基于Simulink软件无线电的仿真与研究

1、 本文由魔法土豆ok贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 科门箍！三兰舟：塑！ 代码塑镕 专菇椰孪生彦 士学位论文 论文题目一基于软件无线电的 堕基：量妥塑 。 二 学暨嫩名 学 一 号 施邑磊 ！坚！：二 专 指导教师二堂查雯墼二堡 攀科专业 电路与系统 研究方向堡垡适焦垦壅塑堕堕鱼呈墼型 论囊提交目期三旦童箜查旦 南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 本文系统地研究了基于中的通信基带系统建模仿真。利用 对通信系统中几种基本信道模型进行了构造研究，同时还构造了神经网络模型， 并以此解决盲信号检测问题，仿真结果表明文件和模型结果一致。

2、由于 是具有内在的模块化，系统化，以及时间流，定点数的仿真工具，不仅可以真实地模拟一 个通信系统，使通信系统里面的核心算法在整个系统中进行仿真验证，而且可以和 的工具包（）结合，产生可以直接在数字信号处理硬件上 运行的代码，所以这些研究工作对于软件无线电技术开发应用具有重要价值。本文主要工 作归纳如下： 利用对通信系统中最基本信道模型一性高斯白噪声信道的特性进行 仿真。首先介绍了该信道的基本特性，然后构建了它的系统仿真模型，介绍了一 种基于批处理的仿真系统。 研究了基带通信系统中衰落信道的特性，在对模型进行分析的基 础上，利用的基础模块搭建了与数学模型对应的完整衰落信道 模型。 学习了解了神经

3、网络的相关知识，由于神经网络的能量函数的特性，可 以利用发送信号的有限字符集特性和接收信号矩阵的正交补空间特性，把信号盲 检次优化形式转换为具有稳定状态解的连续神经网络能量函数形 式，实现对盲信号的直接恢复，并用仿真实现，验证了其良好的性能。 由于硬件化的特性，使得本论文的工作有着很大的实用性以及一定的创 新性。 关键词：；软件无线电：信道；衰落信道；神经网络 ， ， 。 ， ， ， ， ： ， ， ， ， ， ； ， 一 南京邮电大学硕上研究生学位论文 ：； ； ； 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文

4、中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：箍、昼磊日期：丑：笸孑 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 （包括刊登）论文的全部或部分内容。论文的公布（包括刊登

5、）授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：盈匝叠盘导师签 吼夥 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 第一章绪论 软件无线科 软件无线电研究的背景及定义 随着社会的发展和科学的进步，近几十年来，无线通信技术得到了飞速的发展，它正 被广泛应用于商业、军事、气象、民用等领域。当代无线通信系统有很多种，例如，卫星 通信系统、蜂窝移动通信系统、无线寻呼系统、微波通信系统、短波通信系统等等。各种 无线通信系统的调制方式也有很多种，如、 等等。其中，多址方式有：（码分多址）、（时分多址）和（频分多 址）、空分多址等。各种通信系统由于自身的特性而应用于不同的场合，而且他们的功能 相对较少，灵活性

6、不够，可扩展能力较差，不同通信系统之间不能完全互通，然而另一方 面，由于社会的发展和人类需求的增加，我们都希望这些不同的通信系统之间可以互通。 为了解决互通性问题，各国都进行了积极的探索，努力使各不同设备既能满足互通性要求， 又能满足抗干扰，保密性好的要求；既能使通信设备跟上无线通信飞速发展的步伐，又能 延长设备的使用寿命。其中一种设想就是研制多功能电台，用软件实现硬件的功能。基于 此，年月，公司的 首次明确提出了软件无线电（： ）的概念，从而引发了软件无线电的研究热潮。从事通信方面的专家认为，“软 件定义无线电”将是一个解决全球无线通信需求的方案，它将成为未来无线通信设备设计 的核心所在。

7、软件无线电是实现无线通信的一种新思路，它可以说是无线通信产业继年代中期 到年代中期从模拟到数字通信、年代中期到年代中期从固定到移动通信这两次革 命之后的第三次革命，也称为从硬件无线通信到软件无线通信的革命，这是通信科技发展 的必然选择。软件无线电在通信系统中，特别是在第三代移动通信系统中的应用目前已经 成为研究的热点。欧洲的先进的通信技术与业务计划中，有三项计划是将软件无线电技术 应用在第三代移动通信系统中的：（ ，灵 活的综合无线电系统和技术）计划将软件无线电技术应用到设计多频多模可编程手机。这 种手机可自动检测接收信号以接入不同的网络，且适应不同接续时间的要求； 南京邮电大学硕士研究生学位

8、论文 第一章绪论 （ ，未来的无线宽带多址系统）计划的目标是 定义、研究与评估宽带有效的多址接入方案来满足（ ，通用移动通信系统）要求，方法之一是采用软件无线电技术； （软件无线电技术）计划是演示灵活的有效的软件可编程电台，它具有无线自适应 接入功能，并符合的标准。如将软件无线电的基本思想用到无线电通信中，将不需 要为每一种新的通信体制重新建网、更换设备，只需在各个通信系统中建设统一的硬件平 台，然后不论是现有的各种体制和标准还是将来新出现的体制和标准，都以软件加载的方 式进行更新换代。需要更新的软件可以通过一个统一的软件提供商来供给，软件可以以无 线电波的形式从空中下载。使用这样一种理想的软

9、件无线电概念后，所有的体制和标准更 新，以及不同体制之间的兼容，都可以通过更换适当的软件来完成，这样既节省了重新建 网的费用，也缩短了从研究到应用的周期。 同时，随着现代微电子技术及微处理器技术的进步，特别是大规模集成器件和可编程 器件的出现，使以硬件为主的传统无线电技术得到了长足的进步。、（ ，现场可编程逻辑门阵列）及（ ，通用）处理器 等硬件的发展和机总线概念的引入，导致无线电结构的重大变革，使无线电技术进入 新的阶段软件无线技术将成为甚至移动通信中的关键技术之一。 软件无线电的结构 作为一种新兴的技术，有关软件无线电的概念、结构、实现、用途等都还在发展之中， 目前尚难以给出一个严格而全面

