1、-. z郵電大學通達學院 畢 業 設 計論 文題 目 頻率選擇性衰落信道模型研究與仿真 專 業 網絡工程 學生 班級*指導教師何雪云 評閱教師周克琴 指導單位 通信與信息工程學院無線電工程系 日期：2012年 11月 26 日至 2013 年 6月 21 日畢業設計論文原創性聲明本人重聲明：所提交的畢業設計論文，是本人在導師指導下，獨立進展研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的容外，本畢業設計論文不包含任何其他個人或集體已經發表或撰寫過的作品成果。對本研究做出過重要奉獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明并表示了意。論文作者簽名： 日期： 年 月 日摘要在移動通信中，信號經過不同的路徑傳送

2、到接收端，合成的接收信號相對于發送信號會產生衰落，這就是多徑衰落。本文研究了頻率選擇性衰落信道的特點；并且運用仿真軟件Matlab對頻率選擇性衰落信道進展模擬仿真，實現了基于Jake模型的頻率選擇性衰落信道的建模。并利用建立起來的模型比擬了具有不同載波頻率、數據傳輸速率以及移動臺移動速度的移動通信系統所具有的信道衰落特性。仿真結果說明：移動通信系統的參數會影響其信道的衰落特性。關鍵詞：頻率選擇性衰落; 瑞利衰落信道； Jake模型ABSTRACTIn mobile munications, signal arrives at the receiver through different tra

3、nsmission paths. The synthesis of the received signals in relation to the original signal will be faded, which is multi-path fading. In this paper, we research the frequency selectivefading channels characteristics；And make the simulation to frequency selective fading channels with the tool MATLAB,

4、which is based on jack model modeling. Using the established models, we pare the channel fading characteristics of different mobile munication systems which have different carrier frequencies, data transmission rates and mobile speeds. The simulation shows that: The mobile munication systems paramet

5、ers will affect their channel fading characteristics.Keywords:Frequency-selective fading;Rayleigh channels; Jake model目 錄 TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc358481561第一章緒論 PAGEREF _Toc358481561 h 1HYPERLINK l _Toc3584815621.1移動通信技術 PAGEREF _Toc358481562 h 1HYPERLINK l _Toc3584815631.2移動通信信道 PAGEREF _To

6、c358481563 h 2HYPERLINK l _Toc3584815641.3本次畢業設計的任務 PAGEREF _Toc358481564 h 3HYPERLINK l _Toc358481565第二章移動通信信道 PAGEREF _Toc358481565 h 4HYPERLINK l _Toc3584815662.1移動通信系統 PAGEREF _Toc358481566 h 4HYPERLINK l _Toc3584815672.2移動通信信道的分類 PAGEREF _Toc358481567 h 5HYPERLINK l _Toc3584815682.3移動通信信道的特性 PA

7、GEREF _Toc358481568 h 6HYPERLINK l _Toc358481569第三章頻率選擇性衰落信道模型 PAGEREF _Toc358481569 h 9HYPERLINK l _Toc3584815703.1瑞利衰落的特性 PAGEREF _Toc358481570 h 9HYPERLINK l _Toc3584815713.2Jake模型的具體算法 PAGEREF _Toc358481571 h 12HYPERLINK l _Toc3584815723.3基于Jake模型和抽頭延時線實現頻率選擇性衰落信道建模 PAGEREF _Toc358481572 h 16HYP

8、ERLINK l _Toc358481573第四章 Matlab仿真技術 PAGEREF _Toc358481573 h 17HYPERLINK l _Toc3584815744.1Matlab仿真軟件 PAGEREF _Toc358481574 h 17HYPERLINK l _Toc3584815754.2本次仿真過程中遇到的函數 PAGEREF _Toc358481575 h 19HYPERLINK l _Toc358481576第五章基于Jake模型的頻率選擇性衰落信道仿真 PAGEREF _Toc358481576 h 19HYPERLINK l _Toc3584815775.1仿真

9、的根本過程 PAGEREF _Toc358481577 h 21HYPERLINK l _Toc3584815785.2仿真結果及分析 PAGEREF _Toc358481578 h 21HYPERLINK l _Toc358481579完畢語 PAGEREF _Toc358481579 h 27HYPERLINK l _Toc358481580致 PAGEREF _Toc358481580 h 28HYPERLINK l _Toc358481581參考文獻 PAGEREF _Toc358481581 h 29HYPERLINK l _Toc358481582附錄 PAGEREF _Toc35

10、8481582 h 30-. z第一章 緒論1.1移動通信技術當今的社會已經進入了一個信息化的社會，沒有信息的傳遞和交流，人們就無法適應現代化的快節奏的生活。移動通信可以說從無線電創造之日就產生了。1897年，馬可尼所完成的無線通信實驗就是在固定站與一艘拖船之間進展的。而蜂窩移動通信的開展是在二十世紀七十年代中期以后的事。移動通信綜合利用了有線、無線的傳輸方式，為人們提供了一種快速便捷的通訊手段。由于電子技術，尤其是半導體，集成電路及計算機技術的開展，以及市場的推動，使物美價廉、輕便可靠、性能優越的移動通信設備成為可能。第一代是模擬蜂窩移動通信網，時間是本世紀七十年代中期至八十年代中期。197

11、8年，美國貝爾實驗室研制成功先進移動系統(AMPS)，建成了蜂窩狀移動通信系統。而其它工業化國家也相繼開發出蜂窩式移動通信網。這一階段相對于以前的移動通信系統，最重要的突破是貝爾實驗室在七十年代提出的蜂窩網的概念。蜂窩網，即小區制，由于實現了頻率復用，大大提高了系統容量。第一代移動通信系統的主要特點是采用頻分復用，語音信號為模擬調制，每隔30KHz/25KHz一個模擬用戶信道。為了解決模擬系統中存在的技術缺陷，數字移動通信技術應運而生，并且開展起來，這就是以GSM和IS-95為代表的第二代移動通信系統，時間是從八十年代中期開場。歐洲首先推出了泛歐數字移動通信網(GSM)的體系。隨后，美國和日本

