频率选择性衰落信道模型研究报告及仿真

1、-. z邮电大学通达学院 毕 业 设 计论 文题 目 频率选择性衰落信道模型研究与仿真 专 业 网络工程 学生 班级*指导教师何雪云 评阅教师周克琴 指导单位 通信与信息工程学院无线电工程系 日期：2012年 11月 26 日至 2013 年 6月 21 日毕业设计论文原创性声明本人重声明：所提交的毕业设计论文，是本人在导师指导下，独立进展研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的容外，本毕业设计论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本研究做出过重要奉献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明并表示了意。论文作者签名： 日期： 年 月 日摘要在移动通信中，信号经过不同的路径传送

2、到接收端，合成的接收信号相对于发送信号会产生衰落，这就是多径衰落。本文研究了频率选择性衰落信道的特点；并且运用仿真软件Matlab对频率选择性衰落信道进展模拟仿真，实现了基于Jake模型的频率选择性衰落信道的建模。并利用建立起来的模型比拟了具有不同载波频率、数据传输速率以及移动台移动速度的移动通信系统所具有的信道衰落特性。仿真结果说明：移动通信系统的参数会影响其信道的衰落特性。关键词：频率选择性衰落; 瑞利衰落信道； Jake模型ABSTRACTIn mobile munications, signal arrives at the receiver through different tra

3、nsmission paths. The synthesis of the received signals in relation to the original signal will be faded, which is multi-path fading. In this paper, we research the frequency selectivefading channels characteristics；And make the simulation to frequency selective fading channels with the tool MATLAB,

4、which is based on jack model modeling. Using the established models, we pare the channel fading characteristics of different mobile munication systems which have different carrier frequencies, data transmission rates and mobile speeds. The simulation shows that: The mobile munication systems paramet

5、ers will affect their channel fading characteristics.Keywords:Frequency-selective fading;Rayleigh channels; Jake model目 录 TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc358481561第一章绪论 PAGEREF _Toc358481561 h 1HYPERLINK l _Toc3584815621.1移动通信技术 PAGEREF _Toc358481562 h 1HYPERLINK l _Toc3584815631.2移动通信信道 PAGEREF _To

6、c358481563 h 2HYPERLINK l _Toc3584815641.3本次毕业设计的任务 PAGEREF _Toc358481564 h 3HYPERLINK l _Toc358481565第二章移动通信信道 PAGEREF _Toc358481565 h 4HYPERLINK l _Toc3584815662.1移动通信系统 PAGEREF _Toc358481566 h 4HYPERLINK l _Toc3584815672.2移动通信信道的分类 PAGEREF _Toc358481567 h 5HYPERLINK l _Toc3584815682.3移动通信信道的特性 PA

7、GEREF _Toc358481568 h 6HYPERLINK l _Toc358481569第三章频率选择性衰落信道模型 PAGEREF _Toc358481569 h 9HYPERLINK l _Toc3584815703.1瑞利衰落的特性 PAGEREF _Toc358481570 h 9HYPERLINK l _Toc3584815713.2Jake模型的具体算法 PAGEREF _Toc358481571 h 12HYPERLINK l _Toc3584815723.3基于Jake模型和抽头延时线实现频率选择性衰落信道建模 PAGEREF _Toc358481572 h 16HYP

8、ERLINK l _Toc358481573第四章 Matlab仿真技术 PAGEREF _Toc358481573 h 17HYPERLINK l _Toc3584815744.1Matlab仿真软件 PAGEREF _Toc358481574 h 17HYPERLINK l _Toc3584815754.2本次仿真过程中遇到的函数 PAGEREF _Toc358481575 h 19HYPERLINK l _Toc358481576第五章基于Jake模型的频率选择性衰落信道仿真 PAGEREF _Toc358481576 h 19HYPERLINK l _Toc3584815775.1仿真

9、的根本过程 PAGEREF _Toc358481577 h 21HYPERLINK l _Toc3584815785.2仿真结果及分析 PAGEREF _Toc358481578 h 21HYPERLINK l _Toc358481579完毕语 PAGEREF _Toc358481579 h 27HYPERLINK l _Toc358481580致 PAGEREF _Toc358481580 h 28HYPERLINK l _Toc358481581参考文献 PAGEREF _Toc358481581 h 29HYPERLINK l _Toc358481582附录 PAGEREF _Toc35

10、8481582 h 30-. z第一章 绪论1.1移动通信技术当今的社会已经进入了一个信息化的社会，没有信息的传递和交流，人们就无法适应现代化的快节奏的生活。移动通信可以说从无线电创造之日就产生了。1897年，马可尼所完成的无线通信实验就是在固定站与一艘拖船之间进展的。而蜂窝移动通信的开展是在二十世纪七十年代中期以后的事。移动通信综合利用了有线、无线的传输方式，为人们提供了一种快速便捷的通讯手段。由于电子技术，尤其是半导体，集成电路及计算机技术的开展，以及市场的推动，使物美价廉、轻便可靠、性能优越的移动通信设备成为可能。第一代是模拟蜂窝移动通信网，时间是本世纪七十年代中期至八十年代中期。197

