四川大學(xué)現(xiàn)代電子技術(shù)實驗 非理想信道m(xù)atlab仿真實驗

1、四川大學(xué)電子信息專業(yè)實驗報告課 程 現(xiàn)代電子技術(shù)專業(yè)實驗實驗課題 非理想信道傳輸實驗 組員姓名 電子信息學(xué)院 實驗六 非理想信道傳輸實驗一、 實驗?zāi)康?、 仿真非理想信道傳輸時的數(shù)據(jù)傳輸過程2、 仿真并說明非理想信道中各個參數(shù)的影響二、實驗內(nèi)容1. 未設(shè)置任何參數(shù)時程序的分析：未設(shè)置任何參數(shù)時（即默認(rèn)參數(shù)：除了輸入信道噪聲增益為0.5外，其余影響均為0），實驗的運行結(jié)果：從第一幅圖可以看出，輸入的數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼之后產(chǎn)生的基帶信號的頻譜集中在零頻附近。第二幅圖是信道傳輸?shù)男盘柦?jīng)過低通濾波之后的波形第三幅圖是經(jīng)過卷積濾波之后的波形，第四幅圖是抽樣后的信號的波形。實驗的流程為：1) 發(fā)送器：產(chǎn)生原始信

2、號sendmesage,并用4個范圍為-1,+1，-3，+3的數(shù)編碼每個字符，得到編碼信息m。加入定時偏移so，使用漢明窗產(chǎn)生原始基帶信號mup。之后使用載頻為20的fc對基帶信號進行調(diào)制，生成發(fā)送信號r；2) 信道：設(shè)置并加入多徑干擾，得到信號dv，使用高斯噪聲對信號加噪，得到加噪信號nv，設(shè)置發(fā)送信號延時toper，得到信號rnv。3) 接收器：設(shè)置輸入采樣延時，生成混頻信號，并與信號rnv相乘，通過一個低通濾波器之后得到信號x3，通過卷積濾波之后得到信號y，對y進行采樣得到信號z，對z進行量化之后得到輸出信號mprime，之后對其進行解碼之后得到輸出信號reconstructed_mes

3、sage。三、實驗問題解答1. 根據(jù)程序說明每一個設(shè)置參數(shù)所代表的物理意義。輸入?yún)?shù)共6個：信道噪聲增益cng、多徑干擾cdi、發(fā)射頻偏fo、發(fā)射機的相位頻偏po、輸入采樣延遲toper和接收機符號的定時偏移。1) 信道噪聲增益cng（默認(rèn)值0.5）：nv=dv+cng*(randn(size(dv); 其中，dv是加入多徑干擾后的信號,randn(size(dv)產(chǎn)生一個與dv大小一致的一個噪聲數(shù)組，nv為輸出的加噪信號。cng的物理意義是信號中噪聲的最大值。2) 多徑干擾cdi（默認(rèn)值0）：if cdi < 0.5, mc=1 0 0; elseif cdi<1.5, mc=1

4、 zeros(1,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);多徑指無線電信號從發(fā)射天線經(jīng)過多個路徑抵達接收天線的傳播現(xiàn)象。該程序中，設(shè)置了3個級別：一個是無多徑干擾，一個是中等多徑干擾，一個是嚴(yán)重的多徑干擾。設(shè)置的依據(jù)是將信號經(jīng)過不同程度的延時，再將不同的信號疊加得到最終的接收信號。3) 發(fā)射頻偏fo（默認(rèn)值0）及發(fā)射機的相位頻偏po（默認(rèn)值0）：c=cos(2*pi*(fc*(1+0.01*f

5、o)*t+po);fc是載波頻率，c是載波。fc的改變會導(dǎo)致載波的頻率變化，po的變化會導(dǎo)致載波的初始相位的變化。4) 輸入采樣延遲toper（默認(rèn)值0）：to=floor(0.01*toper*M); rnv=nv(1+to:end); rt=(1+to)/M:1/M:length(nv)/M;toper是一個符號周期的延時百分比，nv是加噪之后的信號，rnv是經(jīng)過延時后得到的信號。toper的意義是在采樣之前加入延時，也就意味著輸入信號的一部分會因為采樣延時的緣故而丟失。5) 接收機符號的定時偏移so（默認(rèn)值0）：M=100-so; mup=zeros(1,N*M); mup(1:M:en

