基于SystemView的无线移动通信信道仿真的设计与研究（整理版）.doc

JKDFHJDSHFJKHSDJKFH DDK SLFHALDSFJ DSHF JDSHFKLDHFKDSH FJHDSAF JDSHFL DSHFLK ASHLFDSJK 目 录 摘要 I ABSTRACT II 第一章 绪论 1 1 1 本课题研究意义 1 1 2 信道研究的发展现状 1 1 3 本课题研究方法及技术手段 1 1 4 全文结构介绍 2 第二章 无线信道的特性与研究方法 2 2 1 无线信道的特性 2 2 2 无线信道的研究方法 3 2 3 本章小结 4 第三章 信道的衰落与典型分布 5 3 1 多径效应与瑞利 Rayleigh 分布 5 2 3 多径衰落与莱斯 Rician 分布 7 3 4 本章小结 7 第四章 JAKE 移动信道 8 4 1 Jake 移动信道模型 8 4 2 Jake 信道仿真 9 4 3 本章小结 11 第五章 多径衰落信道 12 5 1 Rice 衰落信道 12 5 1 1 Rice 信道模型 12 5 1 2 Rice 信道仿真 12 5 2 Rummler 衰落信道 13 5 2 1 Rummler 衰落信道模型 13 5 2 2 Rummler 信道仿真 14 5 3 本章小结 17 第六章 总结与展望 18 6 1 全文总结 18 6 2 展望 18 JKDFHJDSHFJKHSDJKFH DDK SLFHALDSFJ DSHF JDSHFKLDHFKDSH FJHDSAF JDSHFL DSHFLK ASHLFDSJK 基于基于 SystemViewSystemView 的无线移动通信信道仿真的无线移动通信信道仿真 摘要摘要 当今世界 无线移动通信已经被广泛应用于我们的日常生活中 随着人类社会的发展 人们 对无线移动通信的通信质量要求也变得越来越高 无线移动通信系统传输信道的性能好坏直接影响 着通信质量 为此 我们就必须尽可能地改良信道 时至今日 对信道的研究与改良已经成为了当 今移动通信领域的热点 本文主要围绕信道的研究展开 首先对信道的特性进行了简要的分析 接 着给出了几种简单的研究信道的方法 接下来又简单地介绍了信道的衰落和两种与信道衰落有关的 典型分布 并对其进行了详细的推导 最后重点研究了 Jake 移动信道 Rice 衰落信道 Rummler 衰落信道 并对这些信道进行了仿真 本课题的所有仿真工作都是利用 Systemview 这一仿真软件 进行的 通过仿真 给出了信号在经过信道后的基带等效频谱图以及信号经过信道衰落后的输出波 形 借助这些直观的波形我们能更直接地了解和掌握信道的特性 以此为我们今后研究信道 改良 信道 提高无线移动通信的通信质量做好铺垫 关键词 关键词 信道 仿真 无线移动通信 衰落 多径 JKDFHJDSHFJKHSDJKFH DDK SLFHALDSFJ DSHF JDSHFKLDHFKDSH FJHDSAF JDSHFL DSHFLK ASHLFDSJK Wireless Mobile Communication Channel Simulation Based on SystemView Abstract Today s world wireless mobile communications has been widely used in our daily lives with the development of human society people on the wireless mobile communications communication quality requirements are becoming more and more Wireless mobile communication system transmission channel direct impact on the performance of communication quality and we must improve the channel as much as possible Today the channel s research and improvement has become a hot field of mobile communications today This paper focus on the channel study started the