12、也制訂了各自的數字移動通信體制。數字移動通網相對于模擬移動通信，提高了頻譜利用率，支持多種業務效勞，并與ISDN等兼容。第二代移動通信系統以傳輸話音和低速數據業務為目的，因此又稱為窄帶數字通信系統。第二代數字蜂窩移動通信系統的典型代表是美國的DAMPS系統，IS-95和歐洲的GSM系統。由于第二代移動通信以傳輸話音和低速數據業務為目的，從1996年開場，為了解決中速數據傳輸問題，又出現了2.5代的移動通信系統，如GPRS和IS-95B。移動通信現在主要提供的效勞仍然是語音效勞以及低速率數據效勞。由于網絡的開展，數據和多媒體通信的開展勢頭很快，所以，第三代移動通信的目標就是移動寬帶多媒體通信。第

13、三代移動通信系統最早由國際電信聯盟于1985年提出，當時稱為未來公眾陸地移動通信系統。主要體制有WCDMA，cdma2000和TD-SCDMA。1999年11月5日，國際電聯ITU-RTG8/1第18次會議通過了IMT-2000無線接口技術規建議，其中我國提出的TD-SCDMA技術寫在了第三代無線接口規建議中。總的來說，第一代模擬系統對應的接入技術是頻分多址技術FDMA，它僅能提供9.6kbits通信帶寬。其典型系統，如美國的模擬系統AMPS、北歐的移動系統NMT、英國的全接入通信系統TACS等。第二代窄帶數字系統的接入技術主要有時分多址技術TDMA和碼分多址技術CDMA兩種，它可以提供9.6

14、28.8kbits的傳輸速率。其典型系統，如歐洲的全球移動通信系統GSM、北美的數字增強型系統IS-136、CDMAOneIS-95A、IS-95B、日本的個人數字蜂窩系統PDC等。與第一代模擬蜂窩移動通信相比，第二代移動通信系統具有性強、頻譜利用率高、能提供豐富的業務、標準化程度高等特點。無論是第一代還是第二代，主要針對話音通信設計的，話音仍是當前和未來一段時間移動通信市場的基石和主陣地。數字話音移動通信仍是移動通信的主流市場。特別對開展中國家而言，人們對通信的需求還主要集中在話音領域，所以，在未來幾年中，第二代數字話音通信仍然是這些國家移動通信市場的重點和支柱。但是我們充分相信：在移動通信

15、中，數據通信量也將在*一天超過話音通信。但要完成專門針對未來多媒體通信的第三代系統建立還需時日，所以如何利用現有的第二代數字系統實現數據通信，是填補市場需求空間的必然選擇。分析家們認為，實際3G技術所具備的功能絕大局部其實完全就可以在目前第二代無線技術的根底上實現，特別是隨著移動通信和因特網效勞快速開展而隨之產生的移動數據通信要求。其方法有兩種：一是在以為主的蜂窩移動通信系統中增加傳送數據的能力；二是移動通信與因特網的結合。由此產生了幾種相關技術，如通用分組無線效勞GPRS技術；增強數據速率改良EDGE技術；IS-95B利用碼聚集技術；CDMA20001*技術、無線應用協議WAP技術；Blue

16、tooth技術等1.2移動通信信道通信信道(munication Channel)是數據傳輸的通路，在計算機網絡道分為物理信道和邏輯信道。物理信道指用于傳輸數據信號的物理通路，它由傳輸介質與有關通信設備組成；邏輯信道指在物理信道的根底上，發送與接收數據信號的雙方通過中間結點所實現的邏輯通路，由此為傳輸數據信號形成的邏輯通路。邏輯信道可以是有連接的，也可以是無連接的。 物理信道還可根據傳輸介質的不同而分為有線信道和無線信道，也可按傳輸數據類型的不同分為數字信道和模擬信道。與其它通信信道相比，移動通信信道是最為復雜的一種。多徑衰落和復雜惡劣的電波環境是移動通信信道區別與其他信道最顯著的特征，這是由

17、運動中進展無線通信這一方式本身所決定的。在典型的城市環境中，一輛快速行駛的車輛上的移動臺所接收到的無線電信號在一秒鐘之的顯著衰落可達數十次，衰落深度可達20-30 dB。這種衰落現象將嚴重降低接收信號的質量，影響通信的可靠性。為了有效地克制衰落帶來的不利影響，必須采用各種抗衰落技術，包括：分集接收技術、均衡技術和糾錯編碼技術等。1.3本次畢業設計的任務本次畢業設計就是要深入理解無線信道的特點和分類，重點研究頻率選擇性衰落信道，并利用Matlab仿真工具通過Jake模型和抽頭延時線對其進展建模。通過建立的模型掌握載波頻率、移動臺移動速度等對信道衰落特性的影響。第二章 移動通信信道2.1移動通信系

18、統移動通信系統主要有蜂窩系統，集群系統，AdHoc網絡系統，衛星通信系統，分組無線網，無繩系統，無線電傳呼系統等。蜂窩系統是覆蓋圍最廣的陸地公用移動通信系統。在蜂窩系統中，覆蓋區域一般被劃分為類似蜂窩的多個小區。每個小區設置固定的基站，為用戶提供接入和信息轉發效勞。移動用戶之間以及移動用戶和非移動用戶之間的通信均需通過基站進展。基站則一般通過有線線路連接到主要由交換機構成的骨干交換網絡。蜂窩系統是一種有連接網絡，一旦一個信道被分配給*個用戶，通常此信道可一直被此用戶使用。蜂窩系統一般用于語音通信。集群系統與蜂窩系統類似，也是一種有連接的網絡，一般屬于專用網絡，規模不大，主要為移動用戶提供語音通

