1、 本科毕业设计 （ 20 届） 瑞利衰落信道的 MATLAB仿真 所在学院 专业班级 通信工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 2 - 摘 要 在无线通信信道环境中，电磁波经过反射折射散射等多条路径传播到达接收机后，总信号的强度服从瑞利分布。同时由于接收机的 移动及其他原因， 信号强度和相位等特性又在起伏变化，故称为瑞利衰落。 信息技术的快速发展 , 使得通信系统在性能不断提高的同时也变得越来越复杂。正因为如此 ,采用传统技术对通信系统进行分析和设计的日子一去不复返 ,而由于计算机仿真方法的廉价性、高效性和灵活性 , 使其成为了通信系统中的主要设计和分析手段之一。 mat
2、lab 仿真就是是无线通信系统实验中常用的一种仿真技术。 论文主要讲述了瑞利衰落信道的概念以及各种衰落类型分类和它们的各种特性：频率特性、时域特性、角度特性。同时根据瑞利衰落的各种特性提出了两种克服技术即 OFDM 技术和 MIMO 技术，同样论文对这两种技术的原理进行了具体介绍。论文还阐述了 matlab 仿真的概念和在各种领域的应用。主要叙述了如何用 matlab 对瑞利衰落信道进行仿真，以及仿真的各项流程，同时对信道的各个模块代码如何运行进行了具体解析，最后给出仿真结果图。 关键词 ：瑞利衰落信道 ;Matlab 仿真 ;无线通信 - 3 - Abstract In wireless c
3、ommunication channel environment, electromagnetic wave passes reflection refraction scattering etc multiple paths, always arrive receiver spread after the intensity of the signal of the obey Rayleigh distribution. And because the receiver mobile and other reasons, signal strength and phase fluctuati
4、on characteristics and in so called the Rayleigh fading. The rapid development of information technology, makes the communication system in unceasing enhancement while performance is also becoming more and more complicated. Because of this, adopts the traditional technology of communication system a
5、nalysis and design days gone, and because computer simulation method of cheap sex, efficiency and flexibility, caused it to become the main design for communication system and analytical means one. Matlab simulation experiment is wireless communication system used in a simulation technology. The gra
6、duation design mainly introduces the concept of Rayleigh fading channel, and various types of classification and their decline of various characteristics: frequency characteristics, time-domain features, Angle characteristics. And according to the various characteristics of Rayleigh fading presents
7、two overcome technical namely OFDM technology and MIMO technology, also the papers on the principle of the two technologies are introduced. This paper expounds the concept and the simulation of matlab in various fields of applications. Mainly describes how to matlab to Rayleigh fading channel are si
8、mulated, and the simulation of the process, and how each module code channel operation, and finally gives the specific analytical simulation result diagram. KeyWords:Rayleigh fading channel;Matlab simulation;wireless communications - 4 - 目 录 1 概述 . 1 1.1 课题研究背景及意义 . 1 1.2 开发工作与论文的主要内容 . 1 1.2.1 开发工作
9、主要内容 . 1 1.2.2 论文内容 . 2 2 瑞利衰落信道 . 3 2.1 瑞利衰落信道的概念 . 3 2.2 如何克服瑞利衰落信道 . 4 2.2.1 OFDM 系统 . 4 2.2.2 MIMO 天线技术 . 5 2.3 本章小结 . 6 3 MATLAB 的应用、开发环境和开发流程 . 7 3.1 方案设计 . 7 3.2 MATLAB 的应用 . 7 3.3 MATLAB 的开发环境 . 8 3.4 本章小结 . 10 4 瑞利衰落信道的仿真 . 11 4.1 matllab 的仿真流程 . 11 4.1.1 本次课题仿真的总流程图 . 11 4.1.2 各模块所用代码解释 .
