1、模拟无线数字通信系统罗尼兰德奎斯特.穆罕默德阿巴斯布莱金厄理工大学，工程学院，372 25 龙内比，瑞典【摘要】由于高速无线服务，如无线互联网，电子邮件和移动视频会议，数字无线通信，爆炸性的需求已成为在电气和电子工程领域最令人兴奋的研究课题之一。但是，对这种个人和多媒体服务永无止境的需求，要求技术工作在更高的数据速率和更广泛的带宽。此外，在过去的十年，无线通信和信号处理系统的复杂性大幅增长。因此，都需要在建模过程中用强大的电脑辅助技术来设计、分析和评价的数字无线通信系统的性能。在本文中我们讨论了基本传播机制影响了无线通信子系统的性能，并给出了一个简单，强大和有效的方式来模拟数字无线通信系统利用
2、 Matlab。模拟结果与理论分析，以验证模拟器。该模拟器在评估无线多媒体服务的性能和相关的有用信号 proces 星当前和下一代无线移动通信系统的结构和算法。【关键词】无线通信，瑞利衰落信道，多媒体应用和服务，仿真与建模，信号处理。1 简介在过去的十年中，世界目睹了无线移动通信中使用的爆炸性增长。环顾四周，我们发现使用移动电话，无线 PDA，寻呼机，MP3 播放器和无线耳机用户可以连接到这些设备- 一种无线通信的对我们日常生活影响小的证明。此外，如蓝牙和超宽带新技术爆裂（UWB）的短距离无线通信系统是鼓励一种分布式无线多种设备的进一步发展。第二代无线移动通信系统（如 GSM）的技术是成熟了。
3、无线电通信是一个质的飞跃，由于技术革命和新服务，最近出现的过程。技术革命和不断增长的移动无线通信系统已经取得了非凡的成就，可能在数字计算，高速电路技术，因特网，当然，数字信号处理相关的领域。第三代（3G）和下一代无线移动通信系统应支持关于由第二代系统所支持的更广泛的服务，并大幅提高的范围。这些服务包括数据，图像，视频，电子邮件，互动多媒体和通讯。对这种个人和多媒体服务永无止境的追求，然而，技术要求较高的数据传输速率和更广泛的带宽运行。与不可预测性和随机性相结合的移动传播渠道，这已经创造了许多新的技术挑战性的问题，为其创新性，适应性和先进的信号处理算法，可提供新的，更好的解决方案！此外，修改和改
4、进的衰落信道建模是需要对这些新兴的无线通信系统正常性能评价。也有在移动衰落信道建模多篇论文3 -15。然而，在大多数论文的重点是不是在模拟器上显示的统计特性或接收器的均衡没有给予评价和波束形成大量信息或模拟器本身详细的执行结构。这是一个新的研究，特别是对学生的艰巨任务需要模拟复杂的数字通信系统，以评估系统中的不同模块的性能。在本文中我们提出一个数字无线系统的模拟简单，功能强大和有效的方式。文中还讨论了基本传播机制影响了无线通信信道的性能。我们还将展示如何实现这些机制在一个模拟器，并提供与模拟结果相比较的理论分析。我们使用 Matlab，最流行的仿真套件的通信系统的设计（尤其是学术界）之一。该模
5、拟器是高度可配置的，这是很容易改变的调制技术或速度，以适应在多媒体通信系统或加入其他结构（如均衡，波束形成，等等）的特殊服务为系统的性能进行适当的评价16，17。一个模拟器的扩展版本，支持空间应用或时间多输入多输出（MIMO）系统也可16，但这里没有介绍，由于长度的考虑。本文的结构如下。在第 2 节，基本传播机制和参数影响的运作和无线通信系统的性能进行了讨论。瑞利衰落信道和过程及其统计性能也提出了在第 2 节。第 3 节，我们介绍了在 Matlab 中实现，并讨论其不同的功能模块模拟器。一个水龙头瑞利衰落信道冲激响应的实施是在第 4 节讨论。在第 5 节实施模拟器通过比较，验证蒙地卡罗模拟的结
