基于matlab的通信信道與眼圖的仿真通信原理課程設(shè)計報告書

1、 PAGE14 / NUMPAGES14通信原理課程設(shè)計基于matlab的通信信道與眼圖的仿真摘要由于多徑效應(yīng)和移動臺運動等影響因素，使得移動信道對傳輸信號在時間、頻率和角度上造成了色散，即時間色散、頻率色散、角度色散等等，因此多徑信道的特性對通信質(zhì)量有著重要的影響，而多徑信道的包絡(luò)統(tǒng)計特性則是我們研究的焦點。根據(jù)不同無線環(huán)境，接收信號包絡(luò)一般服從幾種典型分布，如瑞利分布、萊斯分布等。因此我們對瑞利信道、萊斯信道進行了仿真并針對服從瑞利分布的多徑信道進行模擬仿真。由于眼圖是實驗室中常用的一種評價基帶傳輸系統(tǒng)的一種定性而方便的方法，“眼睛”的開程度可以作為基帶傳輸系統(tǒng)性能的一種度量，它不但反映串

2、擾的大小，而且也可以反映信道噪聲的影響。為此，我們在matlab上進行了仿真,加深對眼圖的理解。關(guān)鍵詞：瑞利信道 萊斯信道 多徑效應(yīng) 眼圖 瑞利信道在移動通信系統(tǒng)中，發(fā)射端和接收端都可能處于不停的運動狀態(tài)之中，這種相對運動將產(chǎn)生多普勒頻移。在多徑信道中，發(fā)射端發(fā)出的信號通過多條路徑到達接收端，這些路徑具有不同的延遲和接收強度，它們之間的相互作用就形成了衰落。MATLAB中的多徑瑞利衰落信道模塊可以用于上述條件下的信道仿真。 多徑瑞利衰落信道模塊用于多徑瑞利衰落信道的基帶仿真，該模塊的輸入信號為復(fù)信號，可以為離散信號或基于幀結(jié)構(gòu)的列向量信號。無線系統(tǒng)中接收機與發(fā)射機之間的相對運動將引起信號頻率的

3、多普勒頻移，多普勒頻移值由下式?jīng)Q定： 其中v是發(fā)射端與接收端的相對速度，是相對速度與二者連線的夾角，是信號的波長。Fd的值可以在該模塊的多普勒平移項中設(shè)置。由于多徑信道反映了信號在多條路徑中的傳輸，傳輸?shù)男盘柦?jīng)過不同的路徑到達接收端，因此產(chǎn)生了不同的時間延遲。當信號沿著不同路徑傳輸并相互干擾時，就會產(chǎn)生多徑衰落現(xiàn)象。在模塊的參數(shù)設(shè)置表中，Delay vector（延遲向量）項中，可以為每條傳輸路徑設(shè)置不同的延遲。如果激活模塊中的Normalize gain vector to 0 dB overall gain,則表示將所有路徑接收信號之和定為0分貝。信號通過的路徑的數(shù)量和Delay vect

4、or（延遲向量）或Gain vector(增益向量)的長度對應(yīng)。Sample time(采樣時間)項為采樣周期。離散的Initial seed(初始化種子)參數(shù)用于設(shè)置隨機數(shù)的產(chǎn)生。1.1、Multipath Rayleigh Fading Channel(多徑瑞利衰落信道)模塊的主要參數(shù)參數(shù)名稱參數(shù)值Doppler frequency(Hz)40/60/80Sample time1e-6Delay vector(s)0 1e-6Gain vector(dB)0 -6Initial seed12345Normalize gain vector to 0 dB overall gain使能Ber

5、noulli Random Binary Generator(伯努利二進制隨機數(shù)產(chǎn)生器)的主要參數(shù)參數(shù)名稱參數(shù)值Probability of a zero0.5Initial seed54321Sample time1e-4Sample per frame(每幀采樣)1e4M-FSK Modulator/Demodulator Baseband(基帶M-FSK調(diào)制/解調(diào)器)的主要參數(shù)參數(shù)名稱參數(shù)值M-ary number(元數(shù))2Input typeBitSymbol set ordering(符號秩序)Binary(二進制)Frequency Seperation(Hz)1e3Phase c