10、的定义，根据现有相关文献论述，本文总结其定义大致为： 软件无线电是一种基于数字信号处理（）芯片，以软件为核心的崭新的无线通信体系 结构，通过模块化、标准化的硬件单元以总线方式连接构成基本平台，利用软件编程来实 现无线电台的各种功能，从基于硬件、面向用途的电台设计方法中解放出来，使得通信具 有很大的通用性、灵活性，并使得系统互联和升级非常方便；该技术是软件化、计算密集 型的操作形式；它与数字和模拟信号之间的转换、计算速度、运算量、存储量、数据处理 方式等问题息息相关；其目的就是希望建立开放式、标准化和模块化的通用硬件平台，将 诸如频率、调制方式、数据传输速率、加密模式、通信协议等用软件来完成，使

11、通信系统 具有较好的兼容性、可升级性和开发性。其核心思想是在尽可能在靠近天线的地方使用宽 带的“数字模拟（）转换器，尽早地完成信号的数字化，从而使得无线电台的功能 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 尽可能地用软件来定义和实现。 这里简要介绍软件无线电的结构特征。一个典型的软件无线电平台可以将硬件单元划 分成射频、中频（ ，）、基带、信源和信令等各层，它们具有模块 化结构，各层之间的连接通过控制总线和数据总线实现。软件无线电充分利用嵌入通信设 备里的单片机和专用芯片的可编程能力，提供一种通用的采用宽带转换器、和通 用中央处理器（）相结合的无线电台硬件平台，既保持无线电台硬件结构的简单化

12、， 又带来如下的优点：）灵活性：能转换信道、改变调制方式和接收不同类型信号；）集 中性：软件无线电技术多信道共享前端射频级，可对每一信道进行低成本的数字处理，尽 管软件无线电台比单个传统接收机要昂贵得多，但每个信道的成本大大降低了。 软件无线电的天线跨多个频段，形式统一，损耗低。射频部分完成输出功率的产生及 前置放大，接收信号时将射频信号转换成标准中频信号，发射信号时将标准中频信号转换 成射频信号，该标准中频信号适合和转换。中频部分完成中频信号与已调基带 信号之间的变换（接收和发射），它的主要功能是频率变换和滤波。基带信号处理部分把 数据流变换成适合信道传输的基带信号和解调基带信号（含定时恢复

13、），包括针对非线性 信道的预失真、编码和软判决参数估计等。比特流部分采用数字方式复接和分接多个用户 的比特流，这些比特流经过信源编码，包括（ ，前向纠错码， 如：比特交织、分组或卷积编码等）帧定时、比特填充、无线链路加密等，它还具备信令、 控制、运营、管理和维护等功能。 软件无线电硬件采用模块化结构宽带和及高速，公共硬件平台，支持 并行、流水线及多处理机。软件采用基于（ ，开放式系统 互联）参考模型的分层软件体系，支持开放式的模块化设计。灵活应用软件无线电的基本 硬软件模块，可使软件无线电设备对传播条件具有多种自适应能力（包括频率、功率、速 率及多径分集等），多种抗干扰能力（包括自适应天线调零

14、、自适应干扰抵消、扩频及跳 频等），灵活可变的多址方式（包括、）及其混合等，用户需要的 多种业务（包括话音、传真、数据及图象等）及多种组网与接口能力等。 软件无线电强调体系结构的开放性和全面可编程性，通过软件的更新改变硬件的配置 结构，实现新的功能。软件无线电采用标准的、高性能的开放式总线结构，以利于硬件模 块的不断升级和扩展。理想软件无线电的组成结构如图所示，其结构主要由天线、射频 前端、高速转换器、通用和专用数字信号处理器、低速转换器以及各 南京邮屯大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 种接口和各种软件所组成。 宽带 多频 止 高速 语音 低 速 、， 图像 、 、一 中叫 部分 高速 心

15、卜 一 一 、 专用可 低 编程处理 速 段天 线 天线段 其他 、 、一 网络 数字 信号 高速处理段 低速处理 图软件无线电结构框图 其关键思想和与传统结构的主要区别在于：）将和向端靠近，由基带到中 频对整个系统频带进行采样；）用高速代替传统的专用数字电路与低速 做后的一系列处理。和移向端仅为软件无线电的实现提供了必要条件，关 键步骤是采用通用的可编程能力强的器件（和等）代替专用的数字电路，由此带 来的一系列好处才是软件无线电的真正目的所在。 典型的软件无线电台的工作模块主要包括下面三个部分：）实时信道处理：实时信道 处理包括天线、射频变换、和变换器、中频处理、基带与比特流处理及信源编码。

16、 其中射频变换包括输出功率的产生、前置放大、射频信号变换为标准中频或由标准中频变 换为射频信号，以适应宽带和变换。中频处理部分变换基带和中频之间的发射和 接收信号。通用主要完成各种数据率相对较低的基带信号的处理，比如信号的调制解 调，各种抗干扰、抗衰落、自适应均衡算法的实现等。还要完成经信源编码后的前向纠错， 帧调整、比特填充和链路加密等算法。也有采用多芯片并行处理的方法，以提高其处 理的能力。比特流部分将多个用户产生的信源编码复用成比特流，或与之相对应将比特流 多路分解。还提供信令、控制和操作、管理和维护功能。实时信道处理部分最合适的结构 是多指令多数据多处理器的结构，即将多处理器组成一个流

