多径时变信道模型仿真及性能分析分解

*****************实践教学*******************兰州理工大学计算机与通信学院2013年春季学期通信系统仿训练真课程设计题目：基于MATLAB的FIR滤波器语音信号去专业班级： 姓名： 学号： 指导教师： 成绩： 摘要本次课程设计做的是多径时变信道模型的仿真与性能分析，首先需要建立信道模型，通过对输入信号和移动台的有些参数进行调整，使用MATLAB进行仿真，得到时域和频域图，对比分析掌握多径信道的特点；其次，对瑞利衰落的多径信道仿真，分析信道模型的特点；最后，观察单频和数字信号经过多径信道后接收信号的情况。经过多次修改调试，最终完成了设计任务。关键词：多径时变信道；瑞利衰落；仿真；信道模型目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"多径信道的基本原理 1..\o"CurrentDocument"移动通信 1...\o"CurrentDocument"多径时变信道 1..信道模型的分类 1..时变信道的特点 1..\o"CurrentDocument"1.3瑞利信道衰落 2...\o"CurrentDocument"实现框图 3...\o"CurrentDocument"多径时变信道性能仿真实现框图 3.\o"CurrentDocument"多径时变信道仿真实现 4..\o"CurrentDocument"详细设计 5...\o"CurrentDocument"瑞利信道的特性 5..\o"CurrentDocument"多径时变信道的特性 8..\o"CurrentDocument"单频信号经过时变信道 11\o"CurrentDocument"数字信号经过多径时变信道 1..3总结 1..5..\o"CurrentDocument"参考文献 1..6.附录 1..7..致谢 2..9..、八前言在无线移动环境下进行高速可靠通信是具有挑战性的 ,电波通过物理媒体传播并与环境中的物体相互作用,因此,无线电波的传播是个复杂过程。在高频(HF)频段范围内,电磁波经由天波传播时经常发生的问题是信号多径。电磁波的多径传播主要是因为电磁波经电离层的多次折、反射,电离层的高度不同,电离层不均匀性引起漫射现象等引起的。当信号的多径发生在发送信号经由传播路径以不同的延迟到达接收机的时候,一般会引起数字通讯系统中的符号间干扰。而且,由不同传播路径到达的各信号分量会相互削弱 ,导致信号能量衰减,造成信噪比降低。移动无线信道是一个充满复杂干扰的信道。由环境中的各种障碍物所引起的信号多径传播是其主要特点之一。另一个特点是多普勒效应。由于多径效应和移动台运动等影响因素，使得移动信道对传输信号在时间、频率和角度上造成了色散，即时间色散、频率色散、角度色散等等，因此多径信道的特性对通信质量有着重要的影响，而多径信道的包络统计特性则是我们研究的焦点。根据不同无线环境，接收信号包络一般服从几种典型分布，如瑞利分布、莱斯分布等。在此专门针对服从瑞利分布的多径信道进行模拟仿真，进一步加深对多径信道特性的了解。#若f逐步变大，有些频率被削弱，f充分大时，看出合成信号被削弱了，那些受到影响基本保持一致的频率范围称为相干带宽， 在同一位置，由于反射镜信号的存在，发射不同信号的频率，在接收机收到的信号有的被加强，有的信号被减弱，这就是所谓的频率选择性衰落。【6】（4）仿真移动台不同速度的信号的多径信号改变移动台速度不同的信号经过多径信道 v=0，v=300其它条件不变时接收信号的情况如图3-2-4所示:图3-2-4V值不同时接收信号的情况移动台有速度时，发现即使同一频率，同一位置，在不同的时间点，合成信号的强度也是不一样的，有的地方信号衰减，有的地方信号增强。当速度由 0增加到300时，直射径信号减弱，反射径信号增强，合成信号减弱。3.3单频信号经过时变信道多径传播对信号的影响称为多径效应，其会对信号传输质量造成很大的影响。当输入为单频信号时，经过多径时变信道的传输后，接收信号的波形包络随时间随机起伏，输出不再是单频信号，而是一个窄带信号，带宽大小随上事变因素的快慢决定。经过多径时变信道传输以后，多径信道的时延以及衰减均不相同，导致接收信号的幅度不同，频率也增多了。

一个幅度为1,频率为10Hz的单频信号经过20条路径传输得到的波形及频谱，并且这20条路径的衰减相同，但时延的大小随时间变化，每径的时延变化规律为正弦型，变化的频率是从0-2Hz随机均匀抽取的。(1)输入的单频正弦信号时域及频域图如3-3-1所示：图3-3-1 单频信号的时域及频域图从图3-3-1中可看出，原信号为单一正弦信号，时域标准正弦，频域单一冲激。信号的幅值为1,频率为10Hz。