衰落信道的无线通信系统的分析与仿真

1、为了更好的了解和掌握衰落信道中无线通信系统的性能，提出了基于MATLAB的无线衰落信道仿真模型，采用64QAM调制方式，信道编码用了（7,4）线性分组码，利用MATLAB中SIMULINK通信系统仿真模型库进行（7,4）线性分线图。在完成衰落信道的性能分析之后，并与高斯信道下的性能进行对比。关键字： SIMULINK 64QAM 无线衰落 高斯信道 仿真前言.31 64QAM设计原理及衰落信道.41.1 64QAM通信系统基本模型.41.2 无线衰落信道.41.3 64QAM调制技术.51.4 64QAM调制的主要技术指标.62 线性分组码基本原理.72.1 线性分组码.72.2 编码原理.7

2、2.3 纠错原理.93 SIMULINK 概述.113.1 Simulink的模块操作.113.1.1 主要模块的简介.123.2 Simulink的功能.124 衰落信道的性能分析与仿真.144.1 SIMULINK中模块仿真.144.1.1 信号源及模块参数.154.1.2 线性分组码（7，4）.154.1.3 主要模块参数设置.164.2 64QAM通信系统仿真.174.3 性能分析.19总结.20参考文献.21致 谢.22为主。由于多径和接收端运动等因素的影响，使得无线信道对接收信号在时间、频率和角度上造成了色散，这种色散表现在接收信号幅度上就是所谓的信号衰落，因此，多径效应对通信质量

3、有着至关重要的影响。正交幅度调制QAM是数字谱利用率。它的调制效率高，对传输途径的信噪比要求高，具有带宽利用率高，抗噪声强等特点，适合有线电视电缆传输；我国有线电视网中广泛应用的DVB-C调制即QAM 调制方式。QAM是幅度和相位联合调制的技术，它同时利用了载波的最小距离相同的条件下，QAM星座图中可以容纳更多的星座点即可实现更高的频带利用率。一组固定长度的码组，可表示为（n , 度，而n-k个监督位的作用就是实现检错与纠错。1 64QAM1.1 64QAM通信系统基本模型64QAM通信系统基本模型如图1.1所示。噪声性能分析图1.1 64QAM通信系统基本模型64QAM比，对系统进行仿真，分

4、析不同信噪比情况下的系统性能。根据信道编码方式，选择对应的信道解码方式。信号经过调制、信道、解调过程。在接收端，将得到的数据与原始信号源数率曲线图，并给出各关健点信号眼图及星座图以及功率谱图。1.2 无线衰落信道动终端所接收信号的快衰落部分遵循瑞利统计分布，移动环境则称为瑞利环境理论模型使用来自不同方向(即N个信号路径)反散射信号的叠加来表示移动4终端的接收信号。瑞利衰落信道可以通过实部和虚部都服从独立的高斯分布变量来仿真生成。不过，在一般情况下，人们只对幅度的波动感兴趣。针对这种情况，大体上有两类方法可以仿真产生瑞利衰落信道。一类方法是Jakes模型来实现瑞利衰落信道，另一类方法是利用高斯白

5、噪声通过滤波器的方法对瑞利衰落信道进行建斯白噪声过程通过谱成形滤波器后，各样本过程之间就引入了一定数量的相关波器采用具有最大多普勒频移的多普勒滤波器。1.3 64QAM调制技术64QAM调制是基于DVB-C的有线数字电视的核心技术，所谓QAM是用两个独立的基带信号对两个相互正交的同频载波进行抑制载波的双边带调制。在 mQAM中m叫状态数，通常取值为和256，状态越低（意味着星座点 DVB-C 标准中规定使用的是64QAM，需要特别注意的是64QAM的名称虽为正交幅度调制，但实际上却是所谓的振幅-相位联合键控，这是一个有线数字电视中非常重要的概念，正因为 QAMHFC传输网络质量的要求高于模拟电

6、视。64QAM中的64个状态（星座点）上的每个星中采用的是8进制（或8电平，提6比特（6位二进制组成，从6比特中。所谓mQAM是用两个独立的基带信号对两个相互正交的同频载波进行抑制载ml(t)和和sinct是相互正交的载波，则发送端形成的正交振幅调制信号为：e (t) m (t)cosw tm (t)sinw t0IcQc5其中：cosct为同相信号或I信号，sinct是正交信号或Q信号。以64QAM为例，经28和+7共8个电平，则调制器 I（正交）输出的 8 个信号为+7sinct、+5sinct、+3sinct、输出的8和-7cosct。两路己调信号相加共有64个不同的组合，这样便形成64

