多径时变信道模型仿真及性能分析分解
SC-FDMA_系统的MMSE-FSE_算法分析
doi:10.20149/ki.issn1008-1739.2024.01.016引用格式:孙亮亮,任颖.SC-FDMA 系统的MMSE-FSE 算法分析[J].计算机与网络,2024,50(1):89-94.[SUN Liangliang,REN Ying.Analysis of MMSE-FSE Algorithm in SC-FDMA System[J].Computer and Network,2024,50(1):89-94.]SC-FDMA 系统的MMSE-FSE 算法分析孙亮亮,任㊀颖∗(北京跟踪与通信技术研究所,北京100094)摘㊀要:单载波频分多址(Single-Carrier Frequency Division Multiple Access,SC-FDMA)系统均衡器的输入信号通常是按符号间隔进行采样的,其对抽样时间十分敏感㊂在短波波段,由于多径反射显著,当多径延时接近符号周期长度时,对抽样时间敏感的缺点会被放大㊂针对短波信道的特征,研究了SC-FDMA 系统的分数间隔均衡器(Fractional Spaced Equalizer,FSE)模型,通过与符号间隔均衡器对比发现,虽然符号间隔均衡器可以补偿接收信号的频率响应,但其对短时延衰落信道的补偿效果较差;FSE 对于抽样时间的选择不敏感,在多径信道下能够获得更好的性能㊂链路仿真结果表明,在短时衰落信道环境下,FSE 的译码性能比符号间隔均衡器有最大1.5dB 的增益㊂关键词:无线通信;多径信道;单载波频分多址;分数间隔均衡器;最小均方误差中图分类号:TN914.51文献标志码:A文章编号:1008-1739(2024)01-0089-06Analysis of MMSE-FSE Algorithm in SC-FDMA SystemSUN Liangliang,REN Ying ∗(Beijing Institute of Tracking and Telecommunications Technology ,Beijing 100094,China )Abstract :The input signal of a Single-Carrier Frequency Division Multiple Access (SC-FDMA)system equalizer is generallysampled at symbolic intervals,and the symbol spaced equalizer is sensitive to the sampling time.In the shortwave band,due to strongmulti-path reflection,the shortcomings of being sensitive to the sampling time are magnified when the multi-path delay is close to the length of symbol period.According to the characteristics of the shortwave channel,the Fractional Spaced Equalizer (FSE)model of theSC-FDMA system is analyzed.By comparing FSE with the symbol spaced equalizer,it is found that although the symbol spaced equalizercan make up for the frequency response of the received signal,its compensation effect is still not good for short-delay fading channels,while FSE is insensitive to the selection of sampling time,which can achieve better performance in multipath channels.The linksimulation results show that,in the short-term fading channel environment,FSE can improve the decoding performance by 1.5dB compared to the symbol interval equalizer.Keywords :wireless communication;multi-path channel;SC-FDMA;FSE;minimum mean square error收稿日期:2023-11-140㊀引言在短波通信(频率3~30MHz)中,天波在传播过程中被电离层反射之后,不需要中继站就能实现远距离通信㊂在通信领域,其具有无可替代的地位㊂尽管当前无线电通信系统不断推陈出新,短波这一传统的通信方式仍然受到普遍的重视[1]㊂短波通信因其通信距离远㊁抗毁性强㊁使用方便㊁价格低廉与组网灵活等优点,在救灾领域以及山区㊁戈壁㊁海洋等地区广泛应用[1-2],但是短波通信也有噪声大㊁稳定性差等不足㊂短波通信的现代化改造主要方向是提高可靠性㊁容量及抗干扰能力[3-4]㊂短波通信的信道环境复杂且不稳定,会受到多径干扰㊁信道衰落等不利因素的影响[5-8]㊂当传输速率提高时,系统对采样点更敏感,因此需要研究与短波信道适配的均衡算法[9]㊂接收机的同步一般以首达径为基准,但是由于存在多径时延的不确定性,不能确保所有路径的位置都为采样点㊂假设系统采用传统的符号间隔均衡方式,多径时延为τ,符号速率为f ㊂当以首达径为基准进行同步后,次达径的位置与首达径的位置相差Δ=f τ㊂若Δ为整数,则首达径和次达径相差整数倍的符号间隔,此时如果以首达径为同步位置,次达径也在采样点上,均衡的结果相对来说比较理想㊂但当Δ不是整数倍的采样间隔时,次达径的位置会偏离采样点,均衡性能下降㊂对于高速的数据传输系统而言,这一误差会更为明显㊂均衡算法一般是利用符号间隔进行采样的㊂符号间隔均衡器对于抽样时间的选择十分敏感㊂虽然其能够在一定程度上补偿接收信号的频率响应,但是其对短时延衰落信道的补偿效果较差,而分数间隔均衡器(Fractional Spaced Equalizer,FSE)[10-11]很好地解决了这个问题㊂FSE以高采样率对输入信号进行抽样,最佳的FSE与符号间隔均衡器和匹配滤波器的组合效果接近[12]㊂FSE有较高的采样率,能够补偿更大的带宽㊂当传输速率较高时,如果信道的带宽受限,FSE具有很好的补偿增益[13]㊂除此之外,FSE对于定时相位不敏感㊂对于延时严重失真的信道,FSE仍具有很大的优势㊂文献[14]对FSE 改善符号间干扰抑制能力进行了测量分析㊂本文研究的系统工作在短波频段,使用单载波频分多址(Single-Carrier Frequency Division Multiple Access,SC-FDMA)技术㊂本文在SC-FDMA系统模型的基础上,根据分数间隔的思想,给出了一种基于最小均方误差(Minimum Mean Square Error,MMSE)优化准则[15-16]的T/2FSE,并详细说明了其工作原理㊂利用数值仿真,模拟了不同多径时延的场景,评估了1/2分数间隔MMSE均衡器方法的性能㊂仿真结果表明,在仿真信道条件下,FSE比传统符号间隔均衡器的性能最大提高了1.5dB,充分说明FSE 可以有效抑制由多径衰落造成的信号失真影响,提升接收机性能㊂1㊀系统参数本文研究的SC-FDMA系统参数如表1所示㊂表1㊀单载波模型参数参数取值工作频段/MHz20~30调制符号速率/(符号/秒)2400编码方式3/4LDPC调制方式64QAM加扰方式比特加扰交织长度/s 4.8信道多径数量L2衰落/(Hz/s)1帧长288符号(循环前缀32,数据符号长度256)发送侧IFFT长度为256,循环前缀长度为32,物理层帧结构如图1所示㊂图1㊀物理层帧结构未知数据越长,传输效率就越高,但未知数据的解调依赖于训练序列对信道的估计结果,因此训练序列的选择和设计是信道估计的关键技术㊂Zadoff-Chu序列是CAZAC的特例,由于其具备很好的自相关特性[17],可以代替UW作为训练序列使用㊂2组长度16的Chu序列重复组成长度32的循环前缀,前一个序列的后面接未知数据,起到保护间隔的作用㊂后一个序列可作为训练序列进行信道估计㊂由于系统编码方式为LDPC[18],其主要译码算法包括软判决译码[19]㊁硬判决译码和混合译码㊂软判决译码同时利用了软信息表征判决可靠性的幅度信息和符号信息进行迭代译码㊂软信息中有大量的信道信息,软判决译码充分利用了这些信道信息,可以提高译码的性能㊂综合而言,在3种LDPC译码算法中,软判决译码是最复杂的,但其对信道信息的利用率最高,译码性能也是最好的㊂因此,本文采用软判决译码算法,需要获得均衡后的信号的软信息㊂系统利用自相关方法得到训练序列处的信道冲激响应,再利用该未知数据前后各2块Chu序列的信道响应,用三阶插值方法求出该未知数据处对应的信道冲激响应㊂系统使用Turbo迭代均衡算法,Turbo 均衡是一种软输入软输出(Soft Input/Soft Output, SISO)模型,结合了均衡与译码,通过软信息在译码模块与均衡模块之间的交换来降低符号间干扰(Inter-Symbol Interference,ISI),提升系统性能㊂在进行第一次均衡时,因为没有先验的信息,因此,采用MMSE准则进行均衡㊂在后续迭代中,采用上一次均衡译码结果的先验信息,利用SIC准则进行均衡[20]㊂Turbo算法是基于软干扰抵消(Soft