first of the channel characteristics of a brief analysis then we give a few simple study channel approach then they simply introduced channel fading and two and fading the typical distribution and its derivation in detail and finally focuses on the Jake mobile channel Rice fading channels Rummler fading channel and the channel simulation All simulation work in this subject are using Systemview the simulation software through simulation the signal is given through the channel after baseband equivalent frequency spectrum and signal through the channel after the decline of output waveform the waveform with the intuitive we can more directly understand and grasp the characteristics of the channel this channel for our future research improved channel to improve the quality of the wireless mobile communication pave the way communication Keywords Channel Simulation Wireless Mobile Communications Decadence Multi path JKDFHJDSHFJKHSDJKFH DDK SLFHALDSFJ DSHF JDSHFKLDHFKDSH FJHDSAF JDSHFL DSHFLK ASHLFDSJK 第一章第一章 绪论绪论 1 1 本课题研究意义本课题研究意义 无线信道是无线移动通信的传输媒介 所有的信息都在这个信道中传输 信道性 能的好坏直接决定着通信的质量 因此要想提高无线通信的质量就必须从改良信道入 手 为此掌握和了解信道的特性就显得格外重要 受地理环境的复杂性和多样性以及 用户移动的随机性和多径传播等现象存在的影响 无线移动通信系统的信道变得十分 复杂 因此不能简单地用固定的无线通信电波传播模式来分析研究 必须依据无线移 动通信的特点 按照不同的传播环境和地理特征进行分析 通过大量的仿真研究来更 好地分析和掌握无线信道的特性 本文的重点将放在对无线信道传输中的 Jake 移动信 道 Rice 衰落信道 Rummler 衰落信道以及自定义多径信道德仿真研究上 进而对信 道进行更进一步的研究 1 2 信道研究的发展现状信道研究的发展现状 在无线通信系统信道的设计过程中 需要通过仿真来分析信道的性能 因此对无线 移动通信信道的特性的研究成了必不可少的一环 故近年来对不同环境下的信道特性 的研究已经成为了无线通信系统研究领域的热点 国内外的许多专家学者已经设计提 出了许多信道模型来研究无线信道传输特性 例如 Jakes 在文中提出了一种简 献 1 单的产生多径 Rayleigh 衰落器的 Jakes 模型 但是这个模型所产生的多径 Rayleigh 衰落器之间并不是独立的 M F Pop 和 N C Beaulieu 在文中分析了传统的 Jakes 献 2 模型的缺点所在 并针对这个缺点 对传统的 Jakes 模型进行了改进 使得这个改进 过的 Jakes 模型能产生独立的多径 Rayleigh 衰落器 另外 罗卫兵等专家在文中 献 3 利用 Systemview 软件针对多径衰落信道包括 Rice 衰落信道 Rummler 衰落信道 自定 义多径信道进行了建模与仿真 进而在此基础上分析了复杂传播环境下无线信道特性 和无线通信系统性能 专家学者在现有理论的基础上对已有信道模型做了大量改进 并且开发出操作更为简易 功能更为强大的仿真软件 这些都是在对无线信道的研究 