基于matlab的通信信道及眼图的仿真-通信原理课程设计.doc

通信原理课程设计
基于matlab的通信信道及眼图的仿真
作者:

摘要
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则是我们研究的焦点。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。因此我们对瑞利信道、莱斯信道进行了仿真并针对服从瑞利分布的多径信道进行模拟仿真。由于眼图是实验室中常用的一种评价基带传输系统的一种定性而方便的方法，“眼睛”的张开程度可以作为基带传输系统性能的一种度量，它不但反映串扰的大小，而且也可以反映信道噪声的影响。为此，我们在matlab上进行了仿真,加深对眼图的理解。
关键词：瑞利信道 莱斯信道 多径效应 眼图
一、 瑞利信道
在移动通信系统中，发射端和接收端都可能处于不停的运动状态之中，这种相对运动将产生多普勒频移。在多径信道中，发射端发出的信号通过多条路径到达接收端，这些路径具有不同的延迟和接收强度，它们之间的相互作用就形成了衰落。MATLAB中的多径瑞利衰落信道模块可以用于上述条件下的信道仿真。
多径瑞利衰落信道模块用于多径瑞利衰落信道的基带仿真，该模块的输入信号为复信号，可以为离散信号或基于帧结构的列向量信号。无线系统中接收机与发射机之间的相对运动将引起信号频率的多普勒频移，多普勒频移值由下式决定：

其中v是发射端与接收端的相对速度，θ是相对速度与二者连线的夹角，λ是信号的波长。
Fd的值可以在该模块的多普勒平移项中设置。由于多径信道反映了信号在多条路径中的传输，传输的信号经过不同的路径到达接收端，因此产生了不同的时间延迟。当信号沿着不同路径传输并相互干扰时，就会产生多径衰落现象。在模块的参数设置表中，Delay vector（延迟向量）项中，可以为每条传输路径设置不同的延迟。如果激活模块中的Normalize gain vector to 0 dB overall gain,则表示将所有路径接收信号之和定为0分贝。信号通过的路径的数量和Delay vector（延迟向量）或Gain vector(增益向量)的长度对应。Sample time(采样时间)项为采样周期。离散的Initial seed(初始化种子)参数用于设置随机数的产生。
1.1、Multipath Rayleigh Fading Channel(多径瑞利衰落信道)模块的主要参数
参数名称
参数值
Doppler frequency(Hz)
40/60/80
Sample time
1e-6
Delay vector(s)
[0 1e-6]
Gain vector(dB)
[0 -6]
Initial seed
12345
Normalize gain vector to 0 dB overall gain
使能

Bernoulli Random Binary Generator(伯努利二进制随机数产生器)的主要参数
参数名称
参数值
Probability of a zero
0.5
Initial seed
54321
Sample time
1e-4
Sample per frame(每帧采样)
1e4

M-FSK Modulator/Demodulator Baseband(基带M-FSK调制/解调器)的主要参数
参数名称
参数值
M-ary number(元数)
2
Input type
Bit
Symbol set ordering(符号秩序)
Binary(二进制)
Frequency Seperation(Hz)
1e3
Phase continuity
Continuous
Sample per Symbol
16
瑞利信道仿真系统
使用不同的多径设置，可以得到不同的传输特性（体现在误码率上）。
多普勒最大频偏值分别为40Hz,60Hz,80Hz时的多径设置以及显示出的误码率分别如下：
1、40Hz时：

2、60Hz时：

3、80Hz时：

可以看出随着多普勒最大频偏值的增大(40->60->80)，误码率(误码仪输出结果第一行的值)也随之增大。

1.2、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
(1)
其中,复路径衰落，服从瑞利分布; 是多径时延。 多径衰落信道模型框图如图2所示：

图2 多径衰落信道模型框图

下面我们通过程序来研究

function [h]=rayleigh(fd,t) %产生瑞利衰落信道
fc=900*10^6; %选取载波频率
v1=50*1000/3600; %移动速度v1=50km/h
c=3*10^8; %定义光速
fd=v1*fc/c; %多普勒频移
ts=1/12000; %信道抽样时间间隔
t=0:ts:1; %生成时间序列
h1=rayleigh(fd,t); %产生信道数据
v2=150*1000/3600; %移动速度v2=150km/h
fd=v2*fc/c; %多普勒频移
h2=rayleigh(fd,t); %产生信道数据
subplot(2,1,1),plot(20*log10(abs(h1(1:10000))))
title('v=50km/h时的信道曲线')
xlabel('时间');ylabel('功率')
subplot(2,1,2),plot(20*log10(abs(h2(1:10000))))
title('v=150km/h时的信道曲线')
xlabel('时间');ylabel('功率')
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：
%fd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=60; %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)); %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=1:M %第i条入射波的入射角
alfa(n)=(2*pi*n-pi+theta)/N;
fi_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;
Tc=Tc+2*cos(wm*t*cos(alfa(n))+fi_tc);
Ts=Ts+2*cos(wm*t*sin(alfa(n))+fi_ts); %计算冲激响应函数
end;
h= P_nor*(Tc+j*Ts); %乘归一化功率系数得到传输函数

