基于bfsk信道模型的誤比特率與分辨率分析

基于bfsk信道模型的誤比特率與分辨率分析

地球移動(dòng)信道的主要特征是多徑傳播。在傳播過(guò)程中，接收到的移動(dòng)天線的信號(hào)是由多路徑反射波合成的。由于波通過(guò)不同的路徑之間的距離不同，反射波的到達(dá)時(shí)間和相位也不同。不同相位的多個(gè)信號(hào)在接收點(diǎn)重復(fù)，相位放大，反相位減弱，從而顯著降低接收點(diǎn)接收信號(hào)的振幅，從而降低。這種衰減是由多徑現(xiàn)象引起的，因此被稱為多徑衰減。土地移動(dòng)無(wú)線通道中的信號(hào)強(qiáng)度急劇下降也是常見的。衰減深度可達(dá)到30db，脫落頻率可達(dá)到數(shù)十次。這種失敗現(xiàn)象嚴(yán)重影響了接收信號(hào)的質(zhì)量，影響了通信質(zhì)量的可靠性。在數(shù)字傳輸中，衰減顯著增加了比特誤差率（ber）。筆者根據(jù)移動(dòng)通信衰落信道的工作機(jī)理，建立了基于加性高斯白噪聲信道（AWGNChannel）、多徑瑞利衰落信道（MultipathRayleighFadingChanne1）、倫琴衰落（RicianFadingChanne1）綜合信道模塊，利用Matlab工具進(jìn)行了衰落信道的誤比特率性能的仿真分析，并和模式的理論計(jì)算值進(jìn)行了比較.結(jié)果表明:隨參信道的衰落，將會(huì)嚴(yán)重降低通信系統(tǒng)的性能，并提出了幾種改善衰落特性的技術(shù).1羅氏衰落信道模型1.1傳輸媒質(zhì)的特點(diǎn)隨參信道是指其信道性能隨乘性干擾隨機(jī)快速變化.隨參信道對(duì)信號(hào)的影響是嚴(yán)重的，其根本原因在于它包含了一個(gè)復(fù)雜的傳輸媒質(zhì).隨參信道中的傳輸媒質(zhì)具有以下三個(gè)特點(diǎn):(1)對(duì)信號(hào)的衰耗隨時(shí)間而變化；(2)傳輸?shù)臅r(shí)延隨時(shí)間而變化；(3)多徑傳播.隨參信道的傳輸特性是隨時(shí)間變化的，根據(jù)變化的快慢，分為慢變化（慢衰落）和快變化（快衰落）.前者通常與傳播條件的變化密切相關(guān)，可以通過(guò)調(diào)整設(shè)備的參量（如發(fā)射功率等）來(lái)彌補(bǔ)；后者主要表現(xiàn)為接收信號(hào)的振幅和相位隨機(jī)起伏，由多徑傳播引起的，即由發(fā)射點(diǎn)發(fā)射的信號(hào)經(jīng)過(guò)信道中的多條路徑傳到接收點(diǎn).1.2衰耗和時(shí)延信號(hào)的合成建立一個(gè)數(shù)學(xué)模型，發(fā)射信號(hào)s(t)=Acos(2πfct+θ（t））經(jīng)過(guò)N條路徑到達(dá)接收點(diǎn)，就每條路徑而言，其衰耗和時(shí)延都不是固定不變的.接收信號(hào)將是衰耗和時(shí)延隨時(shí)間變化的各路信號(hào)的合成，其表示式為當(dāng)n值足夠大時(shí)，x1(t）和x2(t）是均值為零，方差為σ2的高斯隨機(jī)過(guò)程.x1(t）和x2(t）是高斯隨機(jī)過(guò)程，信號(hào)的包絡(luò)a(t）服從瑞利分布.根據(jù)瑞利分布的定義，如果一個(gè)隨機(jī)變量R服從瑞利分布，則它的概率密度函數(shù)p(r）由公式（2）可以確定:2在raleigh信道模型下，bfsk的性能分析為2.1系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模塊(1)Source（信源模塊）:由隨機(jī)整數(shù)產(chǎn)生器（RandomIntegerGenerator）產(chǎn)生的數(shù)據(jù)一方面作為輸出信號(hào)，另一方面進(jìn)入BFSK（二進(jìn)制移頻鍵控，BinaryFrequencyShiftKeying）基帶調(diào)制器（M-FSKModulatorBaseband）模塊，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行BFSK調(diào)制，輸出信號(hào).(2)Channel（信道模塊）:包括加性高斯白噪聲產(chǎn)生器（AWGNChannel）、多徑瑞利衰落信道模塊（MultipathRayleighFadingChannel）和倫琴衰落信道模塊（RicianFadingChannel）.信道模塊首先在BFSK調(diào)制信號(hào)中引入衰落信號(hào)，然后在衰落信號(hào)中再疊加高斯白噪聲.(3)Sink（信宿模塊）:BFSK基帶調(diào)制器（M-FSKDemodulatorBasebad）對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，然后通過(guò)誤碼率計(jì)算器（ErrorRateCalculation）計(jì)算誤比特率.