通信系统仿真CH6通信信道建模与仿真2013

结合经验模型与物理原理分析建模。
无线信道传播特性
❖ 无线电波在自由空间传播时，信道只是简单的衰减 信号，不会发生波形失真。
❖ 现实环境中，无线电波传播的空间环境复杂得多， 从简单的视距传输，到各种复杂的地物，如建筑物、 山脉和树叶、以及电离层和对流层等。
❖ 无线电波传播具有很强的随机性，影响的因素主要 包括：信号的频率和带宽，移动台的运动速度、天 线类型与特性，发射天线与接收天线之间的地形环 境（乡村、城市、室内、室外等），以及气候条件 （纯净空气、雨、雾灯）。
n
n
假设多径信道为有限带宽，则可以用一个时变复低通等 效冲激响应来描述多径信道：
c~( n (t), t) ~n (t) (t n (t))
n
复低通等效模型滤除了载波带来的高频成分，使信号易 于处理和分析。
如果设N(t)为多径分量的个数，每个多径分量经历的不同
多径环境决定了第n条多径分量的幅值ρn(t)、载波相移 ψn(t)、时延τn(t)这些参数一般是时变的。信道冲激响 应可表示为：
Ft[Rc~ ( , t)]
Rc~
(
,
t
)e
j
2vt
d
(t
)
❖ 上式称为散射函数，是以下两个变量的函数：τ(延 时)和频域变量v(多普勒频移)。
❖ 延时功率分布：表示接收信号平均功率，是延时τ 的函数，与散射函数的关系如下：
p Rc~ ( ,0) E
c~( ,t) 2
S , vdv
多径衰落信道包络的统计特性
❖ 研究表明，如果接收信号是各路径的大量散射分量 之和，根据中心极限定理，c(τn(t),t)表示为时间t 的复高斯过程，即在任意时刻t，其实部和虚部的概 率密度函数服从高斯分布。
若c(τn(t),t)均值为零，则包络| c(τn(t),t) |具有瑞利分布 概率密度函数。
❖ 小尺度衰落效应是由无线信道的多径产生的，入射 波具有不同的传播时延，具有随机分布的幅度、相 位和入射角度，这些多径成分被接收机向量合并， 从而使接收信号产生衰落失真。
❖ 多径分为视距路径和非视距路径。
视距路径是指接收机与发射机之间的直线路径。 非视距路径是指经过反射到达的路径。
❖ 多径衰落分为两类：
n0
n0
式中，a(φn)为导引向量，是阵列几何结构和接收信号入射角 度的函数：
a(n ) [1 a1(n ,n ) aM 1(n ,n )]
a ( , ) e m n n
j ( xm sinn cosn ym sinn sinn zm cosn )
式中，β为相位传播因子，θn为入射信号的入射仰角，φn 为入射信号的入射方位角，(xm,ym,zm)为阵列天线的位置坐 标，其中参考天线位于坐标原点。
❖ 电磁波传输方式：
反射
绕射
散射
❖ 大多数蜂窝移动通信系统运营在城市，发射 机与接收机之间一般没有直射路径，高层建 筑导致严重的绕射损耗。
❖ 不同物体的多路径反射，经过不同路径传送 的信号会有不同的衰减和延时，这些多径成 分被接收机向量合并。
❖ 两种衰落：
路径的长度或几何形状因传输媒质的改变或天线 的相对移动而发生了 变化，信号可能会产生很大 的波动，这称为小尺度衰落或多径衰落。
N (t )1
N (t )1
c~( n (t), t) ~n (t) (t n (t)) n (t)e j n (t) (t n (t))
n0
n0
如果接收方采用了阵列天线，则需要考虑多径分量的入射方 向，此时，信道冲激响应可表示为向量形式：
N (t )1
N (t )1
c~( n (t), t) a(n )~n (t) (t n (t)) a(n )n (t)e j n (t) (t n (t))
Rc~ (1, 2 , t) Rc~ (1, t) (1 2 )
❖ 上式包含了WSS和US两种假设，称为衰落信道 的WSSUS模型。
❖ WSSUS模型信道包络的自相关函数可由下式表示：
Rc~ ( , t) E[c~*( ,t)c~( ,t t)]
❖ 以Δt为变量对自相关函数做傅里叶变换：
S ,v
❖ 多径衰落引起的效应：
时间选择性衰落。信道冲激响应随观察时间的不 同而产生变化，与信号经历的多普勒频移有关， 是由于移动台在散射环境中的运动而产生的。
频率选择性衰落。信道冲激响应随输入频率的不 同而产生变化，与信号经历的时延有关，是由于 散射体位置不同而导致路径长度不同而造成的。
多径衰落信道的冲激响应模型
E 2 E2
❖ 带有均衡接收的系统仿真已经证明，如果均方根延时扩展相 同，即使延时功率分布存在很大差异，其比特误码率性能实 际上也是相同的。
❖ 因此，在仿真或开发研究中，一般采用简单分布，如均匀分 布或指数分布来描述延时功率分布，且延时功率分布常归一 化，使归一化后的总功率为1。