17、水线，来实现软件模块分配给 内部连接在一起的各个处理器的不同的功能序列；）环境管理：在准实时环境管理模块 中持续地使用频率、时间和空间特征来表征无线电环境，这些特征包括信道识别和估计其 它参数。环境管理模块的操作模块化，容易用一台多指令多数据并行处理器来实现。这种 并行环境管理模块和流水线工作方式的实时信道处理模块之间的接口必须使环境管理的 参数和信道处理模块同步；）在线和离线的软件工具：在线和离线系统分析、信号处理 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 和变宿主工具允许人们确定增量业务。这些业务的增加可在实时信道处理模块中生成和连 接，也允许人们调整算法，以便钡试参数位置、确定业务的一

18、些数值和资源影响。高度集 成化的软件工具可比较快地实施增值的软件升级，当软件定义的网络迅速扩大后，可通过 无线传输提供改进了的业务服务。 软件无线电的开发工具 是公司针对通信领域的产品，它在软件无线电方面的应用目的是 通过如和通信虚拟机（）将软件的发展与底层的硬件分离开来以减少开发 的投入。其本质是基于的。 的工作流程如下： ）将算法模块化； ）转换为可以识别的数据类型； ）通过应用程序借口（）进行连接。 简介 通信系统仿真简介 仿真是衡量系统功能的工具，它通过仿真模型的结果来判断原系统的性能，从而为新 系统的建立或者原系统的改造提供可靠的参考。通过仿真，可以降低新系统失败的可能性， 消除系统

19、潜在的瓶颈，防止对系统中某些功能部件造成过量的负载，优化系统的整体性能， 因此，仿真是科学研究中不可缺少的方法。 实际通信系统是一个功能结构相当复杂的系统，对这个系统做出的任何改变（如改变 系统的某个参数、改变系统的结构等）都可能影响到整个系统的性能和稳定。因此，在对 原有的系统做出改进或者建立一个新系统之前，通常需要对这个系统进行建模和仿真，通 过仿真结果得出方案的可行性，从中获取最合理的参数配置和系统配置，然后再应用于实 际系统中，这个过程就是通信系统的仿真。 图。给出了仿真的流程图： 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 图通信系统仿真流程图 简介】 是一个可以进行动态系统建模、仿

20、真和综合分析的软件包。它可以处理的系 统包括：线性、非线性系统；离散、连续及混合系统；单任务、多任务离散事件系统。在 提供的图形用户界面上，只要进行鼠标的简单拖拉操作就可以构造出复杂的 仿真模型，甚至不需要编写一行代码。它和的无缝结合使得用户可以利用 丰富的资源，建立仿真模型，控制仿真过程，分析仿真结果。另外，在 系统仿真领域中已经得到广泛的承认和应用，许多专用的仿真系统都支持模型， 这非常有利于代码的重用和移植。使用可以方便地进行控制系统、系统、通 信系统以及其它系统的仿真分析和原型设计。 为用户提供了用方框图进行建模的图形接口，它与传统的用微分方程和差分 方程建模的仿真软件相比，具有更直观

21、、方便、灵活的优点。包含很多模块，如 （输入源）、（线性环节）、（非线性环节）、（连接与接 ）和（其他环节）子模块库，而且每个子模块库包含有相应的功能模块。同时，用 户还可以定制和创建自己的模块。 提供了专门用于显示信号的模块，可以在仿真过程中随时观察仿真结果。同 时，通过的存储模块，仿真数据可以方便地以各种形式保存到工作区和文件中， 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 供用户在仿真结束后对数据进行分析和处理。另外，把具有特定功能的代码组织 成模块的方式，并且这些模块可以组织成具有分层结构的子系统，因此具有内在的模块化 设计要求。基于上述优点，称为一种通用的仿真建模工具，广泛的应用与通

22、信仿 真、数字信号处理、神经网络等领域。 根据输出信号与输入信号的关系，提供了种类型的模块：连续模块、离散 模块和混合模块。连续模块是指输出信号随着输入信号的变化发生连续变化的模块，离散 模块则是输出信号以固定间隔变化的模块。对于连续模块，采用积分方式计算输 出信号的数值，因此，连续模块只是涉及导数的计算及其积分。离散模块的输出信号在下 一刻抽样时刻到来之前保持恒定，这时候只需以一定的间隔计算输出信号的数值。 混合模块是根据输出信号的类型来确定输出信号类型的，它既能够产生连续输出信号，也 能够产生离散输出信号。 如果一个仿真过程中只包含离散模块，这时候采用固定步长方式进行仿真。 当所有的离散模

23、块都有相同的抽样时间时，只需按照这个时间间隔实施仿真；否 则，采用多速率进行仿真。多速率仿真模式的一种方案是选取一个最大可用间隔， 使之用于所有的离散模块。这个时间间隔一般是各个离散模块抽样间隔的最大公约数。对 于可变步长方式，多速率仿真模式按照各个模块的抽样间隔列出可能的仿真时间，在仿真 时刻到来的时候只对相应的离散模块实施仿真，从而在一定程度上提高了仿真效率。 如果仿真过程中既包含了连续模块，又包含了离散模块，采用两种仿真步长 进行仿真。对于其中的离散模块，可按照离散模块的方式进行仿真，这个仿真步 长称为主步长。在每个主步长仿真中，使用小步长间隔，通过积分运算得到连续 状态的当前输出信号。

24、 用创建的模型可以具有分层结构，因此用户可以采用从上到下或者从下到上 的结构创建模型。用户可以从最高层开始观看模型，然后用鼠标双击其中的子系统模型， 以查看下一层的内容，依此类推，从而可以看到整个模型的细节，帮助用户理解模型的结 构和各模块之间的相互关系。 是一个系统级的设计和仿真环境，用户使用可以在实现系统之前对 系统进行建模，仿真其行为，并最终提炼出可行的设计。提供了方便的层次化建 模方式，在模型顶层可以通盘的了解系统，然后在底层进行不同子系统的具体实现。通过 用户可以建立完整的端到端仿真系统，包括模拟混合信号系统、基带系 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 统、数字通信系统和控制