11、8年，美国贝尔实验室研制成功先进移动系统(AMPS)，建成了蜂窝状移动通信系统。而其它工业化国家也相继开发出蜂窝式移动通信网。这一阶段相对于以前的移动通信系统，最重要的突破是贝尔实验室在七十年代提出的蜂窝网的概念。蜂窝网，即小区制，由于实现了频率复用，大大提高了系统容量。第一代移动通信系统的主要特点是采用频分复用，语音信号为模拟调制，每隔30KHz/25KHz一个模拟用户信道。为了解决模拟系统中存在的技术缺陷，数字移动通信技术应运而生，并且开展起来，这就是以GSM和IS-95为代表的第二代移动通信系统，时间是从八十年代中期开场。欧洲首先推出了泛欧数字移动通信网(GSM)的体系。随后，美国和日本

12、也制订了各自的数字移动通信体制。数字移动通网相对于模拟移动通信，提高了频谱利用率，支持多种业务效劳，并与ISDN等兼容。第二代移动通信系统以传输话音和低速数据业务为目的，因此又称为窄带数字通信系统。第二代数字蜂窝移动通信系统的典型代表是美国的DAMPS系统，IS-95和欧洲的GSM系统。由于第二代移动通信以传输话音和低速数据业务为目的，从1996年开场，为了解决中速数据传输问题，又出现了2.5代的移动通信系统，如GPRS和IS-95B。移动通信现在主要提供的效劳仍然是语音效劳以及低速率数据效劳。由于网络的开展，数据和多媒体通信的开展势头很快，所以，第三代移动通信的目标就是移动宽带多媒体通信。第

13、三代移动通信系统最早由国际电信联盟于1985年提出，当时称为未来公众陆地移动通信系统。主要体制有WCDMA，cdma2000和TD-SCDMA。1999年11月5日，国际电联ITU-RTG8/1第18次会议通过了IMT-2000无线接口技术规建议，其中我国提出的TD-SCDMA技术写在了第三代无线接口规建议中。总的来说，第一代模拟系统对应的接入技术是频分多址技术FDMA，它仅能提供9.6kbits通信带宽。其典型系统，如美国的模拟系统AMPS、北欧的移动系统NMT、英国的全接入通信系统TACS等。第二代窄带数字系统的接入技术主要有时分多址技术TDMA和码分多址技术CDMA两种，它可以提供9.6

14、28.8kbits的传输速率。其典型系统，如欧洲的全球移动通信系统GSM、北美的数字增强型系统IS-136、CDMAOneIS-95A、IS-95B、日本的个人数字蜂窝系统PDC等。与第一代模拟蜂窝移动通信相比，第二代移动通信系统具有性强、频谱利用率高、能提供丰富的业务、标准化程度高等特点。无论是第一代还是第二代，主要针对话音通信设计的，话音仍是当前和未来一段时间移动通信市场的基石和主阵地。数字话音移动通信仍是移动通信的主流市场。特别对开展中国家而言，人们对通信的需求还主要集中在话音领域，所以，在未来几年中，第二代数字话音通信仍然是这些国家移动通信市场的重点和支柱。但是我们充分相信：在移动通信

15、中，数据通信量也将在*一天超过话音通信。但要完成专门针对未来多媒体通信的第三代系统建立还需时日，所以如何利用现有的第二代数字系统实现数据通信，是填补市场需求空间的必然选择。分析家们认为，实际3G技术所具备的功能绝大局部其实完全就可以在目前第二代无线技术的根底上实现，特别是随着移动通信和因特网效劳快速开展而随之产生的移动数据通信要求。其方法有两种：一是在以为主的蜂窝移动通信系统中增加传送数据的能力；二是移动通信与因特网的结合。由此产生了几种相关技术，如通用分组无线效劳GPRS技术；增强数据速率改良EDGE技术；IS-95B利用码聚集技术；CDMA20001*技术、无线应用协议WAP技术；Blue

16、tooth技术等1.2移动通信信道通信信道(munication Channel)是数据传输的通路，在计算机网络道分为物理信道和逻辑信道。物理信道指用于传输数据信号的物理通路，它由传输介质与有关通信设备组成；逻辑信道指在物理信道的根底上，发送与接收数据信号的双方通过中间结点所实现的逻辑通路，由此为传输数据信号形成的逻辑通路。逻辑信道可以是有连接的，也可以是无连接的。 物理信道还可根据传输介质的不同而分为有线信道和无线信道，也可按传输数据类型的不同分为数字信道和模拟信道。与其它通信信道相比，移动通信信道是最为复杂的一种。多径衰落和复杂恶劣的电波环境是移动通信信道区别与其他信道最显著的特征，这是由

17、运动中进展无线通信这一方式本身所决定的。在典型的城市环境中，一辆快速行驶的车辆上的移动台所接收到的无线电信号在一秒钟之的显著衰落可达数十次，衰落深度可达20-30 dB。这种衰落现象将严重降低接收信号的质量，影响通信的可靠性。为了有效地克制衰落带来的不利影响，必须采用各种抗衰落技术，包括：分集接收技术、均衡技术和纠错编码技术等。1.3本次毕业设计的任务本次毕业设计就是要深入理解无线信道的特点和分类，重点研究频率选择性衰落信道，并利用Matlab仿真工具通过Jake模型和抽头延时线对其进展建模。通过建立的模型掌握载波频率、移动台移动速度等对信道衰落特性的影响。第二章 移动通信信道2.1移动通信系

