1、 移动通信中信号的分析与研究 1目录 第一章 绪论 . 2 1.1 移动通信的发展史 . 2 1.2 本论文的研究内容 . 2 第二章 无线电波的传播 . 4 .1移动通信的传播媒质特点 . 4 .2地球表面均匀大气中的电波传播 . 4 .3 传播模型研究分类 . 5 .4 建立信道模型的意义 . 5 第三章 MATLAB 软件的功能和特点介绍 . 7 .1信号在频率域的特性 . 7 .2数字基带通信系统的性能 . 7 .3 常用信号的 MATLAB表示 . 7 第四章 基于 MATLAB 的信号的分解与合成 . 16 4.1信号分解与合成的原理 . 16 4.2 MATLAB的仿真研究 .
2、16 4.2.1衰落信道 . 16 4.2.2接收信号幅度岁距离的变化情况的仿真程序及仿真波形： . 17 4.2.3 信号包络、自相关函数、多普勒功率谱曲线的仿真程序及仿真波形 . 19 4.3信号分解与合成的仿真 . 21 第五章 论文总结及工作展望 . 28 参考文献 . 29 附录 . 30 谢辞 . 31 移动通信中信号的分析与研究 2第一章 绪论 1.1 移动通信的发展史 移动通信是当今通信领域内最为活跃和发展最为迅速的领域之一，也是将在 21 世纪对人类的生活和社会发展有重大影响的科学技术之一。科学技术的发展飞速，电子、电力电子、电气等设备应用越来越广泛，它们在运行中产生的高密度
3、、宽频谱的 电磁信号充满整个空间，形成复杂的电磁环境。复杂的电磁环境要求电子设备及电源具有更高的电磁兼容性。 现代移动通信技术的发展始于本世纪 20年代，大致经历了五个发展阶段。 第一阶段：从本世纪 20 年代至 40 年代，为早期发展阶段。在这期间，首先在短波几个频段上开发出专用移动通信系统。该系统工作 频率为 2MHz，到 40 年代提高到 30 40MHz可以认为这个阶段是现代移动通信的起步阶段，特点是专用系统开发，工作频率较低。 第二阶段：从 40 年代中期至 60 年代初期。在此期间内，公用移动通信业务开始问世。1946年，根据美国联邦通信委员会 (FCC)的计划，贝尔系统在圣路易斯
4、城建立了世界上第一个公用汽车电话网，称为 “ 城市系统 ” 。这一阶段的特点是从专用移动网向公用移动网过渡，接续方式为人工，网的容量较小。 第三阶段：从 60年代中期至 70年代中期。这一阶段是移动通信系统改进与完善的阶段，其特点是采 用大区制、中小容量，使用 450MHz频段，实现了自动选频与自动接续。 第四阶段：从 70 年代中期至 80 年代中期。这是移动通信蓬勃发展时期。 1978 年底，美国贝尔试验室研制成功先进移动电话系统 (AMPS)，建成了蜂窝状移动通信网，大大提高了系统容量。这一阶段的特点是蜂窝状移动通信网成为实用系统，并在世界各地迅速发展。 第五阶段：从 80 年代中期开始
5、。这是数字移动通信系统发展和成熟时期。 以 AMPS 和TACS 为代表的第一代蜂窝移动通信网是模拟系统。与其它现代技术的发展一样，移动通信技术的发展也呈现加快趋势， 目前，当数字蜂窝网刚刚进入实用阶段，正方兴末艾之时，关于未来移动通信的讨论已如火如菜地展开。各种方案纷纷出台，其中最热门的是所谓个人移动通信网。关于这种系统的概念和结构，各家解释并末一致。但有一点是肯定的，即未来移动通信系统将提供全球性优质服务，真正实现在任何时间、任何地点、向任何人提供通信服务这一移动通信的最高目标。 1.2 本论文的研究内容 考虑到信号研究的必要性，本论文从以下一些方面对移动通信中的信号进行了研究。 首先，研
6、究了电波传播现象、传播模型、信号的分解、合成、频谱分析及其误差；接着，对无线电波传播所引起的多径时延、多普勒频移、平均延迟、相关带宽、延迟扩展等参数进行公式推导及软件仿真；然后，对双射线模型进行仿真，并对发射信号相位以及幅度随收发移动通信中信号的分析与研究 3天线距离变化的情况进行了研究；研究了 Gibbs现象所引起的小区域的细微变化；最后，对 传播预测模型在整个无线网络规划与优化中所处的地位及移动通信网络规划中用于前期规划的经典传播损耗路径预测模型进行研究和仿真。 移动通信中信号的分析与研究 4第二章 无线电波的传播 .1移动通信的传播媒质特点 移动通信的用户由于进行自由移动 ,其位置不受束
7、缚 .所以必须利用 -无线电波进行传输 ,但与有线传播媒介相比 ,无线电波的传播特性一般都很差 ,而且不同用户的传播信号在传播过程中还会相互干扰 .因此建立无线传播系统远比有线传播系统复杂 .首先 ,移动通信的工作环境十分复杂 ,电磁波不仅会随着传播的距离的增加而发生弥散损耗 ,并且会受到地形、建筑物的遮盖而发生“阴影效应”，而且信号经过多点反射，会从多条路径到达接收地点，这种多径信号的幅度、相位和到达时间都不一样，它们相互叠加会产生电平快衰落和 时径扩展；其次，移动通信常常在快速移动中进行，这不仅引起多普勒平移，产生随机调频，而且会使得电波传播特性发生快速的随机起伏。因此可以认为无线传播环境