誤碼率計(jì)算器產(chǎn)生的是一個(gè)三維向量，分別表示誤碼率、誤碼個(gè)數(shù)以及信號(hào)總數(shù)，因此通過(guò)一個(gè)選擇器（Selector）選擇向量的第一個(gè)元素作為輸出信號(hào).這個(gè)輸出信號(hào)送入工作區(qū)（ToWorkspace）模塊.系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)模塊如圖2所示.2.2主要模塊的參數(shù)配置模塊參數(shù)設(shè)置見表1.2.3系統(tǒng)仿真與結(jié)果分析2.3.1信號(hào)信噪比的影響衰落對(duì)數(shù)字通信產(chǎn)生的危害比對(duì)模擬通信要大，并且增加了誤碼率，即使增加信噪比也不能把誤碼率下降到所需要的指標(biāo)以下.在理論上可得到在瑞利衰落信道中BFSK誤碼率公式:式中:ν為瑞利衰落信道接收到信號(hào)的中值us=ν2,p=ν2/σ2為中值與噪聲比，x=ν2/u2，其仿真結(jié)果如圖3.圖3符號(hào)“*”表示理論值，符號(hào)“—”表示經(jīng)驗(yàn)值，從圖4中可以得出以下結(jié)論：(1）在瑞利衰落信道中，BFSK調(diào)制信號(hào)的誤比特率隨著信噪比的增加而降低.(2）在信噪比小于3dB時(shí)，理論值與經(jīng)驗(yàn)值的誤比特率性能非常接近；但隨著信噪比增大時(shí)，理論值與經(jīng)驗(yàn)值的誤比特率性能相差越來(lái)越大.出現(xiàn)這種結(jié)果的原因在于，在仿真過(guò)程中，BFSK調(diào)制性能的好壞除了信號(hào)的信噪比有關(guān)之外，還與抽樣速率和仿真時(shí)間有關(guān).若調(diào)整仿真過(guò)程中的相關(guān)參數(shù)，仿真結(jié)果中得到的誤碼率將逐漸趨向于公式.（3）計(jì)算得到的數(shù)據(jù).2.3.2仿真結(jié)果及分析在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，如果發(fā)送端和接收端之間存在著一條占優(yōu)勢(shì)的視距傳播路徑（LOS,Line-of-Sight），這種信號(hào)就可以模擬成倫琴衰落信道.當(dāng)發(fā)送端和接收端之間既存在著視距傳播路徑LOS，又有多條反射路徑視，它們之間的信道可以同時(shí)用倫琴衰落信道模塊和瑞利衰落信道模塊來(lái)進(jìn)行仿真.表2顯示出各種信道中BER的仿真值.如圖4所示為BFSK分別在加性高斯白噪聲信道和瑞利衰落信道及倫琴衰落信道的仿真圖.其中，符號(hào)“+”表示RayleighFadingChannel（瑞利衰落信道），符號(hào)“*”表示RicianFadingChannel（倫琴衰落信道），符號(hào)“-”表示AwgnChannel（加性高斯白噪聲信道）.從圖4及表1中均可以看出:(1）對(duì)于相同的信噪比，信號(hào)在倫琴衰落信道及加性高斯信道中的誤比特率性能優(yōu)于多徑瑞利衰落信道；(2）當(dāng)信號(hào)的信噪比低于5dB時(shí)，倫琴信道的誤比特性能甚至好于只存在加性高斯白噪聲的信道；(3）相對(duì)于加性高斯白噪聲信道來(lái)說(shuō)，衰落信道的誤比特性能較差；(4）從BFSK仿真結(jié)果圖及表2的黑斜體數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)信噪比等于14dB時(shí)，加性高斯白噪聲信道的誤比特率低于10-3（等于9.27×10-4），而此時(shí)多徑瑞利衰落信道的誤比特率在5%左右（等于5.2%），即使在倫琴衰落信道中也是不到3%（等于2.84%）.因此如果要在衰落信道中獲得與加性高斯白噪聲信道相同的傳輸效果，就需要增加信號(hào)的信噪比.3采用各種分集接收技術(shù)文中詳細(xì)地分析了瑞利衰落信道的誤碼率性能，并與加性高斯信道、倫琴衰落信道進(jìn)行比較.仿真結(jié)果表明瑞利衰落信道對(duì)系統(tǒng)的誤碼率性能的影響較大，這將會(huì)嚴(yán)重影響通信系統(tǒng)的性能.但是信道衰落又是不可避免的，因此，需要采取各種措施來(lái)提高通信系統(tǒng)的性能.例如，各種抗衰落的調(diào)制解調(diào)技術(shù)、抗衰落接收技術(shù)及擴(kuò)普技術(shù)等.其中，明顯有效且被廣泛應(yīng)用的措施之一是采用各種分集接收技術(shù)，如:空間分集、頻率分集、角度分集、極化分集等，它們已在短波通信、移動(dòng)通信中得到廣泛的應(yīng)用.需要說(shuō)明一點(diǎn)的是，各種分集方法不是互相排斥的.在實(shí)際的應(yīng)用中可以是組合式的，例如由二重空間分集和二重頻率分集組成四重分集系統(tǒng)等.將各分散的信號(hào)進(jìn)行合并的方法通常有:最佳選擇式、等增益相加式、最大比值相加式.實(shí)踐證明，采用分集接收技術(shù)后，能夠大大地減少對(duì)信號(hào)衰落