❖ 根据Tm与码元时间Tc之间的关系，或者f0与信号带宽B之间 的关系，可将多径衰落信道分为两类：
❖ ASE噪声的理论模型主要有三种：
非对称的chi-square统计模型 非对称的高斯模型 对称高斯模型
无线信道建模与仿真
❖ 移动无线信道是时变和衰落信道，很难精确地进行 描述。
❖ 例如，对于公共无线通信系统，可能会涉及从城市 到丘陵各种地形环境，以及各种气候条件。
❖ 两种方法建模：
建立原型系统，并进行野外测试，这种方式非常昂贵， 不适合系统设计初期，只适用于运营商在进行建网和参 数调整阶段。
多径信道的WSSUS模型
❖ 信道c(τn(t),t)的时变特性在数学上可看做以t为变量的
广义静态(WSS)随机过程，其自相关函数为： Rc~ (1, 2 , t) E(c~*(1, t)c~( 2 , t t))
❖ 在大多数多径信道中，可假定衰减与相移是不相 关的，这就是非相关散射(US)假设，则有：
d பைடு நூலகம்
d
c
0 2
c
ln
0
0
光放大器噪声模型
❖ 无论在海缆还是在陆缆系统中，光放大器都是重要 器件，一般每隔一段光纤，都会放置一个光放大器。
❖ 光放大器在放大信号的同时会把自发发射噪声叠加 到光信号上，使被放大光信号的信噪比下降。
❖ 信号在被放大的同时，这种自发发射光也与信号一 起被放大，称为放大的自发发射(ASE)，其频带很 宽，可占据整个增益带宽。
通信系统仿真 第六讲 通信信道建模与仿真
❖ 通信信道是指发射机与接收机之间的物理介 质，包括有线信道和无线信道。
有线信道主要包括双绞线、同轴电缆、光纤等。
❖ 所有实际信道都会引入某些失真、噪声和干 扰，需要通过调制、编码和均衡等技术来抵 消或部分抵消信道的失真和干扰。
❖ 因此，在通信系统设计的初始阶段，建立合 理的信道模型并进行仿真是必需的。
将s(t)表示为复包络形式：
s(t) Re ~s (t)e j2fct
则接收机输出可表示为：
y(t) Re
n
(t)e
j
2fc
n
(t
)
~s (t
n
(t
))e
j
2fct
n
则接收机输出的复包络可表示为：
~y (t) n (t)e j2fcn (t)~s (t n (t)) ~n (t)~s (t n (t))
失真主要是色散引起的。光纤色散有四种：多模色散、 结构色散（或波导色散）、材料色散和偏振色散。单模 光纤没有多模色散，材料色散和波导色散是主要的，制 造良好的单模光纤，偏振色散较小，在四项色散中最小。 多模光纤的多模色散和材料色散是主要的。
损耗主要是光能量的吸收损耗、散射损耗及辐射损耗。 吸收损耗和散射损耗是光纤材料固有的，其中，散射损 耗与光纤材料及光波导中的结构缺陷、非线性效应有关。 辐射损耗则是与光纤几何形状的扰动相联系。
多径信号的路径较少，数量有限，这样信道模型 只有有限条路径，称为离散多径信道。（农村的 小山、房屋及建筑物的反射产生）
多径信号的路径由大量不可分解的反射产生，这 种信号由一系列连续的密不可分的多径部分组成， 信道模型称为弥散多径信道。（主要发生在山区 或人口稠密的城市）
❖ 实际测量的信道可能既包含离散部分又包含 弥散部分，但在具体建模时需要将其离散部 分与弥散部分分开。
为多模色散传输函数，σ为均方根脉冲展宽，td
为光纤时延。
对于单模光纤，没有多模色散效应，则有：
H ( f ) S()L()Hc (, f )d
广泛用于光纤通信系统的半导体光源有两种：发 光二极管(LED)和激光二极管(LD)。半导体激光包 络和LED光谱一般建模为归一化的高斯函数：
S ( )
❖ 多普勒功率谱定义如下：
S
v
S
,
v
d
❖ Jakes经典功率谱是常用的一种多普勒功率谱，如下式所示，
式中fm为最大多普勒频移，等于v/λ(v是移动速度， λ 是信
号波长)：(多普勒扩展的频谱形状决定了时域衰落波形)
S
f
f
m
2 0
,
2
1
f
fc fm
0,
f fc fm 其他
❖ 空间频率相关函数定义如下：
Pf FFT p
它表示频率分别为f1和f2的窄带信号响应之间的相
关性。相关带宽f0定义为所有频率分量的幅度是相
关的频率范围。相关带宽f0是最大延时扩展的倒数：
f0
1 Tm
最大延时扩展Tm是指多径能量从初值衰落至低于
接收功率门限以下时的时延。
另一个更有用的用来描述时延扩展的物理量是均 方值延时扩展：
若c(τn(t),t)均值不为零，意味着存在一个大的反射视距 分量，信号在瑞利衰落多径上叠加了一个主要的静态信号 分量，则包络| c(τn(t),t) |具有莱斯分布概率密度函数。