基于MATLABSimulink的通信信道的仿真

1、通信工程专业通信原理课程设计题 目 数字频率计的设计学生姓名学号 1113024116所在院（系）物理与电信工程学院专业班级通信工程专业 1104班指导教师侯宝生完成地点陕西理工学院物理与电信工程学院实验室2014年3 月 14 日通信原理课程设计任务书院（系）物 电学院 专业班级学生姓名穆新伟通信原理课程设计题目基于MATLAB/Simulink的通信信道的仿真二、通信原理课程设计工作自2014年2月24日起至2014年3月14日止三、通信原理课程设计进行地点:四、通信原理课程设计的内容要求：1 根据信道中噪声的特点，可以将信道分为加性高斯白噪声（AWGN ）信道、瑞利（Rayleigh ）

2、 信道、莱斯（Rician）信道、二进制平衡信道（BSC ）等。要求对以上信道进行MATLAB/Simulink 的建模与仿真。2. 设计题目的详细建模仿真过程分析和说明，仿真的结果可以以时域波形，频谱图，星 座图，误码率与信噪比曲线的形式给出。课程设计说明书中应附仿真结果图及仿真所用到的程序 代码（MATLAB ）或仿真模型图（Simulink/SystemView）。如提交仿真模型图，需提交相应模块的 参数设置情况。3. 每人提交电子版和纸质的说明书及源程序代码或仿仿真文件。参考文献:1 邓华.MATLAB通信仿真及其应用实例详解M.人民邮电出版社.2003年2 郑智琴.Simulink电

3、子通信仿真与应用M.国防工业出版社2002年3 赵鸿图.通信原理MATLAB仿真教程M人民邮电出版社.2010年刘学勇详解MATLAB/Simulink通信系统建模与仿真M电子工业出版社.2011年 达新宇.通信原理实验与课程设计M.北京邮电大学出版社.2005年6邵玉斌.MATLAB/Simulink通信系统建模与仿真实例分析M.清华大学出版社.2008年指导教师系徽研室） 通信工程系接受论文（设计）任务开始执行日期2014年2月24日 学生签名 穆新伟摘要信道是通信系统中必不可少的组成部分，任何一个通信系统均可视为由 发送设备、信道与接收设备三大部分组成。信道通常是指以传输媒质为基础的信号

4、通 道，而信号在信道中传输遇到噪声是不可避免的，即信道允许信号通过的同时又给信 号以限制和损。因而，对信道和噪声的研究乃是研究通信问题的基础。在通信系统中， 发射端发送的数据进入传输信道(Channel),信号在信道传输过程中会受到各种各样 的噪声干扰，根据信道中其主要作用的噪声的特点，信道可以分为加性高斯白噪声 (AWGN)信道、瑞利(Rayleigh)信道、莱斯(Rician)信道、以及二进制平衡信 道(BSC)等。本次通信原理课程设计是基于MATLAB/Simulink的加性高斯白噪声 信道、瑞利信道、莱斯信道、二进制信道进行仿真设计并得出在不同信道下信噪比与 误码率的关系曲线。通过本次

5、仿真意识到现实中没有纯粹的信道，不论哪种信道都有 不可避免的噪声干扰，我们做得就是尽量减少噪声对通信质量的影响。关键词信道；高斯；瑞利；二进制；信噪比；误码率；Simulation of communication channel based on MATLAB/SimulinkAbstract The channel is an indispensable part in a communication system, a communication system can be regarded as a transmitter, channel and receiverconsists o

6、f three parts. Channel usually refers to the signal channel totransmission medium based, while the signal transmit in the channel when the noise is inevitable, namely channel that allows a signal to pass at the same timeto signal to limit and loss. Therefore, research on the channel and noise is bas

7、edon communication issues. In a communication system, the transmitter sends data into transmission channel (Channel), the signal will be subject to various kind of noise in the transmission process, according to the characteristics of noise in channel and its main functions, the channel can be divid

8、ed into additive white Gauss noise (AWGN) channel, Rayleigh, Rician channel (Rayleigh) (Rician)channel, and channel (BSC), binary equilibrium. The communication princle course design is MATLAB/Simulink added Gauss white noise channel, Rayleigh feding channel, Les, based on the binary channel simulat