发面所取得的新突破 1 3 本课题研究方法及技术手段本课题研究方法及技术手段 现代通信系统的复杂性促进了仿真的广泛使用本课题主要利用 SystemView 仿真软 件对不同信道模型进行仿真 以此来分析和研究各种相关因素对无线通信系统性能的 影响 SystemView 仿真软件是一种非常快捷 方便和实用的 EDA 仿真软件 运用它仿 真系统不仅能有效地模拟各个模块的工作过程 还可以通过运行波形方便地分析其功 能和总体特性 非常适用于研究各种通信系统 采用动态仿真软件 SystemView 从动态 上对信道进行仿真分析 使用 SystemView 进行信道模型仿真 其主要流程及方法如下 JKDFHJDSHFJKHSDJKFH DDK SLFHALDSFJ DSHF JDSHFKLDHFKDSH FJHDSAF JDSHFL DSHFLK ASHLFDSJK 1 建立通信系统的基本数学模型 根据通信系统的基本工作原理和信道的传输特 性 确定不同信道的模型 将各部分功能模块化 然后找出各部分之间的关系 2 建立仿真电路图 在信号源图符库 算子图符库 函数图符库 信号接受器图 符库中选取满足需要的功能模块 将其双击或拖动到设计窗口 按设计的系统框图组 建系统 即从各种功能库中选取可视化图符 组建通信系统 3 设置仿真系统参数 参数设置包括运行系统参数设置和功能模块运行参数 如 正弦信号的频率 幅度 初相 4 运行仿真电路 根据系统性能指标 不断调整各模块参数设置 实现系统运行 仿真 可在系统的关键点处设置观察窗口实时显示 观察分析结果 1 4 全文结构介绍全文结构介绍 全文共分为六章 其中第四章和第五章为全文的重点章节 全文的结构安排如下 第一章是绪论 首先介绍了本课题的研究意义 然后介绍了课题研究的发展现状 并给出课题的研究方法和技术路线 最后给出了全文的结构安排 第二章介绍了无线移动通信系统中无线信道的特性与信道的研究方法 第三章在了解了无线信道特性的基础上对信道的衰落进行了简单的概述 并对与 衰落有关的两种典型分布进行了详细的数学推导 第四章研究了 Jake 移动信道的基本理论 并利用 Systemview 软件对 Jake 信道进 行仿真 并得到仿真波形图 第五章在第四章的基础上进一步对 Rice 衰落信道 Rummler 衰落信道和多径衰落 信道分别进行理论分析 并建立相应的仿真模型 然后通过仿真得到不同信道衰落下 输出信号的波形和频谱特性曲线 第六章对全文做出总结 指出本课题所做的主要工作 同时对信道研究的未来做 出展望 第二章第二章 无线信道的特性与研究方法无线信道的特性与研究方法 在通信系统 信道是必不可少的组成部分 信道按传输媒质分为有线信道和无线 信道 有线信道包括架空明线 电缆和光纤 无线信道中有中 长波地表面传播 短 波电离层反射传播 超短波和微波直射传播以及各种散射传播 根据信道特性参数受 外界各种因素的影响而变化的快慢进行分类 通常分为 恒参信道 和 变参信道 所谓 恒参信道 是指其传输特性的变化量极微且变化速度极慢 或者说 在足够长 的时间内 其参数基本不变 变参信道 与此相反 其传输特性随时间的变化较快 移动信道为典型的 变参信道 本章在阐述 VHF 和 UHF 频段电波传播特性的基础上 重点讨论无线信道的特性及其研究方法 JKDFHJDSHFJKHSDJKFH DDK SLFHALDSFJ DSHF JDSHFKLDHFKDSH FJHDSAF JDSHFL DSHFLK ASHLFDSJK 2 1 无线信道的特性无线信道的特性 不同频段的无线电波 其传播方式是不相同的 对工作于 VHF 和 UHF 频段的移 动通信来说 电波传播的方式主要是空间波 即直射波 折射波 散射波以及它们的 合成波 陆地移动系统中 移动台处于建筑群之中或处于地形复杂的区域 其天线将 接收从多条路径传来的信号 与固定通信的不同之处在于无线通信电台所处的环境是 移动的 因此移动通信信道是影响无线通信系统性能的一个重要因素 发射机与接收 机之间的传播路径非常复杂 从简单的视距 LOS 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高的随机性 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逐渐衰减 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 是无线移动信道设计的一个难点 