6、d)=m;m為編碼信號，mup為基帶信號，接收機的符號誤差的定時頻偏的意義是發(fā)送和接收之間存在著固定時間的符號錯位，會導(dǎo)致類似于載波頻偏的現(xiàn)象。2. 改變噪聲增益，觀察噪聲對信號的影響，分析噪聲增益超過多大時誤碼率明顯上升，原因是什么？修改源程序，設(shè)置出信道噪聲增益以外的其他值為默認(rèn)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&#

7、39;);ylabel('誤碼率百分比%');運行結(jié)果：當(dāng)設(shè)置ratio=100時（即cng范圍為010）：當(dāng)設(shè)置噪聲增益超過2時，誤碼率明顯上升。因為碼元數(shù)據(jù)是由-3,-1,1,3這個數(shù)組組成的，相鄰差值為2，當(dāng)噪聲增益超過2時，每個碼元都有可能被噪聲影響變成不同的碼元，在解碼時，這種誤差一旦產(chǎn)生，只能通過相鄰碼元之間的聯(lián)系來消除。但每個碼元都有錯誤的可能，因此這種消除的方法并不能完全消除誤碼。當(dāng)增益小于1時，無論哪個碼元受到了噪聲的影響，都不可能與另外的碼元有交集，因此不可能有誤碼。當(dāng)增益大于1時，通過進一步的仿真實驗可以看出，最先的誤碼在增益為1.25左右。3. 分析第

8、2 個圖和第 3 個圖的異同，解析其中的原因？ 左邊為第二幅圖，右邊為第三幅圖，生成這兩幅圖的代碼為：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，左圖是由x3的數(shù)據(jù)生成的曲線

9、圖，右圖是由y的數(shù)據(jù)生成的曲線圖。x3是接收機處經(jīng)過低通濾波之后的信號，y是x3經(jīng)過卷積濾波之后 的信號。繪制時，將信號先截斷，然后分段顯示，便于觀察。經(jīng)過低通濾波之后的x3的曲線圖在的每條曲線均不是很光滑，存在的高頻分量較多。空間卷積濾波相當(dāng)于頻域的乘積，相當(dāng)于在頻域做低通濾波。使用下列式子可以觀察x3和y在頻譜上的區(qū)別：plotspec(x3,1/25200)figureplotspec(y,1/25200)繪制結(jié)果如下圖：可以明顯看到，經(jīng)過頻域濾波之后，頻譜中的高頻分量被濾除。y中低頻分量少，所以圖像顯得更為光滑。4. 分析三種多徑干擾的異同和帶來的影響。設(shè)置多徑干擾cdi為1時，報錯：

10、更改源程序中4652行如下：if cdi < 0.5, mc=1 0 0; elseif cdi<1.5, mc=1 zeros(1,M) 0.28 zeros(1, floor(2.3*M) 0.11; else mc=1 zeros(1,M) 0.28 zeros(1, floor(1.8*M) 0.44; end1) 設(shè)置多徑干擾為0,其余參數(shù)保持默認(rèn)，得到如下運行結(jié)果：cluster_variance =0.0137 percentage_symbol_errors =02) 設(shè)置多徑干擾為1，其余參數(shù)保持默認(rèn)，得到如下運行結(jié)果：cluster_variance =0.06

11、60percentage_symbol_errors =03) 設(shè)置多徑干擾為1，其余參數(shù)保持默認(rèn)，得到如下運行結(jié)果：cluster_variance =0.3233percentage_symbol_errors =13.9442設(shè)置多徑干擾的程序為： mc=mc/(sqrt(mc*mc');dv=filter(mc,1,r);可以看出，設(shè)置多徑干擾都是通過設(shè)置濾波器參數(shù)，對原始信號進行過濾，產(chǎn)生對原始信號進行不同程度的延時，并將延時信號與原始信號相疊加而形成的。隨著多徑干擾程度的加重，集群方差和符號誤差也在隨之上升。而最終的抽樣序列的圖表中可以看到，隨著多徑干擾的增加，原本集中在-

