多徑衰落信道仿真與分析

1、多徑衰落信道仿真與分析移動(dòng)通信是當(dāng)前最主流的通信方式，而無(wú)線信道是移動(dòng)通信中傳輸信號(hào)的媒介，只有 深刻掌握和了解移動(dòng)無(wú)線信道的特征，我們才能提出解決各種干擾的措施。移動(dòng)無(wú)線信道 傳輸特性的仿真對(duì)移動(dòng)通信的研究具有重要意義，其中多徑衰落仿真又是其中的重點(diǎn)和難點(diǎn)°移動(dòng)通信的特點(diǎn)是傳播的開(kāi)放性、接收環(huán)境的復(fù)雜性和通信用戶的隨機(jī)移動(dòng)性。在無(wú) 線通信信道中，大氣的反射或折射、建筑物和其他物體的反射導(dǎo)致了發(fā)送和接收天線之間 通常存在多于一條的信號(hào)傳播路徑。由多徑引起的信號(hào)衰落是影響通信性能的一個(gè)主要因 素，所以在通信方案可行性研究以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)、優(yōu)化等過(guò)程中，經(jīng)常要考慮到多徑衰落及 相關(guān)的解決方案

2、。本次設(shè)計(jì)用 MATLAB對(duì)信號(hào)在多徑信道中的傳輸進(jìn)行了仿真。移動(dòng)通信的傳輸媒介即大氣空間就是無(wú)線道，信道很復(fù)雜的特性并就是無(wú)線道，信有很復(fù)雜的特性并就是無(wú)線道，信有很復(fù)雜的特性并且其特性會(huì)不斷變化，各種地形物的影響和用戶終端的移動(dòng)使得無(wú)線信道具有極大的隨機(jī)性。一般用路徑損失、陰影衰落和多三種效應(yīng)描述 路徑損失、陰影衰落和多三種效應(yīng)描述大、中小大、中小大、中小3種不同尺度范圍內(nèi)信道對(duì)傳輸號(hào)的作用。多徑衰落也稱快種不同尺度范圍內(nèi)信道對(duì)傳輸號(hào)的作用。多徑衰落 也稱快，是由于同一 信號(hào)沿兩個(gè)或多路徑傳播，以微小的 時(shí)間差到達(dá)接收機(jī)相互干涉引起。而這些波稱為多徑。在接收天線處合成一個(gè)幅度和相位都急劇變

3、化的信這些波稱為多徑。在接收天線處合成一個(gè)幅度和相位都急劇變化的信這些波稱為多徑。在接收天線處合成一個(gè)幅度和相位都急劇變化的信這些波稱為多徑。在接收天線處合成一個(gè)幅度和相位都急劇變化的信這些波稱為多徑。在接收天線處合成一個(gè)幅度和相位都急劇變化的信 號(hào)，其變化程度取決于多徑波的強(qiáng)、傳播時(shí)間差以及信號(hào)帶寬其變化程度取決于多徑波的強(qiáng)、傳播時(shí)間差以及信號(hào)帶寬。主要表現(xiàn)在3個(gè)方面：1）經(jīng)過(guò)短距離或時(shí)間傳播后信號(hào)強(qiáng)度產(chǎn)生急劇變化；2）在不同路徑上，存在著時(shí)變多普勒頻移引起的隨機(jī)率調(diào)制；3）多徑傳播時(shí)延引起的擴(kuò)展。 常用的改善方法：針對(duì)種種情況，在移動(dòng)通信中，可以采取功率控制、基站切換、分集、交織、自適應(yīng)

4、均衡等各種有效的方法保證通信的質(zhì)量。在仿真驗(yàn)證這些方法的效果時(shí)，常常首先對(duì)信道 衰落尤其多徑衰落進(jìn)行仿真。下面就從移動(dòng)臺(tái)距離基站的遠(yuǎn)近、基站發(fā)射信號(hào)的不同頻率以及移動(dòng)臺(tái)的不同速度下 （考慮有反射信號(hào)存在的兩徑信號(hào)）的幾個(gè)方面來(lái)對(duì)多徑信道的仿真與分析。移動(dòng)臺(tái)靠近基站和移動(dòng)臺(tái)遠(yuǎn)離基站（靠近反射面）所接收的合成信號(hào)會(huì)不會(huì)有差別 呢？到底對(duì)合成信號(hào)有什么影響呢？其與我們所學(xué)的理論知識(shí)有沒(méi)有差別呢？下面我們就帶著這些問(wèn)題來(lái)進(jìn)行仿真與分析。一、不同距離下，即r0的不同(d=1500 , f=9e8 , v=0 )在此我使移動(dòng)臺(tái)靠近基站r0=300、移動(dòng)臺(tái)遠(yuǎn)離基站 r0=1100/1400,來(lái)觀察接收到的合