19、信。衛星通信系統的通信圍最廣，可以為全球每個角落的用戶提供通信效勞。在此系統中，衛星起著與基站類似的功能。衛星通信系統按衛星所處位置可分為靜止軌道、中軌道和低軌道3種。衛星通信系統存在本錢高、傳輸延時大、傳輸帶寬有限等缺乏。上述移動通信系統都需要有線網絡通信根底設施的支持，如基站、交換機、衛星等。這些設施的建立和運轉需要大量的人力和物力，因此本錢比擬高，同時建立的周期也長。Ad Hoc網絡不需要基站的支持，由主機自己組網，因此，網絡建立的本錢低，同時時間短，一般只要幾秒鐘或幾分鐘。上述通信系統中，移動終端之間并不直接通信，并且移動終端只具備收發功能，不具備轉發功能。而Ad Hoc網絡由移動主機

20、構成，移動主機之間可以直接通信，而移動主機不僅收發數據，同時還轉發數據。此外目前的移動通信系統主要為用戶提供語音通信功能，通常采用電路交換，拓撲構造比擬穩定。而Ad Hoc網絡使用分組轉發技術，主要為用戶提供數據通信效勞，拓撲構造易于變化。AdHoc網絡是一種沒有有線根底設施支持的移動網絡，網絡中的節點均由移動主機構成。AdHoc網絡最初應用于軍事領域，它的研究起源于戰場環境下分組無線網數據通信工程，該工程由DARPA資助，其后，又在1983年和1994年進展了抗毀可適應網絡SURANSurvivable Adaptive Network和全球移動信息系統GloMoGlobalInformat

21、ionSystem工程的研究。由于無線通信和終端技術的不斷開展，Ad Hoc網絡在民用環境下也得到了開展，如需要在沒有有線根底設施的地區進展臨時通信時，可以很方便地通過搭建Ad Hoc網絡實現。在AdHoc網絡中，當兩個移動主機在彼此的通信覆蓋圍時，它們可以直接通信。但是由于移動主機的通信覆蓋圍有限，如果兩個相距較遠的主機要進展通信，則需要通過它們之間的移動主機的轉發才能實現。因此在Ad Hoc網絡中，主機同時還是路由器，擔負著尋找路由和轉發報文的工作。在Ad Hoc網絡中，每個主機的通信圍有限，因此路由一般都由多跳組成，數據通過多個主機的轉發才能到達目的地。故Ad Hoc網絡也被稱為多跳無線

22、網絡。Ad Hoc網絡可以看作是移動通信和計算機網絡的穿插。在Ad Hoc網絡中，使用計算機網絡的分組交換機制，而不是電路交換機制。通信的主機一般是便攜式計算機、個人數字助理PDA等移動終端設備。Ad Hoc網絡不同于目前因特網環境中的移動IP網絡。在移動IP網絡中，移動主機可以通過固定有線網絡、無線鏈路和撥號線路等方式接入網絡，而在Ad Hoc網絡中只存在無線鏈路一種連接方式。在移動IP網絡中，移動主機通過相鄰的基站等有線設施的支持才能通信，在基站和基站代理和代理之間均為有線網絡，仍然使用因特網的傳統路由協議。而Ad Hoc網絡沒有這些設施的支持。此外，在移動IP網絡中移動主機不具備路由功能

23、，只是一個普通的通信終端。當移動主機從一個區移動到另一個區時并不改變網絡拓撲構造，而Ad Hoc網絡中移動主機的移動將會導致拓撲構造的改變。2.2移動通信信道的分類移動通信信道可分為短波信道，超短波信道，微波信道。短波信道：短波按照國際無線電咨詢委員會(CCIR，現在的ITU-R)，的劃分是指波長在l00ml0m，頻率為3MHz30MHz的電磁波。利用短波進展的無線電通信稱為短波通信，又稱高頻(HF)通信。實際上，為了充分利用短波近距離通信的優點，短波通信實際使用的頻率圍為1.5MHz30MHz。與衛星通信、地面微波、同軸電纜、光纜等通信手段相比，短波通信也有著許多顯著的優點：1)短波通信不需

24、要建立中繼站即可實現遠距離通信，因而建立和維護費用低，建立周期短;2)設備簡單，可以根據使用要求固定設置，進展定點固定通信。也可以背負或裝入車輛、艦船、飛行器中進展移動通信;3)電路調度容易，臨時組網方便、迅速，具有很大的使用靈活性;4)對自然災害或戰爭的抗毀能力強。通信設備體積小，容易隱蔽，便于改變工作頻率以躲避敵人干擾和竊聽，破壞后容易恢復。短波通信也存在著一些明顯的缺點：1)可供使用的頻段窄，通信容量小。按照國際規定，每個短波電臺占用3.7kHz的頻率寬度，而整個短波頻段可利用的頻率圍只有28.5MHz。為了防止相互間的干擾，全球只能容納7700多個可通信道，通信空間十分擁擠。并且3kH