9、ion design and draw on different channel signal-to-noise ratio and bit error rate curve. Through thesimulation realized no pure channel in reality, no matter which kind of channel has the inevitable noise interference, we have done is to reduce the effect of noise on communication quality as far as

10、possible.Key word Channel; Gauss; Rayleigh; binary; SNR; Error Rate;目录任务书I摘要 II弓I言21 通信信道的原理及分类32.加性高斯白噪声（AWGN）信道32.1高斯分布32. 2加性高斯白噪声52.3高斯信道（AWGN）理论及仿真设计53瑞利信道理论及仿真113.1瑞利分布理论113.2瑞利衰落理论1133瑞利衰落信道理论及仿真.124二进制平衡信道理论及仿真154.1二进制平衡信道理论154.2二进制平衡信道仿真15小结17参考文献：17通信原理课程殺针引言在实际的数字通信系统需要完成从信源到信宿的全部功能，这通常是比

11、较复杂的。 对这个系统所做的任何改动(如：改变系统的结构、改变某个参数的设置等)都可能 影响到整个系统的性能和稳定性。因此，本次通信原理课程设计是针对在设计新系统或者对原有的通信系统做出修 改或者进行相关的研究时，通常要进行建模和仿真,通过仿真结果衡量方案的可行性， 从中选择最合理的系统配置和参数设置，然后再应用于实际系统中。通过仿真，可以 提高研究开发工作的效率，发现系统中潜在的问题，优化系统整体功能。与一般的仿 真过程类似，在对通信系统实施仿真之前，首先需要研究通信系统的特性，通过归纳 和抽象建立通信系统的仿真模型。通过课程设计实现以下三个目标:第一，掌握通信信道的试验、设计方法，即根 据

12、设计要求和性能参数，查阅文献资料，收集、分析相应信道的性能，并通过仿真等 实践活动，使其达到性能指标；第二，课程设计为后续的毕业设计打好基础。毕业设 计是系统的工程设计实践，而课程设计的着眼点是让学生开始从理论学习的轨道上逐 渐引向实际运用，从已学过的定性分析、定量计算的方法，逐步掌握工程设计的步骤 和方法，了解科学实验的程序和实施方法。第三，培养学生勤于思考的习惯，增强学 生这方面的自信心及兴趣。本课程设计介绍的是数字逻辑电路中以计数器集成电路为基础的数字式秒表，以 电路的基本理论为基础，着重介绍电路的设计装调及性能参数的调试方法。本课程设 计应达到如下基本要求：(1) 综合运用通信原理课程

13、中所学的理论知识独立完成对通信信道的仿真的设 计。(2) 通过查阅手册和参考文献资料，培养分析和解决实际问题的能力。(3) 熟悉并掌握仿真设计软件MATLAB的使用。(4) 学会撰写课程设计论文。(5) 培养严肃认真的工作作风和严谨的科学态度，培养团结合作的精神。基于MATLAB/SimuUnk的通信信道的仿真设计1通信信道的原理及分类信道(information channels)是传送信息的物理性通道。可分为有线信道和无线 信道两类，本次课程设计主要研究无线信道。有线信道包括明线、对称电缆、同轴电 缆及光缆等。无线信道有地波传播、短波电离层反射、超短波或微波视距中继、人造 卫星中继以及各种

14、散射信道等。如果我们把信道的范围扩大，它还可以包括有关的变 换装置，比如：发送设备、接收设备、馈线与天线、调制器、解调器等，我们称这种 扩大的信道为广义信道，而称前者为狭义信道。信息是抽象的，但传送信息必须通过具体的媒质。例如二人对话，靠声波通过二 人间的空气来传送，因而二人间的空气部分就是信道。邮政通信的信道是指运载工具 及其经过的设施。无线电话的信道就是电波传播所通过的空间，有线电话的信道是电 缆。每条信道都有特定的信源和信宿。在多路通信，例如载波电话中，一个电话机作 为发出信息的信源，另一个是接收信息的信宿，它们之间的设施就是一条信道，这时 传输用的电缆可以为许多条信道所共用。在理论研究