25、逻辑部分在内的不同系统组件集成到统一的平台中，形成一个完 整的模型。辅以仿真，用户就能确认设计规范的正确性和可行性，并通过调参进 行设计折衷和性能优化。可以针对单通道和多通道数据、线性和非线性组件进行 建模。可以仿真数字、模拟和混合信号系统，提供高效的基于帧的和多速率信号处理系统 仿真。像 和 这样的功能模块库也提供了所有常规 的数字信号系统和通信系统应用中的算法模块，为用户建立完整的系统提供方便。同时， 增加了进行定点系统仿真的功能，可以将结果与浮点仿真进行比较， 以便在仿真之前解决定点定标问题。除此以外，还有一个伴生产品用 以对控制逻辑事件驱动系统进行建模。 本文的主要工作及组织 本文主要

26、利用进行基于通信基带系统的仿真研究，如信道仿真，以 及衰落信道仿真分析等。 第二章利用对基于调制的信道进行了仿真分析，由于采用的 数字传输是动态的，所以表现了很好的仿真效果和优越性。并且结合自 有的特点，简化了模型，使该模型在仿真过程中更容易观察其动态信息。 第三章则利用对基于衰落信道的通信系统进行了仿真分析。在此章 中，首先根据衰落信道的特点搭建了仿真模型，在对其进行分析的同时，结合 的优点、在对衰落信道深入了解的基础上，自我构建了衰落信 道的模型，取得了很好的效果。 第四章的工作是在了解了如何利用连续状态离散时间神经网络去进行盲均衡 的基础上，利用对该系统的工作过程进行了完整的仿真，在验证

27、了该系统性能的 同时，也为本文的工作一一基于的软件无线电的研究做了很好的证明。由于 是基于时间流的，即和现实的通信系统相同，这就使得它不同于以往任何形式的 仿真语言。为了更好的证明的仿真性能，在对上述模型进行仿真的同时，也和 文件仿真做了对比。由于的硬件化特性，使得本论文的工作有很大实用性及一定 的创新性。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章基于的加性高斯白噪声信道的研究 第二章基于 的加性高斯白噪声信道的研究 在上一章中，我们主要介绍了的一些特性，本章将通过具体的实例来说明 在通信系统仿真过程中的作用。在本章中，我们将利用对加性高斯白噪 声信道（）进行仿真。在充分理解该信道特性的基础上，

28、建立了实时的、动态的仿 真模型，并且用对其仿真，取得了比较好的效果，计算了该模型相应的误码率， 并和语言仿真的误码率做了对比，验证了其良好的仿真性能。 通信系统的一般模型 最基本的通信系统由发射器、接收器和通常作为无线连接的信道组成【】，如图所 示。由于一般信号不能直接使用如语音那样的低频，因此需要在发射器中将传递的低频信 息加到高频载波信号上，这个过程叫做调制。使用调制也可以使多个信息信号共用一个无 线信道，只要对每个信息信号使用不同的载波频率即可。调制的逆过程叫做解调，它是在 接收器中进行的，目的是恢复出原始信息。图中的噪声源是信道中的噪声以及分散在通信 系统其他各处的噪声的集中表示。 图

29、通信系统的一般模型 信息信号称作调制信号或基带信号。理想的通信系统能够在接收器中准确地恢复出信 息信号，只是无法避免从发射器到接收器之间的传输时延，再有可能就是信号幅值的改变。 除此之外的其他任何改变都将构成失真。当然，任何实际使用的系统都会引起一些失真。 而且，由于噪声的存在，我们不可能完全在接受端恢复出信号，但是我们可以利用一些技 术手段，使得接受信号接近原始信号，这样，通信的目的也就可以在允许的误差范围内达 到。 南京邮电大学硕上研究生学位论文 第二章基于的加性高斯白噪声信道的研究 信号与噪声 信噪比的定义 各个通信系统在许多方面都不相同，但是有两个方面它们是一样的。一个是它们都有 信号

30、，用于承载有用信息；另一个就是它们都有噪声，产生于各个噪声源，并且进入系统， 使信号退化，降低通信质量。保持一个足够高的信号与噪声之比（简称信噪比），是进行大 量通信系统设计工作的基础。信噪比一般单位为分贝，表示为，它是所有通信系统的 一个重要指标。定义为： 姗再蒜嚣 ， 对于任何通信系统来说，保持一个合理的信号功率与噪声功率之比是至关重要的，同 样地，在已经确定好系统模型各部分参数后，如何准确地估计出信噪比对于很多算法的优 化也至关重要 噪声 在通信中，我们说干扰，一般是指对传输信号的干扰，也就是对信道的干扰。对于信 道的含义，从广义而言，通信中传输信号可以有基带信号和非基带信号（经过适当调

31、制）。 因此，信道不仅包含各种传输媒质（导线、自由空间、电离层等），还包括天线、高频放大 器、变频器等设备。这样，对信道而言，它的输入信号和输出信号之间的关系，常写成如 下的形式嘲 （于）尼（），（）聆（，） 式中 （） 氐（）：信道的输出信号 。（）：信道的输入信号 尼（）：信道的乘性干扰 九（）：信道的加性干扰 所谓乘性干扰是由于信道特性而引起的，加性干扰是由于各种噪声源引起的。当我们假设 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章基于的加性高斯白噪声信道的研究 信道为理想特性时，尼（），则 （），（）刀（） 加性噪声中最常见的是高斯白噪声，下面就此做一个简单的介绍。 （） 首先介绍白噪声，它

