1、第十五章 衰落信道- 1 -硕士生课程实验报告实验题目:基于 systemview 平台的信道衰落原理与仿真姓 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 -目录一 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 实验内容与实验数据分析 .- 4 -15.1 RAKE 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数 .- 9 -15.4 宽带频率选择性衰落信道模型 .- 10 -
2、15.5 瑞利衰落的误比特率 .- 12 -15.6 3 路衰落信号的分集合并 .- 14 -15.7 RAKE 接收机的抗多径 .- 15 -三 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 总结与感想 .- 21 -第十五章 衰落信道- 3 -一 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
3、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 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
4、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（2
5、08.33s） 。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，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
6、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： 1.4CNWS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，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包括很多种类，我们这里使用的是直接
7、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 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
8、，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 0.4 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
9、概率密度函数： 22expzzf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：221,expfxyy将其换成极坐标形式： cosriny于是微分形式的概率密度函数变为： 21, rprded两边对 积分，将 看成时 为变量的函数，得到：,第十五章 衰落信道- 10 -2rpre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： 202 21exp,zAzf zI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