18、统移动通信系统主要有蜂窝系统，集群系统，AdHoc网络系统，卫星通信系统，分组无线网，无绳系统，无线电传呼系统等。蜂窝系统是覆盖围最广的陆地公用移动通信系统。在蜂窝系统中，覆盖区域一般被划分为类似蜂窝的多个小区。每个小区设置固定的基站，为用户提供接入和信息转发效劳。移动用户之间以及移动用户和非移动用户之间的通信均需通过基站进展。基站则一般通过有线线路连接到主要由交换机构成的骨干交换网络。蜂窝系统是一种有连接网络，一旦一个信道被分配给*个用户，通常此信道可一直被此用户使用。蜂窝系统一般用于语音通信。集群系统与蜂窝系统类似，也是一种有连接的网络，一般属于专用网络，规模不大，主要为移动用户提供语音通

19、信。卫星通信系统的通信围最广，可以为全球每个角落的用户提供通信效劳。在此系统中，卫星起着与基站类似的功能。卫星通信系统按卫星所处位置可分为静止轨道、中轨道和低轨道3种。卫星通信系统存在本钱高、传输延时大、传输带宽有限等缺乏。上述移动通信系统都需要有线网络通信根底设施的支持，如基站、交换机、卫星等。这些设施的建立和运转需要大量的人力和物力，因此本钱比拟高，同时建立的周期也长。Ad Hoc网络不需要基站的支持，由主机自己组网，因此，网络建立的本钱低，同时时间短，一般只要几秒钟或几分钟。上述通信系统中，移动终端之间并不直接通信，并且移动终端只具备收发功能，不具备转发功能。而Ad Hoc网络由移动主机

20、构成，移动主机之间可以直接通信，而移动主机不仅收发数据，同时还转发数据。此外目前的移动通信系统主要为用户提供语音通信功能，通常采用电路交换，拓扑构造比拟稳定。而Ad Hoc网络使用分组转发技术，主要为用户提供数据通信效劳，拓扑构造易于变化。AdHoc网络是一种没有有线根底设施支持的移动网络，网络中的节点均由移动主机构成。AdHoc网络最初应用于军事领域，它的研究起源于战场环境下分组无线网数据通信工程，该工程由DARPA资助，其后，又在1983年和1994年进展了抗毁可适应网络SURANSurvivable Adaptive Network和全球移动信息系统GloMoGlobalInformat

21、ionSystem工程的研究。由于无线通信和终端技术的不断开展，Ad Hoc网络在民用环境下也得到了开展，如需要在没有有线根底设施的地区进展临时通信时，可以很方便地通过搭建Ad Hoc网络实现。在AdHoc网络中，当两个移动主机在彼此的通信覆盖围时，它们可以直接通信。但是由于移动主机的通信覆盖围有限，如果两个相距较远的主机要进展通信，则需要通过它们之间的移动主机的转发才能实现。因此在Ad Hoc网络中，主机同时还是路由器，担负着寻找路由和转发报文的工作。在Ad Hoc网络中，每个主机的通信围有限，因此路由一般都由多跳组成，数据通过多个主机的转发才能到达目的地。故Ad Hoc网络也被称为多跳无线

22、网络。Ad Hoc网络可以看作是移动通信和计算机网络的穿插。在Ad Hoc网络中，使用计算机网络的分组交换机制，而不是电路交换机制。通信的主机一般是便携式计算机、个人数字助理PDA等移动终端设备。Ad Hoc网络不同于目前因特网环境中的移动IP网络。在移动IP网络中，移动主机可以通过固定有线网络、无线链路和拨号线路等方式接入网络，而在Ad Hoc网络中只存在无线链路一种连接方式。在移动IP网络中，移动主机通过相邻的基站等有线设施的支持才能通信，在基站和基站代理和代理之间均为有线网络，仍然使用因特网的传统路由协议。而Ad Hoc网络没有这些设施的支持。此外，在移动IP网络中移动主机不具备路由功能

23、，只是一个普通的通信终端。当移动主机从一个区移动到另一个区时并不改变网络拓扑构造，而Ad Hoc网络中移动主机的移动将会导致拓扑构造的改变。2.2移动通信信道的分类移动通信信道可分为短波信道，超短波信道，微波信道。短波信道：短波按照国际无线电咨询委员会(CCIR，现在的ITU-R)，的划分是指波长在l00ml0m，频率为3MHz30MHz的电磁波。利用短波进展的无线电通信称为短波通信，又称高频(HF)通信。实际上，为了充分利用短波近距离通信的优点，短波通信实际使用的频率围为1.5MHz30MHz。与卫星通信、地面微波、同轴电缆、光缆等通信手段相比，短波通信也有着许多显著的优点：1)短波通信不需

24、要建立中继站即可实现远距离通信，因而建立和维护费用低，建立周期短;2)设备简单，可以根据使用要求固定设置，进展定点固定通信。也可以背负或装入车辆、舰船、飞行器中进展移动通信;3)电路调度容易，临时组网方便、迅速，具有很大的使用灵活性;4)对自然灾害或战争的抗毁能力强。通信设备体积小，容易隐蔽，便于改变工作频率以躲避敌人干扰和窃听，破坏后容易恢复。短波通信也存在着一些明显的缺点：1)可供使用的频段窄，通信容量小。按照国际规定，每个短波电台占用3.7kHz的频率宽度，而整个短波频段可利用的频率围只有28.5MHz。为了防止相互间的干扰，全球只能容纳7700多个可通信道，通信空间十分拥挤。并且3kH

