移动通信课程设计.doc

个人收集整理 勿做商业用途2011年秋季学期移动通信课程设计题 目： 移动无线信道多径衰落的仿真 前言在通信方案可行性研究以及系统研制等过程中， 经常要用计算机仿真验证各种方案或通信信号处理方法的效果, 这需要对移动无线信道传输特性进行研究并仿真， 其中尤其以多径衰落的仿真为重点。现代移动通信系统的性能主要受到移动无线信道的制约.无线通信的空间无限性使得发射机与接收机之间的传播路径非常复杂， 各种地形地物的影响和移动使得无线信道具有极大的随机性， 这与确定性有线信道有很大不同。常用路径损失、阴影衰落和多径衰落3 种效应描述大、中、小3种不同尺度范围内信道对传输信号的作用。多径衰落也称快衰落, 是由于同一信号沿2个或多个路径传播, 以微小的时间差到达接收机时相互干涉引起的， 这些波称为多径波。多径波在接收天线处合成一个幅度和相位都急剧变化的信号， 其变化程度取决于多径波的强度、传播时间差以及传播信号的带宽,主要表现在3个方面：1）经过短距离或短时间传播后信号强度产生急剧变化；2)在不同路径上，存在着时变多普勒频移引起的随机频率调制；3)多径传播时延引起的扩展。假设无线信道中的物体处于静止状态,并且运动只由移动台产生，则衰落只与空间路径有关.此时，当移动台穿过多径区域时,它将信号的空间变化看作瞬时变化，在空间不同点多径波的影响下，高速运动的接收机可能在很短时间内经过若干次衰落。更为严重的是,接收机可能停留在某个特定的衰落很大的位置上, 尽管可能由行人或车辆改变场模型，从而打破接收信号长时间处于失效状态的情况，但要维持良好的通信状态仍非常困难。针对种种情况,在移动通信中,可以采取功率控制、基站切换、分集、交织、自适应均衡等各种有效的方法保证通信的质量.在仿真验证这些方法的效果时,常常首先对信道衰落尤其多径衰落进行仿真. 摘要由于电波通过各个路径的距离不同，各个路径电波到达接收机的时间不同，相位也就不同.不同相位的多个信号在接收端叠加，有时是同相叠加而加强，有时是反相叠加而减弱。这样接收信号的幅度将急剧变化，即产生了所谓的多径衰落。这些不同路径到达的电磁波射线相位不一致且具有时变性,导致接收信号呈衰落状态;这些电磁波射线到达的时延不同，又导致码间干扰。若多射线强度较大，且时延差不能忽略，则会产生误码，这种误码靠增加发射功率是不能消除的，而由此多径效应产生的衰落叫多径衰落，它也是产生码间干扰的根源。对于数字通信、雷达最佳检测等都会产生十分严重的影响。关键字：瑞利衰落;多径效应；多普勒频移；移1二、 移动通信原理移动通信是通信领域中最具有活力，最具有发展前途的一种通信方式。它是当今信息社会中最具有个性化特征的通信手段。他的发展与普及改变了社会也改变了人类的生活方式，它让人们领悟到现代化与信息化的气息。移动通信，顾名思义其最本质的特色是“移动二字,就是说这类通信不是传统静态的固定式通信，而是动态的移动式通信.无线通信针对传统通信的缺点，以开放式传播来传递信息,他的代价是牺牲了全封闭式的优质信道，换取了开放式传输的灵活性。但是,信道的开放必然引起了息道的时变形和随机性，从而大大降低了通信容量和质量。移动通信的主要技术有以下五点：1. 调制技术2。 移动信道中电波传输特性3. 多址方式4。 抗干扰技术5. 组网技术本次课程设计主要是针对移动通信中信号的干扰仿真，因此,本章将通过调制信号与传播方式两个方面介绍移动通信的一些基本原理。2。1 调制信号调制的目的是把要传输的模拟信号或者是数字信号变换成适合传输的高频信号。该信号称为已调信号.调制可分为模拟调制和数字调制。模拟调制是利用模拟信号直接调制载波的振幅，频率和相位。数字调制是利用数字信号来调制载波的振幅，频率和相位。2。1。1 数字频率调制用基带数据信号控制载波频率,称为FSK（frequency shift keying)。载波的频率按照数字信号1、0的变化而对应的变化。FSK可采用包络检波法、相干解调法和非相干解调法解调。包络检波法是指收端采用二个带通滤波器，其中心频率分别是F1和F2，它们的输出经过包络检波。如果F1支路的强度大于F2支路的强度，则判为+1,反之1。然而通常的FSK在频率转换点上的相位一般并不连续，这会使载波信号的功率谱产生较大的旁瓣分量.