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1、第十五章 衰落信道- 1 -硕士生课程实验报告实验题目实验题目:基于基于 systemview 平台的信道衰落原理与平台的信道衰落原理与 仿真仿真姓 名: 学 号： 院系专业: 任课教师： 徐平平 评 阅: 第十五章 衰落信道- 2 -目录目录一一 实验概述与分类实验概述与分类 .- 3 -1.1 移动通信系统衰落信道的主要分类.- 3 -二二 实验内容与实验数据分析实验内容与实验数据分析 .- 4 -15.1RAKE 接收机的原理.- 4 -15.2频谱扩展和多径抵抗.- 6 -15.2.1 扩频技术的理论基础.- 6 - 15.2.2 扩频技术的应用.- 6 -15.3瑞利和莱斯概率密度函
2、数.- 9 -15.4宽带频率选择性衰落信道模型.- 10 -15.5瑞利衰落的误比特率.- 12 -15.63 路衰落信号的分集合并.- 14 -15.7RAKE 接收机的抗多径.- 15 -三三 创新型实验设计：创新型实验设计： .- 17 -RUMMLER 多径衰落信道仿真实验 90 MBPS 数字微波数据链 .- 17 -四四 总结与感想总结与感想 .- 21 -第十五章 衰落信道- 3 -一一 实验概述与分类实验概述与分类1.1 移动通信系统衰落信道的主要分类大规模衰落定义：由于在大范围内移动而引起的平均信号能量的减少或路径损 耗。产生原因：收、发端之间地表轮廓（如高山，森林，建筑群
3、等）的移 影响。 动 通 信 瑞利衰落：存在大量反射路径而不存在视 行 系 路径。 统 衰 小规模衰落 落 莱斯衰落：存在一个没有衰落的主要信号 分 信 量。 道 定义：信号的幅值、相位的动态变化。产生原因：由于收发端之间空间位置处理的微小变化第十五章 衰落信道- 4 -二二 实验内容与实验数据分析实验内容与实验数据分析15.1 RAKE 接收机的原理首先，给出传统的发射机和接收机。其原理就是我们熟知的频谱扩展，即 在发送端用伪随机码调制发送信号，在接收端用相同的伪随机码解调。 由第一个实验我们能看出信号被准确的解码。 （信道无噪）图 1 无噪声信道发送接收信号对比 之后，在信道中增加瑞利衰落
4、模块（无延时） ，这时我们可以发现接收信号 的功率随着瑞利衰落信道变化。此时观察到的接收信号幅值就变得参差不齐了。 如下图：图 2 引入瑞利衰落信道发送接收信号对比第十五章 衰落信道- 5 -注：上面是接收信号，下面是发送信号，接收信号畸变明显 但是，在此系统中，我们只要加一个判决门限，仍然可以得到正确的信号。在接收信号后加一个模块，作为判决器，我们可以观察到接收信号几乎无误码。图 3 瑞利衰落信道加入判决器后发送接收信号对比 上面的信道仅是引入瑞利衰落信道，但是并没有延时，下面我们来讨论下 带延时的瑞利衰落信道。 这一步系统引入了 208.33s 的延时模块，显然，要想正确解码就需要在接 收
5、端进行同步。如果，能够做到完全同步，那么结果将和上面实验完全相同。 下面引入的就是多径传播了，此处仅拿两路瑞利衰落信道来讨论，其中第 一路直接传播，第二路有延时（208.33s） 。接收端仅与第一路信号同步，那 么，第二路信号对接收端来说就变成了噪声。所以，解码后的信号就会出现误 码。如果接收端与第二路信号同步，同理可知仍然会引入噪声。此处不赘述。 对系统进一步改变，在接收端用两路接收机来接收信号，每一路与同步于 其接收信号。从这个试验中我们得到一个重要的结论，对于每一路信号我们都 会出现一些解码错误，但是第一路错的码元，第二路不一定就错；同样，第二 路解码错误时，第一路有可能就是对的，于是，
6、将解码后的两路信号合并到一 起就构成了 RAKE 接收机的基本原理。第十五章 衰落信道- 6 -图 4 RAKE 接收机基本原理15.2 频谱扩展和多径抵抗15.2.1 扩频技术的理论基础扩频技术的理论基础所谓扩频，即将发射信号扩展到一个很宽的频带上，扩频系统将在频带和 技术的复杂性上付出昂贵的代价，但是为什么仍然要这样做呢？这样做会给我 们带来什么好处呢？香农定理给我们提供了答案。 香农公式指出：在高斯白噪声干扰信道下，通信系统的极限传输速率（信 道容量）是：2log1SCWN其中： C信道容量（比特/秒）W信道带宽（赫兹）N噪声功率S信号平均功率当 S/N 很小时（0.1）得到：1.44C