信号经多径传播后在接收端所得信号时域及频域图图3-3-2经过20径后信号的时域及频域图由图3-3-2可知，过多径传播后，不同路径时延不同，不同时延的信号叠加，导致时域图形不再是单一正弦，出现了其它的频率。（由于采样频率的关系，看起来还是光滑曲线）频域出现了毛刺，即频域扩散。3.4数字信号经过多径时变信道多径时变信道对数字信号产生时域弥散。数字信号经过多径时变信道，发生码间干扰上。由于各径时延不同，通过个路径的衰减也是不同，信号经过多条路径到达接收端形成码间干扰。3一条三径传输的信道s（t）'Ujb（t「:r），其参数如下：i=15=0.5,112=0.707,u3=0.5;“=0,2=1,3=2画出信道的幅频响应和相频响应如 3-4-1所示:图3-4-1三径信道的幅频、相频响应图画出Ts=1时输出信号波形及输出信号的幅度谱如图 3-4-2所示:btJFigure2btJFigure2FileEditViewInsertToolsDesktopWindowHelpOOH|鱼氏和⑥噥^□i|□IE11■O输入信号输入信号图3-4-2数字信号进入三径信道输出信号的波形及幅度谱画出Ts=4时输出信号波形及输出信号的幅度谱如图 3-4-3所示:图3-4-3图3-4-3改变Ts后画出信号波形及输出信号幅度谱由图3-4-2及3-4-3可以看出，随着Ts的增大，输出信号的波形与输入信号的波形越接近。因为信道幅度特性不是很理想，会造成输入信号失真，针对模拟信号体现在波形失真上；针对数字信号体现在码间干扰上。由于各径时延不同，通过个路径的衰减也是不同的，信号经过多条路径后到达接收端形成码间干扰。总结本次课程设计中多径信道的信道模型建立，性能分析，瑞利衰落的多径信道模型等仿真分析都使用了MATLAB平台。从仿真图形可以形象的反应出多径时变信道的特点及性能。根据不同无线环境，接收信号包络一般服从几种典型分布，如瑞利分布、莱斯分布等。在这次课程设计中专门针对服从瑞利分布的多径信道进行模型仿真，进一步加深对多径信道特性的了解。信号经过多径信道后，会产生码间干扰和衰落，其中衰落快慢取决于信道随时间变化的快慢，而码间干扰的严重程度取决于码元间隔和多径间的时延差的相对关系。时变信道是指信道参数随时间变化的信道，特点是信号的传输衰减随时间变化；信号的传输时延也是随时间而变的。时变信道对信号传输的影响是使输入信号的频率弥散。多普勒频移反映了信道的时变性，多普勒频移越大，信道的相干时间就越短，合成信号包络变化越快。多径效应总的来说有三点，即对单一正弦波产生频域弥散，对宽带信号频率选择性衰落以及对数字信号产生时域弥散。单一频率的信号经多径时变信道传输后，由于不同路径时延不同，不同时延的信号叠加，导致时域图形不再是单一正弦，从频谱图中可以看出，它的频带展宽出现了其它频率，即就是频域弥散。宽带信号经过多径时变信道，在同一位置，由于反射径信号的存在，发射不同频率的信号时，接收机处收到信号有的频率被增强了，有的频率被削弱了。频率选择性由此产生。数字信号经过多径时变信道，发生码间干扰上。由于各径时延不同，通过个路径的衰减也是不同，信号经过多条路径到达接收端形成码间干扰。通过理论与仿真的结合，我更加深入的了解了多径时变信道的性质和特点，带给我很大的收获。参考文献[1]覃团发、姚海涛、覃远年、陈海强.移动通信.重庆大学出版社23:48[2]Gordon.Stuber.移动通信原理.电子工业出版社51:56宋荣方.矢量多径信道的衰落相关特性.南京邮电学院学18:22樊昌信.通信原理[M].第5版.北京:国防工业出版社,2001.44:48BernardSklar.数字通信—基础与应用.徐平平、宋铁成,译..北京:电子工业出版社,2002.77:80梁斌、朱洪波.移动通信Rician信道中的多普勒影响分析66:69忆=900*10八6;附录忆=900*10八6;%Carrierfrequencywc=2*pi*fc;%接收端速度%接收端速度c=300*10A6;wm=wc*(v1/c);fm=wm/(2*pi);%Maximumshift%Dopplershiftwm=wc*(v1/c);fm=wm/(2*pi);N=128*100;%generateDopplerpowerspectrumdeltaf=2*fm/(N-1);T=1/deltaf;sf0=1.5/(pi*fm);forn=1:(N-2)/2sf(n)=1.5/(pi*fm*sqrt(1-(n*deltaf/fm)A2));endclassicf=[fliplr(sf),sf0,sf];%generatetwonormallydistributedrandomvariablesgaussN_re1=randn(1,(N-2)/2);gaussN_im1=randn(1,(N-2)/2);gaussN_pos1=gaussN_re1+i*gaussN_im1;gaussN_neg1=conj(gaussN_pos1);gaussN1=[fliplr(gaussN_neg1),0,gaussN_pos1];gaussN_re2=randn(1,(N-2)/2);gaussN_im2=randn(1,(N-2)/2);gaussN_pos2=gaussN_re2+i*gaussN_im2;gaussN_neg2=conj(gaussN_pos2);gaussN2=[fliplr(gaussN_neg2),0,gaussN_pos2];%generatingflatRayleighfadingchannel

