通信原理课程设计报告

鲁东大学信息与电气工程学院通信原理课程设计报告 设计题目 连续信道的仿真 班级 电信1201 姓名 张丽英 学号 指导教师 谢艳辉 摘要本次课程设计介绍了移动通信信道的基本理论，对移动通信中的衰减信道，如线性非时变信道、多径时变信道和多径非时变信道进行了分析和建模，并讨论了随参信道和恒参信道的传输特性以及对传输信号的影响。在此基础上通过MATLAB仿真软件使信号经幅频失真信道、相频失真信道和多径信道后得到输出的波形和频谱。通过MATLAB搭建仿真平台，对线性非时变信道、多径时变信道和多径非时变信道的基本方法进行了研究，就幅频响应和相频响应的变化为出发点，对比输入与输出信号波形以分析总结。就幅频响应而言，是否是常数，输入信号经过信道后，频率分量衰减如何变化，输出信号是否有幅度失真。就信道的相频响应而言，相频响应是否是 ，信号经过信道后的时延性如何变化，输出信号是否产生相位失真。1、 课程设计的目的与意义（1） 理解连续信道建模仿真的原理及实验流程（2） 掌握matlab连续信道建模仿真编程并理解语句含义（3） 输出仿真图像并分析其幅频响应的变化2、 课程设计的内容（一）、线性非时变信道 1、线性非时变信道的定义 发送信号经过一个线性非时变系统 图1 线性非时变信道模型 （1） 信道的频率响应函数为 （2） 其中是信道的幅频响应，是相频响应。 当幅频响应不是常数时，输入信号经过信道后，不同的频率分量衰减 不同，输出信号有幅度失真。当信道的相频响应时，信号经过信道后的时延不同，信道输出信号产生相位失真，称为信道的时延性。 2、线性非时变信道的建模仿真输入信号：，其中，。经过的信道：（1）（2）；（3）当时，当时，。（相位失真 信道）；（4） 3、MATLAB 程序实现：%信道失真示意clear all; %清除了所有的变量，包括全局变量close all; %关闭所有窗口 Ts=1; N_sample = 8; %每个码元的抽样点数dt = Ts/N_sample; %抽样时间间隔N = 1000; %码元数t = 0:dt:(N*N_sample-1)*dt; gt1 = ones(1,N_sample); %NRZ非归零波形 数组产生1行8列的权1矩阵d = ( sign( randn(1,N) ) +1 )/2;% 产生一行1000个随机数 data = sigexpand(d,N_sample); %对序列间隔插入N_sample-1个0st1 = conv(data,gt1); %卷积后长度为8000+8-1 xt = st1; %无失真信道f,xf = T2F(t,xt); 傅里叶变换hf1 = exp(-j*pi*f); 无失真函数yf1 = xf.*hf1;t1,yt1 = F2T(f,yf1); %幅频失真信道hf2 = sinc(f).*exp(-j*pi*f);yf2 = xf.*hf2;t2,yt2 = F2T(f,yf2);%相频失真、群时延无失真信道f1 = find(f=0 uu(iii)=f(iii)-1; else if f(iii)0 uu(iii)=f(iii)+1; endendend %相频、群时延失真信道hf4 = exp(-j*pi*f.*f-j*pi*f+j*pi);yf4 = xf.*hf4;t4,yt4=F2T(f,yf4); figure(1)subplot(2,2,1)plotyy(f,abs(hf1),f,pi*f);ylabel(幅频、相频特性);%plot(f,abs(hf1);ylabel(幅频、相频特性);title(线性无失真信道);grid on; subplot(2,2,2)%plot(f,angle(hf1)/pi);ylabel(幅频、相频特性);plot(t1,real(yt1) );title(经过信道后的输出信号);axis(0,20,-1.2 1.2);grid on; subplot(223)plotyy(f,abs(hf2),f,pi*f);ylabel(幅频、相频特性);title(幅频失真信道);grid on; xlabel(f) subplot(224)plot(t2,real(yt2); axis(0,20,-1.2 1.2);grid on;xlabel(t); figure(2)subplot(221);plotyy(f,abs(hf3),f,uu);ylabel(幅频、相频特性);title(相频失真、群时延无失真信道);grid on;subplot(222);plot(t3,real(yt3);title(经过信道后的输出信号);axis(0,20,-1.2 1.2);grid on; subplot(223)plotyy(f,abs(hf4),f,pi*(f.2+f-1);ylabel(幅频、相频特性);title(相频失真、群时延失真信道);grid on;xlabel(f);subplot(224);plot(t4,real(yt4);axis(0,20,-1.2 1.2);grid on;xlabel(t); 4、仿真结果 5、仿真结果的分析数字信号无论经过幅频失真还是相频失真信道，都会对信号的接收产生影响。幅频失真影响信号中不同频率分量的接收幅度，造成接收信号幅度的畸变；相频失真影响信号中不同频率分量经过信道时的时延，造成接收信号的畸变。