从而导致对移动信道的研究只能在统计意义上来进 行 复杂 恶劣的传播条件是移动信道的特征 这是由于在运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 恶劣的信道特性是不可避免的问题 与其他 通信信道相比 移动信道是最为复杂的一种 在通信过程中 陆地移动无线信道中信 号强度的骤然降低 即所谓的衰落是经常发生的 有时衰落深度可高达 30dB 比如 在城市环境中 一辆快速行驶车辆上的移动台的接收到的信号在 1 秒之内的显著衰落 可达数十次 这种衰落现象严重影响到接受到的信号的质量和通信的可靠性 要在这 样的传播条件下保持可以接受的传输质量 就必须采用更重技术措施来抵消衰落的不 利影响 这就是各种抗衰老技术 它包括分集 扩频 调频 均衡 交织和纠错编码等 另外 信号传输方式 调制方式 对信道中的衰落也要有一定的抵抗能力 目前 许 多抗衰落实用技术已成功地应用与模拟无线系统 在数字移动通信中 针对数字传输 的特点又发展出许多新技术 各种抗衰落技术和数字传输技术的研究对发展数字移动 通信系统是十分重要的 2 2 无线信道的研究方法无线信道的研究方法 研究和开发移动信道中数字传输技术的第一步工作就是认识移动信道本身的特性 实际上 移动信道已成为许多理论分析和现场实测的课题 并已得出许多有关其特性 的结果 其中有些结果已经给出了精确地数学描述 另一些则给出了统计模型 然而 由于移动信道的复杂性 仍有许多待研究的课题 例如 不可能用单一的数学模型来 描述所有的移动环境 要了解不同地区 不同城市中移动信道的特性究竟如何 只有 通过在这些环境中用场强实测获取的数据来确定 目前对移动信道进行研究的基本方法有三种 1 理论分析 用电磁场理论或统计理论 分析电波在移动环境中的传播特性 并用各种数学模型来描述移动信道 其中往往要提出一些假设条件使信道数学模型得 JKDFHJDSHFJKHSDJKFH DDK SLFHALDSFJ DSHF JDSHFKLDHFKDSH FJHDSAF JDSHFL DSHFLK ASHLFDSJK 到简化 所以数学模型对信道的描述都是近似的 即使是这样简单的信道理论模型对 人们认识和研究移动信道仍可起指导作用 2 现场电波传播实测 在不同的传播环境中 进行电波传播实测试验 测试参 数包括接收信号幅度 延时以及其它反映信道特征的参数 对实测数据进行统计分析 就可以得出一些有用的结果 由于移动环境的多样性和复杂性 现场实测一直被作为 研究移动信道的重要方法 3 移动信道的计算机模拟 这是近年来随着计算机技术的发展新出现的研究方 法 如前所述 任何理论分析 都要假设一些简化条件 而实际移动传播环境是千变 万化的 这就限制了理论成果的应用范围 现场实测较为费时 费力 并且也是针对 某个特定环境进行的 计算机在硬件的支持下 具有很强的计算能力 能灵活 快速 地模拟各种移动环境 因而 计算机模拟越来越成为研究移动信道的重要方法 可以说 上述三种研究方法是相辅相成的 在许多实际研究工作中 这些方法用 于研究进程的不同阶段 移动环境中电波传播特性研究的结果往往用下属两种方式给 出 1 对移动环境中电播传播特性给出某种统计描述 例如 理论分析和实测试验 结果表明 在移动环境中 接收信号的幅度在大多数情况下符合瑞利 Rayleigh 分布 在有些情况 则更符合莱斯 Rice 分布 电波衰落特性的统计规律为研究移动信道 抗衰落技术提供了基本依据 2 建立电波传播模型 模型可包括图表 近似计算公式等 近年来 在计算机 上建模也越来越流行 应用电波传播模型可对无线电波在传播过程中的各种干扰和损 耗进行预测 直接为系统工程的设计服务 一般来说 为解决移动通信系统的设计问题 必须搞清楚三个问题 无线电信号 在移动信道中可能发生的变化 以及发生这些变化的原因 对于特定的无线传输技术 这些变化对传输质量和系统性能有什么影响 有哪些方法或技术可供用来克服这些不 利影响 2 3 本章小结本章小结 本章详细介绍了无线移动通信信道的基本特性 提出了当今研究工作中对移动信 道进行研究的三种基本方法和对移动环境中电波传播特性研究结果的两种主要描述方 法 JKDFHJDSHFJKHSDJKFH DDK SLFHALDSFJ DSHF JDSHFKLDHFKDSH FJHDSAF JDSHFL DSHFLK ASHLFDSJK 第三章第三章 信道的衰落与典型分布信道的衰落与典型分布 本章主要对移动通信信道中的一些基本概念进行概述 