25、z通信频带宽度，在很大程度上限制了通信的容量和数据传输的速率。2)短波的天波信道是变参信道，信号传输稳定性差。短波无线电通信主要是依赖电离层进展远距离信号传输的，电离层作为信号反射媒质的弱点是参量的可变性很大。它的特点是路径损耗、延时散步、噪声和干扰，都随昼夜、频率、地点而不断变化着。一方面电离层的变化使信号产生衰落，衰落的幅度和频次不断变化。另一方面天波信道存在着严重的多径效应，造成频率选择性衰落和多径延时。选择性衰落使信号失真，多径延时使接收信号在时间上扩散，成为短波链路数据传输的主要限制。3)大气和工业无线电噪声干扰严重。随着工业电器化的开展，短波频段工业电器辐射的无线电噪声干扰平均强度

26、很高，加上大气无线电噪声和无线电台间干扰，在过去，几瓦、十几瓦发射功率就能实现的远距离短波无线电通信，而在今天，10倍、几十倍于这样的功率也不一定能够保证可靠的通信。大气和工业无线电噪声主要集中在无线电频谱的低端，随着频率的升高，强度逐渐降低。虽然，在短波频段这类噪声干扰比中长波段低，但强度仍很高，影响着短波通信的可靠性，尤其是脉冲型突发噪声，经常会使数据传输出现突发错误，严重影响通信质量。2、超短波信道。利用30300 兆赫波段的无线电波传输信息的信道。由于超短波的波长在 110米之间，所以也称米波通信。整个超短波的频带宽度有 270兆赫，是短波频带宽度的10倍。1超短波通信利用视距传播方式

27、，比短波天波传播方式稳定性高，受季节和昼夜变化的影响小。 2天线可用尺寸小、构造简单、增益较高的定向天线。这样，可用功率较小的发射机。 3频率较高,频带较宽,能用于多路通信。4调制方式通常用调频制，可以得到较高的信噪比。通信质量比短波好。3、微波信道：微波常指频率在1000兆赫MHz以上波长在30厘米以下的电磁波。微波的传播特性类似于光的传播，一般沿直线传播，绕射能力很弱，一般进展视距的通信，对于长距离通信可采用接力的方式，为微波接力通信，或称微波中继通信也可利用对流层传播进展通信，称为对流层散射通信；或利用人造卫星进展转发，即卫星通信。微波通信的特点是：1通信频段的频带宽，传输信息容量大。2

28、通信稳定、可靠。3在进展地面上的远跟离通信时，必须采用接力的方式，发端信号经假设干中间站屡次转发，才能到达收端。4通信灵活性较大。5天线增益高、方向性强。6投资少、建立快。2.3移动通信信道的特性信道是任何一个通信系统所必不可少的组成局部。陆地数字移动通信的信道和固定通信信道(无线本地环路例外)是完全不同的。在固定通信中,信号的传输媒介是人工制作,例如双绞线、电缆、光纤等。这些媒质的传输特性在相当长的时间是十分稳定的，可以认为这种信道为恒参信道。而在陆地移动通信信道中，信号在空间中自由传播，受外界信道条件的影响很大。由于天气的变化、建筑物和移动物体的遮挡、反射和散射作用以及移动台的运动造成的多

29、普勒频移的影响等造成信道的变化，可以认为这种信道为随参信道。移动通信信道的主要特点：传播的开放性，一切无线信道都是基于电磁波在空间传播来实现信息传播的；接收点地理环境的复杂性与多样性，高楼林立的城市中心繁华区，以一般性建筑物为主的近郊小城镇区，以山丘、湖泊、平原为主的农村及远郊区，通信用户的随机移动性慢速步行时的通信，高速车载时的不连续通信。移动通信信道中电磁波传播的特点：直射波，它指在视距覆盖区无遮挡的传播，直射波传播的信号最强。多径反射波，指从不同建筑物或其他物体反射后到达接收点的传播信号，其信号强度次之。绕射波，从较大的山丘或建筑物绕射后到达接收点的传播信号，其强度与反射波相当。散射波，

30、由空气中离子受激后二次发射所引起的漫反射后到达接收点的传播信号，其信号强度最弱。移动通信系统号的损耗：路径传播损耗，又称衰耗，它是指电波在空间传播所产生的损耗，它反映了传播在宏观大围(即公里量级)的空间距离上的接收信号电平平均值的变化趋势。慢衰落损耗，它是由于在电波传输路径上受到建筑物及山丘等的阻挡所产生的阴影效应而产生的损耗。它反映了中等围数百波长量级接收电平的均值变化而产生的损耗，其变化率较慢故又称为慢衰落，由于慢衰落表示接收信号的长期变化，所以又称长期衰落long-term-fading。快衰落损耗，它主要由于多径传播而产生的衰落，由于移动体周围有许多散射、反射和折射体，引起信号的多径传

31、输，使到达的信号之间相互叠加，其合成信号幅度表现为快速的起伏变化，它反映微观小围数十波长量级接收电平的均值变化而产生的损耗，其变化率比慢衰落快，故称它为快衰落，由于快衰落表示接收信号的短期变化，所以又称短期衰落(short-term -fading。仔细划分快衰落又可分为以下三类：空间选择性衰落、频率选择性衰落、时间选择性衰落。所谓选择性是指在不同的空间，不同的频率和不同的时间其衰落特性是不一样的。空间选择性衰落，多径信号到达天线阵列的到达角度的展宽称为角度扩展。角度展宽给出信号的主要能量的角度围，产生空间选择性衰落。频率选择性衰落，假设发射端发射的是一个时间宽度极窄的脉冲信号，经过多径信道后