10、11 4.2 安装 完成后在指定路径下打开源程序 . 14 4.3 程序仿真结果 . 15 4.4 有待完善的地方 . 17 5 结论 . 18 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 19 附录 1 主要源程序代码 . 21 附录 2 毕业设计作品说明书 . 23 - 1 - 1 概述 1.1 课题研究背景及意义 随着科学技术的不断提高 ,无线通信系统不断更新还代 ,无线通信走入各家各户，它带来的便利深入人心。 无线移动通信自诞生以来，其发展速度令人惊叹。经历第二代和第三代移动通信的快速发展，下一代即后三代 (Beyond 3G)或第四代移动通信系统 (4G)的研究工作已经开始展开。
11、 移动信道的研究与应用为移动通信开辟更为广阔的前景 ,认识移动信道本身的特性是解决移动通信中关键技术 的前提 . 瑞利衰落信道是一种无线电信号传播环境的统计模型。这种模型假设信号通过无线信道之后，其信号幅度是随机的，即 “ 衰落 ” ，并且其包络服从 瑞利分布。在无线通信中，信号通过无线信道后，由于基站周围反光物体或者其它障碍物的阻塞，经过多种路径的反射、折射，导致信号幅度随机化，使信号的干扰增大，给接受信号带来很大不便。而第四代移动通信技术要普及，就要研发出瑞利衰落信道的解决方法，所以研究瑞利衰落信道具有很大的意义。 在 MIMO中， 传统的多天线被用来增加分集度从而克服信道衰落。具有相同信
12、息的信号通过不同的路径被发送出 去，在接收机端可以获得数据符号多个独立衰落的复制品，从而获得更高的接收可靠性 。 MIMO技术充分开发空间资源，利用多个天线实现多发多收，在不需要增加频谱资源和天线发送功率的情况下，可以成倍地提高信道容量。 要克服瑞利衰落信道带来的不便，就要先研究它的特性。当在实际电子通信系统中进行试验研究比较困难或更本无法实现时，仿真技术就成为必然选择。我的研究课题就是利用 Matlab仿真对瑞利衰落信道进行模拟仿真，对产生的各种 符合瑞利分布的信道系数画出曲线图，并进行分析研究。 1.2 开发工作与论文的主要内容 1.2.1 开 发工作主要内容 瑞利衰落信道是无线通信系统中
13、最常用的信道模型之一。本课题要求掌握- 2 - matlab 程序设计，通过 m语言编程实现对瑞利衰落信道的 matlab 仿真。要求根据瑞利衰落信道模型，产生符合瑞利分布的信道系数，画出相应的曲线图。 信道仿真具体步骤： (1) 通过 m 语言编程建立瑞利衰落信道模型 ; (2) 代入各项参数产生符合瑞利分布的信道系数； (3) 通过这些信道系数画出相应的曲线图。 1.2.2 论文内容 论文分为五章。第一章概述介绍了本课题的背景意义和研究开发的主要内容。第二章解释了瑞利衰落信道的产生原理及克服技术，同时介绍了 OFDM 系统和 MIMO 天线技术的原理。第三章介绍了信道仿真平台的开发环境和开
14、发流程以及 MATLAB 的应用。第四章是仿真的主要步骤和运行结果，通过信道系数画出的曲线图，以及有待完善的地方。最后一章结论对整个论文工作情况进行总结。 - 3 - 2 瑞利衰落信道 2.1 瑞利衰落信道的概念 瑞利衰落信道 （ Rayleigh fading channel） 是一种无线电信号传播环境的计模型。这种模型假设信号通过无线信道之后，其信号幅度是随机的，即“衰落”，并且其包络服从瑞利分布， 这一信道模型能够描述由电离层和对流层反射的短波信道 ，以及建筑物密集的城市环境。 在无线通信信道环境中 1 2，电磁波经过反射折射散射等多条路径传播到达接收机后，信号的强度服从瑞利分布。 同时
15、由于接收机的移动及其他原因， 信号强度和相位等特性又在起伏变化， 故称为瑞利衰落。如果收到的信号中除了经反射折射散射等来的信号外， 还有从发射机直接到达接收机 （如从卫星直接到达地面接收机）的信号，那么总信号的强度服从分布莱斯，则称为莱斯衰落。 蜂窝中的信号传播高度依赖基站布置和周围的反光物体的几何形状，如果信号没有被障碍物阻塞，信号的能量会一直向四面八方辐射。由于 随机信号的变更，一个呼叫同样会被放弃如果移动物体和它的基站之间的信号强度低于通讯所需的最小阈值。就是说一个信号从无线信道里传出来如果基站周围有障碍物或者反光物体就会使信号强度变弱，信号幅度变得有高有低，如果低于信号接受的低于最小阈
