移动通信课程设计-Rayleigh信道衰落的无线通信系统的设计及仿真（ASK循环码）.docx

移动通信课程设计题目：Rayleigh信道衰落的无线通信系统的设计及仿真（ASK循环码）学 院 计算机与通信工程学院专 业 通信工程_ 学 号 _ 姓 名 _ 指导老师 _ 2016年11月数字处理系统课程设计与实践评分表评分项目得分报告书写及格式具有题目、摘要、目录、正文、参考文献（5分）正文格式、图、表、参考文献引用等正确，排版美观（5分）基础原理报告中应体现设计中的原理以及原理框图（5分）设计目的和方法，实验结果的意义等表述清楚正确（5分）功能设计及M文件/现场演示应实现设计要求的功能，各个模块的设计参数清晰（10分）实验参量丰富（如滤波器类型、参数等）。（10分）实验结果基本正确。（20分）信号的波形、频谱、滤波器特性图等结果比较丰富。（10分）独立完成，不存在抄袭。（10分）答辩/汇报对所仿真系统原理的提问回答情况（10分）对仿真过程提问的回答情况（10分）总分摘 要无线通信是当今社会最重要的通信方式之一。在进行无线通信系统的设计时,首先需要考虑的是信道的传输特性,因此无线衰落信道的建模与仿真研究对于无线通信有着重要的意义。在卫星移动通信系统、陆地移动通信系统中其电波传播方式主要以视距传播为主，由于多径和接收端运动等因素的影响，使得无线信道对接收信号在时间、频率和角度上造成色散，这种色散表现在接收信号幅度上就是所谓的信号衰落。因此，多径效应对通信质量有着至关重要的影响，根据不同的无线环境，接收信号包络一般服从几种典型分布，如瑞利分布、莱斯分布和Nakagami-m分布等。在设计中，专门针对线性分组码ASK调制服从瑞利分布的多径信道进行模拟仿真，并对其误码性能进行分析。关键词：瑞利信道；ASK；线性分组码目 录数字处理系统课程设计与实践前 言随着通信技术的高速发展，移动通信以其独特的优点，得到了广泛的应用，并且将在未来个人通信中，起到至关重要的作用，在移动通信系统中，由于用户的移动，接受信号不可避免地会受到多径衰落和阴影效应的影响。无线衰落信道的特性严重制约了无线通信系统的性能，发送端和接收端两之间的传播路径是随机变换的，具有非常复杂的识辨传播特性，由此对无线衰落信道的分析和预测也就非常困难。随着无线信道系统的升级，无线衰落信道的建模和仿真对于现在的无线通信系统的研发具有越来越重要的意义。瑞利衰落信道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。这一信道模型能够描述由电离层和对流层反射的短波信道，以及建筑物密集的城市环境。第二章 2.1移动无线信道的概念移动信道属于无线信道，是移动的动态信道，主要取决于用户所在地环境条件的客观存在，其信道参数是时变的。移动通信中的各类新技术都是针对移动信道的动态特性，为了解决有效性、可靠性和安全性设计的；了解移动信道的特点是解决移动通信关键技术的前提。移动信道具有下列特点：(1)传播的开放性：无线信道是基于电磁波在空间的传播来实现开放式信息传输的；(2)接收环境的复杂性：可将接收点地理环境分为3类典型区域，即城市繁华区、近郊区农村/远郊区；(3)通信用户的随机移动性：准静态的室内用户通信、慢速步行用户通信、高速车载用户通信。2.2移动无线信道基本理论2.3移动无线信道的类型在无线通信系统中，无线信道通常是利用信道的统计特性来分析和仿真的，一般来说，整个无线信道对信号产生的影响，可以分为以下三大类：2.3.1 传播路径损耗模型一般来说,可以把接收信号的功率或者传播路径的损耗看作一个随机变量,而传播路径损耗模型是用来描述接收信号的平均功率或是传播路径的平均损耗,平均功率会随着传播距离的增加而减少,而传播路径的损耗会随着传播距离的增加而增加,因此,这个随机变量是传播距离的函数,随着距离的改变,会有不同的平均值或中间值。这种模型中较常使用的模型有:自由空间传播模型、对数距离路径损耗模型、及Hata模型。2.3.2 大尺度传播模型这个模型是用来描述信号经过长距离传播的变化(几百个波长或更多波长),主要探讨各类地形与地物对传播信号所产生的遮蔽效应。遮蔽效应可以用一个随机变数来描述,大部分的文献都一致的假设:遮蔽效应会使接收到的信号功率呈现对数常态分布。