25、z通信頻帶寬度，在很大程度上限制了通信的容量和數據傳輸的速率。2)短波的天波信道是變參信道，信號傳輸穩定性差。短波無線電通信主要是依賴電離層進展遠距離信號傳輸的，電離層作為信號反射媒質的弱點是參量的可變性很大。它的特點是路徑損耗、延時散步、噪聲和干擾，都隨晝夜、頻率、地點而不斷變化著。一方面電離層的變化使信號產生衰落，衰落的幅度和頻次不斷變化。另一方面天波信道存在著嚴重的多徑效應，造成頻率選擇性衰落和多徑延時。選擇性衰落使信號失真，多徑延時使接收信號在時間上擴散，成為短波鏈路數據傳輸的主要限制。3)大氣和工業無線電噪聲干擾嚴重。隨著工業電器化的開展，短波頻段工業電器輻射的無線電噪聲干擾平均強度

26、很高，加上大氣無線電噪聲和無線電臺間干擾，在過去，幾瓦、十幾瓦發射功率就能實現的遠距離短波無線電通信，而在今天，10倍、幾十倍于這樣的功率也不一定能夠保證可靠的通信。大氣和工業無線電噪聲主要集中在無線電頻譜的低端，隨著頻率的升高，強度逐漸降低。雖然，在短波頻段這類噪聲干擾比中長波段低，但強度仍很高，影響著短波通信的可靠性，尤其是脈沖型突發噪聲，經常會使數據傳輸出現突發錯誤，嚴重影響通信質量。2、超短波信道。利用30300 兆赫波段的無線電波傳輸信息的信道。由于超短波的波長在 110米之間，所以也稱米波通信。整個超短波的頻帶寬度有 270兆赫，是短波頻帶寬度的10倍。1超短波通信利用視距傳播方式

27、，比短波天波傳播方式穩定性高，受季節和晝夜變化的影響小。 2天線可用尺寸小、構造簡單、增益較高的定向天線。這樣，可用功率較小的發射機。 3頻率較高,頻帶較寬,能用于多路通信。4調制方式通常用調頻制，可以得到較高的信噪比。通信質量比短波好。3、微波信道：微波常指頻率在1000兆赫MHz以上波長在30厘米以下的電磁波。微波的傳播特性類似于光的傳播，一般沿直線傳播，繞射能力很弱，一般進展視距的通信，對于長距離通信可采用接力的方式，為微波接力通信，或稱微波中繼通信也可利用對流層傳播進展通信，稱為對流層散射通信；或利用人造衛星進展轉發，即衛星通信。微波通信的特點是：1通信頻段的頻帶寬，傳輸信息容量大。2

28、通信穩定、可靠。3在進展地面上的遠跟離通信時，必須采用接力的方式，發端信號經假設干中間站屢次轉發，才能到達收端。4通信靈活性較大。5天線增益高、方向性強。6投資少、建立快。2.3移動通信信道的特性信道是任何一個通信系統所必不可少的組成局部。陸地數字移動通信的信道和固定通信信道(無線本地環路例外)是完全不同的。在固定通信中,信號的傳輸媒介是人工制作,例如雙絞線、電纜、光纖等。這些媒質的傳輸特性在相當長的時間是十分穩定的，可以認為這種信道為恒參信道。而在陸地移動通信信道中，信號在空間中自由傳播，受外界信道條件的影響很大。由于天氣的變化、建筑物和移動物體的遮擋、反射和散射作用以及移動臺的運動造成的多

29、普勒頻移的影響等造成信道的變化，可以認為這種信道為隨參信道。移動通信信道的主要特點：傳播的開放性，一切無線信道都是基于電磁波在空間傳播來實現信息傳播的；接收點地理環境的復雜性與多樣性，高樓林立的城市中心繁華區，以一般性建筑物為主的近郊小城鎮區，以山丘、湖泊、平原為主的農村及遠郊區，通信用戶的隨機移動性慢速步行時的通信，高速車載時的不連續通信。移動通信信道中電磁波傳播的特點：直射波，它指在視距覆蓋區無遮擋的傳播，直射波傳播的信號最強。多徑反射波，指從不同建筑物或其他物體反射后到達接收點的傳播信號，其信號強度次之。繞射波，從較大的山丘或建筑物繞射后到達接收點的傳播信號，其強度與反射波相當。散射波，

30、由空氣中離子受激后二次發射所引起的漫反射后到達接收點的傳播信號，其信號強度最弱。移動通信系統號的損耗：路徑傳播損耗，又稱衰耗，它是指電波在空間傳播所產生的損耗，它反映了傳播在宏觀大圍(即公里量級)的空間距離上的接收信號電平平均值的變化趨勢。慢衰落損耗，它是由于在電波傳輸路徑上受到建筑物及山丘等的阻擋所產生的陰影效應而產生的損耗。它反映了中等圍數百波長量級接收電平的均值變化而產生的損耗，其變化率較慢故又稱為慢衰落，由于慢衰落表示接收信號的長期變化，所以又稱長期衰落long-term-fading。快衰落損耗，它主要由于多徑傳播而產生的衰落，由于移動體周圍有許多散射、反射和折射體，引起信號的多徑傳

31、輸，使到達的信號之間相互疊加，其合成信號幅度表現為快速的起伏變化，它反映微觀小圍數十波長量級接收電平的均值變化而產生的損耗，其變化率比慢衰落快，故稱它為快衰落，由于快衰落表示接收信號的短期變化，所以又稱短期衰落(short-term -fading。仔細劃分快衰落又可分為以下三類：空間選擇性衰落、頻率選擇性衰落、時間選擇性衰落。所謂選擇性是指在不同的空間，不同的頻率和不同的時間其衰落特性是不一樣的。空間選擇性衰落，多徑信號到達天線陣列的到達角度的展寬稱為角度擴展。角度展寬給出信號的主要能量的角度圍，產生空間選擇性衰落。頻率選擇性衰落，假設發射端發射的是一個時間寬度極窄的脈沖信號，經過多徑信道后