为克服这一缺点,提出改进的调制方式是最小移频键控MSK(minimum shift keying)和高斯预滤波最小移频键控GMSK(Gaussian filtered minimum shift keying）。MSK是一种特殊的FSK，其频差满足两个频率相互正交（即相关函数等于0)的最小频差，并要求FSK信号的相位连续。GMSK信号的产生可用简单的高斯低通滤波器及FM调制器来实现。2。1.2 数字相位调制载波相位按照数字信号的1、0变化而变化，称为移相键控（PSK）调制。在PSK调制时，载波的相位随调制信号状态不同而改变.如果两个频率相同的载波同时开始振荡，这两个频率同时达到正最大值，同时达到零值,同时达到负最大值，此时它们就处于“同相状态;如果一个达到正最大值时，另一个达到负最大值，则称为“反相”。把信号振荡一次（一周）作为360度.如果一个波比另一个波相差半个周期，两个波的相位差180度，也就是反相。当传输数字信号时，“1”码控制发0度相位,“0码控制发180度相位。 PSK相移键控调制技术在数据传输中，尤其是在中速和中高速的数传机（2400bit/s4800bit/s）中得到了广泛的应用.相移键控有很好的抗干扰性，在有衰落的信道中也能获得很好的效果.在实际应用中，常用的有二相调制（BPSK)、四相调制（QPSK）、八相调制（EPSK或8PSK）和十六相调制(16PSK）。本次课程设计使用的信号是2PSK信号。2PSK信号是一种将距离为180度的两个相位对应0和1，是相位调制中最简单的一种.关于2PSK信号的详细情况会在第四章介绍。2。1。3 正交振幅调制（QAM) 正交振幅调制（QAM：Quadrature Amplitude Modulation）又称正交双边带调制。是将两路独立的基带波形分别对两个相互正交的同频载波进行抑制载波的双边带调制，所得到的两路已调信号叠加起来的过程，称为正交振幅调制。在调制端，数字信号先经过串/并变换分成两路,分别经过2电平到L电平的变换，形成Am、Bm振幅.为了抑制已调信号的带外辐射，将两个信号经过与调制低通滤波器，才分别于相互正交的各路载波相乘，最后将两路信号相加得到已调信号。在接收端，输入的信号和本地恢复的两个载波正交信号相乘以后，经过低通滤波，多电平判别,L电平到2电平的变换,在经过过串/并变换的到输出数据。2.1.4 扩展频谱调制扩展频谱（SS， spread spectrum）通信简称扩频通信，扩频通信是一种信息传输技术，在发端采用扩频码调制，使信号所占的频道带宽远大于信息传输所需要的带宽，在接受端采用相同的扩频码进行相关的解扩已恢复所传数据信息。扩频通信系统包括：直接序列扩频(DS），跳频（FH），线性调频（Chirp）好处：使得接收机输出的信噪比相对于输入的信噪比大有改善，从而提高了系统的抗干扰能力。2.1.5 多载波调制多载波传输首先把一个高速的数据流分解为若干个低速的子数据流（这样每个子数据将具有低得多的比特率)，然后每个子数据流经过调制（符号匹配）和滤波,去调制相应的子载波，从而构成多个并行的已调信号,经过合成再传输。优点:具有较高的传输能力和抗衰落、抗干扰能力。2。2 无线电波的传播特性2.2。1 电波传播方式发射机天线发出的无线电波, 可依不同的路径到达接收机，当频率f30 MHz时,典型的传播通路如图2。1所示.沿路径从发射天线直接到达接收天线的电波称为直射波,它是VHF和UHF频段的主要传播方式；沿路径的电波经过地面反射到达接收机，称为地面反射波；路径的电波沿地球表面传播，称为地表面波。图2.1 典型的传播通路2.2.2 无线信道的分类各类信号从发射端发送出去以后,在到达接收端之前经历的所有路径统称为信道。如果其中传输的是无线电信号，电磁波所经历的路径称之为无线信道。与其他通信信道相比，无线信道是最为复杂的一种。无线传播环境是影响无线通信系统的基本因素。发射机与接受机之间的无线传播路径,因从经历简单的视距传播到遭遇各种复杂的地物(如建筑物、山脉和树林等)所引起的反射、绕射和散射传播等而显得非常复杂.另外,移动台相对于发射台移动的方向和速度,甚至收发双方附近的移动物体也对接受信号有很大的影响。因此,这使得无线信道具有极大的随机性。