在此基础上利用数学语言 对 Rayleigh 分布 Rician 分布进行描述 3 1 多径效应与瑞利 多径效应与瑞利 Rayleigh 分布 分布 电波在传输过程中由于受地面建筑物 树木及起伏的地形引起的反射 散射及绕 射等现象的影响 会导致接收端所接收到的信号不是单一路径来的 而是许多路径的 来波的合成 由于不同来波到达的时间不同 从而导致他们的相位也不同 不同的相 位的来波在接收端有时因同向迭加而加强 有时因反向迭加而减弱 由此造成接收信 号的幅度发生变化的现象称为衰落 由于这种衰落是由多径引起的 我们称之为多径 衰落 如图 3 1 所示 图 3 1 多径衰落现象的本质 假设基站发射的信号为 3 1 exp 0000 tjtS 式中 为载波角频率 为载波初相 经反射 或散射 到达接收天线的第 i 0 0 个信号为 其幅度为 相移为 假设与移动台的运动方向之间的夹角为 tsi i i tsi 其多普勒频移值为 i imii f v f coscos 3 2 式中 为车速 为波长 为时的最大多普勒频移 因此可写成v m f 0 i tSi exp cos 2 exp 00 jvtjtS iiii 3 3 假设 N 个信号的幅值和到达接收天线的方位角是随机的且满足统计独立 则接收 信号为 JKDFHJDSHFJKHSDJKFH DDK SLFHALDSFJ DSHF JDSHFKLDHFKDSH FJHDSAF JDSHFL DSHFLK ASHLFDSJK N i i tStS 1 3 4 令 iii vt cos 2 N i N i iii xx 11 cos 3 5 N i N i iii yy 11 sin 3 6 则 S t 可写成 exp 00 tjjyxtS 3 7 由于和都是独立随机变量之和 因而根据概率的中心极限定理 大量独立随机xy 变量之和的分布趋向正态分布 即有概率密度函数为 2 2 2 2 1 x x x exp 3 8 2 2 2 2 1 y y y exp 3 9 式中 分别为随机变量和的标准偏差 在区间 上的取值 x y xyxydxdy 概率分别为 由于它们相互独立 所以在面积中的取值概率为dxxp dyyp dxdy dyypdxxpdxdyyxp 3 10 式中 为随机变量 x 和 y 的联合概率密度函数 yxp 假设 且和均值为零 则 222 yx xp yp 2 22 2 2 1 yx eyxp 3 11 通常 二维分布的概率密度函数使用极坐标系表示比较方便 此时 接收天 r 线处的信号幅度为 相位为 对应于直角坐标系为r JKDFHJDSHFJKHSDJKFH DDK SLFHALDSFJ DSHF JDSHFKLDHFKDSH FJHDSAF JDSHFL DSHFLK ASHLFDSJK 222 yxr x y arctan 在面积中的取值概率为 drd dxdyyxpdrdrp 得联合概率密度函数为 2 2 2 2 2 r e r rp 3 12 对积分 可求得包络概率密度函数为 rp 22 2 2 2 2 0 2 2 2 1 rr e r drerp 0 r 3 13 同理 对 r 积分可求得相位概率密度函数为 p 2 1 2 1 0 2 2 2 2 drrep r 20 3 14 由式 3 12 可知 多径衰落的信号包络服从瑞利分布 故把这种多径衰落称为瑞 利衰落 由式 3 12 不难得出瑞利衰落信号的如下一些特征 均值 253 1 2 0 drrrprEm 3 15 均方值 2 0 22 2 drrprrE 3 16 信号包络样本区间中值 满足时 1 777 5 0 m rrP m r 3 17 2 3 多径衰落与莱斯多径衰落与莱斯 Rician 分布分布 在多径信道中 存在较强的直射波信号且它占有支配地位 此时 接收信号包络 的衰落变化服从 Rician 分布 概率密度函数 JKDFHJDSHFJKHSDJKFH DDK SLFHALDSFJ DSHF JDSHFKLDHFKDSH FJHDSAF JDSHFL DSHFLK ASHLFDSJK 0 0 0 0 2 exp 2 2 0 22 2 rrp rA A I Arr rp 3 18 式中 A 为主信号峰值 r 为衰落信号包络 为 r 的方差 为 0 阶第一类修正 0 I 贝塞尔函数 定义主信号功率与多径分量方差之比 称为莱斯因子 22 2 AK 时 莱斯分布变为瑞利分布 时 莱斯分布将向高斯分布趋近 0 A12 22 A 3 4 