通信系統(tǒng)仿真CH6通信信道建模與仿真2013課件

通信系統(tǒng)仿真第六講

通信信道建模與仿真通信信道是指發(fā)射機與接收機之間的物理介質，包括有線信道和無線信道。有線信道主要包括雙絞線、同軸電纜、光纖等。所有實際信道都會引入某些失真、噪聲和干擾，需要通過調制、編碼和均衡等技術來抵消或部分抵消信道的失真和干擾。因此，在通信系統(tǒng)設計的初始階段，建立合理的信道模型并進行仿真是必需的。有線信道建模與仿真有線信道模型相對簡單，往往是非時變和線性的，可基于物理原理分析推導出解析模型。雙絞線信道：RLC電路模型建模，也可轉換為傳遞函數(shù)模型。同軸電纜信道：電纜制造商提供電纜傳輸線路模型的阻抗特性，從這些數(shù)據(jù)中可推導出傳遞函數(shù)模型。光纖基帶傳輸函數(shù)近似表示為：式中，S(λ)為光源的頻譜，是波長的函數(shù)；L(λ)為光纖損耗，也是波長的函數(shù)；

τ(λ)為單位長度群時延，l為光纖長度；

為多模色散傳輸函數(shù)，σ為均方根脈沖展寬，td為光纖時延。

對于單模光纖，沒有多模色散效應，則有：

廣泛用于光纖通信系統(tǒng)的半導體光源有兩種：發(fā)光二極管(LED)和激光二極管(LD)。半導體激光包絡和LED光譜一般建模為歸一化的高斯函數(shù)：