16、值，就无法通讯，这种现象就是瑞利衰弱。衰落有几种表现形式： (1)慢衰落： 它主要是指电磁波在传播路径上受到建筑物等的阻挡所产生阴影效应而产生的衰落，反映了在中等范围内 (数百波长量级 )的接收信号电平平均值起伏变化的趋势。典型的分布遵从对数正态分布。 (2)快衰落：快衰落又称小尺度衰落 ，它反映的事微观小范围的空间， 时间和频率上接收信号所呈现的快速起伏。一般由于基站或者移动台附近的物体对信号的散射作用引起。快衰落下接收信号的包络的典型分布是瑞利 (Rayleigh)分布，有些情况下还可能是莱斯 (Rice)分布或者纳可伽米 (Nakaga-mi)分布。 移动信道环境中，任意时间 t接收的瞬
17、时复信号 r(t)可以表达为： R(t)=a(t)ejw(t) (2-1) - 4 - 其中 a(t)代表接受信号 r(t)的包络，由快衰落和慢衰落一起决定， w(t)代表 r(t)的相位，而且 由衰落过程的频域特性、时域特性和空域 特性来决定，这些特性分别与多径信号的多普勒扩展 (时间选择性衰落 )、时延扩展 (频率选择性衰落 )和角度扩展有关 (空间选择性衰落 )。 Rayleigh衰落分布：接收信号可由大量的平面波复合而成，此时接收信号可视为广义平稳复高斯随机过程。因此，我们可以用该随机过程来对信道建模 ,设 Hpq=Re(Hpq)+jIm(Hpq) (2-2) 对于某些类型的散射环境，
18、比如 2D全向散射， Re(Hpq)和 Im(Hpq)是独立同分布的零均值高斯随机过程，方差均为一。这时，信道增益的幅 度 Rpq服从Rayleigh分布。 2.2 如何克服瑞利衰落信道 2.2.1 OFDM 系统 OFDM是一种多载波调制技术 3，其原理是将高速的串行数据流转化为低速的并行数据究了无线信道传播理论基础上，分析了无线信道传播特性，建立了各种衰落信道的结构模型，设计了无线信道抽头延迟线模型和 Jakes仿真模型。对路径损耗信道模型进行了分析，比较了各模型的特点，仿真分析了模型误差，提出了各种模型的适用环境。对 0FDM系统进行仿真，重点研究了理想同步情况下4 5,保护时隙 ( C
19、P) 和不同的信道估计方法在高斯 信道和多径瑞利衰落信道下对 OFDM系统性能的影响。在给出 OFDM系统模型的基础上 , 用 MATLAB语言实现了整个系统的计算机仿真并给出参考设计程序。最后给出在不同的信道条件下 ,保护时隙、信道估计方法对 OFDM 系统误码率影响的比较曲线 , 得出了较理想的结论。 OFDM技术是多载波传输的一种，其多载波之间相互正交，可以高效地利用频谱资源，另外， OFDM将总带宽分割为若干个窄带子载波可以有效地抵抗频率选择性衰落。 通过比较加保护间隔和不加保护间隔系统的误码率，给出 OFDM具有独特的抗多径衰落特性。 OFDM有很多独特 的优点：频谱利用率很高，比串
20、行系统高近一倍，从理论上讲其频谱利用率可以接近 Nyquist极限。抗多径干扰与频率选择性衰落能力强；采用动态子载波分配技术能使系统达到最大比特率。- 5 - 通过各子载波的联合编码，可具有很强的抗衰落能力。 。所以 OFDM技术是现今最受关注的技术之一。 基于小波变换的 OFDM是小波理论 6与 OFDM技术相结合而产生的一种新的多载波调制技术。利用了小波函数的非零平移自正交性和强频谱带限能力等优势 。仿真该技术在瑞利衰落信道下的性能 ,并与传统的 OFDM 技术进行比较。在低信噪比下 ,DWT-OFDM 技 术的性能要明显优于传统的 OFDM 技术 。 OFDM 技术具有良好的抗多径干扰的