Interference Cancellation, SIC)的一种均衡算法,其为基于MMSE准则的一种特例[20]㊂利用SIC算法对输入信号进行MMSE估计的前提条件是先验信息完全正确[21]㊂2㊀算法设计2.1㊀MMSE/SIC准则基于MMSE最佳估计等效于线性滤波,假设滤波器的长度为N,N1及N2为因果部分和非因果部分㊂N =N 1+N 2+1,滤波系数为c k ,n ,n =-N 1,-N 1+1, ,N 2㊂将多径信道模型改写为矩阵形式,则有:y k =Hx k +ωk ,(1)式中:y k ≜[y k -N 2,y k -N 2+1, ,y k -N 1]T ,x k ≜[x k -M 2-N 2,x k -M 2-N 2+1, ,x k +M 1+N 1]T ,y k ㊁x k 为(N +M -1)ˑ1维发送信号,其中M 为信道的阶数,M =M 1+M 2+1,M 1与M 2分别为信道抽头的因果部分及非因果部分;ωk ≜[ωk -N 2,ωk -N 2+1, ,ωk +N 1]T 为噪声,H 为N ˑ(N +M -1)卷积形式的信道矩阵㊂H ≜h Hr h H r ⋱h H r éëêêêêêùûúúúúú,(2)式中:h r 为信道的反转形式㊂h r =[h M 2,h M2-1, ,h -M 1]H ㊂定义均方误差为MSE =E (x^k -x k 2),则由均方误差的最小化,可以得到对x k 的最佳估计为:x^k =E x k ()+Cov x k ,y k ()Cov y k ,y k ()-1y k -E y k ()()㊂(3)用矩阵形式表示为:x ^k =σ2x s H H H σ2ωI N +HV k HH +(σ2x -v k()Hss H H H )-1y k -H x -k +x -k Hs (),(4)式中:x -k ≜x -k -M 2-N 2,x -k -M 2-N 2+1, ,x -k +N 1+M 1[]H ,V k ≜diag(v k -M2-N 2,v k -M2-N 2+1, ,v k +M1+N1),s ≜[01ˑN 2+M 2(),1,01ˑN1+M 1()]T ㊂在调制信号功率归一化之后,首次均衡因为没有先验信息,可假设对所有的k ,满足x -k=0,∀k 和v k 为1,∀k 此时的MMSE 滤波系数为:c k =σ2x σ2ωI N +HV k H H+(σ2x -v k()Hss H H H )-1Hsv k=1,∀k=σ2ωI N +HHH ()-1Hs ,(5)式中:s ≜01ˑN 2+M 2(),1,01ˑN 1+M 1()[]T ㊂滤波过程可表示为:x ^k =c H k y k -H x -k +x -k Hs()㊂(6)基于SIC 的Turbo 均衡算法:c k =σ2x σ2ωI N +HV k H H+(σ2x -v k()Hss H H H )-1Hsv k=0,∀k=σ2xσ2ω+E h σ2xHs ㊂(7)2.2㊀FSE 工作流程FSE 利用比符号速率1/T 更快的速率对信号进行采样,缩短了均衡器抽头之间的间隔,使其为符号时间间隔的分数间隔㊂常见的FSE 系统框图如图2所示㊂图2㊀FSE 系统框图假设h (t )表示线性时不变系统的成型滤波器和信道,w (t )为基带加性高斯白噪声,则基带接收端接收到的信号可以表示为:y (t )=ðɕn =-ɕx nh (t -nT -τ)+w (t ),(8)式中:x (n )为符号序列,T 为符号间隔,τ为任意时间延迟㊂在接收端,对接收信号使用T /2的采样间隔进行采样,接收到的序列可以表示为:y kT 2()=ðɕn =-ɕx n h k T 2-nT -τ()+w k T2()㊂(9)T /2间隔的FSE 出端可以写成接收端的信号与滤波器的卷积:x^k =ð2N -1i =0c iy (k -i )T2()㊂(10)为了简化抽头系数的计算,FSE 有2种不同的离散时间模型:多速率模型及多信道模型,分别说明了FSE 的空间及时间分集㊂因为这2种模型是等价的,因此本文只分析多信道模型,其原理框图如图3所示㊂图3㊀FSE 多信道模型原理框图假设只保存了2倍下采样时的偶数抽头的序列,则接收信号表示为:r even n=x^2n =ð2N -1i =0c iy nT -iT 2()=ðN -1i =0c 2iy ((n -i )T )+c 2i +1y (n -i )T -T2()(),(11)reven n=ðN -1i =0c 0i y0n -i+c 1i y 1n -i(),(12)式中:c 0i =c 2i ,c 1i =c 2i +1,y 0i =y (nT ),y 1n=y nT -T 2()㊂c 0i 和c 1i 分别表示偶数序列和奇数序列的子均衡器,y 0n和y 1n分别表示接收到序列的偶数部分和奇数部分㊂接收信号的偶数序列和奇数序列的符号间隔信道冲激响应分别为h 0n =h (nT -τ)及h 1n =h (nT -T /2-τ),对应的信道噪声分别为w 0n=w (nT )及w 1n=w ((2n -1)(T /2))㊂将接收信号改写为:y 0n =ð1x 1h 0n -1+w 0n ,(13)y 1n =ð1x 1h1n -1+w 1n ㊂(14)由于在信道的冲激响应中已经考虑了信道任意延迟τ,偶数和奇数的子信道定义不具有实际意义,仅存在符号上的区别㊂因此可以舍弃r even n 的偶数标号,用r n 表示符号间隔输出,此时接收信号表达式如下:㊀㊀r n =ðN -1i =0c 0i ð1x 1hn -i -1+w 0n -i ()+ðN -1i =0c 1ið1x 1h1n -i -1+w 1n -i ()=x n ∗c 0n ∗h 0n +c 1n ∗h 1n ()+c 0n ∗w 0n +c 1n ∗w 1n ,(15)式中:∗代表卷积㊂由式(15)可知,r n 是2个符号间隔均衡器的叠加结果㊂3㊀仿真分析本文所采用的系统整体结构如图4所示㊂图4㊀系统框图㊀㊀数据在发送端进行了4倍的上采样,假设上采样之后,在每4个样点中,第一个样点位置为最佳的采样位置,则在接收端进行2倍下采样时存在2种情况:从奇数点采样及从偶数点采样㊂本文通过数值仿真,分析了2种情况下的FSE 以及最佳采样位置处的符号间隔均衡器,如图5所示,从奇数点开始采样的FSE 等效于偏差最大采样符号间隔均衡器和最佳采样的组合,而从偶数点开始采样则与2个非最佳采样符号间隔均衡器的叠加等效㊂仿真设置了3种信道模型,多径数目均为2,在3种模型中,两径到达时间差分别为1.9㊁2.0㊁2.1ms,首达径和次达径的功率相等,符号速率及采样速率分别为2400符号/秒㊁9600Hz,则两径延时对应的采样点数分别为18㊁19㊁20㊂假设系统在首达径位置进行了准确的位同步,下采样之后,τ在 2.1~1.9ms 变化过程中,符号间隔均衡器首达径一直处于最佳采样点上,而第二径由采样点位置逐渐偏离㊂在τ=1.9ms 时偏离至2个最佳采样点正中间位置,此时对应的偏差达到最大值;对于FSE,由于其等价于2个符号间隔均衡器的叠加,τ在2.1~1.9ms 的变化过程中,存在2种情况:2个非最佳采样均衡器的叠加和最佳采样与偏差最大采样均衡器叠加㊂系统仿真计算误码率的基数是1000帧,仿真结果如图6所示㊂由图6可以看出,τ=2.1ms 时性能最好;τ=2.0ms 时,性能略有下降;τ=1.9ms 时性能下降十分明显,与其他2种情况相差约1dB㊂由此可知,误码率随着采样点和次达径的偏离增大而增大㊂在仿真时,由于已经精确地同步了首达径,因此在符号间隔均衡中,无法利用精确的位同步来避免该问题㊂图5㊀FSE采样时间图6㊀符号间隔均衡器在不同时延下的BER㊀㊀此外,系统采用的是多信道模型,即FSE 等效于2个符号间隔均衡器输出的叠加㊂仿真结果如图7所示㊂图7㊀FSE1(奇)在不同时延下的BER (X )由图7可知,随着τ的变化,FSE 接收机的误码率并没有明显的改变,FSE 对多径时延不敏感,由此也证实了FSE 对采样点误差不敏感㊂与符号间隔均衡器最好的性能(τ=2.1ms)相比,FSE 带来的解调译码性能改善约0.5dB@BER =10-4;与符号间隔均衡器最差的性能(τ=1.9ms)相比,FSE 带来的解调译码性能改善约1.5dB@BER =10-4㊂通信接收机满足2倍符号采样率,使用2倍符号采样率的FSE 均衡器并不会增加射频前端和ADC 的成本,MMSE 均衡模块的计算复杂度和信道估计模块比符号间隔均衡器提高1倍,导致基带处理资源的开销增加了大约5%㊂4㊀结束语FSE 的时域采样率比符号间隔均衡器更高,其频率响应的带宽也更宽,能够解决高频区间的频响失真问题㊂在短波信道场景,FSE 均衡器对于多径时延较小的信道效果显著㊂通过对SC-FDMA 系统的分析可知,FSE 均衡器能够提升复杂多径信道接下收机性能,其他通信系统也可以参考SC-FDMA 系统的方法㊂参考文献[1]㊀王金龙,陈瑾,徐煜华.短波通信技术研究进展与发展需求[J].陆军工程大学学报,2022,1(1):1-7.[2]㊀ELIARDSSON P,AXELL E,STENUMGAARD P,et al.Military HF Communications Considering UnintentionalPlatform-generated Electromagnetic Interference [C ]ʊ2015International Conference on Military Communica-tions and Information Systems (ICMCIS).Cracow:IEEE,2015:1-6.[3]㊀刘运红.短波通信链路建模与性能分析[D].