移动通信原理课程设计

1、电子科技大学通信抗干扰技术国家级重点实验室实验报告课程名称移动通信原理实验内容 无线信道特性分析；BPSK/QPSK通信链路搭建与误码性能分析；SIMO系统性能仿真分析课程教师胡苏成员姓名成员学号成员分工独立完成必做题第二题，参与选做题SIMO仿真中的最大比值合并模型设计参与选做题SIMO仿真中的等增益合并模型设计独立完成必做题第一题参与选做题SIMO仿真中的选择合并模型设计1,必做题目1.1无线信道特性分析实验目的1）了解无线信道各种衰落特性；2）掌握各种描述无线信道特性参数的物理意义；3）利用MATLAB中的仿真工具模拟无线信道的衰落特性。实验内容1）基于simulink搭建一个QPSK发

2、送链路，QPSK调制信号经过了瑞利衰 落信道，观察信号经过衰落前后的星座图，观察信道特性。仿真参数：信源比特速率为500kbps,多径相对时延为0 4e-06 8e-06 1.2e-05秒，相 对平均功率为0 -3 -6 -9dB，最大多普勒频移为200Hz。例如信道设置如 下图所示：0 Fancdon Block P出iamHtw Vtiltipdlh Rayleigh Fddirkg Cl mi ._£r_Wiilt ipith Esty Pigh F帀dinj 6町1”I (nssk) (1 ink)*Apply i aiult ipath£di.diJiuclel

3、£口工c in.pl &« bifebmd ®ignala.Ths nuiib*! of piths equals th# length sf th# 11 Discret* pith delay 瞽色©tmf” parameter.Yju can check the box *0i>en chaxmel visualat3tart of simulaticn to enable the channelvi sualization.farzmelersMoxiiiLi-U'L Dupploi 县hift (He);200IDorr

4、la r soeet ruwi type; Jzk 电乞*Discreie path delay vect ar (s):L0 4e-0S 8g-06 7. 2b-0SAveiaj? path gain vector (dB s0 -3 -6 -9土 Nermalia* gam vtetisr t& 0 dE overall jainInitial seed:1234EJ i?pen channel visualizeian at rtart of simulation_： Complex path gainx port*01CancelHelpApply实验仿真(1)实验框图电囲开l

5、n|-rr-LXlMlM吟:E »!=< r-=<VjVFlF| sip, *匚Ebl>en*crtif*ew心旳.化说9RdV PlK(2)图表及说明Scattei 尸 ot2 10 12 3 »?=-dLU<ajrqupnfno-2 -1 0 1 2 tn-phase Amplitude图一：Before Rayleigh Fading1#上图为QPSK相位图，由图可以看出2比特码元有四种Sc ait or Plot图二：After Rayleigh Fading#从上图可以看出，信号通过瑞利信道后，满足瑞利分布，相位和幅度发生随机变化，所以图三

6、中的相位不是集中在四点，而是在四个点附近随机分布。IdPdLltSFrame&93Sample ind-ex: 1图三：Impulse Response#从冲激响应的图可以看出相位在时间上发生了偏移ATinator： hterframe only Vfiuaiizstion: Fluency Respcnje(F.卜Frarrw caunt: 4722Sa rm la indeK：PauasFingquancy nsspoms100-102-304C-2.5-2-1.5-0.50.511.5225Frcquoncy (Hz)狡 m4图四：Impulse Response#从频率响应的图

7、可以看出，信号的频率响应失真比较严重。(3)实验结论根据题目中给出的参数，计算瑞利衰落信道的相干带宽和相干时间:相干带宽Be44.2787*10 Hz相干时间Tc0.005 s1.2 BPSK/QPSK通信链路搭建与误码性能分析实验目的掌握基于simulink的BPSK、QPSK典型通信系统的链路实现，仿真BPSK/QPSK信号在AWGN信道、单径瑞利衰落信道下的误码性能。实验作业1. 基于simulink搭建BPSK/QPSK通信链路，经过 AWGN信道，接收端相干解 调，仿真并绘出BPSK和QPSK信号在Eb N。为oedB时（间隔：1dB）误码 性能曲线。仿真参数:a）仿真点数：106b