（二）、单频信号经过多径时变信道 1、多径时变信道的定义 发送单频信号 （3） 经过多径信道，设信道数为n,则接收信号为： （4） 其中，、是第i径的幅度、相位随时间变化而随机变化，从大 量的结果而言，、变化是缓慢的。 （5） （6）则 （7）从公式（10）和（11）我们可以看出，一个单频信号经过信道数为n的多径信道会变成幅度服从瑞利分布，相位服从均匀分布的信号，且r(t)是一个高斯窄带信号。 2、多径时变信道的建模仿真一个幅度为1v、频率为10Hz的单频信号经过20条路径传输，这20条路径的衰减是一样的，但时延的大小是随机变化的，每径时延的变化规律为正弦型，变化的频率为0-2HZ随机均匀抽取。3、Matlab程序实现： %多径时变 djshb.m clear all; close all; f = 10; %输入的单频信号频率 dt = 0.01; t = 0:dt:1000; %时间 L = 20; %径数 taof =2*rand(1,L); %时延变化频率变化的频率为0-2HZ随机均匀抽取。 fai0 = rand(1,L)*2*pi; %路径的初始相位 st = cos(2*pi*f*t); for i=1:L %当1至L间取值 进行循环 fai(i,: ) = sin(2*pi*taof(i)*t); s(i, : ) = cos(2*pi*f*t-fai(i,: )+fai0(i); end rt = sum(s) /L; %将信号经过20径的结果相加 igure(1) subplot(211) plot(t, st); xlabel(t); ylabel(s(t); title(输入单频信号); axis(0 2 -2.5 2.5); subplot(212) plot(t,rt); xlabel(t); ylabel(s(t); title(经过20径后接收信号); axis(0 15 -0.5 0.5); figure(2) ff sf=T2F(t,st); ff rf=T2F(t,rt); subplot(211); plot(ff,abs( sf ) ); xlabel(f); ylabel(s(f); title(输入单频信号频谱); axis(-20 20 0 5); subplot(212); plot(ff,abs( rf ) ); xlabel(f); ylabel(r(f); axis(-20 20 0 30);title(多径信道输出信号频谱); 4、仿真结果5、 仿真结果的分析通过图我们可以看到，一个单频信号经过20径时变路径后，输出信号的包络会随机发生变化，但是信号的频谱会从原来在10HZ的冲击频谱变为在10HZ处的窄带频谱。6、 比较分析改变程序中的时延变化频率参数taof来改变衰落的速度，观察输出信号的变化。当taof=0.1时，MATLAB程序如下%多径时变 djshb.mclear all;close all; f = 10; %输入的单频信号频率 dt = 0.01; t = 0:dt:1000; %时间 L = 20; %径数 taof =0.1*rand(1,L); %时延变化频率 fai0 = rand(1,L)*2*pi; %路径的初始相位 st = cos(2*pi*f*t); for i=1:L fai(i,: ) = sin(2*pi*taof(i)*t); s(i, : ) = cos(2*pi*f*t-fai(i,: )+fai0(i); end rt = sum(s) /L; %将信号经过20径的结果相加 figure(1) subplot(221) plot(t, st); xlabel(t); ylabel(s(t); title(输入单频信号); axis(0 2 -2.5 2.5); subplot(223) plot(t,rt); xlabel(t);ylabel(s(t);title(经过20径后接收信号); axis(0 6 -0.5 0.5); ff sf=T2F(t,st); ff rf=T2F(t,rt); subplot(222); plot(ff,abs( sf ) ); xlabel(f); ylabel(s(f); title(输入单频信号频谱); axis(-20 20 0 5); subplot(224); plot(ff,abs( rf ) ); xlabel(f); ylabel(r(f); axis(-20 20 0 30);title(多径信道输出信号频谱); 输出信号的波形仿真结果分析 此时衰落的时变频率最大为0.1Hz，载频为10Hz，因此相对于输入信号而言是慢衰落情况，可以看到，此时接收信号的包络起伏是缓慢变化，但由于路径数够多，因此从长时间来看信号包络仍呈随机起伏的特点；当路径数为2时，且时延变化频率taof=100时。