本章小结本章小结 本章首先介绍了信道衰落中的多径衰落的概念 并借此引出多径衰落与瑞利 Rayleigh 分布 莱斯 Rician 分布进行了详细的介绍 为信道研究提供了一定的 理论依据 JKDFHJDSHFJKHSDJKFH DDK SLFHALDSFJ DSHF JDSHFKLDHFKDSH FJHDSAF JDSHFL DSHFLK ASHLFDSJK 第四章第四章 Jake 移动信道移动信道 4 1 Jake 移动信道模型移动信道模型 大量实测数据和理论分析表明 在多径传播条件下 假设不存在 视距路径 LOS 接收信号的包络服从瑞利分布 相位服从均匀分布 这种假设在离基站较 远 非视距传播时是成立的 Jake 移动信道模型是一个标准的频率单调衰落基带等效模型 该模型假设从发射 机到接收机之间存在无数条传播途径 并且这些经反射到达移动目标接收机的路径是 离散均匀分布的 当 N 条电波均匀到达接收处时 对于是与输入波形 x 其输出波 t 形可表示为 ty N n nnc N n nc tftftx tftxty 1 1 22cos 2cos 4 1 其中为载波频率 为 n 调入射电波相位 和分别为第 n 条入射波的多普 c f n n f n 勒频移和初始相位 用同相和正交分量的形式表示为 ty txtrtxtrty qi 4 2 这里是x的希尔伯特变换 I Q 两路的基带等价 复数形式 描述为 tx t tftfr m N k kki 2coscos2 2cos cos2 1 4 3 N k mkkq tftfr 1 2sin cos2 2cos sin2 4 4 最大多普勒频移 m f N 模型中的路径数 2cos Lkfk 12 2 NLNk Nk K 是 0 2间的随机数 1 0 2random k k 当 N 很大时 根据中心极限定理 上述两分量是大量独立随机变量之和 趋于正 态分布 即和是不相关的零均值 等方差的复高斯随机过程 包络服从瑞利 tri trq 分布 相位服从均匀分布 在上述描述中 设最大多普勒频移为 则多普勒频移范围为 同时也 m f mm ff JKDFHJDSHFJKHSDJKFH DDK SLFHALDSFJ DSHF JDSHFKLDHFKDSH FJHDSAF JDSHFL DSHFLK ASHLFDSJK 假设延时扩展远远小于信号带宽频率的倒数 和是信道传输函数的基带等效 tri trq 部分 在多数条件下 信道仿真都利用了基带等效原理 而不必再进行载波级仿真 只不过这里的最大多普勒频移与载波频率和接收机最大移动速度相关 此时利 m f c f m v 用多普勒频移公式可计算出最大多普勒频移 c m m f c v f 4 5 上式中 c 为无线电波传播速度 在一个实际环境中 接收信号经过不同的路径长 度到达接收机 并且在每个路径上的移动速度一般都是不一样的 即便是接收机和发 射机之间相对静止 如果一个人或物体快速移动到传播路径范围内 也会引起多普勒 谱 因此 如果发射机发送一个单一正弦波 在接收端出了受到多普勒谱影响外 还 会产生多径衰落 导致接收机收到的是一个频谱 我们可以认为一个正弦信号频率被 扩展称为一个窄带频谱 在 Jake 信道中该频谱可表示为 1 2 1 mm ffffp 4 6 Jake 信道通常用于一些简单假设的移动信道仿真 如果需要对信道中多径衰落问 题进行更加细致的仿真 可以进一步使用 Rice 衰落信道 Rummler 衰落信道和用户自 定义信道模型来仿真 这将在接下来的章节进行详细介绍 4 2 Jake 信道仿真信道仿真 一个典型的 Jake 信道的基带等效仿真电路如图 4 1 所示 输入一个 1V 30Hz 的 正弦波 假设有 30 条多径 并且多普勒频移 5Hz 设置系统采用率为 128Hz 采样点 数为 1024 系统的循环次数为 1 JKDFHJDSHFJKHSDJKFH DDK SLFHALDSFJ DSHF JDSHFKLDHFKDSH FJHDSAF JDSHFL DSHFLK ASHLFDSJK 图 4 1 Jake 信道仿真实验电路图 输入正弦信号信号的功率谱如图 4 2 所示 Jake 信道的最大多普勒频移为 5Hz 通 过 Jake 信道仿真图符后的基带等效输出频谱如图 4 3 所示 从图中可以看到一个单一 正弦波经过 Jake 信道后 成为了一束频谱信号 I Q 两路信号用矢量表示 直角坐标 转换成极坐标 的输出用 50 点柱状图描述 如图 4 4 所示 