8、是一种随时间、环境和其他外部因素而变化的传播环境。 （ 1）多径效应 在移动传播环境中，到达移动台的天线不是单一路径来的，而是许多路径众多反射波的合成。由于电波通过各个路径的距离不同因而各路径来的反射波到达时间不同，相位也就不同。不同相位的多个信号在接收端叠加，有时同向叠加而加强，有时反向叠加而减弱。这样接收信号的幅度将急剧变动，而产生衰落。这种衰落是由多径引起 的，所以称为多径衰落。 （ 2）多普勒效应 由于移动台与基站之间的相对移动引起的，或是由信道路径中物体的运动引起的，引起多普勒频移，从而引起多普勒扩展，造成信道的时变特性，也就是信道出现了时间选择性衰落。时间选择性衰落会造成信号失真，
9、这是由于发送信号还在传输的过程中，传输信道的特征已经发生了变化。 .2地球表面均匀大气中的电波传播 无线信道的传播模型可分为大度尺（ Large-Scale）传播模型和小度尺（ Small-Scale）衰落两种。 无线电波从发射天线到接收天线的传播方式有很多种，包括直达 波（即自由空间波）、地波（即表面波）、对流层反射波、电离层波等。 发射机与接收机之间最简单的传播方式就是自由空间传播。在自由空间传播中，介质是各向同性而且均匀的。卫星通信、空间通信都和陆上视距通信都是自由空间传播。另一种移动通信中信号的分析与研究 5传播方式是地波，地波传输可以看作成是直达波、反射波和表面波的综合。第三种方式产
10、生于对流层，这里的异类介质随着天气和季节的变化而变化，而且其发射系数随着高度的增加而减小。第四种是电离层反射，大气中 40-400 英里高度是电离层 ,该电离层对于波长小于1m的电离波而言是一种反射体 ,这种反射传播可用于 长距离传播 . 电波传播环境的研究主要针对以下三个问题 : (1) 某个特定频段和某中特定环境中 ,电波传播和接收信号的物理机制是什么 . (2)从发射机带接收机 ,信号功率的路径损耗是多少 .该路径损耗预测对系统的设计和规划具有指导意义 . (3)接收信号的幅度、相位 、多径分量到达的时间和功率是怎样分布的 ,其概率分布统计特性如何 .一旦确定了信号衰落统计的特性 ,还可
11、以研究开发相应的抗衰落技术 . 由以上叙述可知 传播环境对传播模型的建立起 到了 关键 的 作用，确定某一特定地区的传播环境的主要因素有：自然地形（高山、丘陵、平原、水 域等） 、 人工建筑的数量、高度、分布和材料特性 、 该地区的植被特征 、 天气状况 ；、 自然和人为的电磁噪声状况 。 另外，无线传播模型还受到系统工作频率和移动台运动因素的影响。在相同地区，工作频率不同，接收信号衰落各异；静止的移动台与高速运动的移动台的传播环境也大不相同。 .3 传播模型研究分类 传播模型的研究可分为两类： 一类是基于无线电传播理论的理论分析方法； 一类是建立在大量测试数据和经验公式基础上的实测统计方法。
12、 在移动通信系统中，由于移动台不断运动，传播信道不仅受到多普勒效应的影响，而且还受地形、地物的影响，另外移动系统本身的干扰和外界干扰也不能忽视。基于移动通信系统的上述特性，严格的理论分析很难实现，往往需对传播环境进行近似、简化，从而使理论模型误差较大。而最著名的统计模型是 Okumura 模型，它是 Okumura 以其在日本的大量测试数据为基础统计出的以曲线图表示的传播模型。在 Okumura 模型的基础上，利用回归方法拟合出便于计算机计算的解析经验公式。 .4 建立信道模型的意义 建立信道模型，研究电波在信道中的 传播特性，对移动通信系统的设计起着重要的指导作用。移动信道模型的研究一直是移
13、动通信研究的关键问题。关于移动通信系统中电波传播路径损耗预测模型有许多 1，可用来预测不规则地区的路径损耗。但严格地讲，各地的传播环境和条件不可能完全相同。地形从简单的曲线形状到多山区地形，在估计路径损耗时要考虑特定地区的地形地貌，同时也要考虑树木、建筑物和其他阻碍物等。对传播预测模型的研究，传统上集中于给定范围内平均接收场强的预测和特定位置附近场强的变化。对于预测平移动通信中信号的分析与研究 6均场强，并用来估计无线覆盖范围的传播模型，大部分基于服务区测试数 据，其目标只是预测特定点或特定区域 (小区 )的信号场强。将这些模型应用在其它区域，具有一定的局限性。因此，在我国典型的室外环境从统计
