衰落信道的無(wú)線通信系統(tǒng)的分析與仿真

1、為了更好的了解和掌握衰落信道中無(wú)線通信系統(tǒng)的性能，提出了基于MATLAB的無(wú)線衰落信道仿真模型，采用64QAM調(diào)制方式，信道編碼用了（7,4）線性分組碼，利用MATLAB中SIMULINK通信系統(tǒng)仿真模型庫(kù)進(jìn)行（7,4）線性分線圖。在完成衰落信道的性能分析之后，并與高斯信道下的性能進(jìn)行對(duì)比。關(guān)鍵字： SIMULINK 64QAM 無(wú)線衰落 高斯信道 仿真前言.31 64QAM設(shè)計(jì)原理及衰落信道.41.1 64QAM通信系統(tǒng)基本模型.41.2 無(wú)線衰落信道.41.3 64QAM調(diào)制技術(shù).51.4 64QAM調(diào)制的主要技術(shù)指標(biāo).62 線性分組碼基本原理.72.1 線性分組碼.72.2 編碼原理.7

2、2.3 糾錯(cuò)原理.93 SIMULINK 概述.113.1 Simulink的模塊操作.113.1.1 主要模塊的簡(jiǎn)介.123.2 Simulink的功能.124 衰落信道的性能分析與仿真.144.1 SIMULINK中模塊仿真.144.1.1 信號(hào)源及模塊參數(shù).154.1.2 線性分組碼（7，4）.154.1.3 主要模塊參數(shù)設(shè)置.164.2 64QAM通信系統(tǒng)仿真.174.3 性能分析.19總結(jié).20參考文獻(xiàn).21致 謝.22為主。由于多徑和接收端運(yùn)動(dòng)等因素的影響，使得無(wú)線信道對(duì)接收信號(hào)在時(shí)間、頻率和角度上造成了色散，這種色散表現(xiàn)在接收信號(hào)幅度上就是所謂的信號(hào)衰落，因此，多徑效應(yīng)對(duì)通信質(zhì)量

3、有著至關(guān)重要的影響。正交幅度調(diào)制QAM是數(shù)字譜利用率。它的調(diào)制效率高，對(duì)傳輸途徑的信噪比要求高，具有帶寬利用率高，抗噪聲強(qiáng)等特點(diǎn)，適合有線電視電纜傳輸；我國(guó)有線電視網(wǎng)中廣泛應(yīng)用的DVB-C調(diào)制即QAM 調(diào)制方式。QAM是幅度和相位聯(lián)合調(diào)制的技術(shù)，它同時(shí)利用了載波的最小距離相同的條件下，QAM星座圖中可以容納更多的星座點(diǎn)即可實(shí)現(xiàn)更高的頻帶利用率。一組固定長(zhǎng)度的碼組，可表示為（n , 度，而n-k個(gè)監(jiān)督位的作用就是實(shí)現(xiàn)檢錯(cuò)與糾錯(cuò)。1 64QAM1.1 64QAM通信系統(tǒng)基本模型64QAM通信系統(tǒng)基本模型如圖1.1所示。噪聲性能分析圖1.1 64QAM通信系統(tǒng)基本模型64QAM比，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，分

4、析不同信噪比情況下的系統(tǒng)性能。根據(jù)信道編碼方式，選擇對(duì)應(yīng)的信道解碼方式。信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制、信道、解調(diào)過(guò)程。在接收端，將得到的數(shù)據(jù)與原始信號(hào)源數(shù)率曲線圖，并給出各關(guān)健點(diǎn)信號(hào)眼圖及星座圖以及功率譜圖。1.2 無(wú)線衰落信道動(dòng)終端所接收信號(hào)的快衰落部分遵循瑞利統(tǒng)計(jì)分布，移動(dòng)環(huán)境則稱為瑞利環(huán)境理論模型使用來(lái)自不同方向(即N個(gè)信號(hào)路徑)反散射信號(hào)的疊加來(lái)表示移動(dòng)4終端的接收信號(hào)。瑞利衰落信道可以通過(guò)實(shí)部和虛部都服從獨(dú)立的高斯分布變量來(lái)仿真生成。不過(guò)，在一般情況下，人們只對(duì)幅度的波動(dòng)感興趣。針對(duì)這種情況，大體上有兩類方法可以仿真產(chǎn)生瑞利衰落信道。一類方法是Jakes模型來(lái)實(shí)現(xiàn)瑞利衰落信道，另一類方法是利用高斯白

