四川大学现代电子技术实验 非理想信道matlab仿真实验

1、四川大学电子信息专业实验报告课 程 现代电子技术专业实验实验课题 非理想信道传输实验 组员姓名 电子信息学院 实验六 非理想信道传输实验一、 实验目的1、 仿真非理想信道传输时的数据传输过程2、 仿真并说明非理想信道中各个参数的影响二、实验内容1. 未设置任何参数时程序的分析：未设置任何参数时（即默认参数：除了输入信道噪声增益为0.5外，其余影响均为0），实验的运行结果：从第一幅图可以看出，输入的数据经过编码之后产生的基带信号的频谱集中在零频附近。第二幅图是信道传输的信号经过低通滤波之后的波形第三幅图是经过卷积滤波之后的波形，第四幅图是抽样后的信号的波形。实验的流程为：1) 发送器：产生原始信

2、号sendmesage,并用4个范围为-1,+1，-3，+3的数编码每个字符，得到编码信息m。加入定时偏移so，使用汉明窗产生原始基带信号mup。之后使用载频为20的fc对基带信号进行调制，生成发送信号r；2) 信道：设置并加入多径干扰，得到信号dv，使用高斯噪声对信号加噪，得到加噪信号nv，设置发送信号延时toper，得到信号rnv。3) 接收器：设置输入采样延时，生成混频信号，并与信号rnv相乘，通过一个低通滤波器之后得到信号x3，通过卷积滤波之后得到信号y，对y进行采样得到信号z，对z进行量化之后得到输出信号mprime，之后对其进行解码之后得到输出信号reconstructed_mes

3、sage。三、实验问题解答1. 根据程序说明每一个设置参数所代表的物理意义。输入参数共6个：信道噪声增益cng、多径干扰cdi、发射频偏fo、发射机的相位频偏po、输入采样延迟toper和接收机符号的定时偏移。1) 信道噪声增益cng（默认值0.5）：nv=dv+cng*(randn(size(dv); 其中，dv是加入多径干扰后的信号,randn(size(dv)产生一个与dv大小一致的一个噪声数组，nv为输出的加噪信号。cng的物理意义是信号中噪声的最大值。2) 多径干扰cdi（默认值0）：if cdi 0.5, mc=1 0 0; elseif cdi1.5, mc=1 zeros(1,

4、M) 0.28 zeros(1,2.3*M) 0.11; else mc=1 zeros(1,M) 0.28 zeros(1,1.8*M) 0.44; endmc=mc/(sqrt(mc*mc); dv=filter(mc,1,r);多径指无线电信号从发射天线经过多个路径抵达接收天线的传播现象。该程序中，设置了3个级别：一个是无多径干扰，一个是中等多径干扰，一个是严重的多径干扰。设置的依据是将信号经过不同程度的延时，再将不同的信号叠加得到最终的接收信号。3) 发射频偏fo（默认值0）及发射机的相位频偏po（默认值0）：c=cos(2*pi*(fc*(1+0.01*fo)*t+po);fc是载波

5、频率，c是载波。fc的改变会导致载波的频率变化，po的变化会导致载波的初始相位的变化。4) 输入采样延迟toper（默认值0）：to=floor(0.01*toper*M); rnv=nv(1+to:end); rt=(1+to)/M:1/M:length(nv)/M;toper是一个符号周期的延时百分比，nv是加噪之后的信号，rnv是经过延时后得到的信号。toper的意义是在采样之前加入延时，也就意味着输入信号的一部分会因为采样延时的缘故而丢失。5) 接收机符号的定时偏移so（默认值0）：M=100-so; mup=zeros(1,N*M); mup(1:M:end)=m;m为编码信号，mu

6、p为基带信号，接收机的符号误差的定时频偏的意义是发送和接收之间存在着固定时间的符号错位，会导致类似于载波频偏的现象。2. 改变噪声增益，观察噪声对信号的影响，分析噪声增益超过多大时误码率明显上升，原因是什么？修改源程序，设置出信道噪声增益以外的其他值为默认值0。主要程序如下：ratio=10;pc=zeros(1,1000);for n=1:1000 cng=n/ratio; pc(n)=100*sum(abs(sign(mprime-m(1:lmp)/lmp;endn=1:1000;n=n/ratio;plot(n,pc);xlabel(信道增益取值);ylabel(误码率百分比%);运行结

