matlab瑞利衰落信道仿真与实验报告.docx

MATLAB通信仿真设计指导书
一.设计导读1、设计目的
由于多径和移动台运动等影响因素，使得移动信道对传输信号在时间、频率 和角度上造成了色散，如时间色散、频率色散、角度色散等等，因此多径信道的 特性对通信质量有着至关重要的影响，而多径信道的包络统计特性成为我们研究 的焦点。根据不同无线环境，接收信号包络一般服从几种典型分布，如瑞利分布、 莱斯分布和Nakagami-m分布。在设计中，专门针对服从瑞利分布的多径信道进 行模拟仿真，进一步加深对多径信道特性的了解。
2、仿真原理
(1)瑞利分布简介环境条件：
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(0~2U)均匀分布；各 反射波的幅度和相位都统计独立。
幅度、相位的分布特性：
包络r服从瑞利分布，9在0〜2五内服从均匀分布。瑞利分布的概率分 布密度如图1所示：
号在时间、频率和角度上造成了色散，即时间色散、频率色散、角度 色散等等，因此多径信道的特性对通信质量有着重要的影响，而多径 信道的包络统计特性那么是我们研究的焦点。根据不同无线环境，接收 信号包络一般服从几种典型分布，如瑞利分布、莱斯分布等。在此专 门针对服从瑞利分布的多径信道进行模拟仿真，进一步加深对多径信 道特性的了解。
一、瑞利衰落信道简介：
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。
二、仿真原理
（1）瑞利分布分析环境条件：
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（如视距传播路径），且存在大量反射波，到达接收 天线的方向角随机的（（0~2h）均匀分布），各反射波的幅度和相位 都统计独立。
幅度与相位的分布特性：
包络r服从瑞利分布，。在0〜2兀内服从均匀分布。瑞利分布的概率分布密度如图2-1所示:

图2-1瑞利分布的概率分布密度
(2)多径衰落信道基本模型离散多径衰落信道模型为
N(t)9⑺⑺以"a)
k=l其中，〃⑺复路径衰落，服从瑞利分布；心是多径时延。多径衰落 信道模型框图如图2-2所示：
图2-2多径衰落信道模型框图
(3)产生服从瑞利分布的路径衰落
r(t)

利用窄带高斯过程的特性，其振幅服从瑞利分布，即「⑺:⑺2 +4⑺2
上式中小⑺、%⑺，分别为窄带高斯过程的同相和正交支路的基带信 号。
三、仿真程序：
function [h] =rayleigh (fd, t) %产生瑞利衰落信道
fc=900*10A6;
vl=30*1000/3600;
c=3*10A8;fd=vl*fc/c;
ts=l/10000;t=0:ts:1;
hl=rayleigh(fd,t); v2=120*1000/3600;fd=v2*fc/c;
h2=rayleigh(fd,t);
%选取载波频率
%移动速度vl=30 km/h
%定义光速%多普勒频移
%信道抽样时间间隔%生成时间序列
%产生信道数据
%移动速度v2 = 12 0km/h%多普勒频移
%产生信道数据
subplot(2,1,1),plot(20*log10(abs (hl (1:10000))))title「v=30km/h时的信道曲线1 )
xlabel「时间 1 ) ; ylabel ( 1 功率 f )subplot(2,1,2),plot(20*logl0(abs (h2 (1:10000))))
title。v=120km/h时的信道曲线!)xlabel「时间 1 ; ylabel「功率 1 ) function [h]=rayleigh(fd,t)
%该程序利用改进的jakes模型来产生单径的平坦型瑞利衰落信道 %输入变量说明：
1:信道的最大多普勒频移 单位Hz t :信号的抽样时间序列，抽样间隔单位s h为输出的瑞利信道函数，是一个时间函数复序列
N=40;%假设的入射波数目
wm=2*pi*fd;
M=N/ 4 ;%每象限的入射波数目即振荡器数目
Tc=zeros (1, length (t));告信道函数的实部
Ts=zeros (1, length (t) ) ; %信道函数的虚部
P_nor=sqrt (1/M) ;%归一化功率系
theta=2*pi*rand (1,1) -pi; %区别个条路径的均匀分布随机相位 for n=l:M%第:1条入射波的入射角
alfa (n) = (2*pi*n-pi+theta)/N;f i_tc=2*pi*rand (1,1) -pi;%对每个子载波而言在(-pi, pi)之
间均匀分布的随机相位fi_ts=2*pi*rand(1,1)-pi;
%计算冲激响应函
Tc=Tc+2*cos(wm*t*cos(alfa(n))+fi_tc);Ts=Ts+2*cos(wm*t*sin(alfa(n))+fi ts);
数
end;
h= P nor* (Tc+j*Ts) ;%乘归一化功率系数得到传输函数
I、仿真结果:
图4-1结果图片untitled.fig
「Q Figure 1、.匕 | 回

