實驗2 多徑衰落信道

1、 本科學(xué)生實驗報告學(xué)號 114090389 姓名 簡安文 學(xué)院 物電學(xué)院 專業(yè)、班級 11電子 實驗課程名稱 現(xiàn)代通信原理實驗 教師及職稱 金爭 開課學(xué)期 2013 至 2014學(xué)年 下 學(xué)期 填報時間 2014 年 05 月 18 日云南師范大學(xué)教務(wù)處編印實驗序號實驗二實驗名稱多徑衰落信道實驗實驗時間2014-05-17實驗室同析樓 三棟111一實驗?zāi)康?.1認(rèn)識Matlab/Simulink的基本功能。1.2理解無線多徑衰落信道的特征及其產(chǎn)生機理。1.3觀察恒定包絡(luò)信號通過多徑衰落信道后的信號幅值，加深對多徑衰落信道的認(rèn)識和理解。2 實驗內(nèi)容2.1在本仿真模型中改變信宿的移動速度、載波頻率

2、來觀察仿真結(jié)果的變化。2.2將輸入信號改為隨機二進(jìn)制數(shù)據(jù)碼元序列，觀察信道的輸出信號。2.3在本仿真模型基礎(chǔ)上，添加一個直達(dá)波來仿真萊斯多徑衰落信道，觀察信道的輸出信號。三實驗設(shè)備及材料3.1 Windows XP/Windows 73.2 Matlab R2011b四實驗原理4.1 多徑衰落信道模型多徑衰落信道模型假設(shè)，信宿接收的信號是發(fā)送信號經(jīng)過多條路徑傳輸后信號的疊加結(jié)果。其中每條傳輸路徑信號具有獨立的信號幅度、延遲。因此，接收信號可表示為 (1)式中，n對應(yīng)第n條路徑；g(t)為信號包絡(luò)；為第n條路徑在t時刻的延遲；為載波角頻率，表示接收信號的等效基帶信號，記為Z(t)，試驗中對該信號

3、進(jìn)行仿真。4.2 簡化模型下面對式(1)的模型進(jìn)行簡化，并對該簡化模型進(jìn)行仿真。實驗?zāi)康膬H僅是觀察多路徑衰落對信號幅度的影響，而與具體信號無關(guān)，所以可以假設(shè)發(fā)送的是等幅載波信號，即g(t)=1，則Z(t)簡化為 (2)在一個較短時間內(nèi)基本不發(fā)生變化，可假設(shè)其為常數(shù)，即，下面討論。假設(shè)的變化主要由信宿的移動引起，那么在時刻附近，對可做如下近似： (3)式中，v為時刻信宿的移動速度；為第n條路徑信號時刻信宿的入射角；c為光速；為第n條路徑長度隨時間變化的斜率；為路徑n的時間延遲相對于時刻的變化，那么 (4)式中，=，為最大多普勒頻移；=，對應(yīng)時刻的初始相位。綜合上述簡化，可以得到 (5)在假設(shè)反射

4、路徑均勻分布的情況下，和均為上的均勻分布隨機變量。另外對于，處于簡化考慮假設(shè)其為01的均勻分布。各條傳輸路徑的、和是獨立的，與其他傳輸路徑不相關(guān)。3. 實驗方案設(shè)計 本實驗的仿真模型文件名是multipath_fading.mdl，打開該文件可以看到如圖1所示的仿真模型結(jié)構(gòu)。整個仿真系統(tǒng)可以分為三個主要的部分：第一部分在圖1的左部，主要完成最大多普勒頻移的計算、時間t的計算和產(chǎn)生輸入信號；第二部分是傳輸路徑的計算，仿真了總共40條獨立傳輸路徑；第三部分將40條傳輸路徑的信號進(jìn)行累加，并統(tǒng)計總的信號幅值和作圖。圖1 仿真模型結(jié)構(gòu)圖五. 實驗步驟5.1 打開matlab應(yīng)用軟件，如圖2所示。5.2

5、 在圖2中右邊的命令窗(Command Window)的光標(biāo)處輸入：simulink,回車。圖2 Matlab界面5.3 在圖2中，選擇：File>New>Model新建文件，保存在matlab工作目錄下，并取名為 multipath_fading.mdl。5.4 在Find命令行處輸入：Ramp，就在窗口的右邊找到了該仿真模塊圖標(biāo)。用鼠標(biāo)右鍵選擇該模塊，將其添加到創(chuàng)建的multipath_fading窗口中。5.5 用相同的方法創(chuàng)建零階保持模塊（Zero-Order Hold）、數(shù)字函數(shù)模塊（Math Function）、子系統(tǒng)模塊（Subsystem）、直方圖（Histogra

6、m）和矢量示波器（Vector Scope）等，觀察每個設(shè)備的連接點，用鼠標(biāo)左鍵把設(shè)備連接起來，如圖1所示。5.6 進(jìn)行參數(shù)設(shè)置1）最大多普勒頻移的計算、時間t的計算、輸入信號（如圖3、圖4所示） 該部分實現(xiàn)了最大多普勒頻移的計算：m =。其中載波頻率，光速,信宿的移動速度取33.33(相當(dāng)于120)。而仿真計算中用到的時間t是通過一個零階采樣保持器對一個斜率為1的斜坡函數(shù)進(jìn)行采樣，可按照后續(xù)模塊需要的采樣速率得到時間t。根據(jù)實驗原理的簡化假設(shè)，輸入信號固定為1。圖3 最大多普勒頻移的計算圖4 時間t的計算2）無線傳輸路徑的仿真（如圖5所示）路徑的入射角度常數(shù)（圖5中Angle模塊）設(shè)為02上

