿真系统图图 17 瑞利衰落比特误码率曲线对比图由仿真结果，我们可以看出对于多径衰落
14、信噪比的增大对于信号误码率的改善并不明显，而对于高斯信道，信噪比的改善将会极大的改善接收信号的性能。15.6 3 路衰落信号的分集合并分集的目标是利用加性独立(或至少是不相关)的信号来提高接收信号的信噪比。合并分集信号的最常用技术是选择，反馈，最大比率，等增益等。第十五章 衰落信道- 15 -选择：包括对 M 个天线信号进行采样，选择最大者并将其传至解调器。最大比率合并技术：将 M 个分支信号根据各自的信噪比进行加权然后相加。等增益合并：与最大比率合并相似，只不过其权值全部置为 1。实验模型图如下：图 18 三路分集合并信号模型图下面给出实验仿真结果图：图 19 三路分集合并信号仿真图从图中我
15、们可以清晰地看出，选择技术就是将三路衰落信号的各个时刻信号对比，选择其中最大值所得。同样最大比正是将其加权后的信号和，而等增益正是其特例，即权值为 1。15.7 RAKE 接收机的抗多径前面已经介绍过 RAKE 接收机的原理，也讨论过其抗多径能力，本实验室在前面基础上对 RAKE 接收机的抗多径进行深一步的分析与探讨。RAKE 接收机利用的原理正是空间分集技术，利用各支路之间信号的不相关性，在接收端通过合并得到三路信号互相补偿的结果，从而改善接收信号的质第十五章 衰落信道- 16 -量。实验模型图如下：图 20 RAKE 接收机抗多径模型图先分析系统模型，信号经扩频处理后，通过多径信道，在接收
16、端根据其延时不同，用三路接收机，分别对信号进行解扩，并将信号合并，从而得到性能较好的接收信号。图 21 RAKE 接收机抗多径结果图图中上面曲线是 RAKE 接收机得到的输入输出信号对比图，易见，输入输出曲线完全重合，抗多径效果良好；而下面的是直接通过多径信道而未经过 RAKE 接收机处理的信号，黄颜色曲线是输入信号，绿颜色是输出信号，显然未经过处理的信号存在误码。由此我们得出结论：RAKE 接收机可以较好的抵抗多径信道的干扰。第十五章 衰落信道- 17 -第十五章 衰落信道- 18 -三 创新型实验设计：Rummler 多径衰落信道仿真实验 90 Mbps 数字微波数据链Rummler 衰落
17、信道是个三路径传输信道模型，由直射和反射能量混合而成，反射信号改变直射信号的幅度和相位而形成复合信号。这种三路径的衰落信道广泛应用于视距范围的数字微波中继通信链路的仿真。它是一个基于信道传输函数的统计模型。三路径的组成包括一条直射路径、一个相对于直射路径延迟非常小的多径成份、一个相对于直射路径延迟 的频率选择性控制路径。一次0接收信号的组成可以描述为： 10rtxtxt这里 表示发射信号， 、 为衰减系数， 、 表示两个相对延时。则信xt 0道的冲激响应可表示为： 10ht等价的信道低通传输函数为： 0122jfjfHfe假设 ，这里 为调制信号的带宽，则上式进一步简化为：1W令 上式变为：0
18、021jfHfabe其中 , , , 都是模型的统计参数。一般 ， , 和 也取相应ab0f 6.3nsab0f的统计参数。 是整个信号的衰落系数, 是衰落深度， 的取值决定衰落位置。0f信道的对应的时域表达式为： 0 0cos2sin2ytaxtbfxtabfxt 其中 为 的希尔伯特变换。xtt系统模型原理图：第十五章 衰落信道- 19 -图 22 Rummler 多径衰落信道原理图图 23 Rummler 多径衰落信道仿真实验模型图第十五章 衰落信道- 20 -图 24 8PSK 输入信号波形图图 24 8PSK 经过 Rummler 衰落信道后的基带等效波形图图 26 仅加入高斯噪声后
19、的解调输出图第十五章 衰落信道- 21 -图 27 加入高斯噪声并经 Rummler 衰落后的解调波形图图 23 是应用 Rummler 衰落信道模型图符构建的实验仿真电路。图 24 为8PSK 输入信号波形，信号的速率为 30Msps，采用 8PSK 的比特率为3bit 30Msps=90Mbps。可以观察到 PSK 信号为稳幅输出波形。图 25 是经过Rummler 衰落信道后的基带等效波形，此时是非稳幅波形了。图 26 和图 27 分别是仅加入高斯噪声后的解调输出和加入高斯噪声并经 Rummler 衰落后的解调波形。第十五章 衰落信道- 22 -四 总结与感想不知不觉这门课就结束了，还真
20、有些意犹未尽。徐老师的课不可不谓之精彩！授课生动形象，将整个通信系统的潇洒的拆分、而又能自如的组合，课堂上旁征博引；举例、类比信手拈来，深深的感受到徐老师对于通信系统认知的深邃！这是我上过的最感兴趣的一门通信课了！众所周知：实践是解决问题的唯一方法，对于一个问题只有通过不断的分析，观察，并付诸于实践，才能予以的解决，并深入的理解其中的关键。而徐老师的这门课正是给我们搭建了一个动手实践的平台，以实验促教，以实验促学。而通过同学自己上台讲课的方式既能调动大家的积极性，更是对同学们一次非常难得的锻炼！在这里我必须要感激徐老师给我一次在大家面前展示的机会。同时更是促进我自觉地学习，在备课的过程中，虽然遇到诸多问题，但也正是这各式各样的问题促使我进步，解决问题的过程正是我学习的过程！最后，再一次感谢徐老师一学期辛勤教育！