6、ontinuityContinuousSample per Symbol16瑞利信道仿真系統(tǒng) 使用不同的多徑設(shè)置，可以得到不同的傳輸特性（體現(xiàn)在誤碼率上）。 多普勒最大頻偏值分別為40Hz,60Hz,80Hz時的多徑設(shè)置以與顯示出的誤碼率分別如下：1、40Hz時：2、60Hz時：3、80Hz時：可以看出隨著多普勒最大頻偏值的增大(40-60-80)，誤碼率(誤碼儀輸出結(jié)果第一行的值)也隨之增大。1.2、多徑衰落信道基本模型根據(jù)ITU-RM.1125標準，離散多徑衰落信道模型為 (1)其中,復(fù)路徑衰落，服從瑞利分布;是多徑時延。 多徑衰落信道模型框圖如圖2所示：圖2 多徑衰落信道模型框圖下面我們

7、通過程序來研究function h=rayleigh(fd,t) %產(chǎn)生瑞利衰落信道 fc=900*106; %選取載波頻率 v1=50*1000/3600; %移動速度v1=50km/h c=3*108; %定義光速fd=v1*fc/c; %多普勒頻移ts=1/12000; %信道抽樣時間間隔t=0:ts:1; %生成時間序列h1=rayleigh(fd,t); %產(chǎn)生信道數(shù)據(jù)v2=150*1000/3600; %移動速度v2=150km/hfd=v2*fc/c; %多普勒頻移h2=rayleigh(fd,t); %產(chǎn)生信道數(shù)據(jù)subplot(2,1,1),plot(20*log10(abs

8、(h1(1:10000) title(v=50km/h時的信道曲線)xlabel(時間);ylabel(功率)subplot(2,1,2),plot(20*log10(abs(h2(1:10000)title(v=150km/h時的信道曲線)xlabel(時間);ylabel(功率)function h=rayleigh(fd,t)%該程序利用改進的jakes模型來產(chǎn)生單徑的平坦型瑞 利衰落信道%輸入變量說明：%fd信道的最大多普勒頻移 單位Hz %t:信號的抽樣時間序列，抽樣間隔單位s %h為輸出的瑞利信道函數(shù)，是一個時間函數(shù)復(fù)序列 N=60; %假設(shè)的入射波數(shù)目wm=2*pi*fd; M=

9、N/4; %每象限的入射波數(shù)目即振蕩器數(shù)目Tc=zeros(1,length(t); %信道函數(shù)的實部Ts=zeros(1,length(t); %信道函數(shù)的虛部P_nor=sqrt(1/M); %歸一化功率系theta=2*pi*rand(1,1)-pi; %區(qū)別個條路徑的均勻分布隨機相位for n=1:M %第i條入射波的入射角 alfa(n)=(2*pi*n-pi+theta)/N;fi_tc=2*pi*rand(1,1)-pi; %對每個子載波而言在(-pi,pi)之間均勻分布的隨機相位fi_ts=2*pi*rand(1,1)-pi; Tc=Tc+2*cos(wm*t*cos(alfa

10、(n)+fi_tc);Ts=Ts+2*cos(wm*t*sin(alfa(n)+fi_ts); %計算沖激響應(yīng)函數(shù)end; h= P_nor*(Tc+j*Ts); %乘歸一化功率系數(shù)得到傳輸函數(shù)仿真結(jié)果：可見速度越大對瑞利衰落信道影響越大。萊斯信道在移動通信系統(tǒng)中，如果發(fā)送端和接收端之間存在一種占優(yōu)勢的視距傳播路徑，則該信道可以用萊斯信道來模擬，仿真系統(tǒng)如下所示。MATLAB中萊斯衰落信道模塊主要參數(shù)如下表所示。仿真系統(tǒng)中模塊Bernoulli Random Binary Generator(伯努利二進制隨機數(shù)產(chǎn)生器)的主要參數(shù)和M-FSK Modulator/Demodulator Base

11、band(基帶M-FSK調(diào)制/解調(diào)器)模塊的主要參數(shù)都與瑞利信道的仿真系統(tǒng)一樣。Rician Fading Channel(萊斯衰落信道)模塊的主要參數(shù)參數(shù)名稱參數(shù)值K-factor(因子K)1.2/2.2/3.2Maximum doppler shift(Hz)40/80/120Sample time(1e-4)/16Delay(s)2e-5Gain0Initial seed2273表a萊斯信道模型系統(tǒng)如下：K值為1.2時：K值為2.2時：K值為3.2時：圖b 萊斯信道模塊用于萊斯衰落信道的基帶仿真，適用于無線通信系統(tǒng)中發(fā)射信號主要以視線方式傳輸?shù)浇邮斩饲闆r下的模塊進行仿真。輸入信號為復(fù)信號