15、中，一条信道往往被分成信道编 码器、信道本身和信道译码器。人们可以变更编码器、译码器以获得最佳的通信效果， 因此编码器、译码器往往是指易于变动和便于设计的部分，而信道就指那些比较固定 的部分。但这种划分或多或少是随意的，可按具体情况规定。例如调制解调器和纠错 编译码设备一般被认为是属于信道编码器、译码器的，但有时把含有调制解调器的信 道称为调制信道；含有纠错编码器、译码器的信道称为编码信道。根据信道中其主要作用的噪声的特点，信道可以分为加性高斯白噪声(AWGN)信 道、瑞利(Rayleigh)信道、莱斯(Rician)信道、突发干扰信道以及二进制平衡信 道(BSC)等。此次通信原理课程设计主要

16、针对加性高斯白噪声信道、瑞利信道、二 进制平衡信道进行系统仿真设计。2.加性高斯白噪声(AWGN)信道2.1高斯分布高斯分布又名正态分布，是一个在数学、物理及工程等领域都非常重要的概率分 布，在统计学的许多方面有着重大的影响力。若随机变量X服从一个数学期望为p、 方差为o八2的高斯分布，记为N(p , o八2)。其概率密度函数为正态分布的期望值 M决定了其位置，其标准差。决定了分布的幅度。因其曲线呈钟形，因此人们又经 常称之为钟形曲线。我们通常所说的标准正态分布是p = 0,o = 1的正态分布。若随机变量X,服从一个位置参数为p、尺度参数为o的概率分布，且其概率密度 函数为 则这个随机变量就

17、称为正态随机变量，正态随机变量服从的分布就称为正态分布，记 作，读作X服从，或X服从正态分布。当时，正态分布就成为标准正态分布图1.高斯分布（正态分布）正态分布的概率密度函数曲线呈钟形，因此人们又经常称之为钟形曲线。正态曲线呈钟型，两头低，中间高，左右对称，曲线与横轴间的面积总等于1。正态分布一种概率分布，也称“常态分布” O正态分布具有两个参数p和o J 的连续型随机变量的分布，第一参数p是服从正态分布的随机变量的均值，第二个 参数o 2是此随机变量的方差，所以正态分布记作N （p , o八2）。服从正态分布的 随机变量的概率规律为取与p邻近的值的概率大，而取离p越远的值的概率越小； O越小

18、，分布越集中在p附近，O越大，分布越分散。正态分布的密度函数的特点是：关于P对称，并在P处取最大值，在正（负） 无穷远处取值为0,在p o处有拐点，形状呈现中间高两边低，图像是一条位于X 轴上方的钟形曲线。当p =0, o 2 =1时，称为标准正态分布，记为N （0, l）o p 维随机向量具有类似的概率规律时，称此随机向量遵从多维正态分布。多元正态分布 有很好的性质，例如，多元正态分布的边缘分布仍为正态分布，它经任何线性变换得 到的随机向量仍为多维正态分布，特别它的线性组合为一元正态分布。2. 2加性高斯白噪声高斯白噪声：“白”指功率谱恒定；高斯指幅度取各种值时的概率p(x)是高斯函 数。白

19、噪声是指功率谱密度在整个频域内均匀分布的噪声，即其功率谱密度为常数。 功率谱密度恒定的话，自相关系数则是功率谱密度的反变换，高斯白噪声的自相关系 数为无延时的冲击函数，则在时间差不等于零的时候，自相关等于0,也就是不同时 间的高斯白噪声的幅度是不相关的。加性高斯白噪声AWGN(Additive White Gaussian Noise)是最基本的噪声与干 扰模型。加性噪声：叠加在信号上的一种噪声，通常记为n(t),而且无论有无信号， 噪声n(t)都是始终存在的。因此通常称它为加性噪声或者加性干扰。白噪声：噪声 的功率谱密度在所有的频率上均为一常数，则称这样的噪声为白噪声。如果白噪声取 值的概率