移动通信信号在空间传播中所经历的衰落大体可以分为2类，即大尺度衰落和小尺度衰落.大尺度衰落是由于发射机与接收机之间的距离和两者之间障碍物（如山丘、森林、建筑物等)的遮蔽影响而造成的信号强度的衰减，它反映了移动信号在较大区域中的平均能量的减少,或称为路径损失。而小尺度衰落是指当移动台在一个较小的范围运动时,引起的接收信号的幅度、相位和到达角等的快速变化。信号在传播的过程中，受各种环境的影响会产生反射、衍射和散射,这样就使得到达接收机的信号是许多路径信号的叠加，因而这些多径信号的叠加在没有视距传播情况下的包络服从瑞利分布。当多径信号中包含一条视距传播路径时，多径信号就服从莱斯分布。根据信号多径附加时延的大小，小尺度衰落又可以分为平坦衰落和频率选择性衰落。另外,由于移动台的移动性而导致接收到的信号产生多普勒频移（频率色散),根据多普勒扩展的大小,信道又可以分为快衰落信道和慢衰落信道。2。2.3 小尺度衰落信道而由于移动终端在极小范围内移动时，无线信号在经过短时间或短距传播后其幅度将快速衰落，以至于大尺度路径损耗的影响可以忽略不计,我们称之为小尺度衰落。它是由同一传输信号沿多个路径传播，以微小的时间差到达接收机的信号相互干涉所引起的。其主要效应表现为：1 经过短距或短时传播时传播后信号强度的急速变化；2 在不同多径信号上，存在着时变的Doppler频移引起的随机频率调制；3 多径传播时延引起的扩展。在高楼林立的市区,由于移动天线的高度比周围建筑物矮得多，因而不存在从移动终端到发射机之间的视距传播，这就导致了衰落的产生。即使有这么一条视距传播路径存在，由于地面与周围建筑物的反射，多径传播仍然发生。入射电波以不同的传播方向到达，具有不同的传播时延.空间任一点的移动终端所收到的信号都由许多平面波组成,它们具有随机分布的幅度、相位和入射角度.这些多径成分被接收机天线按向量合并，从而使接收信号产生衰落失真。即使移动接收机处于静止状态,接收信号也会由于无线信道所处环境中的物体的运动而产生衰落.影响小尺度衰落的物理因素有很多,包括多径传播、移动终端的运动速度、环境物体的运动速度和信号的传输带宽，但实际建模时在综合上述因素的基础上主要考虑多径传播的影响。小尺度衰落直接造成的无线信号的快衰落特性，它反映了瞬时功率在几个波长量级的范围内反映了接收信号的快变化特性,其幅度包络r统计上服从莱斯分布或瑞利分布。三、 多径衰落分析在移动通信系统中，由于通信地面站天线波束较宽,受地物、地貌和海况等诸多因素的影响,使接收机收到经折射、反射和直射等几条路径到达的电磁波，这种现象就是多径效应（如图3。1）。因为电波通过各个路径的距离不同，所以各个路径电波到达接收机的时间不同，相位也就不同。不同相位的多个信号在接收端叠加,有时是同相叠加而加强，有时是反相叠加而减弱。这样接收信号的幅度将急剧变化，即产生了所谓的多径衰落.这些不同路径到达的电磁波射线相位不一致且具有时变性，导致接收信号呈衰落状态;这些电磁波射线到达的时延不同,又导致码间干扰。若多射线强度较大，且时延差不能忽略，则会产生误码，这种误码靠增加发射功率是不能消除的,而由此多径效应产生的衰落叫多径衰落，它也是产生码间干扰的根源.对于数字通信、雷达最佳检测等都会产生十分严重的影响。图3.1 移动通信的多径传播3。1 瑞利衰落瑞利衰落信道（Rayleigh fading channel）是一种无线电信号传播环境的统计模型。这种模型假设信号通过无线信道之后，其信号幅度是随机的，即“衰落”，并且其包络服从瑞利分布。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波路径，存在大量反射波；到达接收天线的方向角随机且在（）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，在内服从均匀分布。瑞利分布的概率分布密度如图3.2所示：图3。2 瑞利分布的概率分布密度3.2 莱斯衰落在无线信道中，莱斯分布是一种最常见的用于描述接收信号包络统计时变特性的分布类型.他的概率密度函数（PDF）为 （3。1)式中：r为接收到的信号包络；为多径分量的方差；为主信号的功率，为第一类0阶修正贝塞尔函数。