多径时变信道模型的仿真与性能分析

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1、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真训练课程设计题 目：多径时变信道模型的仿真与性能分析 专业班级：通信工程一班姓 名：学 号：指导教师：成 绩：摘要本次课程设计是对多径时变信道模型的仿真与性能分析，多径信道是指信道的路径不止 一条，接收端同时收到來自多条传输路径的信号，其中接收信号包络一般服从儿种典型分布, 如瑞利分布、莱斯分布等。在本次设计中，专门针对服从瑞利分布的多径信道进行模拟仿真, 信号经多径时变信道后，会产生衰落，其中衰落快慢取决于信道随时间变化的快慢。本次课 设主要是观察单频信号和数字信号经多径信道后接收信号的时域波形及频谱变化。关键词：多径；时变信

2、道；衰落；瑞利分布目录一多径时变信道的基本原理11.1多径传播简介11.2多径时变信道基本模型11.3瑞利分布简介21.4产生服从瑞利分布的路径衰落21.5产生多径延时3二仿真框图42.1多径信道的仿真框图42.2多径信道的仿真简介4三仿真结果及结论分析53.1多径信道对单频信号的影响53.2多径信道对数字信号的影响63. 3结论分析10总结11参考文献12附录14致谢18一多径时变信道的基本原理1.1多径传播简介无线电波是一种电磁波，其传播的主要方式是空间波，即直射波、反射波、折射波、绕 射波以及它们的合成波。当无线电波遇到物体时，产生反射、折射和散射，而在电波传播的 过程中会遇到不同的物体

3、，因而会产生不同的发射、折射和散射，所以在任何一个接受点上 均可能收到來自不同路径的同源电磁波，这就是多径传播。接收端接收到的信号是直达波和 多个反射波的合成。由于大气折射是随时间变化的，传播路径差也会随时间和地形地物而变 化。那么多径信号如果同相，则相加；如果反相，则抵消。由此造成接收端接收信号幅度的 变化即为衰落。1.2多径时变信道基本模型根据ITU-RM. 1125标准，离散多径时变信道模型为N(/)(1-1) 其中，4(0复路径衰落，服从瑞利分布；耳是多径时延。多径时变信道模型框图如图1-11.3瑞利分布简介（1）环境条件：通常在离基站较远、反射物较多的地区，发射机和接收机之间没有直射

4、波路径，存在大 量反射波；到达接收天线的方向角随机且在（0、2兀）均匀分布；各反射波的幅度和相位都统 计独立。（2）幅度、相位的分布特性：包络r服从瑞利分布，0在02兀内服从均匀分布。瑞利分布的概率分布密度如图1-2所示：图1-2瑞利分布的概率分布密度1.4产生服从瑞利分布的路径衰落利用窄带高斯过程的特性，其振幅服从瑞利分布，即W）=厶3+斤3（ 1-2）上式中，）、“（分别为窄带高斯过程的同相和正交支路的基带信号。首先产生独立的复高斯噪声的样本，并经过FFT后形成频域的样本，然后与S （f）开方 后的值相乘，以获得满足多普勒频谱特性要求的信号，经IFFT后变换成时域波形，再经过平 方，将两路

5、的信号相加并进行开方运算后，形成瑞利衰落的信号r（t）o如下图1-2所示：/h / / /-论3 Oa +f*独立的复高斯样本Q、ifftv 号()2卩/sqrt(S(f)pEA 金A /N7 iffti图1-2瑞利衰落的产生示意图其中,SO-J (1-3)1.5产生多径延时多径延时参数如表1-1所示:表1-1多径延时参数路径相对时延(ns)平均功率(dB)1002310-1.03710-9.041 090-10.051 730-15.062 510-20.0二仿真框图2.1多径信道的仿真框图根据多径衰落信道模型（见图1-1）,利用瑞利分布的路径衰落r（t）（见图1-3）和多径延时参数耳（见表

6、1-1）,我们可以得到多径信道的仿真框图，如图2-1所示：输入信号*,sl(t)*-1图2-1多径信道的仿真框图2.2多径信道的仿真简介多径信道是指信道的路径不止一条，接收端同时收到來自多条传输路径的信号，本次多 径信道主要简要介绍了多径时变信道的基本概念、特点、分类及理论知识，并推导了典型的衰 落信道的基础上，针对无线信道中信号传输环境的复杂性和随机性，结合MATLAB软件运用数 字信号处理方法仿真分析了无线信道中信号受多径干扰的情况，并与理想信道下信号的传输 情况进行对比。最终得出结论：无线信道中多径衰落会对信号造成很大的影响，对衰落信道 的仿真至关重要。三仿真结果及结论分析3.1多径信道

