频率选择性瑞利衰落信道中自适应均衡和信道估计的性能分析_图文

1、收稿日期:2009-05-12作者简介:刘冬生(1969-,男,江西安福人,讲师,硕士,主要从事无线局域网协议和信号处理研究.0引言近年来,移动通信和无线网络取得很大的发展。然而,相对于有线信道的稳定性和预测性而言,无线信道具有很大的随机性和时变性。众所周知,无线通信信道最明显的特征是多径衰落效应和时间变化特性1-2,就是存在一条以上的信号传播路径,且信道特性随时间变化较快,具有明显的随参信道特性。多径衰落效应是由于障碍物的折射,散射或反射等原因造成。不同路径到达的信号由于行程不同,信号的幅度和时间延迟将会不同。对高速无线通信,多径效应可导致信道的频率选择性衰落。另外,发射机,接收机或者它们之

2、间物体的运动,使得信道的物理性质发生变化,造成信道参数随时间变化(时域和接收信号频谱的多普勒(Doppler 扩展(频域,也即无线通信信道具有时变(时间选择性和频率选择衰落特性,无线信道的这些特性对接收信号将产生严重失真3。为了得到较好的系统性能,与有线通信相比,无线通信系统一般采用较复杂的信道编码、交织、分集和均衡等技术。因此,研究信道特性及其仿真实现方法对通信系统的设计与性能分析具有重要意义。许多学者对信道特性及信道建模等问题进行了大量的研究,取得了较丰富的成果,其中文献4对信道特性描述、信道建模和信道分析等问题进行了较详细的说明,而文献5对信道仿真的理论和实现方法进行了全面的介绍。本文主

3、要对其中的一种信道模型即频率选择性瑞利衰落信道模型进行分析与仿真。1频率选择性瑞利衰落信道的性能分析1.1瑞利衰落信道简介在衰落信道的处理数字通信系统中,可以使用冲激响应幅度的统计特性描述信道,建立信道模型。常用的信道模型有瑞利(Rayleigh 信道和莱斯(Ricean 信道。当存在大量路径,且无直达路径时,则接收信号的幅度是瑞利分布的,信道是瑞利信道,其冲激响应的包络分布满足如下概率密度分布函数(pdf 6:f (r =r exp -r 2220r 0r <0(1式中,r 是接收信号振幅,r 2是瞬时接收功率,22是多径信号平均功率。其幅度的累积分布函数(cdf 为:P (R =1-

4、R 22222(2由式(1可推得信号的瞬时功率服从如下指数分布:p (r =1exp -r 222(3假定本文给定的接收比特的幅度独立于其它比特,且服从瑞利分布。在此基础上,本文主要考虑频率选择性瑞利衰落信道。我们知道,当发射信号的传输带宽大于信道的相干带宽时,信号中不同频率分量通过信道所受的信道影响是不同的,这种信道称为频率选择性衰落信道。特别是,当数字信号传输速率较高时,频率选择性衰落现象尤为突出,并容易引起严重的符号间干扰(ISI 。为了降低频率选择性衰落对信号传输质量的影响,可使信号的带宽小频率选择性瑞利衰落信道中自适应均衡和信道估计的性能分析刘冬生,郭恺强,肖晓朋(井冈山大学信息科学

5、与传媒学院,江西吉安343009摘要在分析频率选择性瑞利衰落信道性能的基础上,对其信道的自适应均衡和信道估计进行了仿真测试。仿真结果表明在分别采用随机数据和图片两种传输信号的情况下,结果均与理论上的分析是一致的,并提出了今后可能改进的研究工作。关键词频率选择性衰落信道;自适应均衡;信道估计中图分类号TP393文献标识码A文章编号1673-4718(200906-0046-04第30卷第6期2009年6月井冈山学院学报(自然科学Journal of Jinggangshan University(Science and TechnologyVol.30No.6Jun.2009第30卷第6期于多径

6、信道的相干带宽7。1.2频率选择性瑞利衰落信道的性能分析为了对频率选择性瑞利衰落信道进行性能分析,我们首先对其信道冲激响应(CIR 进行计算,因为在一个衰落信道中,其有L 个抽头的信道冲激响应可写成8:E h軋L 2=i=0L -1E a i 2(4其中,a i 表示冲激响应的第i 个抽头,在瑞利衰落信道中,有N 个抽样本的冲激响应h軋的期望值为:E h軋2=N觹E h 2=N (5由文献1可知,经过多普勒扩展后,由复高斯随机变量的幅度和多普勒功率谱的方根可得到信号的谱形。令A軑为颇域中复高斯随机变量的幅度,D 軑为多普勒功率谱的方根。H 軖b 为射频(RF 信号的谱形。利用对角矩阵,由上述分