32、，由于各信道時延的不同，接收端接收到的信號為一串脈沖，即接收信號的波形比原脈沖展寬了。這種由于信道時延引起的信號波形的展寬稱為時延擴展。時延擴展產生頻率選擇性衰落。時間選擇性衰落，多普勒擴展是一種由于多普勒頻移現象引起的衰落過程的頻率擴散，又稱時間選擇性衰落。移動信道的特點及其帶來的傳播上的特點，對接收點的信號將會產生三種效應：陰影效應，移動臺在運動中，由于大型建筑物和其他物體對電波的傳輸路徑的阻擋而在傳播接收區域上形成半盲區，從而形成電磁場陰影，這種隨移動臺位置的不斷變化而引起的接收點場強中值的起伏變化叫做陰影效應。陰影效應是產生慢衰落的主要原因。遠近效應，由于接收用戶的隨機移動性，移動用戶

33、與基站間的距離也是在隨機的變化，假設各用戶發射功率一樣，則到達基站的信號強弱不同，離基站近信號強，離基站遠信號弱。通信系統的非線性則進一步加重，出現強者更強、弱者更弱和以強壓弱的現象，通常稱這類現象為遠近效應。因為CDMA是一個自干擾系統，所有用戶共同使用同一頻率，所以遠近效應問題更加突出。多普勒效應，它是由于接收的移動用戶高速運動而引起傳播頻率的擴散而引起的，其擴散程度與用戶的運動速度成正比。隨參信道的一般衰落特性和選擇性衰落特性，是嚴重影響信號傳輸的重要特性。至于前面所說的慢衰落特性，因為它的變化速度十分慢，通常可以通過調整設備參量如調整發射功率來彌補。而為了抗快衰落，通常可采用多種措施，

34、例如，各種抗衰落的調制解調技術、抗衰落接收技術及擴頻技術等。其中，明顯有效且被廣泛應用的措施之一，就是分集接收技術。其根本思想就是，快衰落信道中接收的信號是到達接收機的各徑分量的合成，如果在接收端同時獲得幾個不同路徑的信號，將這些信號適當合并構成總的接收信號，則能夠大大減小衰落的影響。關于具體的分集接收的方法，這里不再贅述。總之，移動通信系統的信道特性是非常復雜的，而解決這些特性帶來的負面影響則是移動通信系統中的關鍵技術。我們研究移動通信系統的性能，就必須仔細研究此系統的信道特性，這對于提高系統的性能非常重要。第三章 頻率選擇性衰落信道模型3.1瑞利衰落的特性我們已經知道，無線環境中存在多徑效

35、應引起的快衰落和地形環境緩慢變化所引起的陰影衰落。另外，多徑衰落信道的特性還可以通過頻率選擇性衰落和時間選擇性衰落來加以研究。當信號通過信道時，這兩種衰落情況的產生與否不但與信道的特征參數有關，還與信號的參數有關。我們可以用多徑擴展d和相干帶寬BWc來衡量信道的頻率選擇性特性。兩個頻率間隔靠得比擬近的衰落信號，存在不同的時間延遲，可能使兩個信號變得相關起來。符合這一條件的頻率間隔取決于多徑擴展。這個頻率間隔稱為相干帶寬或相關帶寬。相干帶寬的準確定義在不同的參考文獻中有不同的定義。典型的定義是： (3.1)當信號的帶寬W遠大于相干帶寬BWc或者說信號的持續時間T遠小于多徑擴展d時，信號以多條路徑

36、到達接收端經過矢量疊加之后，會造成接收信號在有的頻率上幅度較大，而在有的頻率上幅度較小，也就是信道對不同頻率信號的衰減是不一致的，引起所謂的頻率選擇性衰落。時間選擇性衰落的特性可以用多普勒擴展Bd和相干時間Td來衡量。對于時間選擇性衰落，起伏變化的接收信號電平不再相關的最小時間間隔稱為信道的相干時間。該參數的物理意義是：如果兩個觀測時刻間隔小于相干時間，則在這兩個時刻接收到的信號電平可以認為經歷了非選擇性衰落；反之，如果這兩個時間間隔大于相干時間，則認為這兩個時刻所接收到的信號所經歷的衰落沒有什么相關性。相干時間定義為 (3.2)當信號的持續時間T遠大于相干時間Td或者信號帶寬W遠小于多普勒擴

37、展Bd時，會造成接收信號幅度在一個持續時間的起伏變化，即信號在不同的時間上遭受不同的衰落，也就是所謂的時間選擇性衰落。根據發送的信號帶寬W和數字信號的碼元周期T與相干帶寬BWc和相干時間Td的關系，衰落信道可以分為以下四種類型：非色散信道，也稱時/頻非選擇性衰落信道： (3.3)時間色散信道，也稱頻率選擇性衰落信道： ( 3.4)頻率色散信道，也稱時間選擇性衰落信道： (3.5)雙重色散信道，接收信號既遭受頻率選擇性衰落又遭受時間選擇性衰落： 3.6 OFDM技術是將高速傳輸的數據流分配到個子載波上并行傳輸的，這時符號的持續時間Ts就變成并行傳輸之前的倍，很容易滿足遠大于多徑擴展這一條件；OF

38、DM信道中的子信道帶寬一般也在幾十到幾百kHz，遠大于多普勒頻移一般為100Hz數量級，所以在使用了OFDM技術的無線通信中，信道應屬于頻率非選擇性慢衰落信道，即瑞利衰落信道。移動通信中接收信號是經過多徑傳播的多路信號的矢量疊加。下面就介紹一下接收信號的情況。在接收信號中，第n路信號以與移動臺運動方向成n(t)的角度到達接收天線，從而引入的多普勒頻移為：fD,n(t) = fmcosn(t) Hz (3.7)這里fm= v/c，為最大多普勒頻移。多普勒頻移可正可負，這與其入射角度有關。假設要傳輸的帶通信號為：s(t) = Reu(t) (3.8)這里u(t)是復低通信號，fc是載波頻率。如果信