对数常态遮蔽效应指的就是:在相同的传收距离下,不同接收机所接收到的信号强度(单位为dB)将呈现高斯或是常态分布,这也就是说传播路径所造成的功率损耗(以dB为单位)是呈现高斯或是常态分布的,而且这个随机变数标准差的单位也是dB。大尺度传播中的衰落包括:信号经过一段距离时信号的平均衰落。以及大型物体(如山脉或摩天大楼)导致的信号衍射而产生的衰落,并且大尺度衰落的信号的平均功率是缓慢变化的。第3章 四种IIR滤波器的性能特点3.1 巴特沃斯滤波器的性能特点巴特沃斯滤波器是滤波器的一种设计分类，这种滤波器通带阻带内特性最为平坦，介质特性和相位特性都不错，对构成滤波器的器件要求也不严格，易于得到符合设计值的特性。它有高通，低通，带通，高通，带阻等多种滤波器。它在通频带内外都有平稳的幅频特性，但有较长的过渡带，在过渡带上很容易造成失真，在调用MATLAB里的巴特沃斯滤波器做仿真时，信号总会在第一个周期略微有些失真，但往后的幅频特性就非常的好。3.2 切比雪夫滤波器的性能特点切比雪夫滤波器在过渡带比巴特沃斯滤波器的衰减快，但频率响应的幅频特性不如后者平坦。切比雪夫滤波器和理想滤波器的频率响应曲线之间的误差最小，但是在通频带内存在幅度波动。根据频率响应曲线波动位置的不同，切比雪夫滤波器可以分为以下两种：3.2.1 I型切比雪夫滤波器的性能特点在通带（或称“通频带”）上频率响应幅度等波纹波动的滤波器称为“I型切比雪夫滤波器”3.2.2 II型切比雪夫滤波器的性能特点 在阻带（或称“阻频带”）上频率响应幅度等波纹波动的滤波器称为“II型切比雪夫滤波器”。也称倒数切比雪夫滤波器，较不常用，因为频率截止速度不如I型快，也需要用更多的电子元件。II型切比雪夫滤波器在通频带内没有幅度波动，只在阻频带内有幅度波动。 3.3 椭圆滤波器的性能特点1、椭圆低通滤波器是一种零、极点型滤波器，它在有限频率范围内存在传输零点和极点。2、椭圆低通滤波器的通带和阻带都具有等波纹特性，因此通带，阻带逼近特性良好。3、对于同样的性能要求，它比前两种滤波器所需用的阶数都低，而且它的过渡带比较窄。但是椭圆滤波器传输函数是一种较复杂的逼近函数,利用传统的设计方法进行电路网络综合要进行繁琐的计算, 还要根据计算结果进行查表, 整个设计， 调整都十分困难和繁琐。而用MATLAB设计椭圆滤波器可以大大简化设计过程。第四章IIR滤波器的设计步骤4.1 IIR滤波器设计步骤IIR数字滤波器的设计有多种方法，如频率变换法、数字域直接设计以及计算辅助设计等。下面只介绍频率变换设计法。首先考虑由模拟低通滤波器到数字低通滤波器的转换，其基本的设计过程如下:(1)将数字滤波器的技术指标转换为模拟滤波器的技术指标；(2)设计模拟滤波器G(S)；(3)将G(S)转换成数字滤波器H(Z)；在低通滤波器的设计基础上，可以得到数字高通、带通、带阻滤波器的设计流程如下：(1)给定数字滤波器的设计要求（高通、带阻、带通）；(2)转换为模拟（高通、带阻、带通）滤波器的技术指标；(3)转换为模拟低通滤波器的指标；(4)设计得到满足第三步要求的低通滤波器传递函数；(5)通过频率转换得到模拟（高通、带阻、带通）滤波器；(6)变换为数字（高通、带阻、带通）滤波器。4.2标准滤波器设计函数1.butter功能：Butterworth模拟/数字滤波器设计格式：b,a=butter(n,wn,ftype,s)b,a=butter(n,wn,ftype)说明：l 选项中加入S用于设计各种模拟Butterworth滤波器；不加设计各种数字Butterworth滤波器l Ftype为缺省，设计低通滤波器l Ftypehign，设计高通滤波器l Ftypestop，设计带阻滤波器2 .Cheby1、Cheby2功能：chebyshevI、chebyshevII型模拟/数字滤波器设计格式：b,a= cheby1(n,Rp,wn,ftype,)b,a= cheby2(n,Rs,wn,ftype)3.ellip功能：ellip模拟/数字滤波器设计格式：b,a=ellip(N,Rp,wpo,ftype) b,a=ellip(N,Rp,wpo,ftype,s)计算椭圆滤波器系统函数系数向量b和a，当然，其中的边界频率均为实际的模拟角频率值（rad/s）。4.3 模拟滤波器转换成数字滤波器4.3.1 脉冲响应不变法步骤：1）对已知的(s) 进行拉氏反变换，求得(t)；(t) (nt)2）对(t) 进行取样，得(nt)；3）令h(n)=T(nt)，以求得h(n)；4）对h(n) 进行Z 变换，得H（Z）。