32、，由于各信道时延的不同，接收端接收到的信号为一串脉冲，即接收信号的波形比原脉冲展宽了。这种由于信道时延引起的信号波形的展宽称为时延扩展。时延扩展产生频率选择性衰落。时间选择性衰落，多普勒扩展是一种由于多普勒频移现象引起的衰落过程的频率扩散，又称时间选择性衰落。移动信道的特点及其带来的传播上的特点，对接收点的信号将会产生三种效应：阴影效应，移动台在运动中，由于大型建筑物和其他物体对电波的传输路径的阻挡而在传播接收区域上形成半盲区，从而形成电磁场阴影，这种随移动台位置的不断变化而引起的接收点场强中值的起伏变化叫做阴影效应。阴影效应是产生慢衰落的主要原因。远近效应，由于接收用户的随机移动性，移动用户

33、与基站间的距离也是在随机的变化，假设各用户发射功率一样，则到达基站的信号强弱不同，离基站近信号强，离基站远信号弱。通信系统的非线性则进一步加重，出现强者更强、弱者更弱和以强压弱的现象，通常称这类现象为远近效应。因为CDMA是一个自干扰系统，所有用户共同使用同一频率，所以远近效应问题更加突出。多普勒效应，它是由于接收的移动用户高速运动而引起传播频率的扩散而引起的，其扩散程度与用户的运动速度成正比。随参信道的一般衰落特性和选择性衰落特性，是严重影响信号传输的重要特性。至于前面所说的慢衰落特性，因为它的变化速度十分慢，通常可以通过调整设备参量如调整发射功率来弥补。而为了抗快衰落，通常可采用多种措施，

34、例如，各种抗衰落的调制解调技术、抗衰落接收技术及扩频技术等。其中，明显有效且被广泛应用的措施之一，就是分集接收技术。其根本思想就是，快衰落信道中接收的信号是到达接收机的各径分量的合成，如果在接收端同时获得几个不同路径的信号，将这些信号适当合并构成总的接收信号，则能够大大减小衰落的影响。关于具体的分集接收的方法，这里不再赘述。总之，移动通信系统的信道特性是非常复杂的，而解决这些特性带来的负面影响则是移动通信系统中的关键技术。我们研究移动通信系统的性能，就必须仔细研究此系统的信道特性，这对于提高系统的性能非常重要。第三章 频率选择性衰落信道模型3.1瑞利衰落的特性我们已经知道，无线环境中存在多径效

35、应引起的快衰落和地形环境缓慢变化所引起的阴影衰落。另外，多径衰落信道的特性还可以通过频率选择性衰落和时间选择性衰落来加以研究。当信号通过信道时，这两种衰落情况的产生与否不但与信道的特征参数有关，还与信号的参数有关。我们可以用多径扩展d和相干带宽BWc来衡量信道的频率选择性特性。两个频率间隔靠得比拟近的衰落信号，存在不同的时间延迟，可能使两个信号变得相关起来。符合这一条件的频率间隔取决于多径扩展。这个频率间隔称为相干带宽或相关带宽。相干带宽的准确定义在不同的参考文献中有不同的定义。典型的定义是： (3.1)当信号的带宽W远大于相干带宽BWc或者说信号的持续时间T远小于多径扩展d时，信号以多条路径

36、到达接收端经过矢量叠加之后，会造成接收信号在有的频率上幅度较大，而在有的频率上幅度较小，也就是信道对不同频率信号的衰减是不一致的，引起所谓的频率选择性衰落。时间选择性衰落的特性可以用多普勒扩展Bd和相干时间Td来衡量。对于时间选择性衰落，起伏变化的接收信号电平不再相关的最小时间间隔称为信道的相干时间。该参数的物理意义是：如果两个观测时刻间隔小于相干时间，则在这两个时刻接收到的信号电平可以认为经历了非选择性衰落；反之，如果这两个时间间隔大于相干时间，则认为这两个时刻所接收到的信号所经历的衰落没有什么相关性。相干时间定义为 (3.2)当信号的持续时间T远大于相干时间Td或者信号带宽W远小于多普勒扩

37、展Bd时，会造成接收信号幅度在一个持续时间的起伏变化，即信号在不同的时间上遭受不同的衰落，也就是所谓的时间选择性衰落。根据发送的信号带宽W和数字信号的码元周期T与相干带宽BWc和相干时间Td的关系，衰落信道可以分为以下四种类型：非色散信道，也称时/频非选择性衰落信道： (3.3)时间色散信道，也称频率选择性衰落信道： ( 3.4)频率色散信道，也称时间选择性衰落信道： (3.5)双重色散信道，接收信号既遭受频率选择性衰落又遭受时间选择性衰落： 3.6 OFDM技术是将高速传输的数据流分配到个子载波上并行传输的，这时符号的持续时间Ts就变成并行传输之前的倍，很容易满足远大于多径扩展这一条件；OF

38、DM信道中的子信道带宽一般也在几十到几百kHz，远大于多普勒频移一般为100Hz数量级，所以在使用了OFDM技术的无线通信中，信道应属于频率非选择性慢衰落信道，即瑞利衰落信道。移动通信中接收信号是经过多径传播的多路信号的矢量叠加。下面就介绍一下接收信号的情况。在接收信号中，第n路信号以与移动台运动方向成n(t)的角度到达接收天线，从而引入的多普勒频移为：fD,n(t) = fmcosn(t) Hz (3.7)这里fm= v/c，为最大多普勒频移。多普勒频移可正可负，这与其入射角度有关。假设要传输的带通信号为：s(t) = Reu(t) (3.8)这里u(t)是复低通信号，fc是载波频率。如果信