20、分布服从高斯分布，则称这样的噪声为高斯白噪声。2.3高斯信道(AWGN)理论及仿真设计AWGN,在通信上指的是一种通道模型(channel model),此通道模型唯一的信号 减损是来自于宽带(Bandwidth)的线性加成或是稳定谱密度(以每赫兹瓦特的带宽 表示)与高斯分布振幅的白噪声。AWGN从统计上而言是随机无线噪声，其特点是其 通信信道上的信号分布在很宽的频带范围内。在谓高斯信道下，信道的信息通过能力与信道的通过频带宽度、信道的工作时间、 信道的噪声功率密度(或信道中的信号功率与噪声功率之比)有关：频带越宽，工作 时间越长，信号与噪声功率比越大，则信道的通过能力越强。基于MATLAB/

21、Simulink的加性高斯白噪声信道仿真设计AMPS是由AT&T Bell实验室开发的最早的移动通信系统，它采用二进制频移键 控(BFSK)对信号进行调制，在AMPS中，信道的带宽为30kHz,话音信道的频率间 隔为24kHz,控制信道的频率间隔为16kHz,信道的传输速率为10kb/so本次仿真讲 结合BFSK完成对高斯信道的设计。设计一个通信信道需要三个模块：信源模块(Source).信宿模块(Slink)、信 道模块(Channel)。(1)信源模块(Source)Random IntegerRandom Integer GeneratorDdata2-FSKQJsignalM-FSKM

22、odulatorBaseband图1.信源模块上图可以看到信源模块（Source）由Random Integer Cenerator （随机整数产 生器）、M-FSK Modulator Baseband （BFSK基带调制器）构成。信源产生数据的速率 为1 Okb/s,每帧的周期为Is,因此，一帧的长度等于lOOOObito它们的参数分别如 下表：表 1. Random Integer Cenerator 参数设置参数名称参数设置模块类型Random Integer CeneratoM-ary number （状态数）2Initial Seed （初始化种子）37（默认）Sample tim

23、e （釆样时间）1/BitRateFrame-based outputs （不定位输出）CheckedSamples per frame （每帧的釆样数）BitRate表 2. M-FSK Modulator Basedand 参数设置参数名称参数值模块类型M-FSK Modulator BasedandM-ary number （状态数）2Input type （输入类型）BitSymbol set ordering （符号设置）BinaryFrequency separation （频率间隔）FrequencySeparationPhase continuity（相位的连续性）Contin

24、uousSamples per symbol （样品每符号）SamplesPerSymbol（2）信道模块AWGNAWGNChannel图2信道模块（Channel）在本次对加性高斯白噪声信道的仿真中，信道模块（Channel）是一个AWGNChannel （加性高斯白噪声产生器），它将噪声叠加到信源模块产生的BFSK调制信号 中，AWGN Channel （加性高斯白噪声产生器）参数设置如下表：表3. AWGN Channel （加性高斯白噪声产生器）参数设置参数名称参数值模块类型AWGN ChannelInitial Seed （初始化种子）67Mode （模式）Signal to noi

25、se ratio(SNR)SNR (dB)SNRInput signal power(watts)1（3）信宿模块MFSKCalculationDemodulatorBaseband图4信宿模块（Slink）如图4所示，在信宿模块中，M-FSK Demdulator Baseband （BFSK基带解调器） 对接收信号进行解调，然后通过Error Rate Calculation （误码率计算器）计算该 帧的误码率，误码率计算器产生的数据是一个三维向量，分别表示误码率、误码个数 及信号总数。因此，通过一个Selector （选择器）选择向量的第一个元素作为输出 信号。这个输出信号进入To Wo

26、rkspace （工作区）模块，并且保存为变量ErrorRate0 该模块中的各个部分的参数设置如下：7通信原理課程後针表 4. M-FSK Demdulator Baseband 的参数设置参数名称参数值模块类型M-FSK Demdulator BasebandM-ary number2Input typeBitSymbol set orderingBinaryFrequency separation (Hz)FrequencySeparationSamples per symbolSamplesPerSymbol表 5. Error Rate Calculation 参数设置参数名称参数值

27、模块类型Error Rate CalculationReceive delay0Computation delay0Computation modeEntire frameOutput dataPortReset portCheckedStop simulinkUnchecked表6. Selector参数设置参数名称参数值模块类型SelectorNumber of input dimensions1Index modeOne-basedIndex optionIndex vector (dialog)Index1Input port size3表7. To Workspace参数设置参数名称