6、果，这些结果已经发表在该领域工作的人士。文章最后结论：在第 6 节。2 无线信道2.1 物理描述传播因素影响无线通信系统中接收信号的质量是路径损耗，大尺度衰落和小尺度衰落4。路径损耗基本上是一个信号功率作为距离的函数下降。当一个移动接收移动远离基站，即当距离增加时，信号将因电力在传输介质损耗低。对于自由空间传播时，信号强度是成反比的距离的平方（即 1/d2，其中 d 是发射器和接收器之间的距离）。无线通道的测量已经发现了，在实践中，信号强度下降的速度比 1/d2，一个典型的价值往往在预测使用的无线通道传播 1/d4。该路径损耗具有的上述三个因素的变化率最低的传播，衰减通常达到 100-120
7、分贝的覆盖范围。在大尺度衰落路径损耗比变化快，通常为对数正态分布周围的路径损耗平均随机过程描述。这种类型的推出，是因为衰落，从建筑和环境中的其他结构的阴影。在大尺度衰落介绍了约 6-10 分贝的衰减。小尺度衰落是，正如其名称所示，其中包括上述三个因素的传播速度最快的不同机制。据介绍作为多径传播的结果连同通道时变性质。多径传播产生于传输信号的反射，如灯柱更小的物体，如建筑物或分散山区的对象，并在房屋和天台等边衍射事实。因此，信号将达到从不同的方向接收器。每个路径可能有不同的延迟，引入时间接收信号（延迟差）的利差，表示该频道可能是通过脉冲响应，每个脉冲代表一个具有一定的延迟信号路径的特点。根据不同
8、的最大差异在第一个和最后接收信号的时间，最大延迟的 Tm 过剩，而在其中传输的符号，这个符号的持续时间 TS 速率逆，通道可能被列为频率选择性或持平。该通道被认为是频率选择性时的 TmTS，由于传输信号的不同频率将经历不同的衰减量。另一方面，如果的 TmTS，然后通道被认为是持平，因为所有的传输信号的频率将经历基本上是相同的衰减量。对小尺度衰落时变属性是由于多普勒效应。考虑一个固定发射器和一个移动的接收器。在单一路径传输的情况下将经历一个正弦波由于多普勒效应的频移。因此，在多径环境中，在接收信号的总体影响将被看作是一个多普勒传播或传输信号的光谱展宽。在无线通信系统的设计的一个重要问题是通道均衡
9、器。该均衡器的任务是估计的无线通道脉冲响应和执行反滤波赔偿。其目的是要获取这是在信道传输的平衡或逆转（逆滤波）通道的效果信号。主要障碍有效率的均衡是小尺度衰落。本文的重点是实施一个模拟器将用于开发和均衡器仿真（见16，如17）。因此，重点将放在一个小尺度衰落，即多径传播和多普勒效应模拟实现。其他因素将不深入讨论。广泛的测量（见5，20- 22如）已完成，以确定一个合适的随机过程模型，是由一个小规模的衰落影响的信号。基于这些测量光线利工艺为一个合适的模型显示广告系列非视距的视线传播。瑞利过程中实现了模拟，以模拟小尺度衰落的影响，在通道模式。有关定义和瑞利过程的统计性质，给出在未来的部分，它在实际
10、执行的模拟器是在第 4 节讨论。2.2 数学描述一个连续时间复高斯过程被定义为和其中 1（t）和 2（t）是真正的独立与方差 高斯过程。功率谱密度为高斯过程复杂 （PSD）的（吨）最初是由克拉克获得6在一个理想化的模型假设其中全向天线波传播的二维平面发生。到达角被假定为均匀分布从 0 到 2。功率谱密度为： 和对于 i= 1，2。这里的 fmax=/ 表示最大多普勒频率。该 parameter 是移动接收速度。承运人的 of 波长的定义 as=light/功能界别，其中 light 是光速和 FC 是载波频率。方程（4）通常被称为雅克什私营部门，尽管克拉克是第一个得到它。连续时间实值瑞利过程是