8、）信源比特速率：1Mbps2. 在1的基础上，信号先经过平坦（单径）瑞利衰落，再经过 AWGN信道，假 设接收端通过理想信道估计获得了信道衰落值（勾选衰落信道模块的“ Complex path gain port”）。仿真并绘出BPSK和QPSK信号在Eb N°为040dB时（间 隔：5dB）误码性能曲线。信道仿真参数：最大多普勒频移为 100Hz。实验仿真（1）实验框图Eh* fl id is：i>o.» die图一经过AWGN的BPSK/QPSK通信链路6*3M3Lb-.umiIW«Z图二经过RAYLEIGH+AWGN的BPSK/QPSK通信链路图表及说

9、明寸AWQNlq道下SFSK/QP3K误码性龍曲铁1D1011111113123J56T8910EB/NO(dB图三 经过AWGN的BPSK/QPSK通信链路的误比特率#由上图可知，BPSK与QPSK误比特率表现相一致，且随着Eb/No的dB数增加，5误比特率下降速度变快。当 Eb/No=10dB时，两者的误比特率已经下降10，说 明此时已经能够保证较高的数据传输准确度。而从总体上来看，BPSK与QPSK的误比特率性能曲线与理论是相契合的，说明链路搭建正确，实验现象成功2,选作题目2.1 SIMO系统性能仿真分析实验目的1掌握基于simulink的单发多收（SIMO） 16QAM仿真通信链路2

10、.仿真SIMO 16QAM信号在单径瑞利衰落信道下，不同接收分集数、不同合并 方式下的误比特率性能。实验内容1.掌握单发多收（SIMO ）的原理，利用分集技术，搭建单发多收通信系统框图。 2利用MATLAB中simulink所包含的通信系统模块搭建基于各种分集技术类型 的单发多收通信链路。3改变各个方式的分集数，搭建新的通信系统链路。4.比较上述各链路的误比特率，记录并分析。实验原理移动信道的多径传播引起的瑞利衰落、时延扩展以及伴随接收机移动过程产 生的多普勒频移使接收信道受到严重的衰落；阴影效应会使接受的信号过弱而造 成通信的中断；信道存在的噪声和干扰，也会使接收信号失真而造成误码。因此，

11、在移动通信系统中需要采取一些信号处理技术来改善接收信号的质量。其中，多天线分集接收技术就是一个非常重要且常见的方法。分集接收的基本思想就是把接收到的多个衰落独立的信号加以处理，合理地利用这些信号的能量来改善接收信号的质量。分集技术总体来说分为两类，针对阴影衰落的宏观分集和针对微观衰落的 微观分集。本实验主要注重微观分集。分集技术对信号的处理包含两个过程， 首 先是要获得M个相互独立的多径信号分量，然后对它们进行处理以获得信噪比 的改善，这就是合并技术。合并方式共分为三种，选择合并、等增益合并和最大 比值合并。选择合并是最简单的一种，在所接收的多路信号中，合并器选择信噪比最高的一路输出。最大比值

12、合并会将所有路信号的能量和信息都利用上，会明显改善合并器输出的信噪比。基于这样的考虑，最大比值合并把各支路信号加权后合 并。各路信号权值用数学方法得出。等增益合并性能上不及最大比值合并，但是却容易实现得多，其主要思想是将各路信号赋予相同权值相加。实验仿真"LUbW>VMtur ueorgusi1Si-XEuE3Z“A-raSLtflfcr！ r-JI t -曲 hi!，1rl±t£|irtkri11EtnmJ1 :9:加：|VT-"i UteEffTlf Utti3CMP11ITt出mjrZii=- W7-5-1- iJ jfr-QAM总体框图选择