成都:电子科技大学,2018.[4]㊀陈立伟,谭志良,崔立东.基于短波跳频电台的抗干扰算法的实现[J].计算机测量与控制,2015,23(11):3721-3723.[5]㊀梅天凤.OFDM应用在短波通信中的信道估计技术的研究[D].武汉:华中科技大学,2007.[6]㊀LI W,RUAN L,XU Y F,et al.Exploring Channel Diversityin HF Communication Systems:A Matching-potential GameApproach[J].China Communications,2018,15(9):60-72.[7]㊀WATTERSON C,JUROSHEK J,BENSEMA W.Experi-mental Confirmation of an HF Channel Model[J].IEEETransactions on Communication Technology,1970,18(6):792-803.[8]㊀ITU.Testing of HF Modems with Bandwidths of Up toAbout12kHz Using Ionospheric Channel Simulators:ITURecommendation ITU-R F.1487[S].[s.l.]:ITU,2000:61-95.[9]㊀李合生,赵明生,吴佑寿.一种短波通信盲信道快速分离算法[J].通信学报,2003,24(7):59-65. 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矿井下超宽带多径信道仿真与特性分析
矿井下超宽带多径信道仿真与特性分析摘要本文分析了矿井下回采工作面的多径传播的特点，建立了ieee802.15.3a信道模型和修正的uwb信道模型，通过仿真分析可以看出，矿井下回采工作面较为复杂，发送信号经多径传播后时间弥散非常明显，延时扩展很大，严重的影响和限制了传输速率和信道容量，因此。
在矿井下对uwb基站的设置要求更高。
关键词超宽带；ieee802.15.3a模型；s-v模型；修正的模型；仿真中图分类号td8 文献标识码a 文章编号 1674-6708（2011）47-0231-02simulation and characteristics analysis of uwb multipath channel in mineabstract the characteristics of multipath propagation in stope face in mine are analyzedieee802.15.3a model and modified model are created. the analysis show that stope face in mine is complicated, the signal dispersion is obvious after multipath propagation and delay spread is serious, which influence and limit transmission speed and channel capacity. therefore, the uwb base station demands higher requirements.keywords uwb；ieee802.15.3a model;s-vmodel；modified model；simulation0引言超宽带（uwb）无线电是近几年来发展比较快的一种新型通信技术，uwb信号频谱极宽，系统可在相对较低信噪比的条件下，实现1gbps的无线传输速率。
无线信道多径衰落的仿真
移动无线信道多径衰落的仿真摘要在移动通信迅猛发展的今天，人与人的交流越来越多的依赖于无线通信。
而无线信道的好坏直接制约着无线通信质量的提高，因此对无线信道的研究有利于提高通信传输速率。
本次课程设计用simulink对移动无线信道多径衰落特性进行了仿真，并且和理想传输环境下的情况进行比较得出了结论。
关键词：移动通信；无线信道；频率选择性衰落；多径传播移动通信是指双方或至少其中一方在运动状态中进行信息传递的通信方式，是实现通信理想目标的重要手段。
移动通信满足了人们在任何时间任何空间上通信的需求，同时，由于集成电路、计算机和软件工程的迅速发展为移动通信的发展提供了技术支持，移动通信的发展速度远远超过了人们的预料。
移动通信追求在任何时间任何地方以任何方式与任何人进行通信，也就是移动通信的理想境界——个人通信。
要实现这个理想，高效率、高质量是前提。
所以，除了研究发射机接收机可以达到目的外，对于无线信道的研究更为重要。
无线信道的好坏直接影响无线通信的质量和效率，对无线信道建立数学模型是一种科学的研究方法，通过建模可以了解影响信号传输质量的因素以及解决的方法。
无线信道中，小尺度衰落占有重要地位，所以，研究小尺度衰落的特性和建模方法对于无线信道的研究具有重大意义。
第1章移动通信概述 (1)1.1移动通信的发展史 (1)1.2移动通信的特点 (2)第2章无线信道的概念和特性 (3)2.1 无线信道的定义 (3)2.2 无线信道的类型 (4)2.3 无线移动信道的概念 (5)2.4 移动信道的特点 (5)第3章调制解调 (7)第4章系统仿真及结果分析 (8)4.1 QPSK 调制解调系统的仿真 (8)4.2 利用Matlab研究QPSK信号 (10)总结 (14)参考文献 (15)附录一： (16)附录二： (18)第1章移动通信概述1.1移动通信的发展史移动通信的发展大致经历了以下几个发展阶段：1．20世纪20～30年代：警车无线电调度电话（AM调幅），使用频率为2 MHz。
多径时变信道模型仿真及性能分析
多径时变信道模型仿真及性能分析
多径时变信道模型是一种模拟无线信道传输中存在的多径传播效应以
及随时间变化的信道时变性质的模型。
在无线通信中，信号在传播过程中
会经历多个路径，因此到达接收端的信号由多个路径传播并叠加在一起。
而时变性质则是指信道传输参数随时间变化的特性。
为了对多径时变信道进行模拟仿真并进行性能分析，首先需要选择合
适的信号模型。
常用的信号模型包括瑞利信道模型和高斯信道模型。
其中，瑞利信道适用于室外环境，主要考虑到多径传播效应；高斯信道适用于室
内环境，主要考虑到噪声的影响。
在仿真中可以根据具体需求选择合适的
信号模型。
接下来，需要确定仿真的参数。
多径时变信道模型的参数包括多径时延、多径衰落、多径幅度等。
这些参数可以根据实际场景进行设置，或者
通过测量获取。
在仿真过程中，可以通过设置不同的参数来模拟不同的信
道特性和环境。
进行性能分析时，常用的指标包括误码率、信噪比、信道容量等。
可
以通过对仿真结果进行统计分析得到不同信道条件下的性能指标，并与理
论值进行对比。
总结起来，多径时变信道模型的仿真和性能分析是针对无线通信中存
在的多径传播效应和信道时变性质进行的。
这可以通过选择合适的信号模型、参数设置和仿真工具来实现。
在仿真过程中，可以对不同的信道条件
进行模拟，并通过性能分析来评估系统的性能。
时变多径水声信道的仿真研究_牛富强
第28卷 第4期台湾海峡V o l .28, N o .42009年11月J O U R N A LO FO C E A N O G R A P H Y I N T A I W A N S T R A I T N o v .,2009收稿日期:2008-11-10基金项目:国家海洋局第三海洋研究所基本科研业务费专项基金资助项目(2009049)作者简介:牛富强(1981～),男,研习员,硕士研究生.时变多径水声信道的仿真研究牛富强1,杨燕明1,郭长勇2,刘贞文1,2(1.国家海洋局第三海洋研究所,福建厦门361005;2.厦门大学海洋学系,福建厦门361005)摘要:本文针对浅海水声信道的时变特性,基于射线理论引入海洋参数———强度起伏参数Υ、不均匀度参数Λ,建立有效的时变多径信道模型,并采用M a t l a b 工具进行仿真.仿真结果表明,该模型相比于确定性模型更容易理解、更真实.文中给出的模型和结论能够为实际通信系统中发射接收机深度等的选择和设计提供一定的参考和依据,有助于对水声信道的了解.关键词:海洋声学;水声信道;时变信道;多径传播;仿真D O I :10.3969/J .I S S N .1000-8160.2009.04.023中图分类号:P 733.2文献标识码:A 文章编号:1000-8160(2009)04-0586-06随着海洋资源的开发和经济的发展,利用水声信道传输数据信息的需求不断增加,包括军事上的水声通信、遥测海洋涡流水团的数据传输,以及用于监测全球海洋环境及资源的信息传输等.声信道特性的研究是目前水声技术领域中重要而又较薄弱的环节.海洋介质极为复杂多变,尤其在浅海,由于海水对声能的吸收及传播过程中能量的扩展损失导致了信号衰落;海洋上下2个界面对声波的反射及不同声速梯度的折射导致了严重的多径传播;海水介质的随机不均匀性及各种噪声源等引起水声信号畸变.水声信道的时变、空变、频变特性为水声传输技术带来了极大挑战,因此,只有充分认识水声信道的特性,才能逐步地使水声传输系统与真实海洋环境相匹配,从而获得最好的传输性能.近年来计算机仿真技术已成为系统设计和分析的重要工具,引起水声技术领域的高度重视.仿真技术具有快速、灵活、方便、可重复等优点,既可以在水声传输系统设计前对算法进行研究,同时又能大大提高系统设计的速度,从而节约了实际实验成本和时间.水声信道仿真主要是基于射线理论进行建模,文献[1]概述了当前各种射线理论模型,文献[2]在射线理论的基础上,分析了浅海水声信道的确定性模型,但并没有涉及水声信道的时变特性.