莱斯分布有一个重要的参数K，定义为主信号的功率与多径分量的方差之比,即为 （3。2）常用分贝表示为 (3.3）当s=0,即时，表明多径衰落最大，莱斯分布转为瑞利分布；当时，表明没有衰落现象.3。3 多普勒频移多普勒效应是为了纪念Christian Doppler而命名的，他于1842年提出了这一理论。他认为声波频率在声源移向观察者是变高，而在声源远离观察者时变低。一个被常用的例子是火车，当火车接近观察者时，其汽鸣声回避平常更刺耳,你可以在火车经过时听出刺耳的变化.把声波视为有规律建个发射的脉冲,可以想象若你每走一步，编发射了一个脉冲，那么在你之前的每一个脉冲都比你站立不动时更接近你自己。而在你后面的声源则比原来不动时远了一步。或者说,在你之前的脉冲频率比平常变高，而在你之后的脉冲频率比平常变低。以下多普勒效应和多径效应的具体分析：3.3.1 多普勒频率搬移（单条路径)将一个无线电波的速度和频率分别表示为c和f，定义波前为一相角为常数的面（波传播时处于同一相位的点所连成的线或面）.例如,考虑一稳定源发送的球面波，相角为 ，波前可以定义为,这里a为一常数.对于任何t来说，波前是在范围内（见图10），注意到波前的传输速度为c，把两个相邻的波前定义为和，已知，波长就可以定义为这两个相邻波前之间的距离（对任意t来说）：.图3.3 稳定源的波前（波阵面）3.3.2 移动源（单条路径）由移动源决定可以解释如下,当一辆救护车，警车或消防车从你身边经过的时候，从车上发送的声音强度随着车驶来而加强，随着车子离去而减小,这种强度的变化是由于声波的频移（见图3。4)。通过分析，由一移动物体发射的无线电波的辐射同样表现出多普勒频移，物体接近,频率升高,物体远离，频率下降. 图3。4 移动源的多普勒频移无线电波的频率设为f,则观察者观察到的等效频率为： （3.4）因此，多普勒频移为：（1）、观察者为移动的（单条路径）当发射源静止时,波阵面在t=0时如图10所示，两个相邻波阵面的距离为，波阵面以速度c向外传播（远离发射源),如果观察者朝着源以速度v移动，则波阵面和观察者的相对速度为v+c,因此，观察者通过一个波长的时间为： （3。5）等效频率为： （3.6）因此,多普勒频移同样也为：（2)、发送端和接收端都是移动的（单条路径）随着发送端和接收端之间距离的增加，球形波阵面在观察者看来变成了平面状的波阵面。设为无线波传播方向和观察者移动方向之间的夹角（见图3.5），同样，设为无线波传播方向和发送端移动方向之间的夹角(也见图3。5）。波传播方向观察者移动方向源移动方向 图3.5 移动接收端收到平面波设观察者的速度为，发送端的速度为，跟发送端移动的情况一样，等效波长为： （3.7）因为观察者相对于波阵面的等效速度为，则。对观察者来说,通过一个波阵面达到下一个波阵面，如果速度和远小于c,则多普勒频移可近似为： 因此，移动的发送端和移动的接收端产生的多普勒频移是： （3.8）对信号s(t）,它的频谱为: （3。9）频谱搬移之后，新信号变为： （3.10）如果s（t）是一个单频信号，3.4 小尺度衰落移动通信信道模型在通信理论中,描述移动通信信道衰落的模型主要有Clarke信道模型和Suzuki信道模型。前者用于描述小尺度衰落，后者综合考虑大尺度衰落和小尺度衰落的影响。本说明书主要介绍小尺度衰落模型的仿真，所采用的是Clarke信道模型。在Clarke信道模型下，可以根据瑞利或莱斯分布来构造幅度衰落的模型.假设在第i个单位时间上的衰落幅度ri 可以表示为： （3。11)是直达信号分量的幅度,xi、yi是满足方差为，均值为E(xi）=0、E(yi）=0的不相关高斯随机过程序列。直达信号分量与高斯随机分量的能量比值被称为莱斯 因子: 。在莱斯衰落中,分别当K = 和K = 0时，这时的信道分别是Gaussian 信道和瑞利信道。所以瑞利衰落信道可以被看作是K = 0这种特殊情况下的莱斯 衰落信道。莱斯 的PDF2如式(2)， 0I 。是第一类零阶修正贝塞耳函数。在没有直达信号传播路径的情况下，K = 0且0I 。 =1时,就得到了莱斯概率密度函数PDF （3.12） （3.13）莱斯概率分布函数CDF如式： (3。14)这里.