5、成信號(hào)。clear all f=9e8;v=0;%移動(dòng)臺(tái)速度，靜止情況為0c=3e8;%電磁波速度，光速r0=300;%移動(dòng)臺(tái)距離基站初始距離d=1500;%基站距離反射墻的距離t1=0:0.001/f:10/f; % 時(shí)間 E1=cos(2*pi*f*(1-v/c).*t1-r0/c)./(r0+v.*t1);% 直射徑信號(hào)E2=cos(2*pi*f*(1+v/c)*t1+(r0-2*d)/c)./(2*d-r0-v*t1);% 反射徑信號(hào)subplot(2,1,1) plot(t1,E1,t1,E2,'-g',t1,E1-E2,'-r')%畫(huà)出直射徑、反射徑

6、和總的接收title('r0=300 d=1500 v=1 f=9e8') legend(直射徑信號(hào),'反射徑信號(hào)','移動(dòng)臺(tái)接收的合成信號(hào)') subplot(2,1,2) plot(t1,E1-E2) title('r0=300 d=1500 v=1 f=9e8時(shí)移動(dòng)臺(tái)接收的合成信號(hào)')當(dāng)r0=300m時(shí)的仿真結(jié)果:-3X 10r0=300 d=1500 v=0 f=9e8-8X 10-8X 10由于r0=300m，則直射信號(hào)所走的距離為300m,而反射信號(hào)所走的距離為2400m,時(shí)刻t移動(dòng)2d-r0=2700m (d=150

7、0m)。信號(hào)在傳播的過(guò)程中要衰減，自由空間中，電磁波功率隨距離 r按平方規(guī)律衰減，相應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度(接收信號(hào)的電壓)隨 1/r規(guī)律衰減。由此得出信號(hào)所 走的距離越大，其到達(dá)接受端的幅度衰減也就越大。由于反射信號(hào)比直射信號(hào)多走 則到達(dá)接收端直射信號(hào)幅度比反射信號(hào)的要大的多，理論分析與仿真結(jié)果相符。臺(tái)接收的合成信號(hào)為E(t)=cos2二f (t 一凹)cos2 f (t - 2d t0) c cr02d-r0式中，減號(hào)體現(xiàn)了反射信號(hào)與直射信號(hào)的相位相反。通俗的說(shuō)，可以認(rèn)為移動(dòng)臺(tái)接收的合 成信號(hào)=直射信號(hào)-反射信號(hào)，由上面的分析知合成信號(hào)幅度要接近于直射信號(hào)的幅度，這 一點(diǎn)也與仿真結(jié)果相符。當(dāng)r0=1

8、100m時(shí)的仿真結(jié)果:-8X 10-4X 10r0-1100 d-1500 v-0 f=908功臺(tái)接收的合成信號(hào)-8X 10由于r0=1100m ,則直射信號(hào)所走的距離為1100m,而反射信號(hào)所走的距離為2d-r0=1900m (d=1500m )。反射信號(hào)依舊比直射信號(hào)走的距離遠(yuǎn)，則反射信號(hào)的幅度還是比直射信號(hào)的小，但由于比上次的距離短，由此知其幅度比上次大，相應(yīng)的直射信號(hào)幅度比上次要小，進(jìn)而合成信號(hào)幅度也相應(yīng)的減小(相對(duì)于r0=300m時(shí)的仿真結(jié)果)。這些都在仿真結(jié)果中得到了印證。當(dāng)r0=1400m 時(shí)的仿真結(jié)果：r0=1400 d=1500 v=0 f=9e8x 100.50-0.5直射

9、徑信號(hào)反射徑信號(hào)移動(dòng)臺(tái)接收的合成信號(hào)-1 01.2-80.20.40.60.8x 100.50-0.5-10.20.40.60.8x 10x 10r0=1400 d=1500 v=0仁9e8時(shí)移動(dòng)臺(tái)接收的合成信號(hào)1.2-8由于r0=1400m，則直射信號(hào)所走的距離為1400m ,而反射信號(hào)所走的距離為2d-r0=1600m (d=1500m )。反射信號(hào)依舊比直射信號(hào)走的距離遠(yuǎn)，則反射信號(hào)的幅度還是 比直射信號(hào)的小，但由于其所走的距離與直射信號(hào)所走的距離已經(jīng)比較接近，由此得知其 幅度與直射信號(hào)相接近，但反射信號(hào)的幅度還是比直射信號(hào)的小，但由于比上兩次的距離 短，由此知其幅度比上兩次都大，相應(yīng)的