MATLAB程序如下：%多径时变 djshb.mclear all;close all; f = 10; %输入的单频信号频率 dt = 0.01; t = 0:dt:1000; %时间 L = 2; %径数 taof =100*rand(1,L); %时延变化频率 fai0 = rand(1,L)*2*pi; %路径的初始相位 st = cos(2*pi*f*t); for i=1:L fai(i,: ) = sin(2*pi*taof(i)*t); s(i, : ) = cos(2*pi*f*t-fai(i,: )+fai0(i); end rt = sum(s) /L; %将信号经过20径的结果相加 figure(1) subplot(221) plot(t, st); xlabel(t); ylabel(s(t); title(输入单频信号); axis(0 2 -2.5 2.5); subplot(223) plot(t,rt);xlabel(t); ylabel(s(t);title(经过20径后接收信号); axis(0 3 -0.5 0.5); ff sf=T2F(t,st); ff rf=T2F(t,rt); subplot(222); plot(ff,abs( sf ) ); xlabel(f); ylabel(s(f); title(输入单频信号频谱); axis(-20 20 0 5); subplot(224); plot(ff,abs( rf ) ); xlabel(f); ylabel(r(f); axis(-20 20 0 30);title(多径信道输出信号频谱); 输出信号的波形 仿真结果分析 接收包络快速起伏，但由于路径数不多，接收信号的包络呈现出周期性。（3） 数字信号经过多径非时变信道 1、多径非时变信道的定义 信号输入一个非单频信号时，经多径传输，输出信号为 （8）频域上看 （9）信道输入信号的不同频率分量遭受了不同的衰落，即频率选择性。 2、多径非时变信道的建模仿真三径信道： 。输入信号：，其中。 3、Matlab程序实现：%数字信号经过多径信道clear all;close all; Ts=1;N_sample = 8; %每个码元的抽样点数dt = Ts/N_sample; %抽样时间间隔N = 1000; %码元数t = 0:dt:(N*N_sample-1)*dt;dLen = length(t); gt1 = ones(1,N_sample); %NRZ非归零波形d = ( sign( randn(1,N) ) +1 )/2;data = sigexpand(d,N_sample); %对序列间隔插入N_sample-1个0st1 = conv(data,gt1);f sf1 = T2F(t,st1(1:dLen);%3径信道m=0.5 0.707 0.5; %衰减tao = 0 1 2; %时延hf = m(1)*exp(-j*2*pi*f*tao(1) +m(2)* exp(-j*2*pi*f*tao(2)+. m(3)* exp(-j*2*pi*f*tao(3);%信号经过3径信道yt1 = m(1)*st1(1:dLen)+m(2)*zeros(1,N_sample), st1(1:dLen-N_sample)+. m(3)*zeros(1,2*N_sample), st1(1:dLen-2*N_sample);f yf1 = T2F(t,yt1);figure(1)subplot(221)plot(t,st1(1:dLen),LineWidth,2);axis(20 40 0 1.2);title(输入信号);subplot(223)plot(t,yt1,LineWidth,2);axis(20 40 0 2);title(经过信道输出信号);xlabel(t);subplot(222);plot(f,abs(sf1),LineWidth,2);axis(-5 5 0 300);title(输入信号幅度谱);subplot(224);plot(f,abs(yf1),LineWidth,2);axis(-5 5 0 300);title(输出信号幅度谱);xlabel(f);figure(2)subplot(211)plot(f,abs(hf),LineWidth,2);axis(-2 2 0 2);title(信道幅频特性);xlabel(f);subplot(212)plot(f,angle(hf)/pi);title(信道相频特性);xlabel(f);axis(-2 2 -1 1); 4、仿真结果 5、仿真结果的分析 我们可以得出，由于是多径信道，信道幅频特性不是常数，在某些频率处会产生较大的衰落，但是对某些频率会产生较小的衰落，由此我们得出信道具有频率选择性。 三、课程设计小结本次课程设计的目的在于使我们学以致用，在学习了通信原理理论课程的基础上，结合以往的matlab编程知识，理解原程序，继而得到仿真结果。 一次成功的课程设计源于对仿真系统原理的认识，因此，仅仅在课堂上听过见过是不够的，查阅资料是本次课程设计中不可或缺的一环。我们应该选择合适的多本资料，比较相同原理的不同解释从而达到理解并应用的目的。在理解原理的基础上，对照既有的主程序和程序框图，我们应该将各个成分的作用在脑海里回忆梳理，深化对连续信道建模仿真运作过程的了解，为接下来的编码做铺垫。在编码过程中，遇到错误先检查是否是拼写错误，再检查是否是函数选择错误以及是否有没有定义的参数，最后检查主程序和加入程序间的关系。在这个过程中，原本学习matlab时的微薄经验简直微不足道，很多函数的用法都是临时搜索才知道的。 本次课程设计并非同以往一样仅仅只是照书编程，而是面对几个不熟悉的题目，一开始就要做出选择，一周的时间从查资料到梳理出自己的思路，制定计划。最难的就是编程和修改，在时限内完成编程，实现仿真。有些时候，即使仿真能够进行，也不能确定程序是否按照原先的构想完成了执行。最后，我能交上一份答卷，着实不易。这次课程设计的经验为最终的毕业设计做了一次模拟。 经过这次的