5、噪聲通過(guò)濾波器的方法對(duì)瑞利衰落信道進(jìn)行建斯白噪聲過(guò)程通過(guò)譜成形濾波器后，各樣本過(guò)程之間就引入了一定數(shù)量的相關(guān)波器采用具有最大多普勒頻移的多普勒濾波器。1.3 64QAM調(diào)制技術(shù)64QAM調(diào)制是基于DVB-C的有線數(shù)字電視的核心技術(shù)，所謂QAM是用兩個(gè)獨(dú)立的基帶信號(hào)對(duì)兩個(gè)相互正交的同頻載波進(jìn)行抑制載波的雙邊帶調(diào)制。在 mQAM中m叫狀態(tài)數(shù)，通常取值為和256，狀態(tài)越低（意味著星座點(diǎn) DVB-C 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定使用的是64QAM，需要特別注意的是64QAM的名稱雖為正交幅度調(diào)制，但實(shí)際上卻是所謂的振幅-相位聯(lián)合鍵控，這是一個(gè)有線數(shù)字電視中非常重要的概念，正因?yàn)?QAMHFC傳輸網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的要求高于模擬電

6、視。64QAM中的64個(gè)狀態(tài)（星座點(diǎn)）上的每個(gè)星中采用的是8進(jìn)制（或8電平，提6比特（6位二進(jìn)制組成，從6比特中。所謂mQAM是用兩個(gè)獨(dú)立的基帶信號(hào)對(duì)兩個(gè)相互正交的同頻載波進(jìn)行抑制載ml(t)和和sinct是相互正交的載波，則發(fā)送端形成的正交振幅調(diào)制信號(hào)為：e (t) m (t)cosw tm (t)sinw t0IcQc5其中：cosct為同相信號(hào)或I信號(hào)，sinct是正交信號(hào)或Q信號(hào)。以64QAM為例，經(jīng)28和+7共8個(gè)電平，則調(diào)制器 I（正交）輸出的 8 個(gè)信號(hào)為+7sinct、+5sinct、+3sinct、輸出的8和-7cosct。兩路己調(diào)信號(hào)相加共有64個(gè)不同的組合，這樣便形成64

7、QAM的星座圖。1.4 64QAM調(diào)制的主要技術(shù)指標(biāo)64QAM的MER的MER要大于30dB。64QAM 通信系統(tǒng)性能指標(biāo)：傳輸速率、誤碼率、適應(yīng)性、使用維修性、經(jīng)濟(jì)可以充分利用帶寬，并且抗噪聲能力強(qiáng)。62 nk線性分組碼是一組固定長(zhǎng)度的碼組，可表示為（ , ），通常它用于前n-krr下面以（7，4）漢明碼為例說(shuō)明原理：來(lái)表示這 7 5 4 3 2 1 0的值與錯(cuò)誤碼元位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系表 2.1 校正子和錯(cuò)碼位置的關(guān)系1 2 3101110111000aa04aa15a263則由表2.1可得監(jiān)督關(guān)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在發(fā)送端編碼時(shí)，信息位的值決定于輸入信號(hào)，因此它們是隨機(jī)的。監(jiān)5 4 3a a a督位 、 、 210s s s式（2.4）中 、 、 的值為0（表示編成的碼組中應(yīng)無(wú)錯(cuò)碼）123aa a a 06542a a a 0a6531a a a a 0(2.5)6430式（2.5）經(jīng)過(guò)移項(xiàng)運(yùn)算，接觸監(jiān)督位aa a a2654a a aa1653a a a a0643(2.6)式（2.5）其等價(jià)形式為： 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、還可以簡(jiǎn)記為其中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）等價(jià)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為P的轉(zhuǎn)置，即Q PT式（2.10）表示,信息位給定后，用信息位的行矩陣乘矩陣Q就產(chǎn)生出監(jiān)督位。我們將Q的左邊加上一個(gè)kk階單位方陣，