10、直射信號(hào)幅度比上兩次都要小，進(jìn)而合成信號(hào)幅 度也相應(yīng)的減小(相對(duì)于前兩次時(shí)的仿真結(jié)果)。仿真結(jié)果也說(shuō)明這些。'總結(jié)：由上面知在r0取三種不同值的情況下，移動(dòng)臺(tái)離基站的距離不同，其接收的合成信號(hào)的強(qiáng)度是不同的，離基站距離近，合成信號(hào)強(qiáng)度大，離基站距離遠(yuǎn)，合成信號(hào)強(qiáng)度小， 這點(diǎn)在我們現(xiàn)實(shí)生活也能很好的說(shuō)明，一般離基站近手機(jī)信號(hào)好，而遠(yuǎn)離基站信號(hào)差(特 別是在山區(qū)的時(shí)候).二、不同頻率 f 下(r0=300 , d=1500 , v=0 )我國(guó)常用GSM手機(jī)占用的900/1800/1900MHZ 頻段；3G手機(jī)占用的 900/1800/1900/2100MHZ頻段。 鑒丁此那么仿真頻率f選擇

11、為 900/1800/2100MHZ，另外在選取0.2MHZ作為參考頻率，看看不同頻率下的多 徑衰落信道的特點(diǎn)。clear allf=9e8;v=1;%移動(dòng)臺(tái)速度，靜止情況為0c=2e5;%電磁波速度，光速r0=300;%移動(dòng)臺(tái)距離基站初始距離d=1500;%基站距離反射墻的距離t1=0:0.001/f:10/f; % 時(shí)間 E1=cos(2*pi*f*(1-v/c).*t1-r0/c)./(r0+v.*t1);% 直射徑信號(hào)E2=cos(2*pi*f*(1+v/c)*t1+(r0-2*d)/c)./(2*d-r0-v*t1);% 反射徑信號(hào)subplot(2,1,1) plot(t1,E1,

12、t1,E2,'-g',t1,E1-E2,'-r')%畫(huà)出直射徑、反射徑和總的接收title('r0=300 d=1500 v=1 f=9e8') legend(直射徑信號(hào),'反射徑信號(hào)','移動(dòng)臺(tái)接收的合成信號(hào)') subplot(2,1,2) plot(t1,E1-E2) title('r0=300 d=1500 v=1 f=9e8時(shí)移動(dòng)臺(tái)接收的合成信號(hào)')當(dāng)f=2e5 (即為0.2MHZ)時(shí)的仿真結(jié)果：r0=300 d=1500 v=1 f=2e5-3X 10直射徑信號(hào)反射徑信號(hào)fl456-5X

13、 10移動(dòng)臺(tái)接收的合成信號(hào)當(dāng)f=9e8 （即為900MHZ）時(shí)的仿真結(jié)果:-3-8x 10x 104 r0=300 d=1500 v=1 f=9e8 時(shí)移動(dòng)臺(tái)接 收的合成信號(hào)當(dāng)f=1.8e9 （即為1800MHZ）時(shí)的仿真結(jié)果:x 10-3r0=300 d=1500 v=1 f=1.8e9420-2-4012345-9x 10-3x 104 r0=300 d=1500 v=1 f=1.8e9 時(shí)移動(dòng) 臺(tái)接收的合成信號(hào)當(dāng)f=2.1e8 （即為2100MHZ）時(shí)的仿真結(jié)果:'總結(jié)：結(jié)合上面在四種不同的頻率下的仿真結(jié)果，可知頻率在900/1800/2100MHZ情況下信號(hào)的幅度變化不明顯的，