32、是通信中噪声分析的一个理想化模型。噪声是一个随机过程，称 之为“白”，是因为噪声刀（）的功率谱密度（厂）在（，）整个频率范围内都是均匀分 布的。显然，白噪声的功率谱密度可表示为 蹦舻譬 其中，为单边功率谱密度，单位为（）。 根据维纳一辛钦关系，可以求得白噪声的自相关函数为： （） 尺以（）亍芴聃（ 帆缈丝仃（） 同的瞬间取值是不相关的。 （） 即白噪声的自相关函数是位于：处、强度为了的冲击函数，这表明白噪声在任何不 确切的说，实际噪声的功率谱密度不可能具有无限宽的带宽，否则其平均功将是无限 大，物理上是不可能实现的。然而，白噪声在数学上处理比较方便，所以在通信系统的分 析中有十分重要的作用。一

33、般地说，只要噪声的功率谱密度的宽度远大于它作用的系统的 带宽，并且在系统带宽内，它的功率谱密度基本上是常数，就可以作为白噪声处理。 其次我们来讨论高斯噪声，这是通信理论中研究最成熟的一种噪声形式。顾名思义， 这种噪声的振幅随机变量服从高斯分布，即 黔去等 式中 （）：随机变量的概率密度函数 ：随机变量 仃，：的标准方差 仫， 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章基于的加性高斯白噪声信道的研究 蠢：的方差，即二阶中心矩 。：，的均值，即数学期望 从式（）看到，只要确定高斯变量的方差和均值，其概率特性就可以完全确定。因 此，对于理论分析是方便的。所以对于其他随机变量，只要能近似成高斯噪声的都按高

34、斯 噪声处理。实验表明：这样做引起的偏差是很小的。 从前分析可以看出，高斯噪声和白噪声是从两个不同角度来说明的。通常把服从高斯 分布而功率谱密度又是均匀的噪声称为高斯型白噪声。 一个随机过程，如果它的概率特性不随时间而变化，我们称为平稳随机过程。实际上 我们所遇到的噪声大都是平稳的或近似平稳的随机过程。特别要强调的是：平稳并不要求 在整个时域上，而只要在我们所要求的时段内是平稳的，就可以说它是平稳的随机过程。 这时，只要用一阶矩和二阶矩就能描述它的全部概率特性。 根据式（）可以计算出概率分布函数（，），它定义为 ， 巧）昂（巧）矿（）咖 （一肼） （） 将式（）代入式（）得 昂（）孺上。口可咖

35、 误差积分的形式，列出数值表以供查用。 下面就给出变换过程： （） 然而，昂（）不能用某个基本函数表示，所以不便于实际计算，所以，常把它变换成 用变量代换，“（矿）仃；，可见，当（常数）时，铭（常数，吉 成积分限得变换），；，代入式（），得到 乃（巧） 吖 （） 又因为，时，材，这是名（）的中间值，即，所以式（）又可以写为 昂（）万。幽了邝砒 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章基于的加性高斯白噪声信道的研究 了忑 幽 忑土。幽 幽 三，。幽， ，。 三矿（训 扣矿皤， 式中，矿。），。幽为误差积分。 汜 传输方案嗍 调制方案简介 采用无线电波传送诸如和一之类的数字信号时，最好的调制方法就是

36、根据数字信 息数据调制载波信号的频率五。“调制的意义在于改变载波信号的一些特殊元素。载波 信号的表达式如下： （）万口） （） 其中，、和（）分别是幅度、中心频率和载波信号的时变相位。用户可以通过改变 式（）中的三个元素来获得期望值，这三个元素分别为幅度、频率和相位。根据数字 信号改变式（）的幅度，我们称之为调制方案；此外，改变式（）中的频率， 称之为调制方案；最后，如果改变式（）中的相位，称之为或者调制方案。 接下来的一小节主要介绍基于调制的数字通信方案，描述了传输机和接收机的基 本特征，在后面的章节中将给出仿真，并与语言仿真做出对比。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章基于的加性高斯白

37、噪声信道的研究 调制 在调制方案中，输入的数字信号和分别直接被转换成相位和万。因此， 波形信号的表达式如下： （，）。万七） 其中畋为信息数据序列。 （） 图给出了信号传输流程图。如图所示，把数字信息数据和载波相乘， 就得到了信号波形。然而，对于频率带宽受限信道来说，必须采用额外的冲击成形 滤波器来控制传输信号的形状。因此，在信号产生的过程中，首先要把数字信号送 到一个冲击成形滤波器电路中：然后通过转换器把冲击成形信号变换成模拟信号，再 和载波信号相乘，最后发送出去。 区因亟垂旧窄夏荆 。 （） 图（）传输过程（）传输方案的接收过程 在接收端，接收到的信号通过一个带通滤波器（），从而去除其中的

38、伪波。然后接 收信号再与载波频率信号相乘，再通过转换器把接收信号转换为数字采样信号，最后 再通过判决电路把传输数字信号恢复出来。 为了最大限度的减少伪波信号的数量，通常在接收端都会使用滤波器，而最常用的一 种滤波器就是奈魁斯特（）滤波器。滤波器的频率响应为 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章基于的加性高斯白噪声信道的研究 眍邝等 汜 （） 曙 棚刊）皆邝等 。 价等 其中，口为滚降因子，其大小决定信道带宽。 在时域范围内，滤波器的一个显著特征就是在力瓦（为整数）时取得值。 因此，当我们把同步点设置在，死时就不会产生符号间干扰。尽管滤波器有诸多 的优点，但仍有一问题：在什么时刻、什么地方用它