7、对单频信号的影响设一个幅度为1,频率为10Hz的单频信号经过6条路径传输得到的波形及频谱，这6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，变化的频率从0 2Hz随机均匀抽取。用mat lab进行时域和频域的对比分析。其仿真代码见附录1,仿真 结果如图3-1和3-2所示：单频信号图3-1原始信号和经过多径信道接收信号的时域图单频信号频谱800600-O400-200-020406080100120140160180200图3-2原始信号和经过多径信道接收信号的频谱图由时域波形图可知，单频信号经过多径信道后，接收信号的包络随时间随机起伏；由频 谱图看出，单频信号的频谱为

8、两个冲击，而多径传输后频谱变为一个窄带频谱。在多径传播的随参信道中，衰耗是恒定的，然而时延是随机变化的，因此接收到的信号 便是各路径时延随时间变化的各路径的合成。因为随机时延的存在，导致了包络的起伏，同 时时延误差导致了频率上出现一系列频率间隔，形成如上的频谱图。3.2多径信道对数字信号的影响6设有一 6径传输的信道s(f)= %./?(/-耳)冃(3-1)其参数如下:“产0. 5, 0. 707, 0. 5, 0. 707, 0. 5, 0. 707; (i=l, 2, 3, 4, 5, 6)升的值见表l-lt5o用mat lab画出信道的幅频响应和相频响应如图3-3所示：幅频特性00.20

9、.40.60.811.21.41.61.82图3-3幅频和相频特性从图3-3可以得出，因为采用的是多径信道对信号进行传输，所以信道的幅频特性不为 常数，对一些频率的信号成分衰减比较大，对一些频率的信号衰减比较小，即会对输入的信 号产生了一定的影响，也就是说信道具有频率选择性。设信道输入信号为的）=工以（/-口）,其中g屮穿V, 71 （3-2）画输出信号nI V, CISC波形。同相的输入信号，改变7；后画出波形并比较。输入信号输出信号图3-4 Ts二1时的输入信号和输出信号的时域图输入信号的幅度谱输出信号的幅度谱图3-5 Ts=l时的输入信号和输出信号的频谱图输入信号输出信号图3-6 Ts二

10、8时的输入信号和输出信号的时域图输入信号的幅度谱输出信号的幅度谱图3-7 Ts二8时的输入信号和输出信号的频谱图3. 3结论分析单频信号经过多径信道后，接收信号的包络随时间随机起伏；由频谱图看出，单频信号 的频谱为两个冲击，而多径传输后频谱变为一个窄带频谱。主要原因是在多径传播的随参信 道中，会产生频率弥散，衰耗是恒定的，然而时延是随机变化的，因此接收到的信号便是各 路径时延随时间变化的各路径的合成。因为随机时延的存在，导致了包络的起伏，同时时延 误差导致了频率上出现一系列频率间隔。随着码元间隔Ts的增大，输出信号波形与输入信号波形越接近。因为信道幅频特性不理 想，会造成输入信号失真，针对数字

11、信号主要体现为码间干扰。由于各径时延差不同，通过 各路径的信号衰减不同，信号经过多径后形成码间干扰。当信号的码元间隔Ts远大于多径间 的最大时延差（冬二2）时，信号经过多径后所产生的码间干扰不明显。总结本次课程设计是对多径时变信道模型的仿真与性能分析，多径信道是指信道的路径不止 一条，接收端同时收到來自多条传输路径的信号，其中接收信号包络一般服从儿种典型分布, 如瑞利分布、莱斯分布分布。在本次设计中，专门针对服从瑞利分布的多径信道进行模拟仿 真，信号经多径时变信道后，会产生衰落，其中衰落快慢取决于信道随时间变化的快慢。本 次课设主要是观察单频信号和数字信号经多径信道后接收信号的时域波形及频谱变