在许多实际应用中,研究水声信号的缓慢变化是十分重要的,但在外海条件下很难进行现场实验.因此,本文将水声信道看作“缓慢时变的相干多途信道”[3],针对浅海水声信道的传输特性,在确定性模型的基础上,建立了一种时变多径信道模型,并采用M a t l a b 工具进行仿真.仿真结果对水声传输系统的设计具有重要的指导意义.1 浅海水声信道的多径传播模型海洋存在着海面和海底2个界面,声波传输时会发生反射,同时由于温度、盐度和深度的影响,不同深度的声速分布不均匀,从而使声波发生折射.上下边界的反射和海水折射使得水声信道变为多途信道,多途径的声波干涉是设计水声传输系统的主要困难之一.对于浅海水声信道,边界对声信号传播产生很大影响,但如果不考虑海水介质的随机起伏及海底、海面的随机波动,声波传输将会产生稳定的多途.相干多途信道模型假定:海洋边界和海水介质都不随时间变化,声源与接收器之间的位置也固定,声源发出的信号沿不同路径到达接收器,由于海水吸收和边界反射,使得接收信号发生畸变而与原始发射信号有很大差别.声波是微振幅波,它满足叠加定理,因此合理地认为相干多途信道是线性的,可以用线性时不变滤波器来描述[3].然而实际海洋由于随机界面波动、不均匀的介质,以及海水温度微结构、内波、浮游生物和气泡等引起的散射效应,使得声信道随时间变化,这时声场被看作为确定性声场(相干分量)和随机声场(非相干分量)的叠加.本 4期牛富强等:时变多径水声信道的仿真研究文重点研究随机声场部分.接收信号由相干分量和非相干分量叠加而成,据此声源和接收点之间的海洋信道被看作2个并联的滤波器,如图1所示[3].图1 随机时变滤波器信道模型F i g .1 R a n d o m t i m e -v a r y i n g f i l t e r c h a n n e l m o d e l图1中,z (t )为t 时刻的输入信号,w (t )为接收信号;h (τ)、H (f )分别为系统的冲击响应函数和传输函数;h (τ,t )、H (f ,t )分别为网络的冲击响应函数和传输函数;Z (f )为输入信号z (t )的傅里叶变换.假设声源发射一个δ脉冲,则此信道的脉冲响应函数[4]为:h (τ,t )=h 0(τ)+ h (τ,t ) h (τ,t )=δ(τ)+∑n -1i =0δ(τ-τi )A ie -j θi (t )(1)式中,n 是有效路径信号的个数,A i 、τi 、θi(t )是第i 个接收信号的幅度、时延和相移.相应传输函数为:H (w ,t )=H 0(w )+ H (w ,t )(2)式中,H 0(w )为传输函数的稳定部分, H (w ,t )为随机时变部分,并且均值为零.在水声信道多途传播模型中,将发送信号s (t )表示为:s (t )=R e [u (t )ej 2πf c t ](3) 对于复带通信号,e j 2πf c t 可称为复载波,u (t )则是s (t )的复包络,也即相应的基带低通信号.接收到的带通信号可表述为:x (t )=R e {[∑n A n(t )e -j 2πf c τn (t )u (t -τn (t ))]e j 2πf c t }(4)式中,A n (t )、τn (t )分别是第n 个接收信号的衰减因子和传播时延,f c 是未调制载波频率.等效低通接收信号为:r (t )=∑n A n (t )e -j 2πf c πn (t )u [t -τn (t )](5) 考虑频率为f c 的未调制载波的传播,对于所有时刻t ,u (t )是常数,因此接收信号r (t )为一系列幅度A n (t )和相位θn (t )的矢量之和.对于A n (t )和θn (t ),若信道介质不随时间变化,发射接收机位置确定,则接收信号是稳定的,由此得到确定性模型.但实际海水介质及边界都是时变的,使得上述参数也随时间而变化,因此必须建立信道的时变模型.由于r (t )是等效低通信道对u (t )的响应,该等效低通信道也可以由时变脉冲响应函数来描述:c (τ;t )=∑n α(τ;t )δ[τ-τn (t )](6)式中,α(τ,t )表示在时延τ和时刻t 信号成分的复衰落因子.信道仿真的关键就是产生α(τ,t ),这里将α(τ,t )简化表示为α(t ).由上面的分析α(t )可等效为零均值的复高斯随机过程,可用两个互不相关的实值零均值高斯随机过程产生,即:α(t )=u 1(t )+j u 2(t )(7)·587·台湾海峡28卷式中,u 1(t )和u 2(t )可基于中心极限定理,利用多个高斯白噪声叠加产生,一般方法有时域谐波叠加、频域谐波叠加、特殊形式的谐波等[5],本文采用时域谐波叠加法.2 浅海水声信道时变多径模型的建立浅海水声信道的时变特性可由海洋参数Υ、Λ来描述[6].它们分别描述水声信道中介质的起伏强度及均匀度.声线通过非起伏信道,所用时间为确定性时间t 0.但在起伏信道中,传播时间则变成t =t 0+Δt ,Δt 是起伏的.因此,总的传输时间也是起伏的,导致t 以t 0为均值的概率密度分布.令q 0=(2π/λ)为声波数,L c 为时变信道的相干长度,可由下式计算[6]:L c =[2<μ2>/C μ]3<μ2>=(116+a )2.25ε2/3c 20(L 02π)2/3C μ(z )=(116+a )11.364ε(z )2/3πc 0(z )2(8)式中,<μ2>为声速起伏值的均方值.C μ(z )代表信道的起伏程度,随海洋深度z 变化.a 为大小参数,其值在0.1和10之间.ε(z )为能量耗散率.c 0(z )为声速剖面的平均值.由上述参数可计算Υ、Λ为[6]:Υ2≈0.4L c q 20<μ2>L t o tΛ≈L t o t6L c q 0(9)式中:L t o t为声线经过的全部路程.最后,由上述的公式具体计算出每条传播路径的Υ和Λ值,从而确定每条路径的相位φ和幅度A (t )的方差.3 仿真与分析采用m a t l a b 来实现对上述模型的仿真.对于每一次实现,计算出接收信号包络S 和S M R (信号多途比),最后对一系列仿真结果进行统计分析.为仿真方便,选取台湾海峡中北部海域典型的正声速梯度[7]作为仿真声速剖面,声线图如图2所示.仿真中的具体参数设置如表1.图2 正声速梯度下声源深度20m 的声线F i g .2 S o u n d r a y d i a g r a m o f s o u r c e a t 20m d e p t h i n a w e a k p o s i t i v e s o u n dg r a d i e n t·588· 4期牛富强等:时变多径水声信道的仿真研究表1 信道仿真参数T a b .1 P a r a m e t e r s o f c h a n n e l s i m u l a t i o n 仿真参数仿真值信道深度/m40传输距离/k m3、10发射、接收深度/m20、15正声速梯度/m -11.6×10-5信号载波频率/k H z15码元速率/k b p s1参数a0.25能量耗散率10-8海底反射系数0.86海面反射系数(风速为5.14m/s )0.463.1 时变多径仿真模型中多途接收信号与接收距离的关系使用上述参数,得到如图3所示的多途接收信号S 随距离变化的单次实现.对比确定性模型,可以看出两者的变化趋势大体相同.但由于海洋环境参数的动态变动,信号随距离的衰减更加复杂,具有局部起伏震荡现象,主要是由于信号起伏在很大程度上破坏了确定性模型中的“子带结构”,使得远距离传输时反而更平坦.图3 S 值与水平传输距离的关系F i g .3 R e l a t i o nb e t w e e n Sa n dt r a n s m i s s i o n d i s t a n c e3.2 时变多径模型中S M R 均值的分布对时变多径模型进行仿真计算可得每一接收距离上S M R 的10000次实现的均值分布,如图4所示.从图4可以看出,与确定性模型对比,时变多径模型S M R 的均值是确定性模型S M R 的近似平滑.近距离时,多途比有用信号更强,直接导致了S M R 值小于1,引起码间干扰.这时只能使用频率调制M F S K 和低阶的相位调制,同时结合合适的信道编码来提高系统的性能.随着距离的增加,S M R 值也相应增加,主要是因为高阶多途在经历上下界面的多次反射造成的衰落大于低阶多途和直达信号.远距离时,由于仅有少数低阶多途和直达信号到达,有用信号的强度大于多途信号,S M R 值呈上升趋势.·589·台湾海峡28卷3.3 时变多径模型中S M R 值随接收深度变化发射机、接收机所放的深度对S M R 值也有较大影响.仿真中,发射机深度固定在20m ,改变接收机深度,结果如图5所示.图5 S M R 与接收深度的关系F i g .5 R e l a t i o nb e t w e e nS M Ra n dr e c e i v e r d e p t h s从图5中可以看出,接收机深度的不同可以很明显地改变S M R 值,影响系统的性能.调整接收机深度可以改变S M R 值.因此,实际海上实验时,可以固定其中一端,通过调整另一端深度,可以获得最佳接收效果.确定性模型中S M R 值随接收深度变化起伏较大,并且不太精确.而时变多径模型中S M R 均值(1000次统计)趋近平滑,更能反映实际海洋环境.从图5中可以看出,发射机固定在20m 时,接收机放在17～23m 深系统性能最佳.·590· 4期牛富强等:时变多径水声信道的仿真研究4 结论本文所建立的时变多径模型,主要考察S 随距离的变化、S M R 的均值随距离、接收机深度变化关系及与确定性模型的对比.其结果表明,时变多径模型相比于确定性模型更容易理解、更真实.