12、3,-1,1,3的抽樣點開始擴散，到多徑干擾為2時，已經(jīng)不能分辨出不同抽樣點間的區(qū)別，誤碼率也上升到13.9%。5. 利用通信原理的知識分析相位誤差對接收信號的影響，取相位偏移分別為 0.7 和𝜋/2，觀察誤碼率的變化。1) 其他參數(shù)保持默認(rèn)，設(shè)置相位偏移為0.7：cluster_variance = 0.2743percentage_symbol_errors = 0.3984sendmesage =123 Communication test for non-ideal channel, lalala 4567890reconstructed_message =123 Co

13、mmunication tesd for non-ideal channel, lalala 4567892) 其他參數(shù)保持默認(rèn)，設(shè)置相位偏移為𝜋/2：cluster_variance = 0.8385percentage_symbol_errors = 74.1036sendmesage =123 Communication test for non-ideal channel, lalala 4567890reconstructed_message =YYUªf¥Ufj©fZfVfU©©VfVUi©ª&#

14、166;Uªi¥jYU¦fVfZªª¦UªU¥3) 其他參數(shù)保持不變，設(shè)置相位偏移從0 𝜋/2變化，得到誤碼率的曲線圖：可以看到，在相位誤差超過pi/4（約為0.79）時，誤碼率急劇上升設(shè)phi為相位偏移，m(t)為基帶信號，cos(wt+phi)為發(fā)射載頻，cos(wt)為接收載頻?？梢缘玫桨l(fā)射信號f(t)的表達式：f(t)=m(t)*cos(wt+phi)忽略信道的影響，接收端先將發(fā)射信號與接收載頻相乘，即：y(t)=f(t)*cos(wt)=m(t)*cos(wt+phi)*cos(wt)=m

15、(t)*cos(wt)*cos(wt)*cos(phi)-m(t)*sin(wt)*cos(wt)*sin(phi)=1/2*m(t)*cos(phi)+1/2*cos(2wt)-1/2*m(t)*sin(2wt)*sin(phi)經(jīng)過低通濾波之后： y2t=1/2*m(t)*cos(phi)當(dāng)phi>pi/4時，接收信號抽樣后的幅度相比于發(fā)射信號的幅度有了較大衰減，如讓phi=pi/2時，抽樣序列的峰峰值才為0.6左右，與正常的峰峰值8有了很大的差距。也就是，當(dāng)相位從0到pi/2時，接收時的抽樣信號會隨著相位的增加而減少，導(dǎo)致在判決時絕對值大的信號很有可能被判決為絕對值稍小的信號，絕對

16、值稍小的信號受到的影響較小，碼元有-3,-1,1,3,絕對值有 1、3，當(dāng)出現(xiàn)相位偏移時，絕對值為3的被判決為絕對值為1的碼元，因此其誤碼率約為50%，也就是圖中較為平坦的部分，抽樣信號圖像向y=0處壓縮。6. 利用通信原理的知識分析頻偏對接收信號的影響，使用參數(shù)為 0.01%的頻偏，根據(jù)圖和輸出解碼結(jié)果分析其原因。其他參數(shù)默認(rèn)，設(shè)置頻偏為0.01%，程序運行結(jié)果為：figure2,3為低通濾波和卷積濾波之后的信號波形figure4為最后抽樣的波形cluster_variance = 0.2461percentage_symbol_errors = 60.5578sendmesage =123