28、参数值模块类型To WorkspaceVariable nameErrorRateLimit data points to lastInfDecimation1Samples time-1Save formatArray8通信原理课程殺针参数设置完成后将运行参数 SimulationSimulation ParamentersStop Time 设置为SimulationTimeo本次仿真需要运行多次才能得到高斯信道的信噪比与信号 误码率之间的关系，为此需编写如下的脚本程序：%x表示信噪比x=-15： 40;%BFSK调制的频率间隔等于24kHzFrequencySeparation=2400

29、;%信源产生信号的比特率等于10kb/sBitRate=10000;%仿真时间设置为10sSimulationTime=10;%BFSK调制信号每个符号的抽样数等于2SamplesPerSymbol=2;for i=l： length (x)%信道的信噪比依次取x中的元素SNR=x (i);%运行仿真程序，得到的误码率保存在工作区变量ErrorRate中sim (gaosixindao);%计算ErrorRate的均值作为本次仿真的误码率y (i) =mean (ErrorRate);end%绘制x和y的对数关系图semi logy (x,y) ;grid on;titleC高斯白噪声信道下信

30、号信噪比与误码率的曲线关系)；xlabelC 信噪比(dB);ylabelC 误码率基于MATLAB/Simulink的加性高斯白噪声信道的仿真总体框图、脚本程序、关系 图如下：图5仿真总体框图:(gaosixindaojn 乂 1 _x=-15:40:2 -FrequencySeparation=2400;：3 -BitRate=10000;4 -Simulat ion!ime=10;5 -SajnplesPerSymbol=2:6 - 1：3for i=l:length(x)7 -SNR=x(i);8 sim(7 gaosixindao* ):9 v(i)=mean(ErrorRate):

31、10 一end11 -semilogy(x,y):grid on;12 一titleC高斯白噪声信道下逞码車与信噪比曲线）：13 一xlabelC 信噪比(dBi*);14 一ylabel C误码帶）：图6脚本程序图图7.信噪比与误码率的关系图3.瑞利信道理论及仿真3.1瑞利分布理论瑞利分布（Rayleigh Distribution）:当一个随机二维向量的两个分量呈独立的、 有着相同的方差的正态分布时，这个向量的模呈瑞利分布。一个均值为0,方差为的 平稳窄带高斯过程，其包络的一维分布是瑞利分布。其表达式及概率密度如图所示。 分布是最常见的用于描述平坦衰落信号接收包络或独立多径分量接受包络统计

32、时变 特性的一种分布类型。两个正交高斯噪声信号之和的包络服从瑞利分布。3.2瑞利衰落理论在无线通信信道环境中，电磁波经过反射折射散射等多条路径传播到达接收机后, 总信号的强度服从瑞利分布。同时由于接收机的移动及其他原因，信号强度和相位 等特性又在起伏变化，故称为瑞利衰落。如果收到的信号中除了经反射折射散射等来的信号外，还有从发射机直接到达接 收机（如从卫星直接到达地面接收机）的信号，那么总信号的强度服从莱斯分布， 故称为莱斯衰落。一般来说，多路信号到达接收机的时间有先有后，即有相对时（间）延（迟）。如 果这些相对时延远小于一个符号的时间，则可以认为多路信号几乎是同时到达接收机 的。这种情况下多

33、径不会造成符号间的干扰。这种衰落称为平坦衰落，因为这种信 道的频率响应在所用的频段内是平坦的。相反地，如果多路信号的相对时延与一个符号的时间相比不可忽略，那么当多 路信号迭加时，不同时间的符号就会重叠在一起，造成符号间的干扰。这种衰落称 为频率选择性衰落，因为这种信道的频率响应在所用的频段内是不平坦的。至于快衰落和慢衰落，通常指的是信号相对于一个符号时间而言的变化的快慢。 粗略地说，如果在一个符号的时间里，变化不大，则认为是慢衰落。反之，如果在 一个符号的时间里，有明显变化，则认为是快衰落。理论上对何为快何为慢有严格的 数学定义。瑞利衰落能有效描述存在能够大量散射无线电信号的障碍物的无线传播环