可以看出其包络近似于瑞 利 Rayleigh 分布 图 4 2 输入信号为 30Hz 正弦波的频谱图 图 4 3 经过 Jake 信道基带等效输出的信号频谱图 JKDFHJDSHFJKHSDJKFH DDK SLFHALDSFJ DSHF JDSHFKLDHFKDSH FJHDSAF JDSHFL DSHFLK ASHLFDSJK 图 4 4 输出信号 50 点能量分布的柱状图 包络近似于瑞利分布 4 3 本章小结本章小结 本章根据第三章中对几大分布的推导 对 Jake 衰落信道进行了详细的介绍与模型 分析 并利用 Systemview 软件进行了 Jake 信道的仿真实验 通过仿真所得的波形图我 们可以明显地观察到信号经 Jake 信道衰落后 其信号的频谱发生了明显的多普勒频移 因此系统的通信质量便受到了影响 JKDFHJDSHFJKHSDJKFH DDK SLFHALDSFJ DSHF JDSHFKLDHFKDSH FJHDSAF JDSHFL DSHFLK ASHLFDSJK 第五章第五章 多径衰落信道多径衰落信道 5 1 Rice 衰落信道衰落信道 5 1 1 Rice 信道模型信道模型 当多径扩展远远小于信号的符号周期时 衰落信道模型经常用于仿真通信系统在 多径信道上的性能 通常我们假设衰落过程相对于信号的符号速率要慢得多 这样我 们就可以精确地估计信号的相位 所以在这种情况下 我们只需考虑幅度衰落带来的 影响 而不必关心相位的影响 同时我们还假设符号间的衰落是相互独立的 Rice 衰落信道模型经常用于仿真一个因直射路径和多个散射路径共同产生的幅度 衰落信道模型 通常假设这些路径的延迟远远小于信号带宽的倒数 即延时远远小于 符号宽度 则一个信号经过 Rice 信道后的输出可以表示为 tx ty tztxty 5 1 这里是幅度衰落因式 它表示为 tz 2 2 2 1 txAtxtz 5 2 这里和是满足高斯分布的随机变量 衰落信道的功率由以下条件 tx1 tx2 0N 归一化表示 12 22 A 5 3 A 和的值有 Rice 衰落因子 K 决定 K KKA 12 1 1 5 4 当 K 0 时 为纯粹的散射信道 K 时 是简单的频带信道 无衰落 JKDFHJDSHFJKHSDJKFH DDK SLFHALDSFJ DSHF JDSHFKLDHFKDSH FJHDSAF JDSHFL DSHFLK ASHLFDSJK 5 1 2 Rice 信道仿真信道仿真 图 5 1 Rice 衰落信道的仿真实验电路图 图 5 1 是利用 Systemview 系统提供的 Rice 衰落信道模型图符建立的基带等效仿真 模型 为方便比较 实验系统进行了两种假设信道的比特误码率 BER 测试 其中 一个信道为 Rice 衰落加高斯噪声 而另一个信道只有高斯噪声 二者的仿真结果与衰 落信道的理论 BER 曲线进行比较 图 5 2 是它们的比较覆盖图 图 5 2 仿真的 Rice 衰落信道 BER 曲线与理论值的比较覆盖图 从图 5 2 中可看出 按从往下数的顺序 第一条曲线为经衰落的仿真 BER 曲线 第二条曲线为理论 BER 曲线 第三条曲线为未经衰落的 BER 曲线 在相同的信噪比 条件 只加了高斯噪声的信道误码率比经过 Rice 衰落且加了高斯噪声的信道误码率要 低得多 JKDFHJDSHFJKHSDJKFH DDK SLFHALDSFJ DSHF JDSHFKLDHFKDSH FJHDSAF JDSHFL DSHFLK ASHLFDSJK 5 2 Rummler 衰落信道衰落信道 5 2 1 Rummler 衰落信道模型衰落信道模型 Rummler 衰落信道是一个三路径传输信道模型 由直射和反射能量混合而成 反 射信号通过改变直射信道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 LOS 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 三条路径的组成包括 一条直射路径 一个相对于直射路径延迟非常 小的多径成分 一个相对于折射路径延时的频率选择性控制路径 因此接收信号可 0 以描述为 01 txttxtr 5 6 这里表示发射信号 为衰减系数 表示两个相对延时 则信道 tx 0 1 的冲激响应可表示为 01 th 5 7 等价的信道低通传输函数为 01 22 1 fjfj eefH 5 8 假设 这里为调制信号的带宽 则上式进一步化简为1 1 0 