移動通信原理課程設計_實驗_321321

1、電子科技大學通信抗干擾技術國家級重點實驗室實驗報告課程名稱 移動通信原理實驗內容 無線信道特性分析；BPSK/QPSK通信鏈路搭建與誤碼性能分析；SIMO系統(tǒng)性能仿真分析課程教師 胡蘇成員姓名成員學號成員分工獨立完成必做題第二題，參與選做題SIMO仿真中的最大比值合并模型設計參與選做題SIMO仿真中的等增益合并模型設計獨立完成必做題第一題參與選做題SIMO仿真中的選擇合并模型設計1， 必做題目1.1 無線信道特性分析1.1.1 實驗目的1) 了解無線信道各種衰落特性；2) 掌握各種描述無線信道特性參數(shù)的物理意義；3) 利用MATLAB中的仿真工具模擬無線信道的衰落特性。1.1.2 實驗內容1)

2、 基于simulink搭建一個QPSK發(fā)送鏈路，QPSK調制信號經(jīng)過了瑞利衰落信道，觀察信號經(jīng)過衰落前后的星座圖，觀察信道特性。仿真參數(shù)：信源比特速率為500kbps，多徑相對時延為0 4e-06 8e-06 1.2e-05秒，相對平均功率為0 -3 -6 -9dB，最大多普勒頻移為200Hz。例如信道設置如下圖所示：1.1.3 實驗仿真(1)實驗框圖（2） 圖表及說明圖一：Before Rayleigh Fading1#上圖為QPSK相位圖，由圖可以看出2比特碼元有四種。圖二：After Rayleigh Fading#從上圖可以看出，信號通過瑞利信道后，滿足瑞利分布，相位和幅度發(fā)生隨機變化

3、，所以圖三中的相位不是集中在四點，而是在四個點附近隨機分布。圖三：Impulse Response#從沖激響應的圖可以看出相位在時間上發(fā)生了偏移。圖四：Impulse Response#從頻率響應的圖可以看出，信號的頻率響應失真比較嚴重。（3） 實驗結論相干時間 s相干帶寬 Hz根據(jù)題目中給出的參數(shù)，計算瑞利衰落信道的相干帶寬和相干時間：1.2 BPSK/QPSK通信鏈路搭建與誤碼性能分析1.2.1 實驗目的掌握基于simulink的BPSK、QPSK典型通信系統(tǒng)的鏈路實現(xiàn)，仿真BPSK/QPSK信號在AWGN信道、單徑瑞利衰落信道下的誤碼性能。1.2.2 實驗作業(yè)1.基于simulink搭建

4、BPSK/QPSK通信鏈路，經(jīng)過AWGN信道，接收端相干解調，仿真并繪出BPSK和QPSK信號在為010dB時（間隔：1dB）誤碼性能曲線。仿真參數(shù)：a) 仿真點數(shù)：106b) 信源比特速率：1Mbps。2.在1的基礎上，信號先經(jīng)過平坦（單徑）瑞利衰落，再經(jīng)過AWGN信道，假設接收端通過理想信道估計獲得了信道衰落值（勾選衰落信道模塊的“Complex path gain port”）。仿真并繪出BPSK和QPSK信號在為040dB時（間隔：5dB）誤碼性能曲線。信道仿真參數(shù)：最大多普勒頻移為100Hz。1.2.3 實驗仿真(1) 實驗框圖圖一 經(jīng)過AWGN的BPSK/QPSK通信鏈路圖二 經(jīng)過

5、RAYLEIGH+AWGN的BPSK/QPSK通信鏈路(2)圖表及說明圖三 經(jīng)過AWGN的BPSK/QPSK通信鏈路的誤比特率#由上圖可知，BPSK與QPSK誤比特率表現(xiàn)相一致，且隨著Eb/No的dB數(shù)增加，誤比特率下降速度變快。當Eb/No=10dB時，兩者的誤比特率已經(jīng)下降，說明此時已經(jīng)能夠保證較高的數(shù)據(jù)傳輸準確度。而從總體上來看，BPSK與QPSK的誤比特率性能曲線與理論是相契合的，說明鏈路搭建正確，實驗現(xiàn)象成功。圖四 經(jīng)過RAYLEIGH+AWGN的BPSK/QPSK通信鏈路的誤碼率#由上圖可知，經(jīng)過瑞利平坦衰落后，BPSK/QPSK的誤碼特性發(fā)生了變化：首先是在同等Eb/No的條件下