39、道包括N条路径，则接收到的带通信号为： *(t)=Re (3.9)这里r(t)是复低通接收信号： (3.10)n(t)和n(t)分别是第n路信号的幅度和时延。将式(3.10)重写为： (3.11)这里 (3.12)是第n路信号的相位。从(3.11)式，我们知道信道可看成时变线性滤波器，其复低通脉冲响应为： (3.13)这里c(,t)是t时刻信道对t时刻输入脉冲的响应。从式(3.11)和式(3.12)可以看出：因为fc + fD,n(t)非常大，时延n(t)很小的变化都会引起n(t)很大的改变。在任何时刻t，随机相位对信号的重建都有着奉献性的或消灭性的影响。而幅度n(t)依赖于散射体的外表形状或

40、衍射体的大小，在很小的空间围，这些量不会发生显著的改变。因此，衰落主要由多普勒频移fD,n(t)和时延所引起的相位n(t)的快速变更导致的。假设发送一未调制载波，则接收信号相当于信道的转移函数，对接收信号的研究就相当于对信道的研究，此时接收到的复低通信号为： (3.14)由式(3.8)，接收到的带通信号可写成：*(t) = rI(t)cos2fctrQ(t)sin2fct (3.15) (3.16) (3.17)r(t) = rI(t) + jrQ(t)，当N比拟大时，rI(t)和rQ(t)都可以近似为独立分布的高斯随机过程。当不存在直射分量时， rI(t)和rQ(t)的均值为零，其复包络(t

41、) = |r(t)|的概率密度是瑞利分布的： ( 0 ) (3.18)其中2是同相和正交分量的方差，通常在宏蜂窝环境利衰落比拟多见。对于瑞利分布的包络，其平均功率为： (3.19)当存在直射分量且不强时，rI(t)和rQ(t)的均值不为零，其复包络为莱斯分布： ( 0 ) (3.20)这里 (3.21) 2表示散射的同相和正交分量的功率，s是直射分量的幅度，I0()是零阶修正贝塞尔函数。莱斯衰落在微蜂窝环境中比拟多见。我们定义莱斯因子： (3.22)当K = 0时，信道是瑞利衰落的，当K = 时，信道就不衰落了。对于莱斯分布的包络，平均功率为。 (3.23)定义复低通信号的相位为： (3.24

42、)在瑞利衰落中，rI(t)和rQ(t)是相互独立的高斯随机过程，可知(t)在，之间均匀分布，即 () (3.25)对多径衰落信道最准确的模拟是利用磁带记录下实际宽带信道的数据来进展的，但这样很难控制信道的特征参数。因为我们经常需要评估在*种信道条件下系统的性能，因此能够控制信道的特征参数就很有必要，鉴于此，对多径衰落信道的计算机模拟是很有意义的。而Jake模型是瑞利衰落信道最常用的一种信道模型。3.2Jake模型的具体算法 我们假设随机过程是广义平稳的，即fD,n(t) = fD,n，n(t) = n，n(t) = n，n(t) = n，并假设每路多径分量的强度均为1，即n = 1。则接收到的

43、复低通包络为： (3.26)这里 (3.27)N路入射信号分量的角度是均匀分布的： (3.28) 如果N/2是奇数，则式(3.26)可写为： (3.29)这里 (3.30)考察(3.29)式第一个等式中的求和局部，当n从1取到N/21时，第一项的多普勒频移从+2fmcos(2/N)到2fmcos(2/N)，第二项中的多普勒频移从2fmcos(2/N)到+2fmcos(2/N)，有重复的频率分量，因此可以改写成第二个等式中的求和，为了保持功率不变，需乘以因子。对(3.29)式作变换，得到： (3.31)其中是一个任意相位， (3.32)n的取值将在下面讨论。去掉式(3.31)中的系数，得到其同相

44、分量和正交分量： (3.33) (3.34)当我们选择恰当的和n使得 (3.35)并且 (3.36)这里表示时间平均，则可以保证r(t) = rI(t) + jrQ(t)的相位是均匀分布的。3.37 (3.38) (3.39)令 = 0，n = n/M，则，根本满足式(3.35)和式(3.36)的要求。 对Jake信道的计算机模拟，是完全根据上节Jake模型的推导进展的。模型的同相分量和正交分量为： 3.40 (3.41)其中fm = v/c，fn= fm cos(2n / N)，n = n / M,。则满足0.5当较大时， 从理论上讲，多径数N应为无限多，才能运用中心极限定理将同相分量rI(

45、t)和正交分量rQ(t)近似为高斯分布，我们这里取N = 34，M = 8已能满足要求。又因为和的取值使成立，可知rI(t)和rQ(t)是均值为0且相互独立的高斯过程，因此(t) = | rI(t) + jrQ(t)|是瑞利分布的。利用(3.40)和(3.41)式，产生2500个样点，其中，得到图3.1所示的瑞利衰落包络，其中包络电平以包络的均分根为参考的。图3.1 Jake模型生成的瑞利衰落信号的包络为了分析Jake模型所产生信号包络的概率分布，我们先生成100000个样点，然后统计包络取不同值时的概率，画出如图3.2所示的信号包络的概率分布，从此图我们可以看出，其分布和瑞利分布一致。图3.