2 1 fj efH 5 9 令 则上式化简为 0 2 0 1 ffj beafH 5 10 其中 a b 都是模型的统计参数 一般 a b 和也取相应的统计参 0 fns3 6 0 f 数 a 是整个信号的衰落系数 b 是衰落深度 的取值决定衰落位置 0 f 信道的对应的时域表达式为 txfabtxfabtaxty 00 2sin2cos 5 11 其中为的希尔伯特变换 tx tx 5 2 2 Rummler 信道仿真信道仿真 图 5 3 是应用 Rummler 衰落信道模型图符构建的实验仿真电路 JKDFHJDSHFJKHSDJKFH DDK SLFHALDSFJ DSHF JDSHFKLDHFKDSH FJHDSAF JDSHFL DSHFLK ASHLFDSJK 图 5 3 Rummler 衰落信道仿真实验电路图 仿真电路中采用了两路输出 其中一路仅由输入信号加高斯噪声经由 IQ 混频器无 衰落信道输出 另一路经由 Rummler 衰落信道后输出 图 5 4 为幅度恒定的 8PSK 输 入信号波形 信号的码速率为 30MS s 采用 8PSK 的比特率为 sMbsMSbit 90 30 3 可以观察到 PSK 信号为稳幅输出波形 图 5 5 是经过 Rummler 衰落信道后的基带等效 波形 此时输出波形因衰落信道的影响变成了非稳幅波形 图 5 6 5 7 和图 5 8 5 9 分别是仅加入高斯噪声后的解调输出波形和加入高斯噪声并经 Rummler 衰落后的解调 波形 图 5 4 幅度恒定的 8PSK 输入信号波形 JKDFHJDSHFJKHSDJKFH DDK SLFHALDSFJ DSHF JDSHFKLDHFKDSH FJHDSAF JDSHFL DSHFLK ASHLFDSJK 图 5 5 经过 Rummler 衰落后的基带等效波形 图 5 6 有噪声无 Rummler 衰落时 I 输出波形 JKDFHJDSHFJKHSDJKFH DDK SLFHALDSFJ DSHF JDSHFKLDHFKDSH FJHDSAF JDSHFL DSHFLK ASHLFDSJK 图 5 7 有噪声无 Rummler 衰落时 Q 输出波形 图 5 8 有噪声和 Rummler 衰落时 I 输出波形 图 5 9 有噪声和 Rummler 衰落时 Q 输出波形 5 3 本章小结本章小结 本章通过前面几章的理论分析 分析并建立了几种典型的多径衰落信道模型 并 利用软件分别对不同的信道模型进行了仿真实验 并给出了仿真波形 通过波形我们 可以直观地观察到 经过衰落信道后信号的幅度变得不稳定 从而导致通信质量时好 时差 JKDFHJDSHFJKHSDJKFH DDK SLFHALDSFJ DSHF JDSHFKLDHFKDSH FJHDSAF JDSHFL DSHFLK ASHLFDSJK 第六章第六章 总结与展望总结与展望 6 1 全文总结全文总结 无线移动通信系统的性能主要受到无线信道的制约 由于无线信道具有高度的随 机性 其信道特性极其复杂 对其特点进行研究分析和建模历来是无线移动通信系统 设计的重点和难点 在对大量相关文献资料的查阅和探究的基础上 本课题研究已取 得的成果如下 1 本课题主要是对无线移动信道特性进行研究 在介绍了无线移动信道主要概 念的基础上 确定了对无线信道的特性进行研究的方法 随后介绍了信道的衰落并分 析了与信道衰落有关的典型分布 并利用数学语言对这些分布进行了详细推导论证 2 对理论的研究的目的是为实践做准备 在充分掌握了理论知识后接下来的工 作重心就要转移到实践上来 所以在整个研究过程中花了大量的时间与精力在仿真上 本课题主要是利用 Systemview 这一仿真软件对一些经典的信道模型进行仿真 并得到 仿真结果 3 通过对仿真结果的分析 初步掌握了文中所给出的这些经典信道是如何影响 通信系统的通信质量 6 2 展望展望 电波传输信道的特性问题是研究任何无线通信系统都必须要面对的问题 如何改 良信道的特性决定着移动通信发展的未来 在此 对无线通信的发展做出如下几点展 望 1 在现有的信道模型上 借助最新的电磁场理论和数学理论来探索和分析信道 的特性 建立性能更为稳定的信道模型 2 在更为复杂多变的电波传输环境中 设定多种测试方法对电波的传输进行测 试 运用比较学的方法对测试所得的多组数据进行更为科学的分析 使测量所得数据 能更为真实地反映信道的特性 3 现有的移动信道计算机模拟软件所具有的对真实环境的模拟程度有限 所以 还必须在