x=ifft(sqrt(classicf).*gaussN1);y=ifft(sqrt(classicf).*gaussN2);rayleigh_amp=sqrt(abs(x).A2+abs(y).A2);rayleigh_db=20*log10(rayleigh_amp);figure(1);subplot(211)plot(rayleigh_db);title('瑞利分布的包络')r=sqrt(0.5*(gaussN_re1.A2+gaussN_re2.A2));step=0.1;range=0:step:3;h=hist(r,range);fr_approx=h/(step*sum(h));fr=(range/0.5).*exp(-range.A2);subplot(212)plot(range,fr_approx,'ko',range,fr,'k');title('瑞利分布的概率密度曲线')grid;function[h]=rayleigh(fd,t)fc=900*10A6;grid;function[h]=rayleigh(fd,t)fc=900*10A6;v1=30*1000/3600;c=3*10A8;fd=v1*fc/c;ts=1/10000;t=0:ts:1;h1=rayleigh(fd,t);v2=120*1000/3600;fd=v2*fc/c;h2=rayleigh(fd,t);%产生瑞利衰落信道%选取载波频率%移动速度v1=30km/h%定义光速%多普勒频移%信道抽样时间间隔%生成时间序列%产生信道数据%移动速度v2=120km/h%多普勒频移%产生信道数据subplot(2,1,1),plot(20*log10(abs(h1(1:10000))))title('v=30km/h时的信道曲线')xlabel('日寸I、可');ylabel('功率')subplot(2,1,2),plot(20*log10(abs(h2(1:10000))))title('v=120km/h寸的信道曲线')xlabel('日寸I、可');ylabel('功率')function[h]=rayleigh(fd,t)%该程序利用改进的jakes模型来产生单径的平坦型瑞利衰落信道%输入变量说明：%fd：信道的最大多普勒频移 单位Hz%h为输出的瑞利信道函数，是N=40;个寸、函数复序列%假设的入射波数目%%h为输出的瑞利信道函数，是N=40;个寸、函数复序列%假设的入射波数目%每象限的入射波数目即振荡器数目%信道函数的实部%信道函数的虚部%归一化功率系%区别个条路径的均匀分布随机相位M=N/4;Tc=zeros(1,length(t));Ts=zeros(1,length(t));P_nor=sqrt(1/M);theta=2*pi*rand(1,1)-pi;(-pi,pi)之、均匀分布的随机相位%计算冲激响应函数%乘归一化功率系数得到传输函数%发射信号频率forn=1:M%(-pi,pi)之、均匀分布的随机相位%计算冲激响应函数%乘归一化功率系数得到传输函数%发射信号频率Tc=Tc+2*cos(wm*t*cos(alfa(n))+fi_tc);Ts=Ts+2*cos(wm*t*sin(alfa(n))+fi_ts);end;h=P_nor*(Tc+j*Ts);clearallf=9e8;

v=0;c=3e8;r0=3000;d=15000;v=0;c=3e8;r0=3000;d=15000;t1=0:0.00000000005:0.00000002;E1=cos(2*pi*f*((1-v/c).*t1-r0/c))./(r0+v.*t1);E2=cos(2*pi*f*((1+v/c)*t1+(r0-2*d)/c))./(2*d-r0-v*t1);%移动台速度，静止情况为0%电磁波速度，光速%移动台距离基站初始距离%基站距离反射墙的距离%时间%直射径信号%反射径信号figureplot(t1,E1,t1,E2,'-g',t1,E1-E2,'-r') %画出直射径、反射径和总的接收信号legend(直射径信号','反射径信号','移动台接收的合成信号')%发射信号频率%发射信号频率%移动台速度，静止情况为0%电磁波速度，光速%移动台距离基站初始距离%基站距离反射墙的距离%时间%直射径信号v=0;c=3e8;r0=1000;d=15000;t1=0:0.0000000000005:0.00000001;E1=cos(2*pi*f*((1-v/c).