13、合并，M=2选择合并，M=3#在选择合并时，将两路独立信号的幅度作对比，以此作为功率判决来决定选取 哪一路信号等增益合并，M=2CC" In1Gsii4 Ractangblar1-QAMCJt1AodQArh1DerYHxiulatorDaBEzand 1等增益合并，M=3#在等增益合并当中，由于调制解调与信号的幅度有关，所以对信号赋予相同的 权值要使最后信号的幅度归一，故增益都为1/M oCSn 创QH才gain0«MC & J斫血和尸4回DiWT rid山I和时*l最大比值合并，M=3#最大比值合并现实中不太容易实现，但在仿真情况下，却可以将每路信号幅度 提取出

14、来作为权值的参照，由于噪声功率都一样，所以只需权值与相应信号幅度 成正比。此外，同样也要进行归一化处理。产生独立信号#由于合并技术要求得到多个衰落独立的信号，故选取不同高斯信道并对瑞丽信 道设置不同的initial seed来使信号的衰落独立。性能分析选择合并性噪比:sP（ s）d s0其中一是无分集平均性噪比,最大比值合并信噪比：p( s)是s的概率密度函数，M是分集数mr其中，-是每一路信号平均性噪比，一是无分集平均性噪比，M是分集数等增益合并信噪比:12beq2MN2Mb M(M 1T 1 (M 1)7其中，b与信号幅度和瑞利分布相关，一是无分集平均性噪比，M是分集数基于上述分集信噪比改

15、善，实验的误码率也从侧面予以印证：不同分集数下接收谣昭性能曲线051015202530EB/N0(dB)#从 #图中可以看到，通过选择合并方式能够显著的减小误码率，并且随着Eb/N0的增加而更好的显示出性能优越；相对比不同的分集数可看出，分集数的增加能 有效地减小误码率。生LLICO不同育并方式下接收误阳性能曲线101520EB/N0(dB)无分崖二重分集选擡合并 二重分集等增益合并 二重分集最大比值合并rs t 1 r air11s:ri；ie 1r 11b 1iB. «1. dIbJ- mb.>* S_.1K 厶：_ JL1E1 1 <1 r11C1 13 1M1 E

16、1,1 11C 11*!1 r1 1iIka Ji: LdaE d b J - a. da .1. >4 ISMlii r1asirilei r 11c 1i4Ld Tagg4aaLJL"亠-JIM： r ri r v r 9 rr b""i壮 I 1 a 5， 11 ® 1 11 '： r -X；#由图可看到，三种合并方式都能显著地减小误码率，在分集数为二的情况下, 效果最好的是最大比值合并，等增益次之，都优于选择合并；而与上图相比， 可以看出二重分集下的最大比值合并性能甚至优于三重分集的选择合并。误码率分析：在这两张反应误码率的曲线图中

17、，很好的符合了理论公式中由 信噪比的改善所带来的误码率的降低，也反应了分集数的增加对系统性能的改 善。实验结论移动信道的多径传播引起的瑞利衰落、时延扩展以及伴随接收机移动过程产 生的多普勒频移使接收信道受到严重的衰落，所以必须采取相应的抗衰落的措施 来提高系统性能。在本次课程设计中，我们小组学习研究了对三种不同分集合并 技术在改善系统性能方面的效果的课题实验。通过仿真实验得出的不同分集的误 码率，分集技术能有效地减小误码率从而提高系统性能；而通过对误码率曲线的分析，可以看出：对于三种分集合并技术，等分集前提下，最大比值合并优于等 增益合并优于选择合并；而对于同一合并技术，增加分集数能优化其性能