7、果：当设置ratio=100时（即cng范围为010）：当设置噪声增益超过2时，误码率明显上升。因为码元数据是由-3,-1,1,3这个数组组成的，相邻差值为2，当噪声增益超过2时，每个码元都有可能被噪声影响变成不同的码元，在解码时，这种误差一旦产生，只能通过相邻码元之间的联系来消除。但每个码元都有错误的可能，因此这种消除的方法并不能完全消除误码。当增益小于1时，无论哪个码元受到了噪声的影响，都不可能与另外的码元有交集，因此不可能有误码。当增益大于1时，通过进一步的仿真实验可以看出，最先的误码在增益为1.25左右。3. 分析第 2 个图和第 3 个图的异同，解析其中的原因？ 左边为第二幅图，右边

8、为第三幅图，生成这两幅图的代码为：rp=hamming(rM); y=filter(fliplr(rp)/(pow(rp)*rM),1,x3); figure(2), ul1=floor(length(x3)-124)/(4*rM); plot(reshape(x3(125:ul1*4*rM+124),4*rM,ul1);figure(3), ul=floor(length(y)-124)/(4*rM); plot(reshape(y(125:ul*4*rM+124),4*rM,ul); 可以看出，左图是由x3的数据生成的曲线图，右图是由y的数据生成的曲线图。x3是接收机处经过低通滤波之后的信

9、号，y是x3经过卷积滤波之后 的信号。绘制时，将信号先截断，然后分段显示，便于观察。经过低通滤波之后的x3的曲线图在的每条曲线均不是很光滑，存在的高频分量较多。空间卷积滤波相当于频域的乘积，相当于在频域做低通滤波。使用下列式子可以观察x3和y在频谱上的区别：plotspec(x3,1/25200)figureplotspec(y,1/25200)绘制结果如下图：可以明显看到，经过频域滤波之后，频谱中的高频分量被滤除。y中低频分量少，所以图像显得更为光滑。4. 分析三种多径干扰的异同和带来的影响。设置多径干扰cdi为1时，报错：更改源程序中4652行如下：if cdi 0.5, mc=1 0 0

10、; elseif cdipi/4时，接收信号抽样后的幅度相比于发射信号的幅度有了较大衰减，如让phi=pi/2时，抽样序列的峰峰值才为0.6左右，与正常的峰峰值8有了很大的差距。也就是，当相位从0到pi/2时，接收时的抽样信号会随着相位的增加而减少，导致在判决时绝对值大的信号很有可能被判决为绝对值稍小的信号，绝对值稍小的信号受到的影响较小，码元有-3,-1,1,3,绝对值有 1、3，当出现相位偏移时，绝对值为3的被判决为绝对值为1的码元，因此其误码率约为50%，也就是图中较为平坦的部分，抽样信号图像向y=0处压缩。6. 利用通信原理的知识分析频偏对接收信号的影响，使用参数为 0.01%的频偏，

11、根据图和输出解码结果分析其原因。其他参数默认，设置频偏为0.01%，程序运行结果为：figure2,3为低通滤波和卷积滤波之后的信号波形figure4为最后抽样的波形cluster_variance = 0.2461percentage_symbol_errors = 60.5578sendmesage =123 Communication test for non-ideal channel, lalala 4567890reconstructed_message =123 Communicatioj%eefeefjfejjZYVZ从figure4和解码出来的数据可以看出，频率偏移即使只有0

12、.01%的时候，误码率也会达到61%。由通信原理的知识可得：设dt为频率偏移，m(t)为基带信号，cos(wt+dt)为发射载频，cos(wt)为接收载频。可以得到发射信号f(t)的表达式：f(t)=m(t)*cos(wt+dt)忽略信道的影响，接收端先将发射信号与接收载频相乘，即：y(t)=f(t)*cos(wt)=m(t)*cos(wt+dt)*cos(wt)=m(t)*cos(wt)*cos(wt)*cos(dt)-m(t)*sin(wt)*cos(wt)*sin(dt)=1/2*m(t)*cos(dt)+1/2*cos(2wt)-1/2*m(t)*sin(2wt)*sin(dt)经过低