17、 Communication test for non-ideal channel, lalala 4567890reconstructed_message =123 Communicatioj%eefeefjfejjZYVªZÚßËÊÉÈÇÆ從figure4和解碼出來的數(shù)據(jù)可以看出，頻率偏移即使只有0.01%的時候，誤碼率也會達到61%。由通信原理的知識可得：設(shè)dt為頻率偏移，m(t)為基帶信號，cos(wt+dt)為發(fā)射載頻，cos(wt)為接收載頻?？梢缘玫桨l(fā)射信號f(t)的表達式：f(t)=m(t

18、)*cos(wt+dt)忽略信道的影響，接收端先將發(fā)射信號與接收載頻相乘，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)經(jīng)過低通濾波之后： y2t=1/2*m(t)*cos(dt)頻率偏移對接收到的波形沒有太大的影響，主要影響抽樣判決的過程，導(dǎo)致抽樣判決持續(xù)出錯。在接收的前期，數(shù)據(jù)還能正常接收，之后的數(shù)據(jù)則完全不能正常接收，這是因

19、為頻率的偏移會導(dǎo)致發(fā)送端和接收端的相位會一直有很小的偏差，這種偏差會一直累積，導(dǎo)致接收到的數(shù)據(jù)的幅度和正負都會發(fā)生變化，接收端在t較大時已經(jīng)完全無法從原始信號中正常抽取數(shù)據(jù)。分析抽取到的數(shù)據(jù)的幅度可得，數(shù)據(jù)的幅度值先逐漸變小，再逐漸變大，但在逐漸變大的過程中，數(shù)據(jù)的正負也發(fā)生了變化，因此接收到的數(shù)據(jù)也不能正常還原。數(shù)據(jù)的頻偏的效果和相位偏移的效果差不多，都會導(dǎo)致接收到的數(shù)據(jù)的幅度和正負發(fā)生變化，頻偏可以當(dāng)作是持續(xù)變化的相位偏移，每個時刻的相位都會發(fā)生變化，導(dǎo)致的后果也比固定的相位偏移的后果嚴(yán)重的多。7. 由于信號從發(fā)射機傳輸?shù)浇邮諜C存在傳輸延時，而實際上接收機是無法準(zhǔn)確判斷延時的大小，從而導(dǎo)致

20、實際采樣時刻偏離最佳采樣時間， 改變“采樣延遲”，分析不同的采樣偏移對接收機性能的影響設(shè)置采樣延時為20%，得到的抽樣序列為：設(shè)置輸入采樣延時從050變化，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('輸入采樣延遲');ylabel('誤碼率百分比%');運行效果如下：這個波形與相位偏移的誤碼率曲線基本一致，說明輸入采樣延時實際上可以類似為發(fā)射機的相位偏移。當(dāng)采樣延時為20%時，抽

21、樣序列的峰峰值6比正常峰峰值8要小。采樣的延時可以認(rèn)為是采樣的時候采到的是有固定相位偏移的數(shù)據(jù)。當(dāng)采樣延時小于20%時，基本不受影響，當(dāng)大于25%后，抽樣后的序列性能迅速開始惡化，基本不能用。8. 如果發(fā)射機每個符號周期有 M-1 個采樣信號，而接收機每個符號采樣 M 次，則會發(fā)生類似于載波頻偏時的情況，最初幾個符號恢復(fù)正常，隨后都無法正常解調(diào)信號，請分析其中的原因。其余參數(shù)默認(rèn)，設(shè)置接收機定時偏移為1，得到的結(jié)果為：cluster_variance = 0.2237percentage_symbol_errors = 64.6341sendmesage =123 Communication

22、test for non-ideal channel, lalala 4567890reconstructed_message =123aVj©¥¹¥Ñ¥½©VfRf÷"ææ¦YYYÚZYUialalajee¥àä可以看到，抽樣出來的序列的幅值可以相當(dāng)于兩個反向的余弦波構(gòu)成的圖形。而解碼的數(shù)據(jù)除了最初的幾個數(shù)據(jù)外，其余數(shù)據(jù)均不能正常還原，這和頻率偏移的現(xiàn)象是一致的。同一個符號，接收機采樣M次，發(fā)射機采樣M-1次，而發(fā)送機和接收機的采樣頻率fs是一致的。因