39、来获得最优的结果。参考文献讨 论了在环境中最优的配置方法以最大可能的获得同步点的方法。经研究表明，使用 两个滤波器，即传输滤波器与接收滤波器，将和（）有相同的分布增益，即 （）（厂），（厂）（）。其中，（）和（）为传输和接收滤波器的 频率响应： （）（厂）（） 彬一删瓦妙瓦 。 。悱寄 比瓦 汜川 一般把该滤波器称为均方根滤波器，其冲击响应（）和（）为： 寺毒咖卜口）牡嚣剃卜峙）（ 如图所示，基带信号经过调制（与载波信号相乘，如）后发送出去，传输信 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章基于的加性高斯白噪声信道的研究 （）（）， （） 在传输过程中信号会产生多径衰落现象，同时也会被干扰，所以，

40、接收端接收到的 信号可表示为 ，（）芎（彳，）圆（卜）行（） 通过比较以和可以计算出（误码率）。的理论值为 （） 其中，（，）为无线信道在时刻芒的冲击响应，（）为接收噪声。最后恢复出信号以。 咖丽） （） 式中的毛为每个比特的能量，为噪声功率密度。 仿真及结果分析 文件仿真 为了检测调制的误码率性能，在本节中采用计算机仿真以验证。整个通信 的模型如图所示。 冲击成形滤波器（传输） 冲击成形滤波器（接收） 图计算性能的传输系统模型 下面给出仿真结果，如图所示，从图中可以看出，随着信噪比（色“）的增加， 误码率（）也逐步的减小，直至趋近于。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章基于的加性高斯白噪

41、声信道的研究 图 调制的语言仿真误码率曲线图 接下来的一小节会给出调制方案的仿真的整体过程，为了验证 的性能，在不同的信噪比情况下给出其误码率，和语言仿真做出对比。 仿真结果及分析 图给出了调制的 仿真流程图。图中模块的数学模型在前面的几小 节已经给出，在此就不再赘述。同时，为了绘制不同信噪比的误码率，会在“ 模块中改变系统的信噪比（），然后观察经“ ”模块计算的 误码率的变化情况，据此则可以从“模块中显示相应的误码率变化情况，如图 所示。 南京邮电大学坝研究生学位论文 第章堆于的加性高斯白噪声信道的研究 熹蔓疆 赢一些：！：兰三爿 图 调制 仿真流程图 图 调制 仿真误码率 从的模块可以方便

42、的看出仿真结果，即误码率的显示。在仿真 过程中可以看出：在模块中的信噪比设置为（如图左图）的时候，误码率 己降为。和文件仿真相比，仿真直观的多，它可以方便的观察仿真过程中中 间值的变化情况只要把响应的模块输出值输出到界面的中，这样 就可以更加方便的找出仿真过程中的问题所在，方便了整个仿真过程；同时，仿 真更加接近真实的系统，这就增加了对真实系统的理解。 结论 在仿真过程中，每个模块都可以表示成输入信号“，输出信号 以及内部状态之间的关系。在某个时刻，模块的内部转换由两个部分组成： 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章基于的加性高斯白噪声信道的研究 连续状态。和离散状态，。，此时输出信号兀，）

43、，连续状态导数 ：厶，材），离散状态勤。厶（，“）。根据连续状态导数方程进行积分 运算，得到各个连续状态的数值，同时通过离散状态方程计算离散状态的当前值。这样， 就可以得到各个时刻的转换以及输出信号，实现对仿真结果的求解。 在仿真的过程中，每个模块的执行过程可以分成三个阶段：初始化阶段、仿 真循环阶段和仿真结束阶段。在初始化阶段，把各个模块调入内存，检查模块的 数据类型和长度，设置仿真时间间隔，定制仿真模块的执行顺序，以及内存分配。在仿真 循环阶段，按照初始化阶段定制的顺序依次执行各个模块，计算当前时刻的离散 状态和输出信号，以及小步长积分的方式计算各个连续状态的数值以及由此产生的输出。 这个

44、过程一直持续到仿真结束，然后进入仿真结束阶段，清理各种已经分配的资 源，同时保存仿真过程产生的数据。 本文给出了基于在通信系统中的建立动态的、实时的仿真模型的探讨， 并且在最后的运行和结果分析中论证了在仿真模型的正确性，在利用对通信系统 进行仿真时，对的优点进行了分析，得到了较好的验证。 总结 在这一章中，我们给出了的动态的、实时的仿真图形，结合仿真，利 用了一些里面自带的一些仿真结果观察的模块，很好的观察了仿真过程中结果的 演变过程，并且取得了理想的效果，表明对这类模型具有很好的仿真功能。本人 也对其中的算法利用文件进行过仿真，结合作者在两种仿真过程中遇到的问题，给出了 以下几点说明。 （）

45、在对模型的理解方面，利用文件进行模型的仿真只要理解了模型本身都可以进 行仿真。在时序方面，文件进行的仿真可以完全按照模型中的时序。而利用进 行仿真，必须更加深入的了解模型以及其中的时序。 （）利用进行仿真可能有时候为了仿真搭建模块的需要，需要对算法或者是 模型进行一定程度的修改，比如这种对其进行的仿真就是完全按照作者修改以后的模型进 行的仿真。 （）对动态系统的仿真，利用中自带的结果观察和显示模块，可以比利用 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章基于的加性高斯白噪声信道的研究 文件更加方便的在仿真过程中对结果进行分析和观察，上面已经给出了明显的观察效果。 利用文件编程对中间结果的显示和观察比

46、较烦琐，可能还需要进行数据的修改和重新仿 真。比如在对上面个数据进行仿真的结果分析时，其中进行到任何小于的结 果都显示在模块当中。所以在对动态的，实时的系统进行仿真，要明显优于 语言，这也是最大的优点所在。 （）利用进行仿真最大的难点不是在于对模块本身的含义，而在于对每一个 模块里面的参数设置的问题，在这点解决上，我们可以阅读里面自带的文件，如果还 不能理解，就可以搭建很简单的模型，把这个模块带进去，仿真的进行输入数据和输出数 据的观察就能真正的了解这个模块的具体含义了。这点也正是在本文作者在仿真过程中了 解模块用到的方法，因为在国内还没有对里面每个模块进行详细介绍的书籍。例 如上文用到的错误