21、能力。它将高速数据通过串并变换转换为低速数据，同时通过插入保护间隔和循环前缀最大限度的减小了无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散带来的符号间干扰。 利用接收信号的两种高阶累积量的组合作为信号分类的特征值 7，有效抵消瑞利衰落和多普勒频移的影响。该方法可以在中频对信号进行处理，不需要信号的载波频率、波特率等先验信息。计算机仿真表明，该方法对多径瑞利快衰落和多普勒频移稳健，识别概率高，算法复杂度低，适合实时处理。 2.2.2 MIMO 天线 技术 在 MIMO 中， 传统的多天线被用来增加分集度从而克服信道衰落 8。具有相同信息的信号通过不同的路径被发送出去，在接收机端可以获得数据符号多个独立衰
22、落的复制品，从而获得更高的接收可靠性。举例来说，在慢瑞利衰落信道中，使用 1根发射天线 n根接收 天线， 发送信号通过 n个不同的路径 。 如果各个天线之间的衰落是独立的，可以获得最大的 分集增益为 n，平均误差可以减地更小。对于发射分集技术来说，同样是利用多条路径的增益来提高系统的可靠性。在一个具有 m根发射天线 n 根接收天线的系统中，如果天线对之间的路径增益是独立均匀分布的瑞 利衰落，可以获得的最大分集增益为 mn。需要特别指出的是在高信噪比 的情况下，传输速率是自由度受限的，此时对于 m 根发射天线 n根接收天线，并且天线对之间是独立均匀分布的瑞利衰落的 。 MIMO 系统在一定程度上
23、可以利用传播中多径分量，也就是说 MIMO 可以抗多径衰落，但是对于频率选择性深衰落 ， MIMO 系统依然是无能为力 , 在 OFDM 的基础上合理开发空间资源 ,也就是 MIMO+OFDM，可以提供更高的数据传输速率。另外 OFDM 由于码率低和加入了时间保护间隔而具有极强的抗多径干扰能力。由于多径时延小于保护间- 6 - 隔，所以系统不受码间 干扰的困扰， 已有前辈指出信道模型对于评估 MIMO 通信系统的性能非常重要 9MIMO技术充分开发空间资源，利用多个天线实现多发多收，在不需要增加频谱资源和天线发送功率的情况下，可以成倍地提高信道容量。并在分析 无线信道传播特征的基础上，讨论了常
24、见的 MIMO 物理模型，然后研究了 MIMO 信道建模的基本问题，提出了建模的基本步骤和方法，即从几何参数到阵列相关矩阵，然后导出 MIMO 协方差矩阵，最后产生符合要求的信道增益矩阵。这一方法对于进MIMO 系统性能的分析和仿真是很有用的。 MIMO 系统有许多优点，但是在实际 应用中，无论是为了提高系统的可靠性利用其分集特性，还是为了提高系统容量利用其空分复用特性，都不可避免地在发送端和接收端布置多副天线，因此其射频链路的硬件成本和通信双方为保持信道的非相关性所需空间的局限性 (尤其是移动端 )，以及天线数目的增加所导致的空时码编译码的复杂性都在一定程度上限制 MIMO 系统的快速应用。
25、 MIMO OFDM 技术 10 11将 OFDM 与空时编码技术有机的结合在一起，能够大幅度的提高无线通信系统的信道容量和传输速率，并能有效的抵抗多径衰落、抑制干扰和噪声，在分析移动无线信道衰落特性的基础 上，阐述了 MIMO OFDM 系统的基本原理，描述了多入多出 (MIMO)iE交频分复用 (OFDM)系统几种常见的信道估计方法。最后在 LS 频域信道估计的基础上提出了一种新的改进算法：分组 LS 频域信道估计算法，并结合 MATLAB仿真对其原理、性能和实用性等进行了详细的分析。所以 OFDM 技术和 MIMO天线技术是克服瑞利衰落信道现象的最主要的技术。 2.3 本章小结 本章主要讲述了瑞利衰落信道的产生原理及对无线通信的影响，同时从原理上讲述了 OFDM多载波调制技术和 MIMO天线技术能有效抵抗多经衰落、抑制干扰和 噪声， OFDM技术是多载波传输的一种，其多载波之间相互正交，可以高效地利用频谱资源，另外， OFDM将总带宽分割为若干个窄带子载波可以有效地抵抗频率选择性衰落。因此基于这两种技术的潜力，将二者结合起来可以成为新一代移动通信核心技术的解决方案 ,能大幅度提高无线通信系统的信道容量和传输速率，是克服瑞利衰落信道现象的最主要技术。