10、就構(gòu)成一個(gè)矩陣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稱為生成矩陣，因?yàn)橛伤梢援a(chǎn)生整個(gè)碼組，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)即漢明碼的編碼原理。2.3 糾錯(cuò)原理數(shù)字信號(hào)編碼成漢明碼形式（文中即A）后在信道中傳輸，由于信道中噪聲碼糾錯(cuò)，以提高通信系統(tǒng)的抗干擾能力及可靠性。9一般來(lái)說(shuō)接收碼組與A不一定相同。若設(shè)接收碼組為一n列的行矩陣B，即B bbbbb6 5 4 3 2 1 0

11、(2.15)(2.16)(2.17)則發(fā)送碼組和接收碼組之差為BAEE就是傳輸中產(chǎn)生的錯(cuò)碼行矩陣E e e e ee ee6 5 4 3 2 1 0若eeii可改寫成B AE(2.18)若E=0，即接收碼組無(wú)錯(cuò),則BAEA即有BH 0(2.19)T當(dāng)接收碼組有錯(cuò)時(shí)，E0，將B帶入式（2.8）后，該式不一定成立。在未超過(guò)檢錯(cuò)能力時(shí)，式（2.19）不成立。假設(shè)此時(shí)式（2.19）的右端為S,即BH S(2.20)T將 BAES (AE)H AH EHTTT由式（2.8）可知，所以S EH(2.21)Ts s s1 2 3此處S與前面的有著一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，則S能代表錯(cuò)碼位置。S,再根據(jù)表2.1判斷錯(cuò)碼情

12、況，進(jìn)行差錯(cuò)糾正。103 設(shè)置與控制，以達(dá)到特定的目的。Simulink 作為一個(gè)具有友好用戶界面的系統(tǒng)復(fù)雜的系統(tǒng)，對(duì)于這個(gè)系統(tǒng)作出的任何改變都可能影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能和穩(wěn)Simulink作為Matlab包，提供了仿真所需的信源編碼、糾錯(cuò)編碼、信道、調(diào)制解調(diào)以及其它所用的全部庫(kù)函數(shù)和模塊。可見(jiàn)，不管對(duì)任何復(fù)雜的通信系統(tǒng)，用Simulink對(duì)其仿真都是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。Simulink是MATLAB包，它與MATLAB語(yǔ)言的主要區(qū)別在于，其與用戶交互接口是基于Windows的模非語(yǔ)言的編程上。所謂模型化圖形輸入是指Simulink提供了一些按功能分類的以構(gòu)成所需要的系統(tǒng)模型（以mdlSimulin

13、k進(jìn)行系統(tǒng)的建模仿真，其最大的優(yōu)點(diǎn)是易學(xué)、易用，并能依托MATLAB提供的豐富的仿真資源。3.1 Simulink的模塊操作Simulink模塊是構(gòu)成 Simulink何動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型。在創(chuàng)建模型時(shí)，用戶必須知道，Simulink把模塊分為兩種類如果用戶在模型中添加或刪除一個(gè)非純虛模塊，那么Simulink會(huì)改變模型的動(dòng)理模型。113.1.1 主要模塊的簡(jiǎn)介1.懸浮Scope模塊 可以從Simulink的Sinks庫(kù)中把Scope按鈕設(shè)置懸浮示波器，或者直接從Sinks庫(kù)中把Floating Scope模塊拷貝到模被選擇的信號(hào)，懸浮示波器通過(guò)坐標(biāo)軸系周圍的籃筐來(lái)辨別。在一個(gè)Simulink續(xù)顯示

14、用戶選擇的信號(hào)。2. Display模塊Display信號(hào)或矩陣信號(hào)。當(dāng)信號(hào)的顯示范圍超出 Display 模塊的邊界，會(huì)在 Display只需用鼠標(biāo)拉大Display模塊的顯示面板即可。3.2 Simulink的功能1. 交互式、圖形化的建模環(huán)境Simulink 提供了豐富的模塊庫(kù)以幫助用戶快速地建立動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型。建模時(shí)只需使用鼠標(biāo)拖放不同模塊庫(kù)中的系統(tǒng)模塊并將它們連接起來(lái)。2. 交互式的仿真環(huán)境Simulink 框圖提供了交互性很強(qiáng)的仿真環(huán)境，既可以通過(guò)下拉菜單執(zhí)行仿式對(duì)于運(yùn)行一大類仿真如蒙特卡羅仿真非常有用。3. 專用模塊庫(kù)(Blocksets)作為Simulink建模系統(tǒng)的補(bǔ)充，Mat