46、2 Jake模型生成的瑞利衰落信号包络概率分布3.3基于Jake模型和抽头延时线实现频率选择性衰落信道建模由于频率非选择性衰落信道满W BWc，因此在信号带宽W可以划分为W/ BWc=WT个互不相关或独立的频率间隔，每个频率间隔中的多径分量具有很强的相关性是不可分辨的。也就是说，频率选择性衰落信道可以划分为WT=T/(1/W)个互相独立的瑞利衰落信道，或者说承受信号的多径分量是可分辨的，其分辨率为l/W。所以信道数学模型为抽头延迟线模型，如下列图所示，起抽头数为L=TW+1,抽头系数L=TW+1,抽头系数Ck(t)k=1，2，L为相互独立的复高斯过程。1/W1/W1/W相加 图3.3 频率选择

47、性衰落信道抽头延迟线模型第四章 Matlab仿真技术4.1Matlab仿真软件MATLAB是美国Math Works公司推出的一种面向工程和科学计算的交互式计算软件。它以矩阵运算为根底，把计算、可视化、程序设计融合在一个简单易用的交互式工作环境中，是一款数据分析和处理功能都非常强大的工程实用软件。在20世纪70年代中期，Cleve Moler博士和其同事在美国国家科学基金的资助下开发了调用EISPACK和LINPACK的FORTRAN子程序库。EISPACK是特征值求解的FORTRAN程序库，LINPACK是解线性方程的程序库。在当时，这两个程序库代表矩阵运算的最高水平。到20世纪70年代后期

48、，身为美国New Me*ico大学计算机系系主任的Clev e Moler，在给学生讲授线性代数课程时，想教学生使用EISPACK和LINPACK程序库，但他发现学生用FORTRAN编写接口程序很费时间，于是他开场自己动手，利用业余时间为学生编写EISPACK和LINPACK的接口程序。Cleve Moler给这个接口程序取名为MATLAB，该名为矩阵matri*和实验室laboratory两个英文单词的前三个字母的组合。在以后的数年里，MATLAB在多所大学里作为教学辅助软件使用，并作为面向群众的免费软件广为流传。1983年春天，Cleve Moler到Stanford大学讲学，MATLAB

49、深深地吸引了工程师John Little。John Little敏锐地觉察到MATLAB在工程领域的广阔前景。同年，他和 Cleve Moler、Sieve Bangert一起，用C语言开发了第二代专业版。这一代的MATLAB语言同时具备了数值计算和数据图示化的功能。1984年，Cleve Moler和 John Lithe成立了MathWorks公司，正式把MATLAB推向市场，并继续进展MATLAB的研究和开发。在当今30多个数学类科技应用软件中，就软件数学处理的原始核而言，可分为两大类。一类是数值计算型软件，如 MATLAB、*math、Gauss等，这类软件长于数值计算，对处理大批数据

50、效率高；另一类是数学分析型软件，如Mathematica、Maple等，这类软件以符号计算见长，能给出解析解和任意精度解，其缺点是处理大量数据时效率较低。MathWorks公司顺应多功能需求之潮流，在其卓越数值计算和图示能力的根底上，又率先在专业水平上开拓了其符号计算、文字处理、可视化建模和实时控制能力，开发了适合多学科、多部门要求的新一代科技应用软件MATLAB。经过多年的国际竞争，MATLAB 已经占据了数值型软件市场的主导地位。在MATLAB进入市场前，国际上的许多应用软件包都是直接以FORTRAN和C语言等编程语言开发的。这种软件的缺点是使用面窄、接口简陋、程序构造不开放以及没有标准的

51、基库，很难适应各学科的最新开展，因而很难推广。MATLAB的出现，为各国科学家开发学科软件提供了新的根底。在MATLAB问世不久的20世纪80年代中期，原先控制领域里的一些软件包纷纷被淘汰或在MATLAB上重建。时至今日，经过Math Works公司的不断完善，MATLAB已经开展成为适合多学科、多种工作平台的功能强劲的大型软件。在国外，MATLAB已经经受了多年考验。在欧美等高校，MATLAB已经成为线性代数、自动控制理论、数理统计、数字信号处理、时间序列分析、动态系统仿真等高级课程的根本教学工具；成为攻读学位的大学生、硕士生、博士生必须掌握的根本技能。在设计研究单位和工业部门，MATLAB

52、被广泛用于科学研究和解决各种具体问题。一种语言之所以能如此迅速地普及，显示出如此旺盛的生命力，是由于它有着不同于其他语言的特点。正如同FORTRAN和C等高级语言使人们摆脱了需要直接对计算机硬件资源进展操作一样，被称作为第四代计算机语言的MATLAB，利用其丰富的函数资源，使编程人员从繁琐的程序代码中解放出来。MATLAB的最突出的特点就是简洁。MATLAB用更直观的、符合人们思维习惯的代码，代替了C和FORTRAN语言的冗长代码。MATLAB给用户带来的是最直观、最简洁的程序开发环境。以下简单介绍一下MATLAB的主要特点。语言简洁紧凑，使用方便灵活，库函数极其丰富。MATLAB程序书写形式

53、自由，利用其丰富的库函数避开繁杂的子程序编程任务，压缩了一切不必要的编程工作。由于库函数都由本领域的专家编写，用户不必担忧函数的可靠性。可以说，用MATLAB进展科技开发是站在专家的肩膀上。具有FORTRAN和C等高级计算机语言知识的读者可能已经注意到，如果用FORTRAN或C语言去编写程序，尤其当涉及矩阵运算和画图时，编程会很麻烦。例如，如果用户想求解一个线性代数方程，就得编写一个程序块读入数据，然后再使用一种求解线性方程的算法例如追赶法编写一个程序块来求解方程，最后再输出计算结果。在求解过程中，最麻烦的要算第二局部。解线性方程的麻烦在于要对矩阵的元素作循环，选择稳定的算法以及代码的调试都不