14、意义上进行传播预测模型的研究，并建立相关的数据资料以使其获得更为广泛的应用范围是一项具有重要意义的工作。 移动通信中信号的分析与研究 7第三章 MATLAB 软件的功能和特点介绍 MATLAB 的全称是 MATRIX LABORATARY ( 矩阵实验室 ), 其基本的数据单元是一个维数不加限制的矩阵 , 在 MATLAB 下 , 矩阵的运算变得异常的容易。它具有以下的功能和特点高效的数值计算及符号计算功能 , 能使我们从繁杂的数学运算分析中解脱出来 ;完备的图形处理功能 , 实现了计算结果和编程的可视化 ;功能丰富的应用工具箱 ,提供了大量方便实用的处理工具 ;友好的界面及接近数学表达式的自
15、然化语言 , 便于使用。 .1信号在频率域的特性 通信原理研究的是信号在通信系统中的传输 , 在许多情况下要对信号的特性进行分析。对确定信号的分析方法是通过傅立叶变换得到频谱 , 对随机信号的分析方法是通过它的功率谱密度。运用解析法来分析信号 ,只能得到信号频谱的函数表达式 , 根据函数表达式人工画图很困难 , 画出的图也很不准确。但是运用 MATLAB 语言 , 可很方便地得到信号的频谱图。下面通过一个例子来说明这个问题。 运用 MATLAB, 我们可以容易地画出了信号的频谱 , 通过频谱图我们直观准确地看到该信号的主瓣宽度 ,近似带宽 ,是基带信号还是频带信号 ,零点分布情况等该信号的主要
16、特性。 .2数字基带通信系统的性能 码间干扰和噪声是影响数字基带通信系统性能的两个重要因素。码间干扰问题与系统的发送滤波器、信道特性、接收滤波器特性等因素有关 ,当系统总的特性为理想低通时 , 可以 完全消除码间干扰 , 但是理想低通滤波器在现实的通信系统中是无法实现的。因此 在现实的通信系统中码间干扰是一定存在的 , 设计者只能让系统函数逼近理想低通来提高系统的 性能 ,降低误码率。为了让我们对由码间干扰所引起的误码率有一个直观的认识 ,观察眼图是一个很好的方法。眼图可以借助于通信原理实验箱来观察 , 也可以借助于 MATLAB 的系统 仿真功能来实现。 .3 常用信号的 MATLAB表示
17、1.单位冲激函数（）、单位冲激序列（） 移动通信中信号的分析与研究 8示例 1： t = -5:0.01:5; y = (t=0); subplot(121); plot(t, y, r); n = -5:5;x = (n=0); subplot(122); stem(n, x); 运行结果如（图 3.1）所示 图 3.1 程序说明： （ 1） 由 n = -5:5得到一个 111 数组 n；而在 x = (n=0)中， n=0是一个向量运算，即向量 n中的每一个元素与 0比较是否相等，其比较结果 0或 1放在 x中。这样得到的向量 x也是 111 数组，且正好就是单位冲激序列 。 移动通信中
18、信号的分析与研究 9(2)在 MATLAB中，任何向量 x的下标是从 1开始的，不能取零或负值，而 x(n)中的时间变量 n 则不此受限制。因此向量 x的下标与时间变量 n 是两个概念，如本例中向量 x(n)的下标是从 1到 11，而时间变量 n是从 -5到 5。所以必须用一个与向量 x等长的定位时间变量 n，以及向量 x，才能完整地表示序列 x(n)。在信号的表示和运算中，这一点请务必注意；只有当序列 x(n)的时间变量正好是从 1开始时，才能省去时间变量 n，因为此时向量的下标与时间变量相同。 (3)单位冲激函数 的实现方法实际上与单位冲激序列 是完全相同的，都是用序列表示。只不过表示连续
19、时间信号 的序列中两相邻元素所对应的时间间隔更小，如本例中 t的间隔为 0.01，而表示离散时间信号的序列中两相邻元素所对应的时间间隔一般为 1。 2 单位阶跃函数 u(t)、单位阶跃函 u(n) 只要将前面冲激函数（示例 1）中的关系运算 “=” 改为 “=”, 就可得到单位阶跃函数 、单位冲激序列 ，如 （ 图 3.2） 所示。 图 3.2 我编制了函数文件 stepseq.m 来生成单位阶跃序列 。 function x, n = stepseq(n1,n2,n0) % 产生序列 u(n-n0),其中 n1n2)|(n1n2) 移动通信中信号的分析与研究 10error(输入不正确 ,输
20、入参数要应满足 n1=0); 示例 2： 绘图表示 (1) 门函数； (2) 序列 。 t = -3 :0.05: 3; z1 = (t+1) = 0); z2 = (t-1) = 0); g = z1 - z2; % 门函数 figure; subplot(221) plot(t,g,r); axis(-3 3 0 1.1) x1 = stepseq(-5,10,-3); % 调用函数 stepseq x2 = stepseq(-5,10,5); % 调用函数 stepseq x = x1 - x2; n = -5:10; subplot(222) stem(n,x); axis(-5,10,0,1.1) 运行结果如 （ 图 3.3） 所示。