39、道包括N條路徑，則接收到的帶通信號為： *(t)=Re (3.9)這里r(t)是復低通接收信號： (3.10)n(t)和n(t)分別是第n路信號的幅度和時延。將式(3.10)重寫為： (3.11)這里 (3.12)是第n路信號的相位。從(3.11)式，我們知道信道可看成時變線性濾波器，其復低通脈沖響應為： (3.13)這里c(,t)是t時刻信道對t時刻輸入脈沖的響應。從式(3.11)和式(3.12)可以看出：因為fc + fD,n(t)非常大，時延n(t)很小的變化都會引起n(t)很大的改變。在任何時刻t，隨機相位對信號的重建都有著奉獻性的或消滅性的影響。而幅度n(t)依賴于散射體的外表形狀或

40、衍射體的大小，在很小的空間圍，這些量不會發生顯著的改變。因此，衰落主要由多普勒頻移fD,n(t)和時延所引起的相位n(t)的快速變更導致的。假設發送一未調制載波，則接收信號相當于信道的轉移函數，對接收信號的研究就相當于對信道的研究，此時接收到的復低通信號為： (3.14)由式(3.8)，接收到的帶通信號可寫成：*(t) = rI(t)cos2fctrQ(t)sin2fct (3.15) (3.16) (3.17)r(t) = rI(t) + jrQ(t)，當N比擬大時，rI(t)和rQ(t)都可以近似為獨立分布的高斯隨機過程。當不存在直射分量時， rI(t)和rQ(t)的均值為零，其復包絡(t

41、) = |r(t)|的概率密度是瑞利分布的： ( 0 ) (3.18)其中2是同相和正交分量的方差，通常在宏蜂窩環境利衰落比擬多見。對于瑞利分布的包絡，其平均功率為： (3.19)當存在直射分量且不強時，rI(t)和rQ(t)的均值不為零，其復包絡為萊斯分布： ( 0 ) (3.20)這里 (3.21) 2表示散射的同相和正交分量的功率，s是直射分量的幅度，I0()是零階修正貝塞爾函數。萊斯衰落在微蜂窩環境中比擬多見。我們定義萊斯因子： (3.22)當K = 0時，信道是瑞利衰落的，當K = 時，信道就不衰落了。對于萊斯分布的包絡，平均功率為。 (3.23)定義復低通信號的相位為： (3.24

42、)在瑞利衰落中，rI(t)和rQ(t)是相互獨立的高斯隨機過程，可知(t)在，之間均勻分布，即 () (3.25)對多徑衰落信道最準確的模擬是利用磁帶記錄下實際寬帶信道的數據來進展的，但這樣很難控制信道的特征參數。因為我們經常需要評估在*種信道條件下系統的性能，因此能夠控制信道的特征參數就很有必要，鑒于此，對多徑衰落信道的計算機模擬是很有意義的。而Jake模型是瑞利衰落信道最常用的一種信道模型。3.2Jake模型的具體算法 我們假設隨機過程是廣義平穩的，即fD,n(t) = fD,n，n(t) = n，n(t) = n，n(t) = n，并假設每路多徑分量的強度均為1，即n = 1。則接收到的

43、復低通包絡為： (3.26)這里 (3.27)N路入射信號分量的角度是均勻分布的： (3.28) 如果N/2是奇數，則式(3.26)可寫為： (3.29)這里 (3.30)考察(3.29)式第一個等式中的求和局部，當n從1取到N/21時，第一項的多普勒頻移從+2fmcos(2/N)到2fmcos(2/N)，第二項中的多普勒頻移從2fmcos(2/N)到+2fmcos(2/N)，有重復的頻率分量，因此可以改寫成第二個等式中的求和，為了保持功率不變，需乘以因子。對(3.29)式作變換，得到： (3.31)其中是一個任意相位， (3.32)n的取值將在下面討論。去掉式(3.31)中的系數，得到其同相

44、分量和正交分量： (3.33) (3.34)當我們選擇恰當的和n使得 (3.35)并且 (3.36)這里表示時間平均，則可以保證r(t) = rI(t) + jrQ(t)的相位是均勻分布的。3.37 (3.38) (3.39)令 = 0，n = n/M，則，根本滿足式(3.35)和式(3.36)的要求。 對Jake信道的計算機模擬，是完全根據上節Jake模型的推導進展的。模型的同相分量和正交分量為： 3.40 (3.41)其中fm = v/c，fn= fm cos(2n / N)，n = n / M,。則滿足0.5當較大時， 從理論上講，多徑數N應為無限多，才能運用中心極限定理將同相分量rI(

45、t)和正交分量rQ(t)近似為高斯分布，我們這里取N = 34，M = 8已能滿足要求。又因為和的取值使成立，可知rI(t)和rQ(t)是均值為0且相互獨立的高斯過程，因此(t) = | rI(t) + jrQ(t)|是瑞利分布的。利用(3.40)和(3.41)式，產生2500個樣點，其中，得到圖3.1所示的瑞利衰落包絡，其中包絡電平以包絡的均分根為參考的。圖3.1 Jake模型生成的瑞利衰落信號的包絡為了分析Jake模型所產生信號包絡的概率分布，我們先生成100000個樣點，然后統計包絡取不同值時的概率，畫出如圖3.2所示的信號包絡的概率分布，從此圖我們可以看出，其分布和瑞利分布一致。圖3.