*t1-r0/c))./(r0+v.*t1);E2=cos(2*pi*f*((1+v/c)*t1+(r0-2*d)/c))./(2*d-r0-v*t1); %反射径信号subplot(2,3,1)plot(t1,E1,t1,E2,'-g',t1,E1-E2,'-r') %画出直射径、反射径和总的接收信号legend(直射径信号','反射径信号','移动台接收的合成信号')%axis([012-0.50.5])subplot(2,3,4)plot(t1,E1-E2)f=9e8; %发射信号频率v=0; %移动台速度，静止情况为0

c=3e8;%电磁波速度，光速r0=3000;%移动台距离基站初始距离d=15000;%基站距离反射墙的距离t1=0:0.0000000000005:0.00000001; %时间E1=cos(2*pi*f*((1-v/c).*t1-r0/c))./(r0+v.*t1); %直射径信号E2=cos(2*pi*f*((1+v/c)*t1+(r0-2*d)/c))./(2*d-r0-v*t1); %反射径信号subplot(2,3,2)plot(t1,E1,t1,E2,'-g',t1,E1-E2,'-r')%axis([012-0.50.5])subplot(2,3,5);plot(t1,E1-E2)f=9e8;v=0;c=3e8;r0=9000;d=15000;t1=0:0.0000000000005:0.00000001;%画出直射径、反射径和总的接收信号%发射信号频率%移动台速度，静止情况为0%电磁波速度，光速%%画出直射径、反射径和总的接收信号%发射信号频率%移动台速度，静止情况为0%电磁波速度，光速%移动台距离基站初始距离%基站距离反射墙的距离%时间%直射径信号subplot(2,3,3)plot(t1,E1,t1,E2,'-g',t1,E1-E2,'-r')%axis([012-0.50.5])subplot(2,3,6)plot(t1,E1-E2)clearallf=3e8;v=0;c=3e8;r0=3000;d=15000;%画出直射径、反射径和总的接收信号%发射信号频率%移动台速度，静止情况为0%电磁波速度，光速%移动台距离基站初始距离%基站距离反射墙的距离t1=0:0.0000000000005:0.00000001;%时间E1=cos(2*pi*f*((1-v/c).*t1-r0/c))./(r0+v.*t1);%直射径信号E2=cos(2*pi*f*((1+v/c)*t1+(r0-2*d)/c))./(2*d-r0-v*t1);%反射径信号subplot(2,3,1)plot(t1,E1,t1,E2,'-g',t1,E1-E2,'-r') %画出直射径、反射径和总的接收信号legend(直射径信号','反射径信号','移动台接收的合成信号')%axis([012-0.50.5])subplot(2,3,4)plot(t1,E1-E2)f=9e8; %发射信号频率v=0; %移动台速度，静止情况为 0c=3e8; %电磁波速度，光速r0=3000; %移动台距离基站初始距离d=15000; %基站距离反射墙的距离t1=0:0.0000000000005:0.00000001; %时间E1=cos(2*pi*f*((1-v/c).*t1-r0/c))./(r0+v.*t1); %直射径信号E2=cos(2*pi*f*((1+v/c)*t1+(r0-2*d)/c))./(2*d-r0-v*t1); %反射径信号subplot(2,3,2)%画出直射径、反射径和总的接收信号%画出直射径、反射径和总的接收信号%axis([012-0.50.5])%发射信号频率%移动台速度，静止情况为%发射信号频率%移动台速度，静止情况为0%电磁波速度，光速%移动台距离基站初始距离%基站距离反射墙的距离%时间%直射径信号

%反射径信号f=27e8;v=0;c=3e8;r0=3000;d=15000;t1=0:0.0000000000005:0.00000001;E1=cos(2*pi*f*((1-v/c).*t1-r0/c))./(r0+v.*t1);E2=cos(2*pi*f*((1+v/c)*t1+(r0-2*d)/c))./(2*d-r0-v*t1);subplot(2,3,3)

