基于qam调制的无线衰落信道的性能分析与仿真课程设计(编辑修改稿)

基于qam调制的无线衰落信道的性能分析与仿真课程设计(编辑修改稿)内容摘要：

波的波长。 (2) 伦琴衰落信道。 在移动通信系统中，如果发送端和接收端存在一条占优势的视距传播路径，这种信道就可以模拟成伦琴衰落信道。 当发送端和接收端既存在视距传播路径，又有多条反射路径时，它们之间的信道可以利用 Simulink 中的伦琴衰落信道模块和多径瑞利衰落信道模块的组 合来进行仿真。 瑞利 衰落信道的统计模型 衰落信道的统计特征的模型可以用几种概率分布表示。 当信道中传送到接收机的信号的散射分量数目很大时，如电离层和对流层中的信号传播，应用中心极限定理可得到信道冲激响应的高斯过程模型，如果该过程是零均值的，那么任何时刻信道响应的包络都具有 Rayleigh 概率分布，而相位在 （ 0,2 ） 区间内是均匀分布 的。 瑞利分布的概率密度函数为： )0(~0)0(~2exp)( 222rrrrrp  （ 22）  是包络检波之前所接收电压信号的均方根值， 2 是包络检波之前所接收信号包络的时间平均功率。 瑞利分布的均值 meanr 为： 2 5 3 )(  rErm e a n （ 23） 瑞利分布的方差为： 2222 )()(   rErEr （ 24） 瑞利信号的均方根为： 2rms （ 25） 9 瑞利分布的概率密度函数为： 图 22 瑞利分布的概率密度函数 通信系统中噪声概述及高斯白噪声 噪声概述 信号在信道中传输，要受到信道特性及噪声的影响，致使信号接收造成某些差错。 此时受到干扰及噪声影响的信号可称为受扰信号。 加性干扰的噪声其来源可分为人为 噪 声、自然噪声和内部噪声三个方面。 通常将宇宙噪声、散弹噪声和热噪声归为起伏噪声，它们的统计特性基本上是高斯分布。 高斯白噪声 在研究通信系统时，为了分析方便，把噪声假想成一种理想化的形式，认为它通信的频段不受限于实际通信系统的频段，并包括电磁辐射全部可见频率，这种噪声称为白噪声。 由于高斯过程的普遍存在和高斯噪声过程在通信中的重要意义，我们归纳它们的统计特征的特点。 高斯随机过程的一维统计特性只取决于均值和方差，二维0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 300 . 10 . 20 . 30 . 40 . 50 . 60 . 70 . 80 . 9 10 统计特性主要取决于自协方差或自相关函数。 高斯过程若广义平稳，则同时也严格平稳。 窄带高斯噪声及其同相、正交分量均值皆为 0，方差均等于窄带高斯噪声本身的方差，同相分量与正交分量不相关且统计独立。 窄带噪声包络为 瑞利分布，相位为均匀分布。 载波信号加窄带噪声一般为赖斯分布，当信号幅度很大时，为高斯分布 ：幅度很小时，接近于瑞利 分布 ； 信号包络与噪声包络相差不大时，为赖斯分布。 本设计中采用了加性高斯白噪声， 它的幅度分布服从 高斯分布 ，而它的功率谱密度又是均匀分布的 ，所以 r（ t）与 s（ t）不会有任何失真。 在信道中加入高斯白噪声，可以观察信号经过信道的变化情况。 产生高斯白噪声序列的方法 ： 假设 信道以高斯白噪声相加来恶化信号，如下图所示。 图 23 通过 AWGN 信道的接收信号模型 在 Tt0 间隔内，接收信号可以表示为：      tntst r （ Tt0 ） （ 26） 其中 n(t)表示具有功率密度谱  021f N（ W/Hz） 的加性高斯白噪声的样本函数。 噪声性能指标： 信噪比 SNR： ppNSSNR log10 (dB) （ 27） 噪声平均功率： 信道 高斯白噪声 n(t) 发送 信号 s(t) 接收信号 r(t)=s(t)+n(t) 11 2wpN  （ 28） (其中 2 为功率谱密度， w 为带宽 ) 通信系统的主要性能 通信系统的 性能指标涉及其有效性、可靠性、适应性、经济性、标准性、可维护性等。 尽管不同的通信业务对系统性能的要求不尽相同，但从研究信息传输的角度来说，通信的有 效性和可靠性是主要的矛盾所在。 所谓有效性是指传输一定信息量时所占用的信道资源（频带宽度和时间间隔），或者说是传输的“速度”问题；而可靠性则是指接收信息的准确程度，也就是传输的“质量”问题。 这两个问题相互矛盾而又相对统一，并且还可以进行互换。 由于模拟通信系统和数字通信系统之间的区别，两者对有效性和可靠性的要求及度量的方法不尽相同。 模拟通信系统的有效性可用有效传输频带来度量，同样的消息用不同的调制方式，则需要不同的频带宽度。 可靠性通常用接收端解调器输出信噪比来度量。 输出信噪比越高，通信质量就越好。 不同调制方 式在同样信道信噪比下所得到的解调后的输出信噪比是不同的。 数字通信系统的有效性可用传输速率和频带利用率来衡量，对于其可靠性可用差错率来衡量。 差错率常用误码率和误信率表示。 其中，误码率的计算公式如下： 传输总码元数 错误码元数eP （ 29） 12 三 、无线衰落信道 仿真 程序设计 仿真设备 装有 MATLAB 的 PC 机一台 系统整体 框图 图 31 系统整体框图 信号源 16QAM 调制 瑞利信道 高斯信道 16QAM 解调 误码率、性能对比分析 13 QAM 调制解调 图 32 QAM调制解调流程图 瑞利信道仿真模块 利用窄带高斯过程的特性，其振幅服从瑞利分布。 