图4-2输入程序
File Edit Debug Parallel
Desktop Win<

A “ D G
* HD Q
I MATLAB 7.9.0 (R2009b)Shortcuts H How to Add £1 What's New
,Editor - Untitled*& Start Ready
File Edit Text Go Cell Tools Debug Desktop Window Help"g ci - i.o + i.i ' 森建 Q
1
3 function [h]=rayleigh(fd,t) %产生瑞利哀碧信道
2
fc=900«10,6;
%选取货波频率
3
vl=30*1000/3600;
%移动变度vl=30kn/h
4
c=3«10'8.
%定义光速
5
fd=vl*fc/c；
%多普勒频移
6
ts=l/10000:
%信省油洋时间间隔
7
t=0:ts:l:
%生成时间序列
8
hl=rayleigh(f d, t);
%产生信道数据
9
v2=120*I000/3600;
%移动深度v2=l20kii/h
10
fd=v2*fc/c:
'多普方频修
11
h2=rayleigh(fd, t):
%产生信道救据
12
subplot (2,1, 1),plot (20*logl0(abs(hl (1:10000))))
13
title('v=30kK/h时的信迫曲殛’)
14
xlabel ('时可)：ylabelC 功率’)
15
subplot (2, 1,2), plot(20«log 10(abs(h2(l: 10000))))
16
titleCv=120kn/h时的信语曲线')
17
xlabel ('时间’)：ylabelC 功率’)
18
function [h]=x^ylcixb(fd,t)
19
J%谀程序利用改进的Jakes模型来产生单径的平坦型瑞利衰落信道
20
%输入费要说明:

21
% fd：信道的最大多苦勤级移单位取
22
% t :信号的油样时间序列，抽样词幅单位$
23
* h为输出的瑞利信道困数，是一个时间由数良序列
24
11=40: %假设的入射波数目
25
vm=2*px*f d;

26
M=N/4; %每象限的入射技数目印振荡罟数目
27
Tc=zeros(l, length(t)) ：%信道函数的实部
28
Ts=zero$(l, length(t)): %信消函款的虚部
29
P_nor=sqrt (1/M)
：、归一化功军系
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MATLAB desktop keyboard shortcuts, su In addition, many keyboard shortcuts across the desktop.
Io customize keyboard shortcuts, use restore previous default settings by f ion the *Act ive settings'* dr op-downIn 39 Col 41 |OVR
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图4-3保存程序并命名, Editor - Untitled*
File Edit
Text Go Cell Tools Debug Desktop Window Help
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Stack:
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1.0
1114
1820
□ functir fc=900 vl=30* c=3*10 fd=vl*f ts=l/10 t=0:ts: hl=rayl v2=120* f d=v2*f h2=rayl subplot title (' xlabel( subplot title C xlabel(□ functio 百％该程, %输入变
2122
fd：
t :(E - I ny IRJ12JSR SrT»7"J
2324
N=40： %假设的入射波数目

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口以。的I电要/•息□ 0| ■ □
v=120km/h时的信道曲线
图4-4运行效果展示:
4 MATLAB 7.9.0 (R2009b)pie Edit Debug Parallel Desktop Window Help
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时间五、实验结论：
速度越大对信道瑞利衰落影响越大
0.7

图1瑞利分布的概率分布密度
（2）多径衰落信道基本模型根据ITU-RM. 1125标准，离散多径衰落信道模型为
N⑺=初一％)
(1)
k=l其中，〃（。复路径衰落，服从瑞利分布；人是多径时延。多径衰落信道模型
框图如图2所不:
图2多径衰落信道模型框图

(3)产生服从瑞利分布的路径衰落r(t)利用窄带高斯过程的特性，其振幅服从瑞利分布，即
2)二，9⑺2 +4⑺2
(2)

n (0 n (t)上式中，八,、 八，分别为窄带高斯过程的同相和正交支路的基带信号。
首先产生独立的复高斯噪声的样本，并经过FFT后形成频域的样本，然后与 S (f)开方后的值相乘，以获得满足多普勒频谱特性要求的信号，经IFFT后变 换成时域波形，再经过平方，将两路的信号相加并进行开方运算后，形成瑞利衰 落的信号r(t)。如下列图3所示：