影响水声传输系统性能的因素是多样的,文中给出的模型和结论能够为实际系统中发射接收机深度等的选择和设计提供一定的参考和依据.信道模型是对真实信道的近似模拟,有其适用的范围,要建立更加完善的模型还需要做进一步研究.参考文献:[1] K i l f o y l e DB ,B a g g e r o e r A B .T h e s t a t e o f t h e a r t i nu n d e r w a t e r a c o u s t i c t e l e m e t r y [J ].I E E EJ o u r n a l o f O c e a n i c E n g ,2000,25(1):4-27.[2] Z i e l i n s k i A ,Y o u n g -H o o nY ,WuLX .P e r f o r m a n c e a n a l y s i s o f d i g i t a l a c o u s t i cc o m m u n i c a t i o ni na s h a l l o ww a t e r c h a n n e l [J ].I E E EJ o u r n a l o f O c e a n i c E n g ,1995,20(4):293-299.[3] 惠俊英,生雪莉.水下声信道[M ].北京:国防工业出版社,2007:37-40.[4] P r o a k i s J .数字通信[M ].张力军,张宗橙,郑宝玉等,译.北京:电子工业出版社,2003:577-581.[5] C r e s p o PM ,J i m e n e z J .C o m p u t e r s i m u l a t i o no f r a d i oc h a n n e l s u s i n g ah a r m o n i c d e c o m p o s i t i o nt e c h n i q u e [J ].I E E ET r a n s O nV e hT e c h n o ,1995,44(3):414-419.[6] B j e r r u m -N i e s eC ,L u t z e nR .S t o c h a s t i cs i m u l a t i o no f a c o u s t i cc o m m u n i c a t i o ni nt u r b u l e n t s h a l l o w w a t e r [J ].I E E EJ o u r n a l o fO c e a n i c E n g ,2000,25(4):523-532.[7] 陈东升,胡建宇,许肖梅,等.台湾海峡中、北部海区1998年2～3月声速的分布特征[J ].台湾海峡,2000,19(3):288-292.S i m u l a t i o ns t u d y o n t h e t i m e -v a r y i n gm u l t i p a t hm o d e lf o r u n d e r w a t e r a c o u s t i c c h a n n e lN I UF u -q i a n g 1,Y A N GY a n -m i n g 1,G U OC h a n g -y o n g 2,L I UZ h e n -w e n1,2(1.T h i r dI n s t i t u t e o f O c e a n o g r a p h y ,S O A ,X i a m e n 361005,C h i n a ;2.D e p a r t m e n t o f O c e a n o g r a p h y ,X i a m e nU n i v e r s i t y ,X i a m e n 361005,C h i n a )A b s t r a c t :A c c o r d i n g t o t i m e -v a r y i n g c h a r a c t e r s o f u n d e r w a t e r a c o u s t i c (U W A )c h a n n e l ,a n e f f e c t i v e m o d e l o f t i m e -v a r y i n g m u l t i p a t hc h a n n e l b a s e do nr a yt h e o r yi s d e v e l o p e d .I nt h em o d e l ,t w oi m p o r t a n t o c e a np a r a m e t e r s ,t h e s t r e n g t h p a r a m e t e r Υa n d t h e s i z e p a r a m e t e r Λ,a r e i n t r o d u c e d .T h r o u g hc o m p u t e r s i m u l a t i o n ,t h e m o d e l p r o v i d e s m o r e i n t e l l i g i b l e a n d r e a l i s t i c r e s u l t s t h a n t h e d e t e r m i n i s t i c m o d e l .T h e s i m u l a t i o nr e s u l t s o f f e r a c e r t a i n r e f e r e n c e a n d b a s i s f o r a n a l y s i s a n d d e s i g n o f t h e r e c e i v e r d e p t h ,w h i c h i s h e l p f u l f o r u n d e r s t a n d i n g t h e c h a r a c t e r o f t h e U W A c h a n n e l .K e y w o r d s :m a r i n e a c o u s t i c s ;u n d e r w a t e r a c o u s t i c c h a n n e l ;t i m e -v a r y i n g c h a n n e l ;m u l t i -p a t h p r o p a g a t i o n ;s i m u l a t i o n D O I :10.3969/J .I S S N .1000-8160.2009.04.023(责任编辑:郭水伙)·591·。
一种基于Simulink仿真环境下的多径衰落信道的建模及测量
本文创新观点： 本文采用 Ｓｕｚｕｋｉ 过程作为无线信 道的基本模型， 模型中假设阴影效应作用于多径散射 分量。阴影效应服从对数正态分布， 而多径衰落服从 瑞利分布。所建立的模型加符合实际的传输环境
图 ６ 快衰落功率谱密度 理想值与实测值
图 ７ 快衰落概率密度函 数理想值与实测值
技
图 １ 仿真链路组成框图
术
信道参数性能分析：
仿真条件： 移动速度 ３，３０，６０，１２０ｋｍ／ｈ， 采样点 数：
创 １０５， 采样速率： １．２８Ｍ／ｓ， 载频： ２ＧＨｚ
新
图 ２ ３ｋｍ／ｈ 移动速度下 的衰落曲线
《 现场总线技术应用 ２００ 例》
您的论文得到两院院士关注 文章编号：１００８－ ０５７０（２００６）１０－ １－ ０１５１－ ０２
仿真技术
一种基于 Ｓ ｉｍ ｕ ｌｉｎ ｋ 仿真环境下的多径衰落信道 的建模及测量
（解放军信息工程大学）楼 朝 霖 宋 常 建 孔 俊 霞
Ｌｏｕ ，Ｃｈａｏｌｉｎ Ｓ ｏｎｇ ，Ｃｈａｎห้องสมุดไป่ตู้ｊｉａｎ Ｋｏｎｇ ，Ｊ ｕｎｘｉａ
２ 数学模型
２．１ 瑞利快衰落
设
和 是均值为 ０， 方差相等的不相关的
两个实 Ｇａｕｓｓｉａｎ（ 正态） 随机过程
程， 即
新
（２－ ３）
式 中 Ｎｉ 指 第 ｉ 个 Ｇａｕｓｓｉａｎ 过 程 所 累 加 的 正 弦 数 目， ｃｉ，ｎ 为 Ｄｏｐｐｌｅｒ 系数， ｆｉ，ｎ 为离散 Ｄｏｐｐｌｅｒ 频率， 为 Ｄｏｐｐｌｅｒ 相位， 在 ［０， ２π］ 内均匀分布。实际链路采用 Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｅｑｕａｌ Ｄｉｓｔａｎｃｅｓ （ ＭＥＤ） 算法， 相邻的离散
无线多径信道建模与仿真分析
无线多径信道建模与仿真分析摘要：对于无线通信，衰落是影响系统性能的重要因素，而不同形式的衰落对于信号产生的影响也不相同。
本文在阐述移动多径信道特性的基础上，建立了不同信道模型下多径时延效应的计算机仿真模型，不仅针对不同信道衰落条件下多径衰落引起的多径效应进行仿真，而且进一步阐述了多径效应的影响。
本文运用MATLAB语言对有5条固定路径的多径信道中的QPSK系统进行BER性能仿真。
关键词：多径衰落信道；瑞利/莱斯分布；码间干扰；QPSK；MATLAB仿真；BER移动通信技术越来越得到广泛的应用，在所有移动通信基本理论和工程技术的研究中，移动无线信道的特性是研究各种编码、调制、系统性能和容量分析的基础。
因此，如何合理并且有效地对移动无线信道进行建模和仿真是一个非常重要的问题。
1移动无线信道无线信道是最为复杂的一种信道。
无线传播环境是影响无线通信系统的基本因素。
信号在传播的过程中，受各种环境的影响会产生反射、衍射和散射，这样就使得到达接收机的信号是许多路径信号的叠加，因而这些多径信号的叠加在没有视距传播情况下的包络服从瑞利分布。