式中，σs為光譜寬度的均方根值，λs為光源的中心波長。

光纖損耗一般建模為：

α(λ)為光纖損耗因子，單位為dBm/km,l為用km表示的光纖長度。

色散系數(shù)d(λ)為群時延的導數(shù)：

石英玻璃光纖色散和群時延可近似表示為：ASE噪聲的理論模型主要有三種：非對稱的chi-square統(tǒng)計模型非對稱的高斯模型對稱高斯模型無線信道建模與仿真移動無線信道是時變和衰落信道，很難精確地進行描述。例如，對于公共無線通信系統(tǒng)，可能會涉及從城市到丘陵各種地形環(huán)境，以及各種氣候條件。兩種方法建模：建立原型系統(tǒng)，并進行野外測試，這種方式非常昂貴，不適合系統(tǒng)設計初期，只適用于運營商在進行建網(wǎng)和參數(shù)調整階段。結合經驗模型與物理原理分析建模。無線信道傳播特性無線電波在自由空間傳播時，信道只是簡單的衰減信號，不會發(fā)生波形失真?，F(xiàn)實環(huán)境中，無線電波傳播的空間環(huán)境復雜得多，從簡單的視距傳輸，到各種復雜的地物，如建筑物、山脈和樹葉、以及電離層和對流層等。無線電波傳播具有很強的隨機性，影響的因素主要包括：信號的頻率和帶寬，移動臺的運動速度、天線類型與特性，發(fā)射天線與接收天線之間的地形環(huán)境（鄉(xiāng)村、城市、室內、室外等），以及氣候條件（純凈空氣、雨、霧燈）。兩種衰落：路徑的長度或幾何形狀因傳輸媒質的改變或天線的相對移動而發(fā)生了變化，信號可能會產生很大的波動，這稱為小尺度衰落或多徑衰落。發(fā)射機與接收機之間距離不斷增加而引起的電磁波強度衰減，稱為陰影衰落或大尺度衰落。陰影衰落是平均信號功率的一種衰減，很容易由發(fā)射端和接收端之間突出的地表狀態(tài)（山脈、建筑物）而引發(fā)?？梢詮穆窂綋p耗和平均值的統(tǒng)計變化來描述陰影衰落。由于陰影衰落很慢，因此可以看成靜態(tài)的。小尺度衰落移動臺在極小范圍內（與波長相當）移動時，可能會引起瞬時場強的快速波動。小尺度衰落效應是由無線信道的多徑產生的，入射波具有不同的傳播時延，具有隨機分布的幅度、相位和入射角度，這些多徑成分被接收機向量合并，從而使接收信號產生衰落失真。多徑分為視距路徑和非視距路徑。視距路徑是指接收機與發(fā)射機之間的直線路徑。非視距路徑是指經過反射到達的路徑。多徑衰落分為兩類：多徑信號的路徑較少，數(shù)量有限，這樣信道模型只有有限條路徑，稱為離散多徑信道。（農村的小山、房屋及建筑物的反射產生）多徑信號的路徑由大量不可分解的反射產生，這種信號由一系列連續(xù)的密不可分的多徑部分組成，信道模型稱為彌散多徑信道。（主要發(fā)生在山區(qū)或人口稠密的城市）實際測量的信道可能既包含離散部分又包含彌散部分，但在具體建模時需要將其離散部分與彌散部分分開。多徑衰落信道的沖激響應模型多徑信道可建模為一個具有時變沖激響應特性的線性濾波器。假設s(t)為實帶通窄帶發(fā)射信號，則經過多徑信道，接收機的輸出信號為（不考慮天線效應與大尺度衰落）：式中，αn(t)為第n條多徑信號接收的衰減系數(shù)，τn(t)為相應的傳播時延。將s(t)表示為復包絡形式：則接收機輸出的復包絡可表示為：則接收機輸出可表示為：假設多徑信道為有限帶寬，則可以用一個時變復低通等效沖激響應來描述多徑信道：復低通等效模型濾除了載波帶來的高頻成分，使信號易于處理和分析。如果設N(t)為多徑分量的個數(shù)，每個多徑分量經歷的不同多徑環(huán)境決定了第n條多徑分量的幅值ρn(t)、載波相移ψn(t)、時延τn(t)這些參數(shù)一般是時變的。信道沖激響應可表示為：多徑衰落信道包絡的統(tǒng)計特性研究表明，如果接收信號是各路徑的大量散射分量之和，根據(jù)中心極限定理，c(τn(t),t)表示為時間t的復高斯過程，即在任意時刻t，其實部和虛部的概率密度函數(shù)服從高斯分布。若c(τn(t),t)均值為零，則包絡|c(τn(t),t)|具有瑞利分布概率密度函數(shù)。若c(τn(t),t)均值不為零，意味著存在一個大的反射視距分量，信號在瑞利衰落多徑上疊加了一個主要的靜態(tài)信號分量，則包絡|c(τn(t),t)|具有萊斯分布概率密度函數(shù)。雖然概率函數(shù)描述了沖激響應瞬時值的分布，但瞬時的變化只能通過恰當?shù)淖韵嚓P函數(shù)或以t為變量的功率譜密度隨機過程來建模.多徑信道的WSSUS模型信道c(τn(t),t)的時變特性在數(shù)學上可看做以t為變量的廣義靜態(tài)(WSS)隨機過程，其自相關函數(shù)為：在大多數(shù)多徑信道中，可假定衰減與相移是不相關的，這就是非相關散射(US)假設，則有：上式包含了WSS和US兩種假設，稱為衰落信道的WSSUS模型。WSSUS模型信道包絡的自相關函數(shù)可由下式表示：以Δt為變量對自相關函數(shù)做傅里葉變換：上式稱為散射函數(shù)，是以下兩個變量的函數(shù)：τ(延時)和頻域變量v(多普勒頻移)。空間頻率相關函數(shù)定義如下：它表示頻率分別為f1和f2的窄帶信號響應之間的相關性。相關帶寬f0定義為所有頻率分量的幅度是相關的頻率范圍。相關帶寬f0是最大延時擴展的倒數(shù)：最大延時擴展Tm是指多徑能量從初值衰落至低于接收功率門限以下時的時延。另一個更有用的用來描述時延擴展的物理量是均方值延時擴展：帶有均衡接收的系統(tǒng)仿真已經證明，如果均方根延時擴展相同，即使延時功率分布存在很大差異，其比特誤碼率性能實際上也是相同的。因此，在仿真或開發(fā)研究中，一般采用簡單分布，如均勻分布或指數(shù)分布來描述延時功率分布，且延時功率分布常歸一化，使歸一化后的總功率為1。根據(jù)Tm與碼元時間Tc之間的關系，或者f0與信號帶寬B之間的關系，可將多徑衰落信道分為兩類：如果Tm>Tc或f0<B，則信道為頻率選擇性衰落。此時，多徑分量超過了碼元持續(xù)時間，會導致碼間干擾?？赏ㄟ^Rake接收或均衡來減少碼間干擾。對此類信道，必須對每一個多徑信道進行建模，一般采用統(tǒng)計多徑沖激響應模型。如果Tm<<Tc或F0>>B，則信道為平坦衰落，此時，碼間干擾非常小，但信噪比卻降低了。提高信噪比的措施為功率控制或分集。在平坦衰落情況下，發(fā)送信號的頻譜特性在接收機內仍能保持不變，但強度會隨時間變化。典型的傳播模型：對數(shù)距離路徑損耗模型對數(shù)正態(tài)陰影分布Hata模型Hata模型擴展Clarke信道模型：用于描述小尺度衰落的一種平坦衰落信道模型，即瑞利衰落信道。無線通信信道仿真實現(xiàn)根據(jù)無線信道的傳輸特性，無線信道的仿真應考慮一下信道特征參數(shù)：最大傳輸范圍總體路徑損耗多徑延時擴展快衰落統(tǒng)計量慢衰落統(tǒng)計量最大多普勒頻移多徑角度擴展在實際仿真中，要綜合考慮信道環(huán)境、通信系統(tǒng)技術和復雜度要求。在很多情況下，一般假定是慢衰落信道。加性高斯白噪聲信道平坦衰落信道仿真：仿真平坦衰落信道實際上就是產生一個復高斯隨機過程。Jake仿真器是比較經典的一種平坦衰落信道。通過產生具有給定相關特性(即功率譜密度分布)的高斯隨機過程來仿真平坦衰落信道特性。離散多徑衰落信道：該信道由多個具有不同時延的平坦衰落信道組成，結構一般是多抽頭延時線模型。MATLAB中的無線信道仿真函數(shù)在MATLAB的Simulink中，通信子庫中有一個多徑瑞利衰落信道模塊(MultipathRayleighFadingChannelBlock)和多徑萊斯衰落信道模塊(MultipathRicianFadingChannelBlock)，可完成多徑瑞利和萊斯衰落傳輸信道的基帶仿真。MATLAB7.0以上版本提供了多徑信道仿真函數(shù)Rayleighchan和Ricianchan。%%:ExamRayCh%本程序將一隨機信號通過瑞利信道，產生輸出%%clearclcTs=0.02%輸入信號的抽樣時間Nt=2000;fmax=2;%信息碼元周期，必須滿足Fmax<1/(10*Ts),即滿足慢衰落條件c=rayleighchan(Ts,fmax);%c=rayleighchan(Ts,fmax,tau,pdb)頻