由于发射机和接收机间的相对运动导致的多普勒效应，使接收信号产生了多普勒频移，多普勒频移定义为下式，v是移动速度，c是光速3108米/秒。 (3。15)多普勒功率谱以载频为中心、分布在之间， 为最大多普勒频移，移动信道的多普勒的功率谱密度函数是下式： （3.16)相干时间Tcoh 是多径信道中的一个重要参数，相干时间为两个瞬时时间的信道冲激响应保持强相关时的最大时间间隔.在现代移动通信中,常用来计算相关时间Tcoh 的方法是下式 （3.17)通常移动通信信道的仿真模型都是基于多个不相关的有色高斯随机过程。产生有色高斯噪声的方法有两类，第一类是正弦波叠加法4,第二类是成形滤波器法5。正弦波叠加法是基于无数个加权谐波的叠加： (3。18)式中、分别是多普勒系数，多普勒频移和相移,定义如下为 （3.19)，是在0,2)内服从均匀分布的随机变量，表示频率的分割，当时，这样就使频率成为连续分布。仿真中,一般是用有限的i N 个谐波代替无穷个谐波。基于正弦波叠加法的平坦衰落信道仿真主要就是通过确定参数、的值,来建立仿真模型。首先是利用不相关的高斯随机变量样本序列来形成正频率分量的基带线性频谱，负频率分量的频谱可以通过取正频率分量的共轭来得到。可以使用Box Muller法来产生高斯随机变量序列：、是两个服从（0、1）之间不相关的均匀分布。将得到的线性频谱乘上多普勒频谱后,通过求其逆快速傅立叶变换（IFFT）得到的序列分别将作为瑞利衰落系数的实部和虚部,组成N个瑞利衰落系数的幅度将服从瑞利分布，相位服从均匀分布。 总结两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中我们不仅检验了所学的知识，也培养了如何去把握一件事情，去做一件事情，完成一件事情.在设计过程中,我与小组同学分工设计，和相互探讨，相互学习，相互监督.课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程”千里之行始于足下，通过这次课程设计,我深深体会到这句千古名言的真正含义我今天认真的进行课程设计,学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础在这次课程设计过程中我锻炼了自己的思考能力和动手能力。通过题目选择和设仿真设计,加强了我思考问题的完整性和实际生活联系的可行性.在方案设计选择和衰落的选择上，培养了我们对各种衰落的认识。也进一步锻炼了我们个人查阅技术资料的能力，动手能力，发现问题,解决问题的能力.在这次课程设计中，在一、二章节我们了解了本次课程设计的目的意义，并分析了无线移动通信信道的特征，以及信道的几种衰落模型。第四章节中对我们选用的衰落进行了分情况仿真分析。我们日常课程中学习到的典型的模型有瑞利衰落和莱斯衰落等.且由于现在城市通信中几乎不存在视距传播路径,所以各种衰落模型的研究就显得尤为突出.这次课程设计中我们使用了matlab对信道信号的多普勒频移进行了仿真,并通过不同信号的多普勒频移、时延情况进行了几种仿真的对比.通过几种信号的仿真比较对多普勒频移效应有了具体的了解.通过设计与仿真，我们也遇到了很多的困难,比如代码的编写等。相对几种衰落，多普勒频移引起的衰落比较容易仿真，因此我们选用了多普勒频移的仿真。在这次设计过程中,体现出自己单独设计的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，但由于自己的能力有限,不能够灵活运用matlab进行仿真，在设计过程中难免出现错误，恳请老师多多指教。参考文献1覃团发、姚海涛、覃远年、陈海强。 移动通信。 重庆大学出版社2Gordon.Stuber .移动通信原理. 电子工业出版社3沈振元、聂志泉、赵雪符。 通信系统原理. 西安电子科技出版社4邱玲、朱近康、孙葆根、张磊. 第三代移动通信系统. 人民邮电出版社5郭梯云、邬国扬、李建东。 移动通信系统（第三版）. 西安电子科技大学出版社 6陈萍等。 现代通信实验系统的计算机仿真. 国防工业出版社7张贤达、保铮. 通信信号处理。 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