18、。3实验总结与体会经过本次课程设计，小组成员都得到了不小的收获：第一，熟悉了 simulink模块并初步掌握了如何构建仿真系统；第二，通过对无线信道以及BPSK QPSK典型通信系统的链路的仿真，了解了无线信道各种衰落特性，掌握了各种描述无 线信道特性参数的物理意义，通过仿真数据以及计算得到了BPSK/QPSI信号在AWG信道、单径瑞利衰落信道下的误码性能；第三，通过仿真SIM016QAM言号在单径瑞利衰落信道下，不同接收分集数、不同合并方式下的误比特率性能的实 验系统，进一步了解到分集技术是一种有效的抗信道衰落技术，本此仿真对simo 系统采用的3种常见的分集合并技术选择合并，等增益合并和最

19、大比值合并进行 分析研究,对系统采用162QAM调制、平坦瑞利衰落信道的情况下,仿真结果表明 3种分集合并方式对改善系统性能都有很大贡献，具体来说：分集数越多系统性 能越好；且在等分集下最大比值效果最优， 选择合并效果较差，但三种合并技术 的算法复杂度正好相反，经过反复分析比较，等增益合并是一种复杂度与性能折 中较好的一种分集合并方式。附录：SIMO系统仿真模块详解(1) 无分集模型:Fading Chiinrie)#其中瑞利信道参数如下所示:#设置成100Hz多普勒频移以便于后期对误码率的观察更为容易，题目中要求此瑞利衰落为 平坦衰落，故选择Flat多普勒频谱类型，将Initial seed

20、设置成19或者也可以为其他任意值。在通过高斯信道后有一个增益补偿的过程，这是因为瑞利信道主要是对信号幅度的衰落,果不进行补偿则会造成极高的误码率，使实验无法正常运行。#其中高斯信道参数如下所示:Imtial seed:67Sxgn.al "to ito£se x-a.it(Eb/No)Eb/Nu (dD):0Nufhber of bits per syrnbol!Iiijjut s 1 griiil puwurj refeiencd to 1 uIuil (watts):11 period (s) ±2b野#其中符号周期取 2倍码元周期，Initial seed设

21、为随机值以保证噪声随机性(2) 接收分集模型:CDAS：HCnarr* JRjfIqFtiffinr»手Preu li 二*CDugr a 13MLItiU-记© leiEh Ffl-dirg&urdiBH2*D#其中，有三个独立的瑞利平坦衰落信道，并分别加入高斯白噪声和进行增益补偿，最后输 出三路独立的衰落信号，受到的主要影响是多普勒频移。三路瑞利平坦衰落的参数为：Init i al seed:?FInitial seed:12345Initial seed:19#这样就可以保证瑞利衰落相互独立，高斯信道同理，只需将Inital seed设为不同值即可。#值得注意

22、的是，瑞利信道输出的Gain值（增益/衰落值）经过了一个幅度平方模块，这是为了在之后的选择合并与最大合并中作为重要参考元素而如此使用。三个Display模块在本模型中没有特殊的含义，只是为了辅助观察每一路瑞利衰落信道幅度平方值大小。（3）等增益合并模型（以二重等增益合并为例）：Demodulatofnd1#其中，两路独立衰落的信号被赋予1:1的权重相加，解调输出。需要注意的是，每一路信号增益为1/2而非1是因为调制解调使用的是16QAM模块，幅度是代表了信号信息的，所以不能将信号单纯地乘1相加。#三重等增益原理与二重等增益相同，只是三路信号分别乘上 1/3的权重再相加，解调输出。（4）选择合并模型（以二重选择合并为例）：itcnl#选择合并这一模型的核心理念是选择信噪比最高的一路输出，然而在simulink中去实现纯信噪比的计算并不容易，所以本模型中采用的方案是用瑞利衰落输出Gain幅度平方值代替信噪比，所以就变成：选择Gain值最大（即误码率最小）的一路输出。接下来介绍其中每一个重要的模块的作用。#Add模块和Switch模块共同组成了信号判决输出器，其中， Add负