7、的隨機值，初始相位常數(shù) （圖5中的Phase模塊）設(shè)為02的隨機值，路徑的增益（圖5中的Gainl模塊）設(shè)為01的隨機值。輸入信號為常數(shù)1，表示輸入信號復(fù)包絡(luò)為1。圖5 每條無線路徑的仿真模型3）求和、統(tǒng)計和顯示（如圖6所示）該部分實現(xiàn)了40條路徑的復(fù)包絡(luò)求和，將求和之后的信號幅值取絕對值，然后一起被送去直方圖統(tǒng)計，并顯示其直方圖；另一支路換算成dB單位，并顯示其時域波形。圖6 求和、統(tǒng)計和顯示5.7 用鼠標(biāo)點擊“運行仿真模型按鈕”即可運行multipath_fading.mdl,觀察實驗結(jié)果。6. 實驗現(xiàn)象與結(jié)果運行multipath_fading.mdl,可以得到以下的仿真結(jié)果。圖7顯示了

8、仿真1s得到的時域波形，該時域波形反映了信號經(jīng)過多徑衰落信道傳輸，1s內(nèi)信宿接收到的信號幅值的變化情況?？梢钥吹叫盘柗惦S時間發(fā)生劇烈變化（衰落），最高幅值和最低幅度之間相差超過了40dB。經(jīng)過局部放大，可以看到如圖8所示的細(xì)節(jié)。從圖8可以看到信號幅值的波動具有一定的周期規(guī)律，相鄰的深衰落之間的時間間隔比較穩(wěn)定，經(jīng)過測量大致是0.006s，對應(yīng)33.33m/s的信宿移動速度，信宿大致移動了20cm，對應(yīng)900MHz的載波頻率，20cm大致相當(dāng)于1/2波長。圖7 經(jīng)過多徑衰落信道接收到的信號幅值圖8 圖7的局部恒定幅度信號經(jīng)過多徑衰落信道后幅值統(tǒng)計結(jié)果如圖9所示，圖9 直方圖統(tǒng)計結(jié)果七. 實驗數(shù)

9、據(jù)處理方法 圖像法八. 參考文獻(xiàn) (1)現(xiàn)代通信原理實驗及仿真教程 何文學(xué),金爭,景艷梅,毛慰民編著 (2)現(xiàn)代通信技術(shù)講義PPT (3)通信原理(第六版)樊昌信,曹麗娜編著九思考題 9.1 綜述無線多徑衰落信道的特征及其產(chǎn)生機理。答：在通信系統(tǒng)中，由于通信地面站天線波束較寬，受地物、地貌和海況等諸多因素的影響，使接收機收到經(jīng)折射、反射和直射等幾條路徑到達(dá)的電磁波，這種現(xiàn)象就是多徑效應(yīng)。這些不同路徑到達(dá)的電磁波射線相位不一致且具有時變性，導(dǎo)致接收信號呈衰落狀態(tài)；這些電磁波射線到達(dá)的時延不同，又導(dǎo)致碼間干擾。若多射線強度較大，且時延差不能忽略，則會產(chǎn)生誤碼，這種誤碼靠增加發(fā)射功率是不能消除的，而

10、由此多徑效應(yīng)產(chǎn)生的衰落叫多徑衰落，它也是產(chǎn)生碼間干擾的根源。9.2 分析仿真中各模塊的作用并結(jié)合實驗內(nèi)容得出相關(guān)結(jié)果，綜述你的見解。答：仿真模型中左上角四個Constant模塊以及一個Divide模塊實現(xiàn)了最大多普勒頻移的計算，即m =。Constant1為信宿的移動速度取33.33，Constant2為載波頻率，Constant3為光速, Constant4為，Divide模塊實現(xiàn)了以上數(shù)據(jù)的乘除；Ramp模塊為一個斜率為1的斜坡函數(shù)和Zero-Order Hold模塊為一個零階采樣保持器，這兩個模塊可以按照后續(xù)模塊需要的采樣速率得到時間t；每一個Subsystem模塊中，都是一個無線路徑的仿真模型，最后通過Sum模塊求和再經(jīng)Abs模塊、Math Function模塊、Gain模塊、Scope模塊和Histogram模塊、Vector Scope模塊進(jìn)行統(tǒng)計和顯示功能的實現(xiàn)。仿真結(jié)果的時域波形反映了信號經(jīng)過多徑衰落信道傳輸，1s內(nèi)信宿接收到的信號幅值的變化情況?？梢钥吹叫盘柗惦S時間發(fā)生劇烈變化即衰落，最高幅值和最低幅度之間相差超過了40dB。經(jīng)局部放大可以看到信號幅值的波動具有一定的周期規(guī)律，相鄰的深衰落之間的時間間隔比較穩(wěn)定，經(jīng)過測量大致是0.006s，對應(yīng)33.33m/s的信宿移動速度，信宿大致移動了20cm，對應(yīng)900MH