11、指把复杂的高斯过程的绝对值，即瑞利过程中的重要的统计特性，是电平通过率（LCR 表）中，平均衰落持续时间（AFD）的概率密度函数（PDF）和自相关（ACR）的。该瑞利过程 （t）的 LCR 是记为 N（x）和经常的过程介绍了如何在正跨越了一秒钟内水平方向的 X。它被定义为该瑞利过程 渔农处（吨）为 T 记（x）是预计的时间间隔长度，其中 （吨）以下的水平是 X. ACF 的定义为7最后，功率谱密度等于：其中 J0（。）是零阶贝塞尔函数的第一类。在下一节中一个完整的模拟器概述。瑞利过程是在模拟器衰落信道模型的一部分，是实现使用雅克什方法，该方法将在第 4 节中详细描述。3 概述模拟器为无线通信系
12、统模拟器已经在 Matlab 实现。该模拟器如图 1 和九个实现了一个典型的无线通信系统的各个方面处理模块组成。第一个块（块 1）生成，将在信道传输二进制数据。这些数据可以由连续符号，也可以是其中比如训练序列包含格式化插槽。调制器（2 座），是调节与选择的调制技术的二进制数据。输出是，在一般情况下，序列的符号在符号的 FD/秒的符号率（即复数）。该插补（3 座）增加/秒，通过插入呋喃/金融衍生工具到系统中，使用的频率 Fs 的样品采样频率-在每个输入样本一零。输出是一个“零填充“符号序列。分数呋喃/ fd 是表示为过采样的因素。为了限制由变送器使用的带宽，从列车内插脉冲过滤或所塑造的方式，不引
13、入符号间干扰滤波器（4 座和 6）（脉冲整形）。在模拟器上，我们使用平方根升余弦（国家无线电管理委员会）在过滤器发射器和接收端，为了满足奈奎斯特准则。我们还实施了在不同的均衡技术测试接收机（6 座）均衡器16，17。在模拟器（5 座）信道模型块同时实现了时不变和时变信道冲激响应。这两个频率选择性衰落和平坦衰落可能会产生不同的速度。瑞利衰落信号产生的使用雅克什方法7，6，8，在第 4 节所述。加性高斯白噪声（AWGN）也实现了模型。最佳采样点的发现和采样器（7 座），用于产生一个符号 rate.The 信号符号速率的信号，然后解调（8 座）和接收到的数据进行比较，在比较器传输的数据（块 9）以计
14、算误码率的系统（误码率）。有人可能会添加任何其他处理的是在特定情况下，根据调查需要的块。例如，如果一个是在一个特定的感兴趣的 BER 编码方案，人们可以添加源编码器和一个 1 和 2 座之间通道编码器。在接收端，解码器和相应的源信道解码器之间增加 8 座和 9。在这个文件中，重点是在没有编码方案上使用原始误码率现在，我们将继续在第 4 块信道模型的讨论。然后，在第 5 节，我们将显示不同的仿真器配置和繁殖情况 BER 的曲线。4 无线衰落信道仿真4.1 雅克什方法没有一个移动线的视线径衰落信道，可模拟为瑞利过程，在第 2 节讨论。另一方面，如果线是视距路径中水稻过程应该被使用。本文只考虑瑞利过
15、程是产生式（5）。当1（t）和 2（t）是白色的，ienon 色，所产生的信号 （t）和 （t）=|（t）|将包含样本是完全不相关的。然而，众所周知，这不是移动的渠道情况6。事实上（t）应该有中给出的 PSD（3）。做到这一点的一种方法是将过滤器的信号 1（t）和2 （吨），使（4）实现。另一种方法是使用过程理论确定性。更具体而言，水稻的方法10，11可以用来创建一个总结与随机等距频率和相位加权调和功能无限多褪了色的信号：表达式（10）代表具有所需屏蔽门，Si 零均值高斯过程（女）。这些阶段 i，n 是随机变量，一致0 分发，2 ），并fi 就是在这样一种方式，（12）频率范围涵盖了相关的选择
16、。雅克什法8是一个切实可行的解决办法是在水稻的方法适用于具有有限数量的镍调和函数来创建的 PSD 给出一个信号导率 i（t）（4）。在它的古典形式雅克什方法只能用来当一个瑞利实现是需要的。因此，雅克什方法，已被包括在额外相移振荡器，以产生几个不相关的变现调整7，12。参数 d 的 fmax=2/ Fs 是在 RAD 最大多普勒频率/ s 的采样频率 fs 正常化。振荡指标的值 K0 人数必须分配一个合适的值，参见7。为了确保衰落信道的模拟实施得当，建议估计的统计特性的瑞利过程已经产生的使用方法或大千世界修改雅克什法（LCR 表，渔农处，PDF 格式和 ACR）。估计之间的统计和统计数据比较，解