当多径信号中包含一条视距传播路径时，多径信号就服从莱斯分布。
在存在多径传输的信道中，由于各路径传输时间延迟不一致，以及传输特性不理想，加上信道噪声的影响，使得接受信号在时间上被展宽，从而延伸到临近码元上去，使得符号重叠，这样的信道会造成码间干扰。
2 多径衰落信道建模为刻画多径衰落信道人们提出了各種各样的模型，几乎都使用了随机过程来描述衰落。
描述多径的模型有两类，离散多径模型（有限数量的多径分量）和散射多径模型（多径分量的连续体）。
在移动无线信道中，第一类模型通常用于移动无线信道的波形级的仿真，而第二类模型通常用在窄带调制的对流层信道。
在两种情况下，信道都被建模为具有复低通等效响应的线性时变系统。
如果有N 个离散的多径分量存在，则信道的输出是5个被延迟和衰落的输入信号之和。
因此（7）冲激响应为：（8）其中，为多径分量的数量，而和是在时刻第K条路径的复衰落和延迟。
无线移动通信中的信道建模与仿真
无线移动通信中的信道建模与仿真一、引言随着移动通信技术的不断发展，人们对信道建模和仿真的需求也越来越高。
信道建模和仿真是无线通信系统设计中必不可少的一环，是保证通信系统性能的重要因素。
这篇文章将介绍信道建模和仿真在无线移动通信中的应用，以及信道建模和仿真的一些基本概念和方法。
二、信道建模1. 信道模型的概念信道模型是指对无线通信信道进行描述和建模的数学模型。
在实际通信中，无线信号在传输过程中会受到多种因素的影响，如多径、衰落、干扰等，这些因素对无线信号的传输造成了很大的影响，因此，对无线信道进行建模是保证通信系统性能的关键。
2. 信道参数的描述信道参数通常包括信道增益、时延、多普勒频移、相位等。
其中，信道增益是指信号在传输过程中所受到的衰落程度，时延是指信号从发射端到接收端所需要的时间，多普勒频移是由于接收端和发射端之间的运动速度而引起的信号频率偏移，相位是指信号的相位差。
3. 信道建模方法信道建模方法主要包括理论分析、数值模拟和实测建模三种方法。
其中，理论分析主要是通过数学模型对无线信道的特性进行推导和描述。
数值模拟方法是通过计算机程序对无线信道进行模拟和仿真。
实测建模方法则是通过实际测量得到无线信道的特性参数。
三、信道仿真1. 仿真概念信道仿真是通过计算机程序对无线信道进行模拟和实验，以调查和预测无线通信系统的性能。
仿真是一个相对较为简单的方法，可以帮助设计人员快速验证设计方案的可行性和正确性。
2. 仿真方法信道仿真方法主要包括离散事件仿真和连续仿真两种方法。
其中，离散事件仿真是指通过模拟在时间上出现的离散事件进行仿真。
连续仿真则是通过模拟在时间上连续变化的信号进行仿真。
3. 仿真参数信道仿真参数通常包括信噪比、误码率、比特误差率等。
其中，信噪比是指信号功率和噪声功率之间的比值，误码率是指在传输过程中产生的误码比率，比特误差率是指在传输过程中每个比特产生误码的比率。
四、移动通信中的信道模型和仿真1. 多径衰落信道模型多径衰落信道是指无线信号在传输过程中由于多种因素的影响而经历多条路径从发射端到达接收端，导致信号发生衰落的过程。
多径信道仿真课程设计
多径信道仿真课程设计一、教学目标本课程的教学目标分为知识目标、技能目标和情感态度价值观目标三个维度。
知识目标：通过本课程的学习，学生将掌握多径信道的基本概念、原理和仿真方法，了解多径信道在通信系统中的应用。
技能目标：学生将能够运用多径信道仿真方法，分析和解决实际通信问题，提高通信系统的性能。
情感态度价值观目标：培养学生对通信技术的兴趣和热情，增强其对科学研究的信心和责任感，使其认识到通信技术在现代社会中的重要地位。
二、教学内容本课程的教学内容主要包括多径信道的基本概念、多径信道的仿真方法、多径信道在通信系统中的应用等。
具体安排如下：第1-2节：多径信道的的基本概念和原理；第3-4节：多径信道的仿真方法及其实现；第5-6节：多径信道在通信系统中的应用案例分析。
三、教学方法为了提高教学效果，本课程将采用多种教学方法相结合的方式进行教学。
讲授法：通过教师的讲解，使学生掌握多径信道的基本概念、原理和仿真方法；讨论法：引导学生就多径信道仿真方法的应用进行讨论，培养学生的思维能力和团队协作能力；案例分析法：分析多径信道在通信系统中的应用案例，使学生更好地理解通信系统的实际工作原理；实验法：安排实验课，让学生动手实践，巩固所学知识，提高实际操作能力。
四、教学资源为了支持本课程的教学内容和教学方法的实施，我们将准备以下教学资源：教材：《多径信道仿真技术》；参考书：相关领域的学术论文和专著；多媒体资料：教学PPT、视频教程等；实验设备：计算机、仿真软件、实验器材等。
以上教学资源将有助于丰富学生的学习体验，提高教学质量。
五、教学评估本课程的教学评估将采用多元化的评估方式，以全面、客观、公正地评价学生的学习成果。
平时表现：通过课堂参与、提问、讨论等环节，评估学生的学习态度和积极性；作业：布置适量的作业，评估学生的理解和应用能力；考试：安排期末考试，以检验学生对课程知识的掌握程度。
评估结果将以百分制进行评分，其中平时表现占30%，作业占30%，考试占40%。
多径时变信道模型仿真及性能分析分解
*****************实践教学*******************兰州理工大学计算机与通信学院2013年春季学期通信系统仿训练真课程设计题目：基于MATLAB的FIR滤波器语音信号去噪专业班级：姓名：学号：指导教师：成绩：摘要本次课程设计做的是多径时变信道模型的仿真与性能分析，首先需要建立信道模型，通过对输入信号和移动台的有些参数进行调整，使用MATLAB进行仿真，得到时域和频域图，对比分析掌握多径信道的特点；其次，对瑞利衰落的多径信道仿真，分析信道模型的特点；最后，观察单频和数字信号经过多径信道后接收信号的情况。
经过多次修改调试，最终完成了设计任务。
关键词：多径时变信道；瑞利衰落；仿真；信道模型目录一多径信道的基本原理 (1)1.1 移动通信 (1)1.2 多径时变信道 (1)1.2.1信道模型的分类 (1)1.2.2时变信道的特点 (1)1.3瑞利信道衰落 (2)二实现框图 (3)2.1多径时变信道性能仿真实现框图 (3)2.2多径时变信道仿真实现 (4)三详细设计 (5)3.1 瑞利信道的特性 (5)3.2多径时变信道的特性 (8)3.3单频信号经过时变信道 (11)3.4数字信号经过多径时变信道 (13)总结 (15)参考文献 (16)附录 (17)致谢 (29)前言在无线移动环境下进行高速可靠通信是具有挑战性的,电波通过物理媒体传播并与环境中的物体相互作用,因此,无线电波的传播是个复杂过程。
在高频(HF)频段范围内,电磁波经由天波传播时经常发生的问题是信号多径。
电磁波的多径传播主要是因为电磁波经电离层的多次折、反射,电离层的高度不同,电离层不均匀性引起漫射现象等引起的。
当信号的多径发生在发送信号经由传播路径以不同的延迟到达接收机的时候,一般会引起数字通讯系统中的符号间干扰。
而且,由不同传播路径到达的各信号分量会相互削弱,导致信号能量衰减,造成信噪比降低。
移动无线信道是一个充满复杂干扰的信道。
第十讲 信道模型与性能分析
1
1
16
3.10.2 连续信道的信道容量
连续信道的信道容量
假设输入信道的加性高斯白噪声功率为N(单位： W)，信道带宽为B（单位：Hz），信号功率为S （单位：W），则该信道的信道容量为
S ) (bit / s ) N
C = B log 2 (1 +
带宽、功率与信道容量
加性高斯白噪声信道上的香农定理 -bit/s C＝W log2(1+S/N) 令：S/N=Eb/N0×C/W 香农定理就可以写成： Eb/N0=(2C/W - 1)/(C/W) 带宽受限信道 Eb/N0↑ → C/W ↑ → W ↓无限 功率可以换取带宽 功率受限信道 W ↑ → C/W ↓ → Eb/N0 ↓有限 当W → ∞，Eb/N0 → -1.6dB，即为 香农极限，带宽不能无限制地换取功 率
y1 ⎫ ⎪ y2 ⎪ ⎪ yi y3 ⎬ P ( yi ) :⎪ ⎪ ⎪ yn ⎭
) /x 1 ym P(
无噪声信道
有噪声信道
离散信道模型
13
有噪声离散信道中的码元传输
符号（码元）在离散信道中的传输
设发送符号xi，其信息量I＝-log2P(xi) 接收端收到yj，在接收端获得的信息量等于发端符号xi的 信息量减去由于信道噪声影响丢失的信息量（log2P(xi/yj)，P(xi/yj)为接收为yj 条件下xi出现的概率) 接收端每符号平均信息量等于
3.4 常用信道及其特征
有线信道
主要有同轴电缆、双绞线等实物载体
) /x 1 ym P(
光纤信道
通过消息信号改变光源强度来发送信息
无线电磁信道
携带信息的“电磁能”通过作为辐射器的天线耦合到传播媒质 地波传播（长波通信）、天波传播（短波通信）、视线传播 （微波通信）
物理通信信道建模与系统性能仿真方法
物理通信信道建模与系统性能仿真方法简介：物理通信信道建模是研究通信系统中信号传输过程的重要组成部分。
通过建立准确的信道模型，可以评估通信系统的性能，并为系统设计提供指导。
本篇文章将从信道建模和系统性能仿真两个方面进行讨论。
一、信道建模方法1. 随机信道模型随机信道模型是一种基于概率分布的建模方法。
它假设信道的传输特性是随机的，并且通过分析信道的统计特性来描述信号在传输过程中的变化。
常用的随机信道模型有瑞利衰落信道和纯衰落信道等。
- 瑞利衰落信道模型假设信号在传输过程中受到多径效应的影响，信号经过多个不同的路径到达接收端，引起了信号衰落现象。
通过瑞利衰落信道模型，可以模拟真实世界中复杂的信道环境，如城市环境、高速公路等。
- 纯衰落信道模型假设信号在传输过程中只受到路径损耗的影响，不考虑多径效应。
这种模型适用于开阔空旷的通信环境，如无线电通信、卫星通信等。