plot(t1,E1,t1,E2,'-g',t1,E1-E2,'-r')%axis([012-0.50.5])%画出直射径、反射径和总的接收信号subplot(2,3,6)plot(t1,E1-E2)clearallf=90;%发射信号频率v=0;%移动台速度，静止情况为0c=3e8;%移动台距离基站初始距离d=150;%基站距离反射墙的距离t1=0:0.0005:0.1;%时间E1=cos(2*pi*f*((1-v/c).*t1-r0/c))./(r0+v.*t1); %直射径信号E2=cos(2*pi*f*((1+v/c)*t1+(r0-2*d)/c))./(2*d-r0-v*t1); %反射径信号subplot(2,2,1)plot(t1,E1,t1,E2,'-g',t1,E1-E2,'-r')%画出直射径、反射径和总的接收信号legend(直射径信号','反射径信号','移动台接收的合成信号')subplot(2,2,2)plot(t1,E1-E2)clearallf=90;%发射信号频率v=300;%移动台速度，静止情况为0c=3e8;%电磁波速度，光速r0=30;%移动台距离基站初始距离d=150;%基站距离反射墙的距离t1=0:0.0005:0.1;%时间E1=cos(2*pi*f*((1-v/c).*t1-r0/c))./(r0+v.*t1); %直射径信号E2=cos(2*pi*f*((1+v/c)*t1+(r0-2*d)/c))./(2*d-r0-v*t1); %反射径信号subplot(2,2,3)plot(t1,E1,t1,E2,'-g',t1,E1-E2,'-r')%画出直射径、反射径和总的接收信号legend(直射径信号','反射径信号','移动台接收的合成信号')subplot(2,2,4)plot(t1,E1-E2)clc;closeall;clearall;A=1;f=10;decay=0.8;dt=0.01;t=0:dt:10;L=20;fdelay=2*rand(1,L);wdelay0=rand(1,L)*2*pi;x=cos(2*pi*f*t);fori=1:Lwdelay(i,:)=cos(2*pi*fdelay(i)*t);s(i,:)=decay*cos(2*pi*f*t+wdelay(i,:)+wdelay0(i));endy=sum(s)/sqrt(L);figure(1);subplot(211);plot(t,x);xlabel('t/s');ylabel('x(t)');title('单频信号时域图');axis([02-1.51.5]);subplot(212);f1=abs(fft(x,1024));plot(0:100/1024:100-100/1024,f1);xlabel('f/Hz');ylabel('H(f)');title('单频信号频域图');axis([0300500]);figure(2);subplot(211);plot(t,y);xlabel('t/s');ylabel('y(t)');title('经过20径后信号时域图');subplot(212);f2=abs(fft(y,1024));plot(0:100/1024:100-100/1024,f2);xlabel('f/Hz');ylabel('H(f)');title('经过20径后信号频域图');axis([0300500]);clc;clearall;f=-1:0.001:1;h1=0.5*exp(-j*2*pi*f*0);h2=0.707*exp(-j*2*pi*f*1);h3=0.5*exp(-j*2*pi*f*2);h=h1+h2+h3;figure(1)subplot(2,1,1);plot(f,h);title('信道幅频响应');gridon;axis([-22-0.52]);subplot(2,1,2);plot(f,angle(h)/pi);title('信道相频响应');gridon;%定义f的范围%信道的响应%定义坐标的范围clc;clearall;a=rand(1,1000)<0.5;sample=8; %每个码元的抽样点数Ts=1;dt=1/sample; %抽样时间间隔f=-2:0.01:1.99;N=100;%码元数t=0:dt:(N*sample-1)*Ts*dt;bt=0;fori=1:1000bt=bt+a(i)*((t>0+i*Ts)-(t>Ts+i*Ts));endst=0.5*bt+0.707*[zeros(1,sample),bt(1:length(t)-sample)]+0.5*[zeros(1,2*sample),bt(1:length(t)-2*sample)];figure(2)subplot(2,2,1);plot(t,bt,'LineWidth',2);title('输入信号');gridon;axis([040