4.3.2双线性变换由于脉冲响应不变法存在缺点，即因为z=映射关系不是单值对应，所以，从s 平面直接映射到z 平面时会产生混迭现象，而且脉冲响应不变法只适合频率响应在高频处单调递减的模拟原型滤波器，因此其应用范围受到限制。双线性变换法的主要目的是从根本上解决上述脉冲响应不变法的问题也付出了一定的代价。双线性变换法基本步骤：1) 构造从S 平面到S1 平面的单值映射 : = A tan(T/2)2) 构造从S1 平面到Z 平面的单值映射： = T实际上，不需要每次都从S 平面S1平面Z平面，而是直接求出S=f(Z) 的关系，然后代入Ha(s)，得H(z)，即H(z) = Ha(s)|s = f(z)。第五章 实验内容及数据分析5.1程序清单本次课程设计采用的是椭圆滤波器进行实验设计。先设计一个单品调幅信号xt，然后设计一个椭圆滤波器，最终显示出滤除噪声后的波形。其程序代码如下：%信号x(t)产生函数，并显示信号的时域波形和幅频特性曲线%xt是长度为N，有加性高频噪声的单频调幅信号%采用频率Fs=1000Hz，载波频率fc=Fs/10=100Hz，调制余弦信号的频率%f0=fc/10=10HzN=2000;Fs=1000;T=1/Fs;Tp=N*T;t=0:T:(N-1)*T;fc=Fs/10;f0=fc/10;mt=cos(2*pi*f0*t);ct=cos(2*pi*fc*t);xt=mt.*ct;nt=2*rand(1,N)-1;%产生均匀分布噪声%设计高通滤波器hn用于滤除噪声nt中的低频成分，产生高频噪声fp=150;fs=120;Rp=0.1;As=70;fb=fs,fp;m=0,1;dev=10(-As/20),(10(Rp/20)-1)/(10(Rp/20)+1);n,f0,m0,W=remezord(fb,m,dev,Fs);hn=remez(n,f0,m0,W);yt=filter(hn,1,10*nt);%加噪声xt=xt+yt;%求FFTfst=fft(xt,N);%绘图k=0:N-1;f=k/Tp;subplot(2,1,1);plot(t,xt);grid;xlabel(t/s);ylabel(x(t);axis(0,Tp/5,min(xt),max(xt);title(信号加噪声波形)subplot(2,1,2);plot(f,abs(fst)/max(abs(fst);grid;title(信号加噪声的频谱)axis(0,Fs/2,0,1.2);xlabel(f/Hz);ylabel(幅度)figureWp=2*pi*120;Ws=2*pi*150;Rp=0.1;As=60;wp=Wp*T;ws=Ws*T;T=1;f=1/T;N,wpo=ellipord(wp,ws,Rp,As,s);b1,a1=ellip(N,Rp,As,wpo,s);b,a= impinvar(b1,a1);freqz(b,a);figuresf=filter(b,a,xt);subplot(2,1,1)plot(t,sf);title(信号去除噪声后的波形);xlabel(t/s);ylabel(x(t);%axis(0,Tp/5,-0.002,0.002)Y=fft(sf,512); f=1000*(0:256)/512; %设置频率轴（横轴）坐标，1000为采样频率；又考虑到对离散傅立叶变换来说，其振幅| F(k)|是关于N/2对称的，故只须使k从0到N/2即可。f=f*(0:N/2)/N; subplot(2,1,2);plot(f,Y(1:257);xlabel(f/Hz);ylabe(幅度);%axis(0,Fs/2,-0.05,0.05);title(信号去除噪声后的频谱)5.2仿真结果分析（1）单频调幅信号的时域波形及频谱图如图5.1，由此大致可看出载波频率fc=Fs/10=100Hz，调制余弦信号的频率%f0=fc/10=10Hz。由频谱图可看出，输入信号含有高频噪声。而有用信号只有在90110之间，所以要求滤波后的将高频噪声滤除。图 5.1 输入信号的时域及频谱图(2)椭圆滤波器的损耗函数如图5.2所示,由图中可看出通带最高截止频率为Wp=120Hz,阻带最低截止频率为Ws=150Hz。图5.2椭圆滤波器损耗函数（3）椭圆滤波器的频率响应曲线如图5.3所示。由此可看出滤波器