2. 几何信道模型几何信道模型是一种基于几何距离的建模方法。
它通过分析信号的传播路径和传输链路的几何关系来描述信道特性。
常用的几何信道模型有自由空间传输模型和室内信道传输模型等。
- 自由空间传输模型假设信号在传输过程中没有任何障碍物的影响，仅受到路径损耗的影响。
通过自由空间传输模型，可以描述露天环境中的通信特性，如无人机通信、卫星通信等。
- 室内信道传输模型考虑了室内环境中的信号传输特性，如反射、折射、多径效应等。
通过室内信道传输模型，可以模拟建筑物内部的信道环境，为室内通信系统设计提供指导。
二、系统性能仿真方法1. 信号传输质量评估信号传输质量评估是系统性能仿真中的重要环节。
常用的指标包括误码率（Bit Error Rate，BER）和误比特率（Symbol Error Rate，SER）。
通过对信道模型进行仿真模拟，可以得到不同信噪比下的传输质量评估结果，进而评估系统的性能。
2. 容量评估容量评估是评估系统传输能力的重要指标。
通过信道模型的仿真模拟，可以计算出信道容量大小。
多径衰落信道的仿真模拟
多径衰落信道的仿真模拟组长：陈彬 200604015030 论文及MATLAB仿真组员：曹务绅 200604015014 PPT制作及演讲组员：杨瑒 200604015024 资料收集和参与讨论组员：刘晓明200604015015 资料收集和参与讨论摘要：本文先扼要地介绍和分析了多径效应及多径衰落的基本原理和成因，对于相关的概念给出了标准的定义和严格的数学表达式。
然后基于理论模型，利用MATLAB软件中的动态系统建模和仿真软件包SIMULINK给出了相应的仿真模型，形象地再现了多径衰落信道的实际过程。
多径效应（multipatheffect）是电波传播信道中的多径传输现象所引起的干涉延时效应。
在实际的无线电波传播信道中（包括所有波段），常有许多时延不同的传输路径。
各条传播路径会随时间变化，参与干涉的各分量场之间的相互关系也就随时间而变化，由此引起合成波场的随机变化，从而形成总的接收场的衰落。
因此，多径效应是衰落的重要成因。
多径效应对于数字通信、雷达最佳检测等都有着十分严重的影响。
多径效应移动体（如汽车）往来于建筑群与障碍物之间，其接收信号的强度，将由各直射波和反射波叠加合成。
多径效应会引起信号衰落。
各条路径的电长度会随时间而变化，故到达接收点的各分量场之间的相位关系也是随时间而变化的。
各分量之间的相位关系对不同的频率是不同的。
因此，它们的干涉效果也因频率而异，这种特性称为频率选择性。
在宽带信号传输中，频率选择性可能表现明显，形成交调。
与此相应，由于不同路径有不同时延，同一时刻发出的信号因分别沿着不同路径而在接收点前后散开，而窄脉冲信号则前后重叠。
多径时延特性可用时延谱或多径散布谱（即不同时延的信号分量平均功率构成的谱）来描述。
与时延谱等价的是频率相关函数。
实际上，人们只简单利用时延谱的某个特征量来表征。
例如，用最大时延与最小时延的差，表征时延谱的尖锐度和信道容许传输带宽。
这个值越小，信道容许传输频带越宽。
matlab多径信道建模
matlab多径信道建模多径信道是无线通信中常见的一种信道传输模型，是由于信号在传播路径中经历了多条路径的反射、散射和折射等多种效应而引起的。
在多径信道建模中，我们希望能够准确描述信号在传播过程中的时延、幅度衰减和相位变化等特性，以便进行信道估计、信号检测和系统设计等工作。
多径信道建模的基本思想是将传播路径分解为若干个不同的路径，每条路径具有不同的时延、幅度和相位特性。
这些不同的路径可以是直射路径、反射路径、散射路径和折射路径等。
在实际应用中，我们通常采用瑞利衰落信道模型或者莱斯衰落信道模型来描述多径信道。
瑞利衰落信道模型是一种统计模型，它假设信号在传播过程中会受到多个反射路径的影响，这些反射路径的幅度和相位都是随机变量。
在瑞利衰落信道模型中，我们通常使用复高斯随机变量来描述每个反射路径的幅度和相位。
通过对这些随机变量进行统计分析，可以得到信号在接收端的概率密度函数、累积分布函数和自相关函数等重要性能指标。
莱斯衰落信道模型是瑞利衰落信道模型的一种特殊情况，它假设信号在传播过程中除了受到多个反射路径的影响外，还存在一个主要的直射路径。
莱斯衰落信道模型可以通过调整直射路径和多径路径的功率比例来描述不同的信道环境。
当直射路径和多径路径的功率比例较大时，信号的衰落效应主要由直射路径决定；当直射路径和多径路径的功率比例较小时，信号的衰落效应主要由多径路径决定。
为了实现多径信道建模，我们需要采集实际的信道数据，并进行信道参数的估计。
常用的信道估计方法有最小二乘法、最大似然法和卡尔曼滤波法等。
通过对信道参数的估计，我们可以得到信道的时延扩展、衰落时间特性和频率选择性等重要信息。
在实际应用中，多径信道建模可以用于无线通信系统的性能评估和系统设计。
通过建立准确的信道模型，我们可以分析系统在不同信道环境下的性能表现，并针对性地优化系统参数和算法。
此外，多径信道建模还可以用于无线通信系统的仿真和测试，以保证系统在实际环境中的可靠性和稳定性。
多径时变信道模型的仿真与性能分析
2.2
多径信道是指信道的路径不止一条，接收端同时收到来自多条传输路径的信号，本次多径信道主要简要介绍了多径时变信道的基本概念、特点、分类及理论知识,并推导了典型的衰落信道的基础上，针对无线信道中信号传输环境的复杂性和随机性，结合MATLAB软件运用数字信号处理方法仿真分析了无线信道中信号受多径干扰的情况，并与理想信道下信号的传输情况进行对比。最终得出结论：无线信道中多径衰落会对信号造成很大的影响，对衰落信道的仿真至关重要。
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实践教学
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兰州理工大学
计算机与通信学院
2013年春季学期
通信系统仿真训练课程设计
题目：多径时变信道模型的仿真与性能分析
专业班级：通信工程一班
姓名：
学号：
指导教师：
成绩：
摘要
本次课程设计是对多径时变信道模型的仿真与性能分析，多径信道是指信道的路径不止一条，接收端同时收到来自多条传输路径的信号，其中接收信号包络一般服从几种典型分布，如瑞利分布、莱斯分布等。在本次设计中，专门针对服从瑞利分布的多径信道进行模拟仿真，信号经多径时变信道后，会产生衰落，其中衰落快慢取决于信道随时间变化的快慢。本次课设主要是观察单频信号和数字信号经多径信道后接收信号的时域波形及频谱变化。
SF1=abs(fft(bt,1024));
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title('输入信号的幅度谱');
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短波通信系统中的信道建模与性能分析
短波通信系统中的信道建模与性能分析第一章引言短波通信作为一种无线通信技术，具有传输距离远、穿透能力强等优势，在军事、航空、海洋等领域中有广泛应用。
然而，短波通信系统中的信道建模与性能分析对于系统设计和性能优化至关重要。
本文将对短波通信系统中的信道建模与性能分析进行深入研究，并提出相应的解决方案。
第二章信道建模2.1 多径传播模型多径传播是短波通信中常见的信道传输现象，由于短波信号的传播路径复杂，常常会发生多次反射、折射、绕射等现象。
基于多径传播模型，可以准确描述信号在不同路径上的传播特性，为后续的性能分析提供基础。
2.2 多径衰落模型多径衰落是指多径信号在传播过程中由于路径差引起的相互干扰现象。
短波通信中的多径衰落主要包括多径信号之间的时延扩散和频率扩散。
通过建立合适的多径衰落模型，可以定量评估系统的性能以及抗干扰能力。
第三章信道容量分析短波通信系统的信道容量是评估系统性能的重要指标之一。
信道容量分析可以通过计算信道的传输速率和误码率得到。
本章将介绍信道容量的计算方法，并结合具体的短波通信场景，对系统的信道容量进行性能分析。
第四章误码率性能分析误码率是衡量短波通信系统性能的重要指标之一。
在信道传输过程中，受到各种因素的影响，如噪声、多径衰落等，都会导致误码率的变化。
本章将详细介绍短波通信系统中误码率的影响因素，并通过建立相应的数学模型进行性能分析。
第五章抗干扰性能分析短波通信系统往往会受到各种干扰的影响，如信号干扰、多径干扰等。
为了保证系统的正常通信，需要对系统的抗干扰性能进行评估。
本章将介绍短波通信系统中常见的干扰类型，并通过建立相应的数学模型，对系统的抗干扰性能进行分析与评价。
第六章性能优化方案针对短波通信系统中的信道建模与性能分析结果，本章将提出相应的性能优化方案。
例如，通过优化天线设计、改进调制解调技术等，提高信道容量和抗干扰能力。
同时，本章还将探讨其他可能的性能优化方法，并进行性能分析。
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*****************实践教学*******************兰州理工大学计算机与通信学院2013年春季学期通信系统仿训练真课程设计题目：基于MATLAB的FIR滤波器语音信号去噪专业班级：姓名：学号：指导教师：成绩：摘要本次课程设计做的是多径时变信道模型的仿真与性能分析，首先需要建立信道模型，通过对输入信号和移动台的有些参数进行调整，使用MATLAB进行仿真，得到时域和频域图，对比分析掌握多径信道的特点；其次，对瑞利衰落的多径信道仿真，分析信道模型的特点；最后，观察单频和数字信号经过多径信道后接收信号的情况。
经过多次修改调试，最终完成了设计任务。