7、NWS因此，在无差错传输信息速率因此，在无差错传输信息速率 C 不变的情况下，可以通过增加发射信号的带宽，不变的情况下，可以通过增加发射信号的带宽， 来降低对信噪比的要求。来降低对信噪比的要求。第十五章 衰落信道- 7 -15.2.2 扩频技术的应用扩频技术的应用扩频技术包括很多种类，我们这里使用的是直接序列扩频（DS） ，即直接将 伪随机码与信号相乘，得到扩频序列。这里不得不提下扩频码的特性，我们选 用的是伪随机码（PN） ，它具有像白噪声一样的自相关特性，易于产生而又不 能通过截获一部分而重建。 下面这个实验通过扩频和解扩来传输信号，并且可以准确的恢复信号。图 5 扩频系统原理仿真图图 6
8、 仿真结果图 由图 6 可以看到，通过扩频和解扩，可以正确恢复信号。 下面这个实验是本节的重点，通过扩频技术抵抗多径干扰。系统原理图如 下：第十五章 衰落信道- 8 -图 7 多径干扰信道中的扩频系统图系统原理较为简单，信道中的图标需要说明下，它是三路径信道，一路直接传播，一路延迟 0.2 秒，第三路延迟 0.4 秒，信道冲激响应图如下：（信道 对信号没有衰落）图 8 信道冲激响应图 由图 9 知，扩频信号经过多径信道后仍然可以准确的解码，但为扩频信号 解码后出现错误。首先，未扩频信号不能准确解码是由于信号信道后产生了码 间串扰。信号的码元周期是 0.1 秒，而两路延迟分别为 0.2 秒和 0
9、.4 秒，这样在 接收端必然会产生码间串扰，从而导致误码的出现。而对于扩频信号，延迟的 信号与原信号之间几乎不相关（由于 PN 码自相关性知） ，所以在解扩时，只是 将直接传输（无延迟）的信号恢复，这样信号就被完好的恢复了。第十五章 衰落信道- 9 -图 9 扩频信号和未扩频信号解码对比图15.3 瑞利和莱斯概率密度函数瑞利分布的概率密度函数： 222exp2zzf z从这个公式中可以发现，瑞利分布的概率密度函数与高斯分布的概率密度 函数什么相似，于是通过推导发现，可以通过高斯概率密度函数得到瑞利分布 的概率密度函数。 均值为 0 的二维高斯分布的 PDF 为：22 2211,exp22f x
10、 yxy将其换成极坐标形式： cosxrsinyr于是微分形式的概率密度函数变为：222 21,2r p rrdrderdrd两边对积分，将看成时 为变量的函数，得到：,p rr第十五章 衰落信道- 10 - 222 2rrp re 因此，我们可以通过两个高斯变量生成一个服从瑞利分布的变量，实现方法如 下：图 10 瑞利变量生成模块莱斯分布的概率密度函数： 22 02221exp,02zAzf zzAIz同理可得服从莱斯分布的随机变量，系统图如下：图 12 莱斯变量生成模块第十五章 衰落信道- 11 -图 11 莱斯概率密度函数图 此处的莱斯分布均值为 m=2，改变均值使 m=3,4,5,6；
11、我们可以发现莱斯分布可 近似看成高斯分布。15.4 宽带频率选择性衰落信道模型本实验目的是仿真衰落信道的频率选择性，实验原理图如下所示： 首先输入信号为冲激信号，其频谱满足要求的宽带特性，经过若干延迟后 加权输出，刚好可以仿真实际信号在无线信道中传输的多径衰落特性。图 12 多径衰落信道频率选择性原理图第十五章 衰落信道- 12 -图 13 系统仿真模型图 系统模型图不作过多介绍，完全按照模型图的搭建，只要注意这里的加权 系数是均匀分布的随机变量，所以每次运行后，系统的冲激响应是是不同的。 图 14 和图 15 给出的是频率选择性衰落图的理论和实验结果图。对比两幅 图，其频率的衰落都是无规律且幅度变化很快，所以对于一个普通的输入信号， 必然会在其频谱中产生某些频点或者频段衰落。图 14 典型频率选择性衰落图第十五章 衰落信道- 13 -图 15 多径衰落信道频率选择性仿真结果图15.5 瑞利衰落的误比特率首先我们来看下本实验的原理，直接将二进制 PN 信号通过带有高斯噪声的 瑞利信道传输，接收端用比特判决器判断，当系统的错误比特积累到一定数目 时（本实验 25 个）结束此次循环，系统进入下一次循环，直至结束。最后将得 到平均错误比特曲线计算得出 BER-Eb/No 曲线。 看似十分简单的一个实验，在实际的操作中却给我带来了极大