12、化。单频信号经过多径信道后，接收信号的包络随时间随机起伏，单频信号的频谱为两个冲 击，而多径传输后频谱变为一个窄带频谱。主要原因是在多径传播的随参信道中，衰耗是恒 定的，然而时延是随机变化的，因此接收到的信号便是各路径时延随时间变化的各路径的合 成。因为随机时延的存在，导致了包络的起伏，同时时延误差导致了频率上出现一系列频率 间隔。数字信号随着码元间隔的增大，输出信号波形与输入信号波形越接近。因为信道幅频特 性不理想，会造成输入信号失真，针对数字信号主要体现为码间干扰。由于各径时延差不同, 通过各路径的信号衰减不同，信号经过多径后形成码间干扰。当信号的码元间隔远大于多径 间的最大时延差时，信号

13、经过多径后所产生的码间干扰不明显。参考文献1 郭正义，范瑜，徐惠钢.现代无线通信技术北京：高等教育出版社，2006:5-182 樊昌信，曹丽娜.通信原理（第六版）.北京：国防工业出版社,2008： 65-833 孙祥，徐流美，吴清.MATLAB 7. 0基础教程.北京：清华大学出版社,2004:52-604 李建新.现代通信系统分析与仿真-MATLAB通信工具箱.西安：西安电子科技人学出版社，2000： 101-1245 唐向宏，岳恒立，邓雪峰.MATLAB及在电子信息类课程中的应用.北京：电子工业出版社,2006:113-121附录附录1:%单频信号的仿真程序f0=10;aO=l;m=6;a

14、l=0.9;% 初值t=0:0.001:2;r=rand(l,10)*2;%时延的随机抽取 si=aO*cos(2*pi*fO*t);% 单频信号 s=0;for i=l:mtao=abs(sin(2*pi*r(i)*t);sO=al*cos(2*pi*fO*(t-tao);s=s+sO;end%接收信号s=sum(s);sOf=fft(si);sf=fft(s);%傅里叶变换figure(l)subplot(2,l,l)plot(tzsi);xlabelCf);ylabel(si)；title?单频信号，);单频输入信号时域波形subplot(2,lz2)plot(tzs);xlabelCf

15、);ylabelfs)；title?多径信道接收信号J;%接收信号时域波形figure(2)subplot(2,l,l)plot(abs(sOf);axis(O 200 0 800);xlabelCf);ylabelCsOf);title/单频信号频谱J;%单频信号频谱subplot(2,l,2)plot(absfsf);xlabelCf);axis(0 200 0 800);ylabelCsf);title/多径信道后信号频谱J;%多径传输后接受频谱附录2%数字信号仿真程序f=-2:0.01:2;hl=0.5*exp(-j*2*pi*f*0);h2=0.707*exp(-j*2*pi*f*l

16、);h3=0.5*exp(-j*2*pi*f*2);h4=0.5*exp(-j*2*pi*f*3);h5=0.707*exp(-j*2*pi*f*4);h6=0.5*exp(-j*2*pi*f*5);h=hl+h2+h3+h4+h5+h6;subplot(2,l,l)；plot(f,h);titleC幅频特性);grid on;axis(0 2-0.5 4);subplot(2,l/2);plot(f,angle(h)/pi);axis(0 21);grid on;title。相频特性);TS=1;clc；clear all;a = rand(l,1000)O+i*Ts)-(tTs+i*Ts)

17、;endst=0.5*bt+0.707*zeros(l/sample),bt(l:length(t)-sample)+0.5*zeros(l/2*sample),bt(l:le ngth(t)-2*sample);figure(l);subplot(2,l,l)；plot(t，bt,LineWidth：2);title。输入信号)；grid on;axis(0 40 -0.5 1.5);subplot(2,l,2);plot(t，st,LineWidth：2);title。输出信号J;grid on;axis(0 40 -0.5 2);SFl=abs(fft(bt,1024);figure(2

18、);subplot(2,l,l)；plot(SF”10,LineWidth：2); axis(O 2000 60);title(输入信号的幅度谱J; grid on;subplot(2/l/2);SF2=abs(fft(st,1024); plot(SF”l(VLin eWidth2); axis(0 2000 60);title/输出信号的幅度谱J; grid on;致谢本次设计是在蔺老师的悉心指导下完成的，在整个课程设计的完成过程中，蔺老师给予 了精心的指导，每一个环节都注入了导师大量的心血。导师严谨的治学态度、大公无私的品 徳和为科学献身的精神都是我学习的榜样，尤其是她的认真塌实、实事求是、精益求精、刻 苦耐劳的工作作风使我获益良多。学生在老师身上学到的东西不仅仅是科学知识，更多的是 学到了研究的方法及做人的道理，使我终生难忘，在此向导师致以崇高的敬意和衷心的感谢!