7、QAM的星座图。1.4 64QAM调制的主要技术指标64QAM的MER的MER要大于30dB。64QAM 通信系统性能指标：传输速率、误码率、适应性、使用维修性、经济可以充分利用带宽，并且抗噪声能力强。62 nk线性分组码是一组固定长度的码组，可表示为（ , ），通常它用于前n-krr下面以（7，4）汉明码为例说明原理：来表示这 7 5 4 3 2 1 0的值与错误码元位置的对应关系表 2.1 校正子和错码位置的关系1 2 3101110111000aa04aa15a263则由表2.1可得监督关系式：s a a a a（2.2）（2.3）（2.4）16542s a a a a26531s a

8、a a a36430a a a a6在发送端编码时，信息位的值决定于输入信号，因此它们是随机的。监5 4 3a a a督位 、 、 210s s s式（2.4）中 、 、 的值为0（表示编成的码组中应无错码）123aa a a 06542a a a 0a6531a a a a 0(2.5)6430式（2.5）经过移项运算，接触监督位aa a a2654a a aa1653a a a a0643(2.6)式（2.5）其等价形式为： a 6a 5 1 1 1 0 1 0 0 a0 4 1 1 0 1 0 1 0 a 0 3 1 0 1 1 0 0 1 a 0 2a 1 a 0(2.7)式（2.6）

9、还可以简记为其中H A 0 或AH 0TTT1 1 1 0 1 0 0H 1 1 0 1 0 1 0A aaa aa aa6 5 4 3 2 1 01 0 1 1 0 0 0 0 0 081 1 1 01 0 0P 1 1 0 1 I 0 1 0r1 0 1 10 0 1(2.8)(2.9)所以有 H r式（2.6）等价于 1 1 1 1 1 0 a a a a a a a a a a a Q1 0 1210654365430 1 (2.10)(2.11)其中Q为P的转置，即Q PT式（2.10）表示,信息位给定后，用信息位的行矩阵乘矩阵Q就产生出监督位。我们将Q的左边加上一个kk阶单位方阵，

10、就构成一个矩阵G1 0 0 0 1 1 10 1 0 0 1 1 0G IQ 0 0 1 0 1 0 10 0 0 1 0 1 1(2.12)(2.13)G称为生成矩阵，因为由它可以产生整个码组，即有 a a a a a aa a a a a G6 5 4 3 2 1 06 5 4 3或者A a a a a G(2.14)6543式(2.13)即汉明码的编码原理。2.3 纠错原理数字信号编码成汉明码形式（文中即A）后在信道中传输，由于信道中噪声码纠错，以提高通信系统的抗干扰能力及可靠性。9一般来说接收码组与A不一定相同。若设接收码组为一n列的行矩阵B，即B bbbbb6 5 4 3 2 1 0

11、(2.15)(2.16)(2.17)则发送码组和接收码组之差为BAEE就是传输中产生的错码行矩阵E e e e ee ee6 5 4 3 2 1 0若eeii可改写成B AE(2.18)若E=0，即接收码组无错,则BAEA即有BH 0(2.19)T当接收码组有错时，E0，将B带入式（2.8）后，该式不一定成立。在未超过检错能力时，式（2.19）不成立。假设此时式（2.19）的右端为S,即BH S(2.20)T将 BAES (AE)H AH EHTTT由式（2.8）可知，所以S EH(2.21)Ts s s1 2 3此处S与前面的有着一一对应关系，则S能代表错码位置。S,再根据表2.1判断错码情

12、况，进行差错纠正。103 设置与控制，以达到特定的目的。Simulink 作为一个具有友好用户界面的系统复杂的系统，对于这个系统作出的任何改变都可能影响到整个系统的性能和稳Simulink作为Matlab包，提供了仿真所需的信源编码、纠错编码、信道、调制解调以及其它所用的全部库函数和模块。可见，不管对任何复杂的通信系统，用Simulink对其仿真都是一个不错的选择。Simulink是MATLAB包，它与MATLAB语言的主要区别在于，其与用户交互接口是基于Windows的模非语言的编程上。所谓模型化图形输入是指Simulink提供了一些按功能分类的以构成所需要的系统模型（以mdlSimulin