13、通滤波之后： y2t=1/2*m(t)*cos(dt)频率偏移对接收到的波形没有太大的影响，主要影响抽样判决的过程，导致抽样判决持续出错。在接收的前期，数据还能正常接收，之后的数据则完全不能正常接收，这是因为频率的偏移会导致发送端和接收端的相位会一直有很小的偏差，这种偏差会一直累积，导致接收到的数据的幅度和正负都会发生变化，接收端在t较大时已经完全无法从原始信号中正常抽取数据。分析抽取到的数据的幅度可得，数据的幅度值先逐渐变小，再逐渐变大，但在逐渐变大的过程中，数据的正负也发生了变化，因此接收到的数据也不能正常还原。数据的频偏的效果和相位偏移的效果差不多，都会导致接收到的数据的幅度和正负发生变

14、化，频偏可以当作是持续变化的相位偏移，每个时刻的相位都会发生变化，导致的后果也比固定的相位偏移的后果严重的多。7. 由于信号从发射机传输到接收机存在传输延时，而实际上接收机是无法准确判断延时的大小，从而导致实际采样时刻偏离最佳采样时间， 改变“采样延迟”，分析不同的采样偏移对接收机性能的影响设置采样延时为20%，得到的抽样序列为：设置输入采样延时从050变化，程序如下：pc=zeros(1,1000);for n=1:1000 toper=n/20;pc(n)=percentage_symbol_errors;endn=1:1000;n=n/20;plot(n,pc);xlabel(输入采样延

15、迟);ylabel(误码率百分比%);运行效果如下：这个波形与相位偏移的误码率曲线基本一致，说明输入采样延时实际上可以类似为发射机的相位偏移。当采样延时为20%时，抽样序列的峰峰值6比正常峰峰值8要小。采样的延时可以认为是采样的时候采到的是有固定相位偏移的数据。当采样延时小于20%时，基本不受影响，当大于25%后，抽样后的序列性能迅速开始恶化，基本不能用。8. 如果发射机每个符号周期有 M-1 个采样信号，而接收机每个符号采样 M 次，则会发生类似于载波频偏时的情况，最初几个符号恢复正常，随后都无法正常解调信号，请分析其中的原因。其余参数默认，设置接收机定时偏移为1，得到的结果为：cluste

16、r_variance = 0.2237percentage_symbol_errors = 64.6341sendmesage =123 Communication test for non-ideal channel, lalala 4567890reconstructed_message =123aVjVfRfYYYZYUialalajee可以看到，抽样出来的序列的幅值可以相当于两个反向的余弦波构成的图形。而解码的数据除了最初的几个数据外，其余数据均不能正常还原，这和频率偏移的现象是一致的。同一个符号，接收机采样M次，发射机采样M-1次，而发送机和接收机的采样频率fs是一致的。因此，在M*

17、(M-1)/fs的时间内，发送机可以发送M个数据，接收机只能接收到M-1个数据。若把这段时间等效于t，这就相当于发送机以t/M的频率发送数据，而接收机以t/（M-1）的频率接收数据。二者的频率差异导致了最后解码出来的数据只有前几个正常，后面的全部错误。9. 修改程序，不改变其它参数，只改变信道噪声增益，实现在不同的信噪比下，仿真画出误符号率随信噪比变化的曲线图。见问题2。四、实验心得体会接收端和发送端无论在什么情况下总是相差一个字符，在刚开始进行实验时，曾经以为这也应该算在误码率中。但事实上，这个字符的丢失是接收端采样时最后的最后一个码元没有采样造成的，实际接收到的码元会比原始信息编码的码元少一个，因此最后一个字符没能解码。发射机频偏的效果与接收机符号定时偏移效果基本一致，输入采样延时的效果与发射机相位偏移的效果基本一致。整个仿真实验，如果并不知道输入参数的取值，仅仅靠实验的结果来判断哪里存在误差并不一定是合理的，在多种因素都可能导致的结果下，要对每个影响因素都进行测量才能最终确定哪里才是应该