46、2 Jake模型生成的瑞利衰落信號包絡概率分布3.3基于Jake模型和抽頭延時線實現頻率選擇性衰落信道建模由于頻率非選擇性衰落信道滿W BWc，因此在信號帶寬W可以劃分為W/ BWc=WT個互不相關或獨立的頻率間隔，每個頻率間隔中的多徑分量具有很強的相關性是不可分辨的。也就是說，頻率選擇性衰落信道可以劃分為WT=T/(1/W)個互相獨立的瑞利衰落信道，或者說承受信號的多徑分量是可分辨的，其分辨率為l/W。所以信道數學模型為抽頭延遲線模型，如下列圖所示，起抽頭數為L=TW+1,抽頭系數L=TW+1,抽頭系數Ck(t)k=1，2，L為相互獨立的復高斯過程。1/W1/W1/W相加 圖3.3 頻率選擇

47、性衰落信道抽頭延遲線模型第四章 Matlab仿真技術4.1Matlab仿真軟件MATLAB是美國Math Works公司推出的一種面向工程和科學計算的交互式計算軟件。它以矩陣運算為根底，把計算、可視化、程序設計融合在一個簡單易用的交互式工作環境中，是一款數據分析和處理功能都非常強大的工程實用軟件。在20世紀70年代中期，Cleve Moler博士和其同事在美國國家科學基金的資助下開發了調用EISPACK和LINPACK的FORTRAN子程序庫。EISPACK是特征值求解的FORTRAN程序庫，LINPACK是解線性方程的程序庫。在當時，這兩個程序庫代表矩陣運算的最高水平。到20世紀70年代后期

48、，身為美國New Me*ico大學計算機系系主任的Clev e Moler，在給學生講授線性代數課程時，想教學生使用EISPACK和LINPACK程序庫，但他發現學生用FORTRAN編寫接口程序很費時間，于是他開場自己動手，利用業余時間為學生編寫EISPACK和LINPACK的接口程序。Cleve Moler給這個接口程序取名為MATLAB，該名為矩陣matri*和實驗室laboratory兩個英文單詞的前三個字母的組合。在以后的數年里，MATLAB在多所大學里作為教學輔助軟件使用，并作為面向群眾的免費軟件廣為流傳。1983年春天，Cleve Moler到Stanford大學講學，MATLAB

49、深深地吸引了工程師John Little。John Little敏銳地覺察到MATLAB在工程領域的廣闊前景。同年，他和 Cleve Moler、Sieve Bangert一起，用C語言開發了第二代專業版。這一代的MATLAB語言同時具備了數值計算和數據圖示化的功能。1984年，Cleve Moler和 John Lithe成立了MathWorks公司，正式把MATLAB推向市場，并繼續進展MATLAB的研究和開發。在當今30多個數學類科技應用軟件中，就軟件數學處理的原始核而言，可分為兩大類。一類是數值計算型軟件，如 MATLAB、*math、Gauss等，這類軟件長于數值計算，對處理大批數據

50、效率高；另一類是數學分析型軟件，如Mathematica、Maple等，這類軟件以符號計算見長，能給出解析解和任意精度解，其缺點是處理大量數據時效率較低。MathWorks公司順應多功能需求之潮流，在其卓越數值計算和圖示能力的根底上，又率先在專業水平上開拓了其符號計算、文字處理、可視化建模和實時控制能力，開發了適合多學科、多部門要求的新一代科技應用軟件MATLAB。經過多年的國際競爭，MATLAB 已經占據了數值型軟件市場的主導地位。在MATLAB進入市場前，國際上的許多應用軟件包都是直接以FORTRAN和C語言等編程語言開發的。這種軟件的缺點是使用面窄、接口簡陋、程序構造不開放以及沒有標準的

51、基庫，很難適應各學科的最新開展，因而很難推廣。MATLAB的出現，為各國科學家開發學科軟件提供了新的根底。在MATLAB問世不久的20世紀80年代中期，原先控制領域里的一些軟件包紛紛被淘汰或在MATLAB上重建。時至今日，經過Math Works公司的不斷完善，MATLAB已經開展成為適合多學科、多種工作平臺的功能強勁的大型軟件。在國外，MATLAB已經經受了多年考驗。在歐美等高校，MATLAB已經成為線性代數、自動控制理論、數理統計、數字信號處理、時間序列分析、動態系統仿真等高級課程的根本教學工具；成為攻讀學位的大學生、碩士生、博士生必須掌握的根本技能。在設計研究單位和工業部門，MATLAB

52、被廣泛用于科學研究和解決各種具體問題。一種語言之所以能如此迅速地普及，顯示出如此旺盛的生命力，是由于它有著不同于其他語言的特點。正如同FORTRAN和C等高級語言使人們擺脫了需要直接對計算機硬件資源進展操作一樣，被稱作為第四代計算機語言的MATLAB，利用其豐富的函數資源，使編程人員從繁瑣的程序代碼中解放出來。MATLAB的最突出的特點就是簡潔。MATLAB用更直觀的、符合人們思維習慣的代碼，代替了C和FORTRAN語言的冗長代碼。MATLAB給用戶帶來的是最直觀、最簡潔的程序開發環境。以下簡單介紹一下MATLAB的主要特點。語言簡潔緊湊，使用方便靈活，庫函數極其豐富。MATLAB程序書寫形式