47、率统计模块（ ）。 （）在学习过程中，利用对通信系统或者信号处理系统的仿真也要明显的优 于文件的仿真。它是图形化的操作画面，可以更好的仿真系统的内部功能，因为系统的 每项功能基本都对应于里面的一个模块或一个子系统 随着中的集成化越来越高，模块库的越来越丰富，并且自 身的优点，有理由相信，利用会得到越来越广泛的推广。而本文所做的工作也就 是在基于导师研究的课题上，着重的利用对通信系统中的模型进行了一定的探讨 和研究。 有许多可以进一步研究的方向，如： 能够从模 型中生成可定制代码及独立的可执行程序；与其它高级语言之间的接口问题。文 献一就是介绍与其它高级语言之间的接口问题以及具体处理的问题和方

48、法，如，等。文献就是介绍与 生 成可定制代码及独立的可执行程序的具体应用等，在这些方面，的仿真模型将产 生巨大的实际应用。 南京邮电大学硕士论文 第三章基于的衰落信道分析及仿真研究 第三章基于 的衰落信道仿真及研究 本章在对移动无线信道理论物理模型和数学模型分析的基础上，提出了本文中的移动 无线信道特性仿真模型的设计思想以及具体的设计实现，并对仿真模型结构中各个参数模 块进行了分析。 上一章利用构造出在干扰下通信系统仿真模型，这一章将给 出基于帧处理的信道的通信系统仿真模型，同时给出仿真结果并加以分析。 无线移动通信信道概述 移动通信与固定通信的不同在于通信时电台所处的环境是移动的，因此移动通

49、信信道 是影响无线通信系统性能的一个基本因素。发射机与接收机之间的传播路径非常复杂，从 简单的视距传播到各种复杂的具有各种各样障碍物的发射、折射和散射的路径，无线信道 的传播特性具有极度的随机性。同时，随着发射机和接收机之间距离的不断增加而引起电 磁波强度的衰减，而且移动台相对于发射台移动的速度和方向也对接收信号有很大的影 响。因此模拟无线信道一直是移动无线设计的一个难点，对移动信道的研究只能在统计意 义上来进行。 复杂、恶劣的传播环境是移动信道最主要的特征，这是由在移动中进行无线通信这一 方式本身所决定的。对于移动通信来说，恶劣的通信信道是不可回避的问题。与其它通信 信道相比，无线移动信道是

50、最复杂的一种。在移动无线信道中，信号强度的骤然降低即所 谓的衰落是经常发生的，衰落深度可达。一辆快速行驶车辆上的移动台的接收信号在 一秒钟之内的显著衰落可达数十次。这种衰落现象严重恶化接收信号的质量，影响通信的 可靠性。要在这样的传播条件下保持可以接受的传输质量，就必须采用各种技术措施来抵 消衰落的不利影响。各种抗衰落技术都是针对移动通信的信道特点而产生的，包括分集、 扩频、均衡、交织和纠错编码等。另外，信号的传输方式，如调制方式，对信道的衰落也 要有一定的适应能力。 由于多径效应和多普勒效应的存在，接收信号会产生衰落失真，即信号经过短时间或 短距离传播后其幅度快速变化，以致大尺度路径损耗的影

51、响可以忽略不计。因为，这种信 号的衰落发生在几秒内或很短的距离中，所以我们称之为小尺度衰落。其表现如下： （）即使移动接收机处于静止状态，接收信号也会由于无线信道所处环境中的物 南京邮电大学硕士论文 第三章基于的衰落信道分析及仿真研究 体的运动而产生衰落。 （）基站与移动台之间的相对运动会使每个多径分量产生不同的多普勒频移，从 而引起接收信号的随机频率调制。 （）多径传播时延引起的扩展。 多径信道的冲击响应模型 冲激响应是一种宽带信道特征，它包含了所有用于模拟和分析信道无线传播的信息， 可以用来预测和比较许多不同移动通信系统的性能，以及对一个特定的移动信道条件预测 和比较发射带宽。移动通信中的

52、信道是线性时变的，可以用具有时变冲激响应特性的线形 滤波器来描述。 定义办（，）为时变多径无线传输信道冲激响应们： 一 （，）口如，）（。）仍（，）（心） （） 式中，表示接收台运动时间变化，表示对固定时刻的信道多径时间延迟；（，）， （）分别在时刻第个多径分量的实际幅度和附加时延。矾乃（）仍（，）表示第 个多径分量在自由空间传播造成的相移，再加上在信道中的附加相移。 （，）完全表征了信道的特性，它同时是和的函数。因此，接收信号（）可以表 示为发送信号（）与时变信道冲激响应的卷积，即： ，（）（）（，） 移动多径信道参数 信道特性参数是指对信号传输具有重大影响的参数，包括下面几个方面： 时延扩

53、展与相干带宽 多径传播导致信号到达时间的延迟扩展，可直观的用最大延迟舣来表征。若令气为 第个路径的时延，为直达波的路径时延，则有。因此是随机变量， 南京邮电大学硕士论文 第三章基于的衰落信道分析及仿真研究 多径传播的时间延迟扩展可用统计的方法得到平均延迟及标准差盯，并以标准差矿，来 表征时延扩展。若时间时延的概率密度为（），则： （）如 （） 盯；（一）（） （） 统计参量盯，的物理意义在于它表征时延扩展（对平均时延）的离散程度，时延扩 。信道相干带宽是表征载波频率不 可与相干带宽色建立一定的关系，有尻荔 同的信号其包络衰落的相关性，它反映信道的时间分布，它是这样一个频率范围的统计量： 在这个