仿真结果：

可见速度越大对瑞利衰落信道影响越大。

二、 莱斯信道
在移动通信系统中，如果发送端和接收端之间存在一种占优势的视距传播路径，则该信道可以用莱斯信道来模拟，仿真系统如下所示。MATLAB中莱斯衰落信道模块主要参数如下表所示。仿真系统中模块Bernoulli Random Binary Generator(伯努利二进制随机数产生器)的主要参数和M-FSK Modulator/Demodulator Baseband(基带M-FSK调制/解调器)模块的主要参数都与瑞利信道的仿真系统相同。
Rician Fading Channel(莱斯衰落信道)模块的主要参数
参数名称
参数值
K-factor(因子K)
1.2/2.2/3.2
Maximum doppler shift(Hz)
40/80/120
Sample time
(1e-4)/16
Delay(s)
2e-5
Gain
0
Initial seed
2273
表a

莱斯信道模型系统如下：
K值为1.2时：

K值为2.2时：

K值为3.2时：

图b

莱斯信道模块用于莱斯衰落信道的基带仿真，适用于无线通信系统中发射信号主要以视线方式传输到接收端情况下的模块进行仿真。输入信号为复信号，可以是离散或基于帧结构的列向量。莱斯信道衰落将引起信号能量的扩散，该模块参数K-factor是莱斯分布的统计描述，是信号直达方向功率与散射功率之比。无线系统中接收机与发射机之间的相对运动将引起信号频率的多普勒频移。多普勒频移的仿真参数可以在该模块的Maximum doppler shift 参数项中设置。参数Sample time表示采样周期，参数Delay指定传输延迟，参数Gain指定增益，参数Initial seed 指定高斯噪声产生的初始化种子值。上图b所示的各图实例仿真中，对FSK信号通过莱斯信道的误码率进行了仿真。K值愈大，表示多径的能量愈小，误码率愈小。多普勒频移愈小，误码率愈小。
三． 眼图
评价基带传输系统的一种定性而方便的方法是观察接收端的基带信号波形。如果将接收波形输入示波器的垂直放大器，把产生水平扫描的锯齿波周期与码元定时同步（这时每个码元将重叠到间隔（0，Ts）上），则在示波器屏幕上可以观察到类似人眼的图案，称之为“眼图”（eye pattern）。在二元码时，一个码元周期内只能观察到一只“眼睛”，三元码时能观察到两只“眼睛”，对于M元码则有（M-1）只“眼睛”。满足无码间串扰的基带信号，由于在相邻抽样时刻的串扰恒为零，因而可以得到轮廓非常清晰的且在M个电平处汇聚为一个点的眼图。如果不满足无码间串扰条件，则在抽样时刻的M个电平不可能聚为一点，而成发散状，从而“眼睛”的张开程度变小。“眼睛”的张开程度可以作为基带传输系统性能的一种度量，它不但反映串扰的大小，而且也可以反映信道噪声的影响。
眼图为基带传输系统的性能提供了大量的信息。在一般情况下：
•眼图张开部分的宽度决定了接收波形可以不受串扰影响而抽样¸重建的时间间隔，显然，抽样的最佳时刻是“眼睛”张开最大的时刻；
•“眼睛”在特定抽样时刻的张开高度决定了系统的噪声容限；
•“眼睛”的闭合斜率决定了系统对抽样定时误差的敏感程度，斜率愈大则对定时误差愈敏感。
我们仿真的是，产生一个二进制随机方波序列，画出通过升余弦滤波器后，方波的高频分量成分滤掉后绘出的眼图。
clear all;
x=randint(3000,1,2);
y=[[0];rcosflt(x,1,10)]; %绘出y的时域图形
figure(1)
t=1:30061;
plot(t,y);axis([1,300,-0.5,1.5]);
title('时域波形图')
grid on
eyediagram(y,20,4); %调用MATLAB函数绘出y的 眼图
t1=t';
D=[t1 y]; %y与时间变量t1组成文件变量D

仿真后的时域波形图为：

仿真后的眼图为：

也可以利用MATLAB中的Simulink建模同时利用上一方法中的数据D，眼图模块的主要参数如下表所示。

参数名称
参数值
Samples per symbol
40
Offset(samples)
20
Symbols per trace
5
Traces displayed
40
New traces per display
10
Eye diagram to display
In-phase Only(仅显示同相分量)

眼图仿真框图
四．课题设计总结：
这次的课程设计让我更进一步地掌握了Matlab的使用，体会到了Matlab的强大功能。同时，通过这次课程设计，我也学到了不少知识，掌握了通信系统仿真设计的基本方法，了解了瑞利信道的特性，多径效应，莱斯信道以及眼图的仿真等等。由此，我加深了对通信原理的理解。有一些不懂的部分，通过查资料以及和同学交流，逐渐掌握，这真的是一件很累但富有挑战性的事情。希望在今后的学习中，我能学到更多的知识充实自己。

五．通信原理课程设计参考资料

[1] 《通信原理》，樊昌信 曹丽娜，2006年第六版 国防工业出版社
[2] 《基于MATLAB的通信系统仿真》，赵静 张瑾 等，北京航空航天大学出版社，2007年
[3] 《MATLAB仿真在通信与电子工程中的应用》，徐明远 邵玉斌，2005年，西安电子科技大学出版社