53、自由，利用其豐富的庫函數避開繁雜的子程序編程任務，壓縮了一切不必要的編程工作。由于庫函數都由本領域的專家編寫，用戶不必擔憂函數的可靠性。可以說，用MATLAB進展科技開發是站在專家的肩膀上。具有FORTRAN和C等高級計算機語言知識的讀者可能已經注意到，如果用FORTRAN或C語言去編寫程序，尤其當涉及矩陣運算和畫圖時，編程會很麻煩。例如，如果用戶想求解一個線性代數方程，就得編寫一個程序塊讀入數據，然后再使用一種求解線性方程的算法例如追趕法編寫一個程序塊來求解方程，最后再輸出計算結果。在求解過程中，最麻煩的要算第二局部。解線性方程的麻煩在于要對矩陣的元素作循環，選擇穩定的算法以及代碼的調試都不

54、容易。即使有局部源代碼，用戶也會感到麻煩，且不能保證運算的穩定性。解線性方程的程序用FORTRAN和C這樣的高級語言編寫至少需要好幾十行。再如用雙步QR方法求解矩陣特征值，如果用FORTRAN編寫，至少需要四百多行，調試這種幾百行的計算程序可以說很困難。運算符豐富。由于MATLAB是用C語言編寫的，MATLAB提供了和C語言幾乎一樣多的運算符，靈活使用MATLAB的運算符將使程序變得極為簡短。MATLAB既具有構造化的控制語句如for循環、while循環、break語句和if語句，又有面向對象編程的特性。語法限制不嚴格，程序設計自由度大。例如，在MATLAB里，用戶無需對矩陣預定義就可使用。程

55、序的可移植性很好，根本上不做修改就可以在各種型號的計算機和操作系統上運行。MATLAB的圖形功能強大。在FORTRAN和C語言里，繪圖都很不容易，但在MATLAB里，數據的可視化非常簡單。MATLAB還具有較強的編輯圖形界面的能力。MATLAB的缺點是，它和其他高級程序相比，程序的執行速度較慢。由于MATLAB的程序不用編譯等預處理，也不生成可執行文件，程序為解釋執行，所以速度較慢。功能強勁的工具箱是MATLAB的另一重大特色。MATLAB包含兩個局部：核心局部和各種可選的工具箱。核心局部中有數百個核心部函數。其工具箱又可分為兩類：功能性工具箱和學科性工具箱。功能性工具箱主要用來擴大其符號計算

56、功能、圖示建模仿真功能、文字處理功能以及與硬件實時交互功能。功能性工具箱能用于多種學科。而學科性工具箱是專業性比擬強的，如control、toolbo*、signal processing toolbo*、munication toolbo*等。這些工具箱都是由該領域的學術水平很高的專家編寫的，所以用戶無需編寫自己學科圍的根底程序，而直接進展高、精、尖的研究。4.2本次仿真過程中遇到的函數PLOT函數：plot命令翻開一個稱為圖形窗口的窗口，將坐標軸縮擴以適應并描繪數據。如果已經存在一個圖形窗口，則plot命令會去除當前圖形窗口的圖形，繪制新的圖形。plot函數的根本調用格式為：1、ploy(

57、y)當y為向量時，是以y的分量為縱坐標，以元素序號為橫坐標，用直線依次連接數據點，繪制曲線。假設y為實矩陣，則按列繪制每列對應的曲線。2、plot(*,y)假設y和*為同維向量，則以*為橫坐標,y為縱坐標繪制連線圖。假設*是向量，y是行數或列數與*長度相等的矩陣，則繪制多條不同色彩的連線圖，*被作為這些曲線的共同橫坐標。假設*和y為同型矩陣，則以*,y對應元素分別繪制曲線，曲線條數等于矩陣列數。3、plot(*1,y1,*2,y2,)在此格式中，每對*,y必須符合plot(*,y)中的要求，不同對之間沒有影響，命令將對每一對*,y繪制曲線。以上三種格式中的*,y都可以是表達式。plot是繪制一

58、維曲線的根本函數，但在使用此函數之前，須先定義曲線上每一點的*以及y坐標。legend函數的根本用法是LEGEND(string1,string2,string3, .)分別將字符串1、字符串2、字符串3標注到圖中，每個字符串對應的圖標為畫圖時的圖標。Zeros:產生全零矩陣。Cos:三角函數。Sqrt:求算數平方根。第五章 基于Jake模型的頻率選擇性衰落信道仿真5.1仿真的根本過程利用Matlab工具完成Jake模型和抽頭延時線的實現。改變模型的參數載頻、移動速度等觀察信道時域和頻域特性的改變。5.2仿真結果及分析第一組仿真：頻率選擇性不強，時間選擇性不強載頻、車速都低的一組Jingshu

59、=1;tao_ma*=1;nonzeropath=1;PDF=0; QUOTE =9e8; V=10。第二組仿真：頻率選擇性不強，時間選擇性較強載頻高、車速都低的一組Jingshu=1;tao_ma*=1;nonzeropath=1;PDF=0; QUOTE =2e9; V=10。第三組仿真：頻率選擇性不強，時間選擇性較強載頻低、車速高的一組Jingshu=1;tao_ma*=1;nonzeropath=1;PDF=0; QUOTE =9e8; V=300。第四組仿真：頻率選擇性不強，時間選擇性較強載頻高、車速高的一組Jingshu=1;tao_ma*=1;nonzeropath=1;PDF=

60、0; QUOTE =2e9; V=300。第五組仿真：頻率選擇性強，時間選擇性不強載頻、車速都低的一組Jingshu=5;tao_ma*=20;nonzeropath=1,4,9,16,20;PDF=0,-3,-5,-9,-11; QUOTE =9e8; V=10。第六組仿真：頻率選擇性強，時間選擇性較強載頻高、車速都低的一組Jingshu=5;tao_ma*=20;nonzeropath=1,4,9,16,20;PDF=0,-3,-5,-9,-11; QUOTE =2e9; V=10。第七組仿真：頻率選擇性強，時間選擇性較強載頻低、車速高的一組Jingshu=5;tao_ma*=20;non