关键词：多径时变信道；瑞利衰落；仿真；信道模型目录一多径信道的基本原理 (1)1.1 移动通信 (1)1.2 多径时变信道 (1)1.2.1信道模型的分类 (1)1.2.2时变信道的特点 (1)1.3瑞利信道衰落 (2)二实现框图 (3)2.1多径时变信道性能仿真实现框图 (3)2.2多径时变信道仿真实现 (4)三详细设计 (5)3.1 瑞利信道的特性 (5)3.2多径时变信道的特性 (8)3.3单频信号经过时变信道 (11)3.4数字信号经过多径时变信道 (13)总结 (15)参考文献 (16)附录 (17)致谢 (29)前言在无线移动环境下进行高速可靠通信是具有挑战性的,电波通过物理媒体传播并与环境中的物体相互作用,因此,无线电波的传播是个复杂过程。
在高频(HF)频段范围内,电磁波经由天波传播时经常发生的问题是信号多径。
电磁波的多径传播主要是因为电磁波经电离层的多次折、反射,电离层的高度不同,电离层不均匀性引起漫射现象等引起的。
当信号的多径发生在发送信号经由传播路径以不同的延迟到达接收机的时候,一般会引起数字通讯系统中的符号间干扰。
而且,由不同传播路径到达的各信号分量会相互削弱,导致信号能量衰减,造成信噪比降低。
移动无线信道是一个充满复杂干扰的信道。
由环境中的各种障碍物所引起的信号多径传播是其主要特点之一。
另一个特点是多普勒效应。
由于多径效应和移动台运动等影响因素，使得移动信道对传输信号在时间、频率和角度上造成了色散，即时间色散、频率色散、角度色散等等，因此多径信道的特性对通信质量有着重要的影响，而多径信道的包络统计特性则是我们研究的焦点。
根据不同无线环境，接收信号包络一般服从几种典型分布，如瑞利分布、莱斯分布等。
在此专门针对服从瑞利分布的多径信道进行模拟仿真，进一步加深对多径信道特性的了解。
一多径信道的基本原理1.1 移动通信移动无线信道是一个充满复杂干扰的信道。
由环境中的各种障碍物所引起的信号多径传播是其主要特点之一。
同一发射机发射的电磁波向各个方向辐射，不同的波遇到不同的障碍物发生反射折射以及散射衍射等作用会使得波束到达接收机的时间、幅度和相位均发生延迟与畸变，例如若发射一个窄脉冲经过无线信道后将在接收端收到一连串幅度和相位均不同的脉冲串，如果在这个期间内连续发射多个脉冲，将在接收端产生混叠发生误码的几率大大提高。
另一个特点是多普勒效应。
移动通信中的终端基本处于移动的状态，这就导致了电磁波的多普勒效应。
由于到达接收机的杂散波的方向相位均不同所引起的多普勒效应也不尽相同，更加恶化了接收信号。
【1】1.2 多径时变信道1.2.1信道模型的分类按照调制信道模型，信道可以分为恒参信道和随参信道两类。
部分无线信道和各种有线信道，包括卫星链路（link）和某些视距传输链路，可以当做恒参信道看待，因为它们的特性变化很小、很慢，可以视作其参量恒定。
恒参信道实际上就是一个非时变线性网络。
【2】1.2.2时变信道的特点随参信道对信号传输的影响，依靠天波传播和地波传播的无线电信道、某些视距传输信道和各种散射信道就是随参信道。
随参信道的特性是“时变”的。
例如，在用天波传播时，电离层的高度和离子浓度随时间、季节、年份而在不断变化，使信道特性随之变化。
在移动通信中，由于移动台在运动，收发两点之间的传输路径自然也在变化，从而使得信道参量也不断变化。
一般来说，各种随参信道具有的共同特性是：（1）信号的传输衰减随时间而变；（2）信号的传输时延随时间而变；（3）信号经过几条路径到达接收端，而且每条路径的长度（时延）和衰减都随时间而变，即存在多径传播（multipath propagation ）现象。
多径传播对信号的影响称为多径效应。
他对信号传输质量的影响很大。
【2】 1.3瑞利信道衰落在陆地移动通信中，移动台往往受到各种障碍物和其他移动体的影响，以致到达移动台的信号是来自不同传播路径的信号之和。
而描述这样一种信道的常用信道模型便是瑞利衰落信道。
和振幅恒定、单一频率的发射信号相比，接收信号波形的包络有了起伏，频率也不再是单一频率，而有了扩展，成为窄带信号，信号包络因传播有了起伏的现象称为衰落（fading ）。
多径传播使信号包络产生的起伏虽然比信号的周期缓慢，但是仍然可能是在秒或秒以下的数量级，衰落的周期常能和数字信号的一个码元周期相比较，故通常将由多径效应引起的衰落称为快衰落。
瑞利衰落信道（Rayleigh fading channel ）是一种无线电信号传播环境的统计模型。
这种模型假设信号通过无线信道之后，其信号幅度是随机的，表现为“衰落”特性，并且多径衰落的信号包络服从瑞利分布。
由此，这种多径衰落也称为瑞利衰落。
这一信道模型能够描述由电离层和对流层反射的短波信道，以及建筑物密集的城市环境。
瑞利衰落只适用于从发射机到接收机不存在直射信号的情况，否则应使用莱斯衰落信道作为信道模型。
【3】 假设经反射（或散射）到达接收天线的信号为N 个幅值和相位均随机的且统计独立的信号之和。
信号振幅为r,相位为θ,则其包络概率密度函数为1-1所示：P(r)= 2222rσσr e -(r ≥0) (1-1)相位概率密度函数为1-2所示：P(θ)=1/2π（πθ20≤≤） (1-2)二实现框图2.1多径时变信道性能仿真实现框图信号经过多径信道后，会产生码间干扰和衰落，其中衰落快慢取决于信道随时间变化的快慢，而码间干扰的严重程度取决于码元间隔和多径间的时延差的相对关系。
多径效应总的来说有三点，即对单一正弦波产生频域弥散，对宽带信号频率选择性衰落以及对数字信号产生时域弥散。
时变信道仿真实现框图如2-1-1所示：图2-1 多径时变信道仿真实现框图2.2多径时变信道仿真实现时变信道是指信道的参数随时间变化的信道，特点是信号的传输衰减随时间变化；信号的传输时延也是随时间而变的。
时变信道对信号传输的影响是使输入信号的频率弥散。
多径信道是输入信号传输的传输路径不止有一条，接收端同时收到来自多条传输路径的信号，这些信号可能是同相相加或反向相消。
多径传播对信号的影响称为多径效应，会对信号传输质量造成很大的影响。
当输入为单频（振幅恒定，频率单一）信号时，经过多径时变信道的传输后，接收信号的波形包络随时间随机起伏，输出不再是单频信号，而是一个窄带信号，带宽大小随时变因素的快慢决定。
经过多径时变信道传输以后，多径信道的时延以及衰减均不相同，导致接收信号的幅度不同，频率也增多了。
当输入为数字信号时，经过多径时变信道，针对数字信号体现在码间干扰上。
由于各径时延不同，通过个路径的衰减也是不同的，信号经过多条路径后到达接收端形成码间干扰。
【4】三 详细设计本次课程设计中多径信道的信道模型建立，性能分析，瑞利衰落的多径信道模型等仿真分析都使用了MATLAB 平台。
MATLAB 的数据分析和处理功能十分强大，运用它来进行语音信号的分析、处理和可视化相当便捷。
而且编程易学、直观，代码非常符合人们的思维习惯。
MATLAB 几乎可以在各种机型和操作系统上运行，所以在可移植性和可扩充性上MATLAB 远优越于其他的高级编程语言。
3.1 瑞利信道的特性（1）瑞利分布分析幅度与相位的分布特性：包络 r 服从瑞利分布，θ在0～2π内服从均匀分布。
瑞利分布的概率分布密度如图3-1-2所示：（2）多径衰落信道基本模型离散多径衰落信道模型为3-1所示：()1()()()N t k k k y t r t x t τ==-∑ （3-1） 其中,()k r t 复路径衰落，服从瑞利分布; k τ是多径时延。
多径衰落信道模型框图如图3-1-1所示：图3-1-1 多径衰落信道模型框图（3）产生服从瑞利分布的路径衰落r(t)利用窄带高斯过程的特性，其振幅服从瑞利分布，其振幅可以使用3-2所示的公式求出：22()()()c s r t n t n t =+ （3-2）上式中()()c s n t n t 、，分别为窄带高斯过程的同相和正交支路的基带信号。
【5】（4）模型的适用瑞利衰落模型适用于描述建筑物密集的城镇中心地带的无线信道。
密集的建筑和其他物体使得无线设备的发射机和接收机之间没有直射路径，而且使得无线信号被衰减、反射、折射、衍射。
通过电离层和对流层反射的无线电信道可用瑞利衰落来描述，因为大气中存在的各种粒子能够将无线信号大量散射。
瑞利衰落属于小尺度的衰落效应，它总是叠加于如阴影、衰减等大尺度衰落效应上。
信道衰落的快慢与发射端和接收端的相对运动速度的大小有关。
相对运对导致接收信号的多普勒频移。
瑞利分布的概率密度曲线及瑞利信道的包络如图3-1-2所示：图3-1-2 瑞利分布的概率密度曲线及瑞利信道的包络移动台速度变化时对信道的瑞利衰落会产生一定的影响，图3-1-3所示为V=30千米/小时以及V=120千米/小时时的信道曲线图：图3-1-3 不同速度下的瑞利信道曲线从图3-1-3中可以看出，速度越大对信道瑞利衰落影响就会越大。
3.2多径时变信道的特性移动无线信道是一个充满复杂干扰的信道。
由环境中的各种障碍物所引起的信号多径传播是其主要特点之一。
多径导致频率选择性，在同一位置，由于反射径信号的存在，发射不同频率的信号时，在接收机处接收到信号有的频率是被增强了，有的频率是被削弱了。
频率选择性由此产生。
把那些受到的影响基本一致的频率范围叫做相干带宽。
时变信道是指信道的参数随时间变化的信道，特点是信号的传输衰减随时间变化；信号的传输时延也是随时间而变的；信号经过多条路径到达接收端，而且每条路将的长度（时延）和衰减都是随时间而变化的。
时变信道对信号传输的影响是使输入信号的频率弥散。
多径信道是输入信号传输的传输路径不止有一条，接收端同时收到来自多条传输路径的信号，这些信号可能是同相相加或反向相消。
多径传播对信号的影响称为多径效应，其会对信号传输质量造成很大的影响。
多普勒频移反映了信道的时变性，多普勒频移越大，信道的相干时间就越短，合成信号包络变化越快。
相干时间只是说信道在这段时间内特性基本不变。