12、，可以是離散或基于幀結(jié)構(gòu)的列向量。萊斯信道衰落將引起信號能量的擴散，該模塊參數(shù)K-factor是萊斯分布的統(tǒng)計描述，是信號直達方向功率與散射功率之比。無線系統(tǒng)中接收機與發(fā)射機之間的相對運動將引起信號頻率的多普勒頻移。多普勒頻移的仿真參數(shù)可以在該模塊的Maximum doppler shift 參數(shù)項中設(shè)置。參數(shù)Sample time表示采樣周期，參數(shù)Delay指定傳輸延遲，參數(shù)Gain指定增益，參數(shù)Initial seed 指定高斯噪聲產(chǎn)生的初始化種子值。上圖b所示的各圖實例仿真中，對FSK信號通過萊斯信道的誤碼率進行了仿真。K值愈大，表示多徑的能量愈小，誤碼率愈小。多普勒頻移愈小，誤碼率愈小

13、。眼圖評價基帶傳輸系統(tǒng)的一種定性而方便的方法是觀察接收端的基帶信號波形。如果將接收波形輸入示波器的垂直放大器，把產(chǎn)生水平掃描的鋸齒波周期與碼元定時同步（這時每個碼元將重疊到間隔（0，Ts）上），則在示波器屏幕上可以觀察到類似人眼的圖案，稱之為“眼圖”（eye pattern）。在二元碼時，一個碼元周期只能觀察到一只“眼睛”，三元碼時能觀察到兩只“眼睛”，對于M元碼則有（M-1）只“眼睛”。滿足無碼間串擾的基帶信號，由于在相鄰抽樣時刻的串擾恒為零，因而可以得到輪廓非常清晰的且在M個電平處匯聚為一個點的眼圖。如果不滿足無碼間串擾條件，則在抽樣時刻的M個電平不可能聚為一點，而成發(fā)散狀，從而“眼睛”的

14、開程度變小。“眼睛”的開程度可以作為基帶傳輸系統(tǒng)性能的一種度量，它不但反映串擾的大小，而且也可以反映信道噪聲的影響。眼圖為基帶傳輸系統(tǒng)的性能提供了大量的信息。在一般情況下：眼圖開部分的寬度決定了接收波形可以不受串擾影響而抽樣重建的時間間隔，顯然，抽樣的最佳時刻是“眼睛”開最大的時刻；“眼睛”在特定抽樣時刻的開高度決定了系統(tǒng)的噪聲容限；“眼睛”的閉合斜率決定了系統(tǒng)對抽樣定時誤差的敏感程度，斜率愈大則對定時誤差愈敏感。我們仿真的是，產(chǎn)生一個二進制隨機方波序列，畫出通過升余弦濾波器后，方波的高頻分量成分濾掉后繪出的眼圖。 clear all; x=randint(3000,1,2);y=0;rcos

15、flt(x,1,10); %繪出y的時域圖形figure(1)t=1:30061;plot(t,y);axis(1,300,-0.5,1.5);title(時域波形圖)grid oneyediagram(y,20,4); %調(diào)用MATLAB函數(shù)繪出y的眼圖t1=t;D=t1 y; %y與時間變量t1組成文件變量D仿真后的時域波形圖為：仿真后的眼圖為：也可以利用MATLAB中的Simulink建模同時利用上一方法中的數(shù)據(jù)D，眼圖模塊的主要參數(shù)如下表所示。參數(shù)名稱參數(shù)值Samples per symbol40Offset(samples)20Symbols per trace5Traces displayed40New traces per display10Eye diagram to displayIn-phase Only(僅顯示同相分量)眼圖仿真框圖四課題設(shè)計總結(jié)：這次的課程設(shè)計讓我更進一步地掌握了Matlab的使用，體會到了Matlab的強大功能。同時，通過這次課程設(shè)計，我也學(xué)到了不少知識，掌握了通信系