54、容易。即使有局部源代码，用户也会感到麻烦，且不能保证运算的稳定性。解线性方程的程序用FORTRAN和C这样的高级语言编写至少需要好几十行。再如用双步QR方法求解矩阵特征值，如果用FORTRAN编写，至少需要四百多行，调试这种几百行的计算程序可以说很困难。运算符丰富。由于MATLAB是用C语言编写的，MATLAB提供了和C语言几乎一样多的运算符，灵活使用MATLAB的运算符将使程序变得极为简短。MATLAB既具有构造化的控制语句如for循环、while循环、break语句和if语句，又有面向对象编程的特性。语法限制不严格，程序设计自由度大。例如，在MATLAB里，用户无需对矩阵预定义就可使用。程

55、序的可移植性很好，根本上不做修改就可以在各种型号的计算机和操作系统上运行。MATLAB的图形功能强大。在FORTRAN和C语言里，绘图都很不容易，但在MATLAB里，数据的可视化非常简单。MATLAB还具有较强的编辑图形界面的能力。MATLAB的缺点是，它和其他高级程序相比，程序的执行速度较慢。由于MATLAB的程序不用编译等预处理，也不生成可执行文件，程序为解释执行，所以速度较慢。功能强劲的工具箱是MATLAB的另一重大特色。MATLAB包含两个局部：核心局部和各种可选的工具箱。核心局部中有数百个核心部函数。其工具箱又可分为两类：功能性工具箱和学科性工具箱。功能性工具箱主要用来扩大其符号计算

56、功能、图示建模仿真功能、文字处理功能以及与硬件实时交互功能。功能性工具箱能用于多种学科。而学科性工具箱是专业性比拟强的，如control、toolbo*、signal processing toolbo*、munication toolbo*等。这些工具箱都是由该领域的学术水平很高的专家编写的，所以用户无需编写自己学科围的根底程序，而直接进展高、精、尖的研究。4.2本次仿真过程中遇到的函数PLOT函数：plot命令翻开一个称为图形窗口的窗口，将坐标轴缩扩以适应并描绘数据。如果已经存在一个图形窗口，则plot命令会去除当前图形窗口的图形，绘制新的图形。plot函数的根本调用格式为：1、ploy(

57、y)当y为向量时，是以y的分量为纵坐标，以元素序号为横坐标，用直线依次连接数据点，绘制曲线。假设y为实矩阵，则按列绘制每列对应的曲线。2、plot(*,y)假设y和*为同维向量，则以*为横坐标,y为纵坐标绘制连线图。假设*是向量，y是行数或列数与*长度相等的矩阵，则绘制多条不同色彩的连线图，*被作为这些曲线的共同横坐标。假设*和y为同型矩阵，则以*,y对应元素分别绘制曲线，曲线条数等于矩阵列数。3、plot(*1,y1,*2,y2,)在此格式中，每对*,y必须符合plot(*,y)中的要求，不同对之间没有影响，命令将对每一对*,y绘制曲线。以上三种格式中的*,y都可以是表达式。plot是绘制一

58、维曲线的根本函数，但在使用此函数之前，须先定义曲线上每一点的*以及y坐标。legend函数的根本用法是LEGEND(string1,string2,string3, .)分别将字符串1、字符串2、字符串3标注到图中，每个字符串对应的图标为画图时的图标。Zeros:产生全零矩阵。Cos:三角函数。Sqrt:求算数平方根。第五章 基于Jake模型的频率选择性衰落信道仿真5.1仿真的根本过程利用Matlab工具完成Jake模型和抽头延时线的实现。改变模型的参数载频、移动速度等观察信道时域和频域特性的改变。5.2仿真结果及分析第一组仿真：频率选择性不强，时间选择性不强载频、车速都低的一组Jingshu

59、=1;tao_ma*=1;nonzeropath=1;PDF=0; QUOTE =9e8; V=10。第二组仿真：频率选择性不强，时间选择性较强载频高、车速都低的一组Jingshu=1;tao_ma*=1;nonzeropath=1;PDF=0; QUOTE =2e9; V=10。第三组仿真：频率选择性不强，时间选择性较强载频低、车速高的一组Jingshu=1;tao_ma*=1;nonzeropath=1;PDF=0; QUOTE =9e8; V=300。第四组仿真：频率选择性不强，时间选择性较强载频高、车速高的一组Jingshu=1;tao_ma*=1;nonzeropath=1;PDF=

60、0; QUOTE =2e9; V=300。第五组仿真：频率选择性强，时间选择性不强载频、车速都低的一组Jingshu=5;tao_ma*=20;nonzeropath=1,4,9,16,20;PDF=0,-3,-5,-9,-11; QUOTE =9e8; V=10。第六组仿真：频率选择性强，时间选择性较强载频高、车速都低的一组Jingshu=5;tao_ma*=20;nonzeropath=1,4,9,16,20;PDF=0,-3,-5,-9,-11; QUOTE =2e9; V=10。第七组仿真：频率选择性强，时间选择性较强载频低、车速高的一组Jingshu=5;tao_ma*=20;non