54、频率区域内，信道冲激响应可以被认为是平坦的（），即能以近似相同的增益和 线性相位通过所有的谱分量。相干带宽的物理意义在于：为保证信号的传输，信号的频谱 应处在相干带宽之内；若为使信号的衰落具有独立性，信号的频谱应处在相干带宽之外。 时延扩展仃。与相干带宽反是用于描述本地信道时间色散特性的参数引，但都没有 能反映出由移动台与基站之间相对运动或者信道中的物体移动所引起的信道的时变特性， 这必须由多普勒扩展与相干时间疋两个参数来表征。 多普勒（）扩展与相干时间 时延扩展与相干带宽是用于描述本地信道时间色散特性的两个参数。然而，它们并没 有提供描述信道时变特性的信息。这种时变特性或是由移动台和基站之间

55、的相对运动引起 的，或者是由信道路径中的物体的运动所引起的。多普勒扩展和相关时间就是描述信道时 变特性的两个参数。 多普勒扩展曰是谱展宽的测量值，这个谱展宽是移动无线信道的时间变化率的一种 量度。多普勒扩展定义为一个频率范围，在此范围内接收的信号有非多普勒扩散。当发 送频率为正的正弦信号时，由于多普勒频移的作用，接收信号的频谱在六一厶至五厶之 间变化，其中厶为多普勒频移。谱展宽依赖于以，厶是移动台的相对运动速度、移动台 运动方向与散射波入射方向之间夹角秒的函数。如果基带信号带宽远大于，则在接收端 南京邮电大学硕士论文 第三章基于的衰落信道分析及仿真研究 可忽略多普勒频移的影响。 厶，。秒 （）

56、 其中，力为载波长，为运动速度，厶云为最大多普勒（）频移。 信道相干时间正是多普勒扩展在时域的表示，用于在时域描述信道频率色散的时变特 性，互与多普勒扩展成反比，即 瓦去 ， 信道的相干时间是信道冲击响应维持不变的时间间隔的统计平均值。换句话说，相干时间 就是指一段时间间隔，在此间隔内，两个到达的信号有很强的幅度相关性。如果基带信号 带宽的倒数大于信道的相干时间，那么传输中基带信号可能发生变化，导致接收机解码失 真。 多径衰落信道的统计模型 目前已经建立了许多多径模型，用以说明移动信道的观测统计特性。模型是基 于入射波与建筑物表面随机分布的反射波相互干涉的现象而提出的，模型预测的平 坦衰落功率

57、谱与市区外的相一致。但该模型假设了在发送机与接收机之间存在一条直视通 路，反射角度局限于一个严格的范围内。然而，市区里的直视通路几乎都被建筑物或其他 障碍物挡住了，所以模型不适用于市区环境，通常使用的是基于散射波提出的 模型和模型，在本论文中主要考虑模型。 衰落信道 在移动通信系统中，移动天线接收到许多的反射散射波。由于不同的路径长度、随机 的相位，因此，接收的功率为个随机变量。假设载波未经调制，频率为国。的信号通过了 许多路径到达接收机，第条路径的幅度为，相位为么。如果假设不存在直达路径成分， 则接收到的信号，（）可表示为： 南京邮电大学硕士论文 第三章基于的衰落信道分析及仿真研究 （）口，

58、（）。谚） （） 其中，为路径数。相位唬取决于不同的路径长度，当路径长度改变一个波长时，相位破 就改变。因此，相位在，上呈均匀分布。当发送方和接收方之间有相对的移动 时，等式（）就应当包括有由移动导致的频移和相移所产生的影响。假设第条路径幅度 为、相位为办的反射波到达接收机，其运动方向与天线之间的夹角为，该反射波的 多普勒频移由下式： 上沙 坐沙 （） （） 其中，为移动台的运动速度，为光速（ ），在，上呈均匀分布， 于是接收到的信号，（）可表示如为： ，（）口，（）。，么） 可将上式表示为如下形式： ，（）（） 。（） 其中： （） （） ）口 （）曲办） （） （） （西办） 所以包络可表

59、示为： （） 面而习甄万 当）各分量应具有随机相位和近似相等的功率； ）相位在，内随机均匀分布； （） ），接收信号包络的概率密度函数（）纠成分布。 （）考一万），。 （） 南京邮电大学硕士论文 第三章基于的衰落信道分析及仿真研究 其中，仃为信号的平均功率。 迄今为止，已经有很多仿真模型以及仿真器对多径衰落信道进行仿真和分 析。其中主要的有平坦衰落的模型、传统的模型以及对模型进行了改进 的模型等等。这里，我们将主要介绍的是模型以及其改进模型，因为对整个系统进 行仿真时，其中的多径小尺度衰落模块我们主要用的是改进的模型。 模型 在文献刀中提出了一种简单的产生多径衰落的模型，该模型构造了复 低通接

60、收信号的包络，该信号在全向散射的情况下经过一平稳的非频率选择性移动衰落信 道，这个时候假设了不存在直达路径。 衰落信道仿真器的输出为 ： （，） （月丸） （） 其中，厶是载波的幅度，巴为第刀条路径衰减的随机变量，彳疗表示的是第条路径与接 收机移动方向之间夹角的随机变量，丸表示的是第条相移的随机变量，为载波频率， 册为最大多普勒频移，且埘，以，为接收机的运动速度，以为载波波长。 为了改进其仿真器模型，减少低频振荡器的个数，作出了如下的假设： 嘉，咒， 小等，删一” 文献中给出衰落信道的仿真器模型结构，如下图所示： （） （） （） 南京邮电大学硕士论文 第三章基于的衰落信道分析及仿真研究 图