15、hWorks公司還開(kāi)發(fā)了專用功能塊程序包，如DSPBlockset和CommunicationBlockset等。通過(guò)使用這些程序包用戶行代碼生成，并將生成的代碼下載到不同的目標(biāo)機(jī)上。124. 提供了仿真庫(kù)的擴(kuò)充和定制機(jī)制Simulink和 C 代碼生成自定義模塊庫(kù)，并擁有自己的圖標(biāo)和界面。因此用戶可以將使用FORTRAN或C更高級(jí)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真與分析5. 與MATLAB工具箱的集成由于Simulink可以直接利用MATLAB的諸多資源與功能，因而用戶可以直接在Simulink下完成諸如數(shù)據(jù)分析、過(guò)程自動(dòng)化、優(yōu)化參數(shù)等工作。工具箱提供的高級(jí)的設(shè)計(jì)和分析能力可以融入仿真過(guò)程。134 4.1 S

16、IMULINK中模塊仿真圖 4.1 加入高斯噪聲時(shí)的系統(tǒng)仿真框圖4.1.1 信號(hào)源及模塊參數(shù)圖4.3 電源模塊參數(shù)4.1.2 線性分組碼（7，4）圖4.7 AWGNA Channel圖4.8 Rectangular QAM Modulator Baseband圖 4.12 瑞利衰落信道的64QAM仿真框圖圖 4.13 頻譜圖本設(shè)計(jì)要求采用 MATLAB 實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線衰落信道的 64QAM 系統(tǒng)調(diào)制的仿真并且繪制相關(guān)的圖形，從查資料當(dāng)中學(xué)到了很多不知道的東西，加深了對(duì) QAM 及衰落信道的了解。通過(guò)學(xué)習(xí)相關(guān)的教程，了解了SIMULINK 的基本操作，運(yùn)用SIMULINK 中的相關(guān)模塊進(jìn)行編碼、譯碼

17、的仿真。同時(shí)將衰落信道的系統(tǒng)性能分析仿真與高斯信道的進(jìn)行比較，觀察兩者波形的差別。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，培養(yǎng)了我綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí),發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決實(shí)際問(wèn)題、鍛煉實(shí)踐的能力,是對(duì)我們以后的實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和一個(gè)考察過(guò)程。在這次課程設(shè)計(jì)中，畫原理圖和設(shè)置參數(shù)的時(shí)候遇到了不少困難。但好在網(wǎng)上可借鑒的資源很多，通過(guò)學(xué)習(xí)相關(guān)的教程和查閱 MATLAB 中的 help，這些困難都迎刃而解了。在做設(shè)計(jì)的過(guò)程中難免總會(huì)出現(xiàn)各種問(wèn)題，通過(guò)查閱資料，自學(xué)其中的相關(guān)知識(shí)，無(wú)形間提高了我們的動(dòng)手、動(dòng)腦能力。然而課程設(shè)計(jì)中也有一些不足之處，就是模塊參數(shù)設(shè)置的不合適，以致仿真效果不明顯，結(jié)果不是很理想，這些都?xì)w咎于我們對(duì) SIMULINK 軟件的不熟悉，因此我們平時(shí)所學(xué)的知識(shí)如果不加以實(shí)踐的話等于紙上談兵。而課程設(shè)計(jì)主要是我們理論知識(shí)的延伸，它的目的主要是要在設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并且自己要能找到解決問(wèn)題的方案，形成一種獨(dú)立的意識(shí)。我們還能從設(shè)計(jì)中檢驗(yàn)我們所學(xué)的理論知識(shí)到底有多少，鞏固我們已經(jīng)學(xué)會(huì)的，不斷學(xué)習(xí)我們所遺漏的新知識(shí)，把這門課學(xué)的扎實(shí)。201