14、為什么會(huì)出現(xiàn)這種情況呢？下面就這一點(diǎn)著重分析一下。我們 知道Td2dcc是反射徑與直射徑的傳播時(shí)延差。如果頻率的改變量與遠(yuǎn)小于1/Td （相干帶寬），還是削弱并不會(huì)出現(xiàn)明顯的改變。若發(fā)射信號(hào)的頻率f<1/Td ,信號(hào)的頻帶內(nèi)受的衰落的影響基本是一致的，這時(shí)稱這樣的衰落為平坦衰落。f越小，直射徑與反射徑的波形重合的部分就越多，碼間串?dāng)_就越輕。當(dāng)f<<1/Td時(shí)，完全可以近似把直射徑的信號(hào)與直射徑的信號(hào)看做是同一徑信號(hào)。若f>1/Td ,貝U不同頻率受到的影響是不一樣的，這時(shí)稱的衰落為頻率選擇性衰 落。8 將r0=300 , d=1500 , c= 310 代入以上求 Td

15、的公式中得 Td=8e-6 s1/Td=0.125MHZ 。由于上面四種頻率都大于0.125MHZ則他們都會(huì)發(fā)生頻率選擇性衰落,由仿真結(jié)果知，頻率為 0.2MHZ的信號(hào)得到增強(qiáng)，而其他三種頻率的信號(hào)得到削弱。下面我們來(lái)考慮移動(dòng)臺(tái)具有不同速度下， 多徑信道所呈出來(lái) 的特性。在這里選取速度分別為 V=1 , 25 , 45 （它們分別代 表人的步行速度，小汽車(chē)的速度以及火車(chē)的速度）。三、不同速度 v 下(r0=300 , d=1500 , f=9e8 )clear all f=9e8;v=1;%移動(dòng)臺(tái)速度，靜止情況為0c=3e8;%電磁波速度，光速r0=300;%移動(dòng)臺(tái)距離基站初始距離d=1500

16、;%基站距離反射墻的距離t1=0:0.001/f:10/f; % 時(shí)間E1=cos(2*pi*f*(1-v/c).*t1-r0/c)./(r0+v.*t1);% 直射徑信號(hào)E2=cos(2*pi*f*(1+v/c)*t1+(r0-2*d)/c)./(2*d-r0-v*t1);% 反射徑信號(hào)subplot(2,1,1)plot(t1,E1,t1,E2,'-g',t1,E1-E2,'-r')%畫(huà)出直射徑、反射徑和總的接收信號(hào)title('r0=300 d=1500 v=1 f=9e8')legend(直射徑信號(hào),'反射徑信號(hào)',

17、9;移動(dòng)臺(tái)接收的合成信號(hào)')subplot(2,1,2)plot(t1,E1-E2)title('r0=300 d=1500 v=1 f=9e8時(shí)移動(dòng)臺(tái)接收的合成信號(hào)')當(dāng)v=1時(shí)的仿真結(jié)果:-3X 10r0=300 d=1500 v=1 f=9e8420-2-40.20.40.60.811.2-8X 10當(dāng)v=25時(shí)的仿真結(jié)果:-3X 10r0-300 d-1500 v-1 f=9e8動(dòng)臺(tái)接收的合成信號(hào)-8X 104r0=300 d=1500 v=25 f=9e8A420-2-4420-2-40.20.40.60.8直射徑信號(hào)反射徑信號(hào)移動(dòng)臺(tái)接收的合成信號(hào)x 10-8

18、x 100.20.40.60.81.2-8X 10r0=300 d=1500 v=25 f=9e81.2X 10當(dāng)v=45時(shí)的仿真結(jié)果:420-2-400.20.40.60.8-3X 10r0=300 d=1500 v=45 f=9e811.2-8X 10-3X 10r0=300 d=1500 v=45 f=9e83210-1-2-300.20.40.60.811.2-8X 10總結(jié)：我們知道在時(shí)刻t,移動(dòng)臺(tái)距離基站的位置 r=r0+v*t。cos(2* pi* f (t Wc) _cos(2* pi* f (t (2d r°)/c)將此式中的 r0 用 r 代替:r。2d r°E(t) cos(2* pi* f (1 v/c)t r°/c) cos(2* pi* f (1+v/c)t (2d r°)/c)。第 1 項(xiàng)直射波是 r0 vt2d -r0 -vt頻率為f(1-v/c)的正弦波，經(jīng)歷的多普勒頻移為：D1: = -fv/c;第2項(xiàng)是頻率為f(1+v/c)的正弦波，經(jīng)歷的多普勒頻移為：D2:=fv/c,參數(shù)Ds: = D2 -D1稱為多普勒擴(kuò)展。Ds=2fv/c ,我們把信道基本保持不變的時(shí)間段稱為信道 的相干時(shí)間(北1/(2* Ds)。信道的相干時(shí)間與多普勒頻移有關(guān)，多普勒越大，信