首先产生独立的复高斯噪声的样本，并经过 FFT 后形成频域的样本，然后与 S（ f）开方后的值相乘，以获得满足多普勒频谱特性要求的信号，经 IFFT 后变换成时域波形，再经过平方，将两路的信号相加并进行开方运算后，形成瑞利衰落的信号 r(t)。 图 33 瑞利信道 仿真 方法 串并变换 24 电平转换 载波调制 载波解调 抽样判决 42 电平转换 并串变换 发送序列 信道 输出序列 14 四、设计与仿真 16QAM 调制模块的建立与仿真 16QAM 调制解调原理进行了分析，这一章我将 对系统仿真框图中的各个模块进行简单的介绍： 信号源 本程序中，信号源为 8 位二进制代码 [1 1 1 1 1 1 1 1]， sigexpand函数的作用是将代码扩展为码元宽度为 1的双极性波形，如下图所示： 1 . 5 1 0 . 5 0 0 . 5 1 1 . 5 1 . 51 0 . 500 . 511 . 5星座图 图 41星座图 串并转换 信号源通过串并变换，将原来的一路信源信号变成两路信号，分别为上支路信号和下支路信号，独立地进行调制和解调。 串并变换的规则是根据序列编号的奇偶行，将编号为奇的码元编成一路信号，将编号为偶的码元编成一路信号。 经过串并转换后，并行输出的每一路码元传 输速率降为原来的一半即 Rb/2. 输入 d： 1 1 1 1 1 1 1 1 15 上支路 d_NRZ1： 1 1 1 1 下支路 d_NRZ2： 1 1 1 1 图 42 串并转换后上下支路信号时域波形图 24 电平转换 24电平转换就是将输入信号的 2电平信号状态经过转换后变成相应的 4电平信号。 这里选择的映射关系如下所示： 表 41 电平映射关系 映射前数据 双极性 电平 /V 00 1 1 3 01 1 1 1 10 1 1 1 11 1 1 3 根据以上的映射关系，可得到上下支路分别为 上支路 d_NRZ1： 1 1 1 1 0 2 4 6 8432101234时间 ( S )幅度串并转换后上支路信号时域波形图0 2 4 6 8432101234时间 ( S )幅度串并转换后下支路信号时域波形图 16 下支路 d_NRZ2： 1 1 1 1 24 电平转换信号： 上支路 d_NRZ1： 1 1 1 1 24电平转换后： 3 1 下支路 d_NRZ2： 1 1 1 1 24电平转换后： 3 1 图 43 24电平转换后上下支路信号时域波形图 这里 4 电平信号的码元传输速率已降为 Rb/4。 增加载波 在本课题中， 选用的载波 是载波幅度 A=1，载波频率 fc=2Hz,上支路 分量的载波是 h1t=A*cos(2*pi*fc*t),正交分量的载波是 h2t=A*sin(2*pi*fc*t)。 上下支路信号在加载波之前还经过平滑处理，以滤除较高频率的信号，使实验结果更加理想。 上下支路信号加载波 后的图形为： 0 2 4 6 8432101234时间 ( S )幅度2 4 电平转换后上支路信号时域波形图0 2 4 6 8432101234时间 ( S )幅度2 4 转换后下支路信号时域波形图 17 图 44上下支路调制信号时域波形图 调制信号形成 上下支路调制信号形成后，将两个分量相加，既可得到 16QAM 调制信号，如下图所示： 图 45 已调信号波形图 0 2 4 6 8432101234时间 ( S )幅度上支路已调信号时域波形图0 2 4 6 8432101234时间 ( S )幅度下支路已调信号时域波形图0 5 10 15 20 25 30 35 0 . 4 0 . 200 . 20 . 4时间 ( S )幅度已调信号时域波形图0 1 2 3 4 5 6 7 8 8 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0已调信号频谱f / f b 18 16QAM 调制信号的噪声叠加 （ 1）高斯噪声 本次仿真采用的噪声是高斯白噪声，这是一种最常见的噪声，白噪声的功率谱密度在所有频率上均为一常数，且仅在 t=0 时才相关，而在任意两个时刻的随机变量都是不相关的。 对已调制信号可采用 awgn 函数添加加性高斯噪 声。 y = awgn(m,n,p) 产生一个 m 行 n 列的高斯白噪声的矩阵， p 以 dBW 为单位指定输出噪声的强度。 为使解调效果较好，采用噪声的强度较小，设置 Pn=10dB。 （ 2）瑞利信道仿真 另外产生一个瑞利信道，并使已调信号通过此信道，统计此路解调信号的误码率，并与高斯信道下的进行对比。 Matlab 仿真步骤： （ 1）首先确定接收机速率，载波频率，多普勒频移和 )(fSE 的 N 点； （ 2）根据书上多普勒平移公式，计算出 )(fSE 的正频率部 分频域值，对其取反，合成得到全频域的 )(fSE （ 3）在 matlab 生成两个独立的复数高斯噪声：对于噪声一，在时域信号产生 N 点高斯噪声信号，对该号作快速傅里叶变换（ FFT）后得到复数高斯信号频谱；同样的方法再合成高斯噪声二； （ 4）将多普勒功率谱分别与复数高斯噪声信号相乘，再求快速傅里叶反变换（ IFFT），得到时域信号； （ 5）对 IFFT 后的信号求模后分别平方相加，最后开方后即得到瑞利衰落信号。 chan = rayleighchan(1/10000,100)。 %产生 瑞利信道 fadedSig = filter(chan,s_16qam)。 %使信号通过瑞。