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

四川大學電子信息專業(yè)實驗報告課程現(xiàn)代電子技術專業(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院實驗六非理想信道傳輸實驗實驗目的仿真非理想信道傳輸時的數(shù)據(jù)傳輸過程仿真并說明非理想信道中各個參數(shù)的影響二、實驗內(nèi)容未設置任何參數(shù)時程序的分析：未設置任何參數(shù)時（即默認參數(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：發(fā)送器：產(chǎn)生原始信號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；信道：設置并加入多徑干擾，得到信號dv，使用高斯噪聲對信號加噪，得到加噪信號nv，設置發(fā)送信號延時toper，得到信號rnv。接收器：設置輸入采樣延時，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_message。三、實驗問題解答根據(jù)程序說明每一個設置參數(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。信道噪聲增益cng（默認值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。多徑干擾cdi（默認值0）：ifcdi<0.5,mc=[100];elseifcdi<1.5,mc=[1zeros(1,M)0.28zeros(1,2.3*M)0.11];elsemc=[1zeros(1,M)0.28zeros(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，一個是嚴重的多徑干擾。設置的依據(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。發(fā)射頻偏fo（默認值0）及發(fā)射機的相位頻偏po（默認值0）：c=cos(2*pi*(fc*(1+0.01*fo))*t+po);fc是載波頻率，c是載波。fc的改變會導致載波的頻率變化，po的變化會導致載波的初始相位的變化。輸入采樣延遲toper（默認值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。接收機符號的定時偏移so（默認值0）：M=100-so;mup=zeros(1,N*M);mup(1:M:end)=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，會導致類似于載波頻偏的現(xiàn)象。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，設置出信道噪聲增益以外的其他值為默認值0。主要程序如下： ratio=10;pc=zeros(1,1000);forn=1:1000cng=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');ylabel('誤碼率百分比%');運行結(jié)果：當設置ratio=100時（即cng范圍為0~10）：當設置噪聲增益超過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。分析第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?？臻g卷積濾波相當于頻域的乘積，相當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。分析三種多徑干擾的異同和帶來的影響。設置多徑干擾cdi為1時，報錯：更改源程序中46~52行如下：ifcdi<0.5,mc=[100];elseifcdi<1.5,mc=[1zeros(1,M)0.28zeros(1,floor(2.3*M))0.11];elsemc=[1zeros(1,M)0.28zeros(1,floor(1.8*M))0.44];end設置多徑干擾為0,其余參數(shù)保持默認，得到如下運行結(jié)果：cluster_variance=0.0137percentage_symbol_errors=0設置多徑干擾為1，其余參數(shù)保持默認，得到如下運行結(jié)果：cluster_variance=0.0660percentage_symbol_errors=0設置多徑干擾為1，其余參數(shù)保持默認，得到如下運行結(jié)果：cluster_variance=0.3233percentage_symbol_errors=13.9442 設置多徑干擾的程序為： mc=mc/(sqrt(mc*mc'));dv=filter(mc,1,r);可以看出，設置多徑干擾都是通過設置濾波器參數(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{-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%。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??/2，觀察誤碼率的變化。其他參數(shù)保持默認，設置相位偏移為0.7：cluster_variance=0.2743percentage_symbol_errors=0.3984sendmesage=123Communicationtestfornon-idealchannel,lalala~~~4567890reconstructed_message=123Communicationtesdfornon-idealchannel,lalala~~~456789其他參數(shù)保持默認，設置相位偏移為??/2：cluster_variance=0.8385percentage_symbol_errors=74.1036sendmesage=123Communicationtestfornon-idealchannel,lalala~~~4567890reconstructed_message=YY?Uaf￥?Ufj?fZ??fVfU??VfVUi?a?|?U?ai￥j????YU|f?VfZa?a|?U?aU?￥?其他參數(shù)保持不變，設置相位偏移從0~??/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)=m(t)=1/2經(jīng)過低通濾波之后：當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。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，設置頻偏為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=123Communicationtestfornon-idealchannel,lalala~~~4567890reconstructed_message=123Communicatioj%eefeefjfejjZYVa?Z??????????ú???????????êéè??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)*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)=m(t)=1/2經(jīng)過低通濾波之后：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，這是因為頻率的偏移會導致發(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，導致的后果也比固定的相位偏移的后果嚴重的多。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確判斷延時的大小，從而導致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置采樣延時為20%，得到的抽樣序列為：設置輸入采樣延時從0~50變化，程序如下：pc=zeros(1,1000);forn=1:1000toper=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。當采樣延時為20%時，抽樣序列的峰峰值6比正常峰峰值8要小。采樣的延時可以認為是采樣的時候采到的是有固定相位偏移的數(shù)據(jù)。當采樣延時小于20%時，基本不受影響，當大于25%后，抽樣后的序列性能迅速開始惡化，基本不能用。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，設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=123Communicationtestfornon-idealchannel,lalala~~~4567890reconstructed_message=123aVj?￥?1￥???￥????VfRf÷"??|?YYY[ú[??ZYUialala~~jee￥??à?可以看到，抽樣出來的序列的幅值可以相當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。因此，在M*(M-1)/fs的時間內(nèi)，發(fā)送機可以發(fā)送M個數(shù)據(jù)，接收機只能接收到M-1個數(shù)據(jù)