6、，誤比特率顯著升高，10dB時為；其次是誤比特曲線呈線性變化，這進一步說明了瑞利平坦衰落信道對信號的影響。(3)結論1.BPSK與QPSK的誤比特率表現(xiàn)一致，而在誤符號率上QPSK是BPSK的兩倍；2.瑞利平坦衰落信道對誤比特率有一定程度的線性影響。3.瑞利信道的多普勒頻移越大，則最終的誤比特率也會越大。2， 選作題目2.1 SIMO系統(tǒng)性能仿真分析2.1.1 實驗目的1. 掌握基于simulink的單發(fā)多收（SIMO）16QAM仿真通信鏈路2. 仿真SIMO 16QAM信號在單徑瑞利衰落信道下，不同接收分集數(shù)、不同合并方式下的誤比特率性能。2.1.2 實驗內容1.掌握單發(fā)多收（SIMO）的原

7、理，利用分集技術，搭建單發(fā)多收通信系統(tǒng)框圖。2.利用MATLAB中simulink所包含的通信系統(tǒng)模塊搭建基于各種分集技術類型的單發(fā)多收通信鏈路。3.改變各個方式的分集數(shù)，搭建新的通信系統(tǒng)鏈路。4.比較上述各鏈路的誤比特率，記錄并分析。2.1.3 實驗原理移動信道的多徑傳播引起的瑞利衰落、時延擴展以及伴隨接收機移動過程產(chǎn)生的多普勒頻移使接收信道受到嚴重的衰落；陰影效應會使接受的信號過弱而造成通信的中斷；信道存在的噪聲和干擾，也會使接收信號失真而造成誤碼。因此，在移動通信系統(tǒng)中需要采取一些信號處理技術來改善接收信號的質量。其中，多天線分集接收技術就是一個非常重要且常見的方法。分集接收的基本思想就

8、是把接收到的多個衰落獨立的信號加以處理，合理地利用這些信號的能量來改善接收信號的質量。分集技術總體來說分為兩類，針對陰影衰落的宏觀分集和針對微觀衰落的微觀分集。本實驗主要注重微觀分集。分集技術對信號的處理包含兩個過程，首先是要獲得M個相互獨立的多徑信號分量，然后對它們進行處理以獲得信噪比的改善，這就是合并技術。合并方式共分為三種，選擇合并、等增益合并和最大比值合并。選擇合并是最簡單的一種，在所接收的多路信號中，合并器選擇信噪比最高的一路輸出。最大比值合并會將所有路信號的能量和信息都利用上，會明顯改善合并器輸出的信噪比。基于這樣的考慮，最大比值合并把各支路信號加權后合并。各路信號權值用數(shù)學方法得

9、出。等增益合并性能上不及最大比值合并，但是卻容易實現(xiàn)得多，其主要思想是將各路信號賦予相同權值相加。2.1.4 實驗仿真總體框圖選擇合并，M=2選擇合并，M=3#在選擇合并時，將兩路獨立信號的幅度作對比，以此作為功率判決來決定選取哪一路信號等增益合并，M=2等增益合并，M=3#在等增益合并當中，由于調制解調與信號的幅度有關，所以對信號賦予相同的權值要使最后信號的幅度歸一，故增益都為1/M。最大比值合并，M=3#最大比值合并現(xiàn)實中不太容易實現(xiàn)，但在仿真情況下，卻可以將每路信號幅度提取出來作為權值的參照，由于噪聲功率都一樣，所以只需權值與相應信號幅度成正比。此外，同樣也要進行歸一化處理。產(chǎn)生獨立信號

10、#由于合并技術要求得到多個衰落獨立的信號，故選取不同高斯信道并對瑞麗信道設置不同的initial seed 來使信號的衰落獨立。2.1.5 性能分析選擇合并性噪比：其中是無分集平均性噪比，是的概率密度函數(shù)，M是分集數(shù)。最大比值合并信噪比：其中，是每一路信號平均性噪比，是無分集平均性噪比，M是分集數(shù)。等增益合并信噪比：其中，b與信號幅度和瑞利分布相關，是無分集平均性噪比，M是分集數(shù)?；谏鲜龇旨旁氡雀纳疲瑢嶒灥恼`碼率也從側面予以印證：#從#圖中可以看到，通過選擇合并方式能夠顯著的減小誤碼率，并且隨著Eb/N0的增加而更好的顯示出性能優(yōu)越；相對比不同的分集數(shù)可看出，分集數(shù)的增加能有效地減小誤碼率

11、。#由圖可看到，三種合并方式都能顯著地減小誤碼率，在分集數(shù)為二的情況下，效果最好的是最大比值合并，等增益次之，都優(yōu)于選擇合并；而與上圖相比，可以看出二重分集下的最大比值合并性能甚至優(yōu)于三重分集的選擇合并。誤碼率分析：在這兩張反應誤碼率的曲線圖中，很好的符合了理論公式中由信噪比的改善所帶來的誤碼率的降低，也反應了分集數(shù)的增加對系統(tǒng)性能的改善。2.1.6 實驗結論移動信道的多徑傳播引起的瑞利衰落、時延擴展以及伴隨接收機移動過程產(chǎn)生的多普勒頻移使接收信道受到嚴重的衰落，所以必須采取相應的抗衰落的措施來提高系統(tǒng)性能。在本次課程設計中，我們小組學習研究了對三種不同分集合并技術在改善系統(tǒng)性能方面的效果的課