13、k进行系统的建模仿真，其最大的优点是易学、易用，并能依托MATLAB提供的丰富的仿真资源。3.1 Simulink的模块操作Simulink模块是构成 Simulink何动态系统模型。在创建模型时，用户必须知道，Simulink把模块分为两种类如果用户在模型中添加或删除一个非纯虚模块，那么Simulink会改变模型的动理模型。113.1.1 主要模块的简介1.悬浮Scope模块 可以从Simulink的Sinks库中把Scope按钮设置悬浮示波器，或者直接从Sinks库中把Floating Scope模块拷贝到模被选择的信号，悬浮示波器通过坐标轴系周围的篮筐来辨别。在一个Simulink续显示

14、用户选择的信号。2. Display模块Display信号或矩阵信号。当信号的显示范围超出 Display 模块的边界，会在 Display只需用鼠标拉大Display模块的显示面板即可。3.2 Simulink的功能1. 交互式、图形化的建模环境Simulink 提供了丰富的模块库以帮助用户快速地建立动态系统模型。建模时只需使用鼠标拖放不同模块库中的系统模块并将它们连接起来。2. 交互式的仿真环境Simulink 框图提供了交互性很强的仿真环境，既可以通过下拉菜单执行仿式对于运行一大类仿真如蒙特卡罗仿真非常有用。3. 专用模块库(Blocksets)作为Simulink建模系统的补充，Mat

15、hWorks公司还开发了专用功能块程序包，如DSPBlockset和CommunicationBlockset等。通过使用这些程序包用户行代码生成，并将生成的代码下载到不同的目标机上。124. 提供了仿真库的扩充和定制机制Simulink和 C 代码生成自定义模块库，并拥有自己的图标和界面。因此用户可以将使用FORTRAN或C更高级的系统设计、仿真与分析5. 与MATLAB工具箱的集成由于Simulink可以直接利用MATLAB的诸多资源与功能，因而用户可以直接在Simulink下完成诸如数据分析、过程自动化、优化参数等工作。工具箱提供的高级的设计和分析能力可以融入仿真过程。134 4.1 S

16、IMULINK中模块仿真图 4.1 加入高斯噪声时的系统仿真框图4.1.1 信号源及模块参数图4.3 电源模块参数4.1.2 线性分组码（7，4）图4.7 AWGNA Channel图4.8 Rectangular QAM Modulator Baseband图 4.12 瑞利衰落信道的64QAM仿真框图图 4.13 频谱图本设计要求采用 MATLAB 实现对无线衰落信道的 64QAM 系统调制的仿真并且绘制相关的图形，从查资料当中学到了很多不知道的东西，加深了对 QAM 及衰落信道的了解。通过学习相关的教程，了解了SIMULINK 的基本操作，运用SIMULINK 中的相关模块进行编码、译码

17、的仿真。同时将衰落信道的系统性能分析仿真与高斯信道的进行比较，观察两者波形的差别。通过这次课程设计，培养了我综合运用所学知识,发现、提出、分析和解决实际问题、锻炼实践的能力,是对我们以后的实际工作能力的具体训练和一个考察过程。在这次课程设计中，画原理图和设置参数的时候遇到了不少困难。但好在网上可借鉴的资源很多，通过学习相关的教程和查阅 MATLAB 中的 help，这些困难都迎刃而解了。在做设计的过程中难免总会出现各种问题，通过查阅资料，自学其中的相关知识，无形间提高了我们的动手、动脑能力。然而课程设计中也有一些不足之处，就是模块参数设置的不合适，以致仿真效果不明显，结果不是很理想，这些都归咎于我们对 SIMULINK 软件的不熟悉，因此我们平时所学的知识如果不加以实践的话等于纸上谈兵。而课程设计主要是我们理论知识的延伸，它的目的主要是要在设计中发现问题，并且自己要能找到解决问题的方案，形成一种独立的意识。我们还能从设计中检验我们所学的理论知识到底有多少，巩固我们已经学会的，不断学习我们所遗漏的新知识，把这门课学的扎实。201