图3瑞利衰落的产生示意图其中，
S(/) =
1.5
(3)

（4）产生多径延时乙多径/延时参数如表1所示:
表1多径延时参数
Tap
Relative delay (ns)
Average power (dB)
1
0
0
2
310
-1.0
3
710
-9.0
4
1 090
-10.0
5
1 730
-15.0
6
2510
-20.0

3、仿真框架
根据多径衰落信道模型（见图2）,利用瑞利分布的路径衰落r（t）（见图3） 和多径延时参数，（见表1）,我们可以得到多径信道的仿真框图，如图4所示;
输入信号。sl(tp4、参考仿真结果
(1)多普勒滤波器的频响The Frequency Response of Doppler Filter
图5多普勒滤波器的频响

(2)多普勒滤波器的统计特性
00.511.522.533.54
Amplitude Distribution Of Rayleigh Signal 150 10050
0
Angle Distribution Of Rayleigh Signal 1500 1000500
0-4-3-2-101234
01000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000
图6多普勒滤波器的统计特性 (3)信道的时域输入/输出波形 Signal Input 2 1 0 -1 -2
Signal Output4
2 0-2
-40 WOO 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000
图7信道的时域输入/输出波形
二、设计任务
（1）查找资料，了解瑞利衰落信道模型的分类，结合某种模型，掌握瑞 利分布的多径信道仿真原理，用MATLAB仿真实现瑞利分布的多径信道的仿 真；（2）根据已学的知识，实现一种基带信号的模拟调制并做出仿真；
（3）结合（1）步和（2）步，观察已调信号通过瑞利信道后的时域波形 图和频谱图。
（4）对仿真结果做适当分析。
MATLAB仿真程序要求：
（1）参数设计准确、合理；（2）关键语句加注释；
（3）仿真结果正确，图形清晰；三、局部参考仿真代码
%main.mclc;
Length0fSignal=10240; %信号长度(最好大于两倍fc)fm=512; %最大多普勒频移
fc=5120; %载波频率t=l:LengthOfSignal; % SignalInput=sin(t/100);
Signalinput=sin(t/100)+cos (t/65) ;%信号输入 delay=[0 31 71 109 173 251];power=[0 -1 -9 -10 -15 -20]; %dB
y_in= [zeros (1, delay (6)) Signalinput] ;%为时移补零y_out二zeros (1, LengthOfSignal) ;%用于信号输出
for i=1:6
Rayl;y_out=y_out+r. *y_in(delay(6)+l-delay(i):delay(6)+LengthOfSignal-delay (i))*10 (power (D/20);
end;figure (1);
subplot ⑵ 1, 1);plot (Signalinput (delay (6) +1: LengthOfSignal)) ; %去除时延造成的空白信号 title Signal Input');
subplot (2, 1, 2);plot (y out (delay(6)+1:LengthOfSignal)) ; %去除时延造成的空白信号
title (? Signal Output');figure (2);
subplot (2, 1, 1);hist (r, 256);
titleAmplitude Distribution Of Rayleigh SignaT)subplot (2, 1, 2);
hist(angle(rO));titleAngle Distribution Of Rayleigh SignaT );
figure(3);plot (Sf1);
titleThe Frequency Response of Doppler Filter，);%Rayl.m
f=l:2*fm-l; %通频带长度y=0. 5./((l-((f-fm)/fm)<2)<(l/2))/pi; %多普勒功率谱(基带)
Sf=zeros (1, LengthOfSignal);Sfl二y;%多普勒滤波器的频响
Sf (fc-fm+1: fc+fm-l)=y; %(把基带映射到载波频率)xl=randn (1, LengthOfSignal);
x2=randn (1, LengthOfSignal);nc=ifft (fft (xl+i*x2). *sqrt (Sf)) ; %同相分量
x3=randn (1, LengthOfSignal);x4=randn (1, LengthOfSignal);
ns=ifft (fft (x3+i*x4). *sqrt (Sf)) ; %正交分量r0= (real (nc) +j*real (ns)) ; %瑞利信号
r=abs (rO) ; %瑞利信号幅值封面:
题目：瑞利衰落信道仿真实验报告题目：MATLAB仿真瑞利衰落信道实验报告
引 言
由于多径效应和移动台运动等影响因素，使得移动信道对传输信