基于matlab的通信信道与眼图的仿真通信原理课程设计报告书

1、 PAGE14 / NUMPAGES14通信原理课程设计基于matlab的通信信道与眼图的仿真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

2、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 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

3、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，是相对速度与二者连线的夹角，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 vect

4、or（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)40/60/80Sample time1e-6Delay vector(s)0 1e-6Gain vector(dB)0 -6Initial seed12345Normalize gain vector to 0 dB overall gain使能Ber

5、noulli 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 zero0.5Initial seed54321Sample time1e-4Sample per frame(每帧采样)1e4M-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)2Input typeBitSymbol set ordering(符号秩序)Binary(二进制)Frequency Seperation(Hz)1e3Phase c

6、ontinuityContinuousSample per Symbol16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时的多径设置以与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

7、通过程序来研究function h=rayleigh(fd,t) %产生瑞利衰落信道 fc=900*106; %选取载波频率 v1=50*1000/3600; %移动速度v1=50km/h c=3*108; %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/hfd=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

8、(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=

9、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

10、(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。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 Base

11、band(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一样。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)1.2/2.2/3.2Maximum doppler shift(Hz)40/80/120Sample time(1e-4)/16Delay(s)2e-5Gain0Initial seed2273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

12、，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

13、。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

14、开程度变小。“眼睛”的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”开最大的时刻；“眼睛”在特定抽样时刻的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;rcos

15、flt(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 oneyediagram(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 symbol40Offset(samples)20Symbols per trace5Traces displayed40New traces per display10Eye diagram to displayIn-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