12、題實驗。通過仿真實驗得出的不同分集的誤碼率，分集技術能有效地減小誤碼率從而提高系統(tǒng)性能；而通過對誤碼率曲線的分析，可以看出：對于三種分集合并技術，等分集前提下，最大比值合并優(yōu)于等增益合并優(yōu)于選擇合并；而對于同一合并技術，增加分集數(shù)能優(yōu)化其性能。3 實驗總結與體會 經(jīng)過本次課程設計，小組成員都得到了不小的收獲：第一，熟悉了simulink模塊并初步掌握了如何構建仿真系統(tǒng)；第二，通過對無線信道以及BPSK、QPSK典型通信系統(tǒng)的鏈路的仿真，了解了無線信道各種衰落特性，掌握了各種描述無線信道特性參數(shù)的物理意義，通過仿真數(shù)據(jù)以及計算得到了BPSK/QPSK信號在AWGN信道、單徑瑞利衰落信道下的誤碼性

13、能；第三，通過仿真SIMO 16QAM信號在單徑瑞利衰落信道下，不同接收分集數(shù)、不同合并方式下的誤比特率性能的實驗系統(tǒng)，進一步了解到分集技術是一種有效的抗信道衰落技術,本此仿真對simo系統(tǒng)采用的3種常見的分集合并技術選擇合并,等增益合并和最大比值合并進行分析研究,對系統(tǒng)采用162QAM 調制、平坦瑞利衰落信道的情況下,仿真結果表明3種分集合并方式對改善系統(tǒng)性能都有很大貢獻，具體來說：分集數(shù)越多系統(tǒng)性能越好；且在等分集下最大比值效果最優(yōu)，選擇合并效果較差，但三種合并技術的算法復雜度正好相反，經(jīng)過反復分析比較，等增益合并是一種復雜度與性能折中較好的一種分集合并方式。附錄：SIMO系統(tǒng)仿真模塊詳解

14、（1） 無分集模型：#其中瑞利信道參數(shù)如下所示：#設置成100Hz多普勒頻移以便于后期對誤碼率的觀察更為容易，題目中要求此瑞利衰落為平坦衰落，故選擇Flat多普勒頻譜類型，將Initial seed設置成19或者也可以為其他任意值。在通過高斯信道后有一個增益補償?shù)倪^程，這是因為瑞利信道主要是對信號幅度的衰落，如果不進行補償則會造成極高的誤碼率，使實驗無法正常運行。#其中高斯信道參數(shù)如下所示：#其中符號周期取2倍碼元周期，Initial seed設為隨機值以保證噪聲隨機性（2） 接收分集模型：#其中，有三個獨立的瑞利平坦衰落信道，并分別加入高斯白噪聲和進行增益補償，最后輸出三路獨立的衰落信號，受

15、到的主要影響是多普勒頻移。三路瑞利平坦衰落的參數(shù)為：#這樣就可以保證瑞利衰落相互獨立，高斯信道同理，只需將Inital seed設為不同值即可。#值得注意的是，瑞利信道輸出的Gain值（增益/衰落值）經(jīng)過了一個幅度平方模塊，這是為了在之后的選擇合并與最大合并中作為重要參考元素而如此使用。三個Display模塊在本模型中沒有特殊的含義，只是為了輔助觀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（以二重等增益合并為例）：#其中，兩路獨立衰落的信號被賦予1:1的權重相加，解調輸出。需要注意的是，每一路信號增益為1/2而非1是因為調制解調使用的是16QAM模塊，幅度是代表了信號信息的，所

16、以不能將信號單純地乘1相加。#三重等增益原理與二重等增益相同，只是三路信號分別乘上1/3的權重再相加，解調輸出。（4） 選擇合并模型（以二重選擇合并為例）：#選擇合并這一模型的核心理念是選擇信噪比最高的一路輸出，然而在simulink中去實現(xiàn)純信噪比的計算并不容易，所以本模型中采用的方案是用瑞利衰落輸出Gain幅度平方值代替信噪比，所以就變成：選擇Gain值最大（即誤碼率最?。┑囊宦份敵觥＝酉聛斫榻B其中每一個重要的模塊的作用。#Add模塊和Switch模塊共同組成了信號判決輸出器，其中，Add負責將兩路獨立衰落的信號Gain幅度平方值相減，將結果輸入到Switch模塊的中間一路輸入，如果結果大于0（即第一路信號Gain較大），就輸出第一路信號，反之輸出第二路信號。#Switch1模塊在本模型中并非必需的，它為了使三重選擇合并的實現(xiàn)更為簡捷，主要作用是輸出較高一路的Gain平方值，作為Bigger Abs（BA），BS代表Bigger Signal。#三重選擇合并即在此基礎上多引入一路信號的Gain平方值作比較，選擇輸出，可