34、境。若 传播环境中存在足够多的散射，则冲激信号到达接收机后表现为大量统计独立的随机 变量的叠加，根据中心极限定理，则这一无线信道的冲激响应将是一个高斯过程。如 果这一散射信道中不存在主要的信号分量，通常这一条件是指不存在直射信号（LoS）, 则这一过程的均值为0,且相位服从0到2tt的均匀分布。即，信道响应的能量或包 络服从瑞利分布。若信道中存在一主要分量，例如直射信号(LoS),则信道响应的包 络服从莱斯分布，对应的信道模型为莱斯衰落信道。通常将信道增益以等效基带信号表示，即用一复数表示信道的幅度和相位特性。 由此瑞利衰落即可由这一复数表示，它的实部和虚部服从于零均值的独立同分布高斯 过程。

35、3.3瑞利衰落信道理论及仿真瑞利衰落模型适用于描述建筑物密集的城镇中心地带的无线信道。密集的建筑和 其他物体使得无线设备的发射机和接收机之间没有直射路径，而且使得无线信号被衰 减、反射、折射、衍射。在曼哈顿的实验证明，当地的无线信道环境确实接近于瑞利 衰落。通过电离层和对流层反射的无线电信道也可以用瑞利衰落来描述，因为大气中 存在的各种粒子能够将无线信号大量散射。瑞利衰落属于小尺度的衰落效应，它总是叠加于如阴影、衰减等大尺度衰落效应 上。信道衰落的快慢与发射端和接收端的相对运动速度的大小有关。相对运动导致接 收信号的多普勒频移。图中所示即为一固定信号通过单径的瑞利衰落信道后，在1 秒内的能量波

36、动，这一瑞利衰落信道的多普勒频移最大分别为10Hz和100Hz,在 GSM1800MHZ的载波频率上，其相应的移动速度分别为约6千米每小时和60千米每小 时。特别需要注意的是信号的“深衰落”现象，此时信号能量的衰减达到数千倍，即 3040分贝。本次对瑞利衰落信道的仿真只是通过脚本程序而没有运用Simulink,脚本程序 如下fc 二900*10飞；wc=2*pi*fc;vl=30*1000/3600;c=300*l(T6;wm二wc*(v 1/c);fm二wm/ (2*pi);N=128*100;deltaf=2*fm/(Nl);T=l/deltaf;sf0=l5/(pi*fm);for n=

37、l:(N-2)/2sf (n)=l. 5/(pi*fm*sqrt (1-(n*deltaf/fm) 2);end13【IpijS ：(i” i jj qSupj oy ( xojdd jj oSupje) =0dI (? -qSupj-) dxo* (g -q/03upj) =jej I (q) urns*d茁s) /q二xo工dde jej !d) q.siq=qI : d8=s: o二酋uei ! i ()二d茁s :(Sw 7 Nssnp另*10*1 Nssnp另)*g -q) jbs=j (g)ajnSijI (qp qSiajXpj) q.ojd :(乙)X阳叮I (duip qSi

38、0jXj)Qj3oj*0乙二qp qBiajXpj ：(7 (A)sqp+z (x) sqp)鼻工bs二duip qSiajXpj :(ZNSsrw* (joisspp) gbs) jji=X :(INssnp* (joisspp) bs) jjt=x I gsocfjjssnS p (gSau jqssnpS) Jjdijj=giqssnp3 ! (gsocffqssnS)uoo=乙洽eu jqssnpS I guit Nssnp*!+?8J Nssrm月二7sodNssn0洽 :G/(Z-N) I)upuz 二典！ Nssn曲 ：G/(Z-N) I)upuz 二洋MNssn曲 I jso(TQSsnp3 (jSau ssnS) jjciijj =jjssn3 ! (jsocffqssnS)uoo=月eu jqssnpS I juit NssnE*!+9J jqssnp3=jsod_(qssnp3 ：(Z/G-N) I)upuz 二UI! Nssn曲 ：(Z/G-N) I)upuz二pjTNssn曲I (joisspp) =0d :(T)nSij :js OJs(Js)JTdITJ=JIsspT通信原理课程殺针18图94 二进制平衡信道理论及仿真4.1进制平衡信道理论二进制平衡信道(B