7、析可得H 軖b 的表达式:H 軖b =·D軑(6其中,CN (0,2是一个对数矩阵,矩阵中每个非零元素是一个复高斯随机变量,且有2=1。故的期望值为:E 2=22I=2I ,I 为单位矩阵。由等式(6,得:E H 軖b 2=E ·D 軑2=22·D 軑2=2D 軑2(7对于h軋b ,可以通过下式来计算出:h 軋b =F -1H 軖b(8根据离散傅立叶变换的Parseval 原理,有h 軋N 2=k=0N -1h n2=1N 觹k=0N -1H k 2=1N 觹k=0N -1H 軖N 2,则可得:h軋b 2=1N觹H 軖b 2(9联合(7和(9式,得:E h 軋b

8、2=1N 觹E H 軖b 2=2N ·D軑2(10可令h軋=h 軋b ,由等式(5有:E h軋2=E h 軋b 2=2E h 軋b 2=N ,由此得:=N E h軋b 2姨,h 軋=h 軋b =N 姨·h 軋b E h軋b 2姨。最后,由(10式得到:h軋=N 姨·h 軋b2·D 軑2姨(11由于在频率选择性衰落信道中故有:E h軋L 2=i=0L -1E a i2=1,且其信道冲激响应的每个抽头是一个具有指数分布的功率时延图。因此每个抽头的期望值可写成:E a i 2=·e-i ·T (12其中,T 表示抽样周期,为时间常数。由此得

9、:i=0L -1E a i 2=i=0L -1·e-i ·T=·i=0L -1e-i ·T=1(13进一步可得到:a=1i=0L -1e -i ·T(14现在可以通过h i 来求a i ,因为E h軋2=N 且h i 是在N 个样本矢量h 軋中的每个样本,所以有E h 軋i2=1。由等式(12,最后得:a i =·e-i ·Th i 姨(15由以上计算和分析可知,对于频率选择性衰落信道,接收信号会出现较大的起伏。具体来说,在短时间内信道会遭受非常深的衰落,这会导致非常大的误码率,实质上影响了系统总体的平均误码率。另外,时延色

10、散也会导致符号间干扰,这也将严重影响数字信号的传输,而且,即使时延扩展小于码元持续时间,误码率性能也将明显地降低。因此,为了降低系统平均误码率,提高系统的性能,一方面在信号发射接收中利用编码和分集技术来使所有收到的信号在同一时刻受到深衰落的概率大大减小,另一方面在接收机中对信号进行自适应均衡和信道估计来减小或消除符号间干扰。下面主要对频率选择性瑞利衰落信道的自适应均衡和信道估计性能进行仿真分析。2频率选择性瑞利衰落信道的性能仿真为了对频率选择性瑞利衰落信道的性能进行分析和比较,本文还考虑另外一种信道:加性白高斯噪声(AWGN 信道。对于AWGN 信道,是为了满足在某个特定的信噪比(SNR 下与

11、其它衰落信道相比,而在信号中直接加入一个白高斯噪声。其信道特点是,误码率(BER 随着信噪比的增加呈指数下降,且信噪比为10dB 时,误码率在10-4数量级以下。另外,系统仿真参数设置如下:载波频率为1.8G ,每个信道的带宽为200kHz ,为了消除由多径引起的符号间干扰(ISI ,系统引人了循环前缀CP ,其长度取N CP =8。训练序列为8%。用户的测试移动速度为20km /h ,自适用滤波器的遗忘因子取=0.99。仿真时使用格雷码(Gray code 且采用QPSK 调制方刘冬生,郭恺强,肖晓朋:频率选择性瑞利衰落信道中自适应均衡和信道估计的性能分析47井冈山学院学报(自然科学第30卷

12、第6期图4两种信道中接收的图像质量比较图2两种信道的BER 性能比较式,所有均衡和信道估计均针对信道的相位信息来进行估计的。仿真采用两种数据形式传输,即随机数据和图片。计算机仿真使用MATLAB 仿真软件,其仿真流程图如图1所示。3仿真结果分析本文在上述基础上,对频率选择性衰落信道和AWGN 信道的误码性能、星座图以及传输的图像质量进行了仿真比较,现分别对它们进行分析。3.1误码率BER由图2可以看出,在AWGN 信道中,仿真出的误码率(BER 非常接近理论上的误码率,因为其误码率是由白高斯噪声决定且可以通过提高信噪比来降低误码率,信道也不会遭受深的衰落;而在频率选择性衰落信道中,仿真出的误码