17、析得出应表现出良好的协议，这将在 5.2 节证实7。4.2 生成离散时间脉冲响应无线的一个基带信道冲激响应包括在一个一般的脉冲数，每个阶段都有自己的冲动，因为不同的幅度和旅行距离和它所代表的路径衰减延迟。因此，连续时间基带脉冲响应可以表示为脉冲总和的定义其中，（t）是一个时变复杂的高斯与 PSD 系数由（3），j 是第 j 个路径和 （t）的延迟是狄拉克 Delta 函数给出。脉冲响应（18）可能有无限的带宽。然而，正如我们刚才所说，过滤用在发射机和接收机带宽的限制，以满足（理论上）零间干扰奈奎斯特标准和还原出带外噪声。考虑到这一点，并考虑理想奈奎斯特滤波器砖墙截止频率 fcfs / 2 的，
18、合资或总反应变得一个离散时间滤波器将在模拟器使用的采样得到的脉冲响应（19），通过设置吨为N/ Fs 的 IE 浏览器。值得一提的是，在模拟器上我们已实施平方根升余弦在发射器和接收端过滤，以满足奈奎斯特准则，见图 1。作为一个例子，考虑连续时间脉冲响应在图 2 中，我们显示了振幅，相位连续时间和离散时间脉冲响应，分别和群延迟。采样频率为 fs=315 900 赫兹，切断了砖壁滤波器的频率为 FC= 0.5 呋喃 Hz.The 数滤波器系数（所设计的滤波器长度）是 16 个，也显示在图 2.It 系数这是显而易见的，从这一数字之间的连续时间滤波器和离散时间滤波器的对应关系良好。我们的结论，所设计
19、的脉冲响应与原连续时间响应要求的特点是一致的。5 计算机模拟实施无线通信的模拟器是一项艰巨的任务，如果不认真执行许多误差来源，可能会导致模拟器提供虚假的结果。因此，至关重要的是，模拟器，以便正确地验证它给了预期的结果。因此，建议定义一个可用于测试，以保证模拟器的可靠性案例集。仿真结果，进行了一个 IS- 136 蜂窝系统，与承运人频率设置为 850 兆赫和模拟器的采样频率为24300 赫兹。在本节中的模拟器验证了蒙特卡罗（MC）模拟方法。三种配置的定义。在第一 /4-DQPSK 调制符号传输的时间不变 AWGN 信道。由此产生的误码率进行了比较，结果在公开文献报道18，19。在第二种情况下瑞利
20、衰落的一个实现过程产生。由此产生的过程的统计估计，与预期的统计分析比较。最后，最后的测试案例验证了 MC 模拟给出了符号传输的 /4-DQPSK 调制两个多抽头瑞利衰落信道误码率预期。请注意，没有均衡器在这些测试案例是必要的，因为使用 /4-DQPSK 调制，其中的信息在相变化（相对相位）和不在于阶段本身（绝对相）。5.1 案例 1 - AWGN 信道仿真的 在第一次试验情况下，我们考虑与一沟道是只受 AWGN 信道，并验证通过比较与选择调制方案的理论结果他们的模拟结果的系统。 我们使用一个设置来传输 10000/4-DQPSK 调制在 10 个蒙特卡洛模拟在每一个符号的符号率 24 300 /秒的运行。在图。 3 我们展示过采样因子用人国家无线电管理委员会13 日与滚降系数为 0.2 的 BER 滤波曲线。很明显，模拟和分析的误码率是一致的。因此，我们的结论具有高仿真度的信心，正确实施。 5.2 病例中 2 - 瑞利衰落信道反应生成 在第二次测试情况下，Jakesmethod 实施验证。该测试是在同样的方式在7。首先，瑞利衰落的一个通道的实现方法是利用雅克什。然后，生成的实现是用来估计有关数字（即 LCR 表，渔农处，PDF 格式和 ACR）。在图。 4-6，估计 LCR, AFD and PDF 为规范