13、率与AWGN 信道相比误码性能下降,这是因为在衰落信道中,对于相位信息总存在估计错误。从图还可看出,在低的信噪比时性能很好,而在高信噪比时性能下降,这是因为在低信噪比时,是由白高斯噪声决定误码率,而且也可以通过改进信噪比来降低误码率,但在高信噪比时,是由相位估计错误和符号间干扰(ISI 决定误码率,而且其也不能简单的通过改进信噪比来降低误码率,且估计错误会引起更严重的符号间干扰,由此造成更大的误码率。3.2星座图本文还仿真出在频率选择性瑞利衰落信道中的星座图,并对有信道估计和均衡与没有信道估计和均衡时作了比较。如图3所示,画出了在频率选择性衰落信道中信噪比SNR=15dB 时的星座图。从图可以

14、看出,同没有信道估计和均衡相比,BER 的性能和星座图通过信道相位估计和自适应均衡,都得到了很大的提高。3.3接收的图像质量在图4中,我们仿真出同一图像在经过不同信道时所接收到的图像以及与原始图像质量的对比。由图可知,在AWGN 信道中,接收的图像在SNR=5dB 时,由于图像中存在一些随机噪声,影响了图像的质量,但当在SNR=10dB 时,接收的图像质量几乎同原始图像相当;在频率选择性衰落信道中,画出了信噪比SNR=15dB 的接收图像,我们可以看到,在图像中不但有一些随机噪声和块噪声,而且还有图像的重叠,图像质量严重下降。这是因为传输过程中除了存在白高斯噪声和在一个相干时间内存在相位估计错

15、误外,在频率选择性衰落信道中还存在符号间干扰(ISI 。图1仿真流程图图3频率选择性衰落信道的星座图·随机数据原始图像BER 绘图接收的图像判决星座图比较插入导频格雷编码数据到符号的映射器频率选择性衰落信道训练序列均衡器(LMS /RLS 算法··数据48第30卷第6期(责任校对:彭晓冬The Application of Data Mining in the Cigarette CRMOUYANG Xiu-jun 1,LIU Wen 2(1.School of Information Science and Medium ,Jinggangshan Univer

16、sity ,Ji'an 343009,China ;2.Jizhou Audio-visual Equipment Station of Jian ,Jian 343000,China Abstract:The customer information of cigarette marketing is analyzed with the data mining ,and then the potential valuable information can be obtained.Furthermore ,we can improve service level ,continuou

17、siy strive for new customers and help enterprise make correct decision in time.Key words:Data Mining ;Cigarette Marketing ;Customer Relationship Management(上接第42页4总结本文对频率选择性瑞利衰落信道的性能进行了分析,并且通过用随机数据和图像数据两种数据信号的传输来对信道进行了仿真测试。从上述分析和仿真可以看出,频率选择性瑞利衰落信道由于本身存在符号间干扰,且在进行均衡和信道估计时存在相位估计错误,而且由于相位的估计错误会引起更大的符号间

18、干扰,使得其在误码率和传输的图像受到很大的影响,系统性能下降。这同理论上的分析是一致的。另外本文使用的信道估计和均衡都是针对信道的相位信息进行的,但我们还可以结合信道的幅度信息来进行信道估计和均衡。所以对于多径衰落信道,如何更好地进行信道的跟踪和估计,一直是当今研究的热点。参考文献1Rappaport T S.Wireless Communications :Principles and Practics M.Second Edition.2002.2COST 207Management Committee.COST207:digital land mobileradiocommunicati

19、onC.Com -missionoftheEuropean Communities,Luxembourg 1989.3Hashemi H.Impulse response modeling of indoor radio propagation channels Selected Areas in Communications J,IEEE ,1993,11(7:967-978.4Bello P A.Characterization of randomly time-variant linear channels J.IEEE Transactionson Communications Sys

20、tems ,1963,11(4:360-393.5Jeruchim M C ,Balaban P ,Shanmugan K S.Simulation of Communcation Systems :Modeling Methodology and Techniques M.Second Edition,KLUWER ACADEMIC /PLENUMPUBLISHERS,2002.6Sarkar T K ,Ji Z ,Kim K ,et al.A survey of various propa -gation Models for mobile communicationJ.IEEE Ante

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