信道對通信系統(tǒng)性能的影響

1接收端信號的多徑衰落地球移動通信的主要特征是多徑通信。電波在傳播過程中,到達(dá)移動天線的信號是由多路徑反射波的合成。由于電波通過各條路徑的距離不同,因而反射波的到達(dá)時(shí)間、相位也各不相同。不同相位的多個(gè)信號在接收端疊加,同相加強(qiáng),反相減弱。使得接收端接收信號的幅度急劇變化而產(chǎn)生了衰落。這種衰落是由于多徑現(xiàn)象所產(chǎn)生的,所以稱為多徑衰落。這種衰落現(xiàn)象嚴(yán)重地惡化接收信號的質(zhì)量,影響通信系統(tǒng)質(zhì)量的可靠性。對于數(shù)字傳輸來說,衰落將使誤碼率大大增加。2傳輸質(zhì)量的影響信道是通信系統(tǒng)的基本環(huán)節(jié)之一,信道的傳輸質(zhì)量直接影響著信號的接收和解調(diào)。這種影響表現(xiàn)在2個(gè)方面:(1)產(chǎn)生噪聲;(2)減弱信號的強(qiáng)度和改變信號的形狀。2.1變參信道的特點(diǎn)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的就是使接收端能夠毫無差別地再現(xiàn)發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)。因此,在設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)的過程中,信道對傳輸信號的影響是一個(gè)不可或缺的環(huán)節(jié)。對于變參信道,它的參數(shù)隨時(shí)間變化,它的特性比恒參信道要復(fù)雜得多,對傳輸信號的影響也要嚴(yán)重得多。變參信道的傳輸媒質(zhì)具有3個(gè)特點(diǎn):(1)對信號的衰耗隨時(shí)間而變化;(2)傳輸?shù)臅r(shí)延隨時(shí)間而變化;(3)多徑傳輸。信號在傳輸?shù)倪^程中會不可避免地受到各種干擾。加性高斯白噪聲(AWGN)是最常見的一種干擾。在無線信道中,由于存在多徑效應(yīng),信號還受到瑞利(Rayleigh)衰落或萊斯(Rician)衰落的影響,它對無線信號的傳輸質(zhì)量起著決定性的作用。在實(shí)際的通信系統(tǒng)中,由于多徑時(shí)延和多普勒頻移的存在,信號還受到頻率選擇性衰落的影響。2.2粒徑和結(jié)構(gòu)道根據(jù)信道中占主導(dǎo)地位的噪聲的特點(diǎn),信道可以分成加性高斯白噪聲(AdditiveWhiteGaussianNosie,AWGN)信道、多徑瑞利衰落(MultipathRayleighFading,MRF)信道和萊斯衰落(RicianFading,RF)信道。2.2.1隨機(jī)波動過程AWGN是最常見也是最簡單的一種噪聲,它存在于各種傳輸媒介中,表現(xiàn)為信號圍繞平均值的一種隨機(jī)波動過程。加性高斯白噪聲的均值為0,方差變現(xiàn)為噪聲功率的大小。一般情況下,噪聲功率越大,信號的波動幅度就越大,接收端收到的信號的誤比特率就越高。2.2.2信號路徑的時(shí)延在移動通信系統(tǒng)中,接收與發(fā)送方的相對移動將導(dǎo)致多普勒頻移。同時(shí),復(fù)雜的信道環(huán)境將導(dǎo)致多條傳輸路徑的時(shí)延,接收信號的電平和相位都將發(fā)生變化,即所謂的MRF。MRF是移動通信系統(tǒng)中一種相當(dāng)重要的衰落信道類型,它在很大程度上影響著移動通信系統(tǒng)的質(zhì)量。3瑞利衰落模型3.1單通道acosct的信號特性在存在多徑傳播的變參信道中,就每條路徑的信號而言,它的衰耗和時(shí)延都是隨機(jī)變化的。因此,多徑傳播后的接收信號將是衰減和時(shí)延都隨時(shí)間變化的各路徑的信號的合成。建立一個(gè)數(shù)學(xué)模型,設(shè)發(fā)射載波信號為Acosωct,則經(jīng)過n條路徑傳播后的接收信號R(t)可用下式表述:R(t)=∑i=1nAi(t)cosωc[t+τi(t)]=∑i=1nAi(t)cos[ωc(t)+φi(t)](1)R(t)=∑i=1nAi(t)cosωc[t+τi(t)]=∑i=1nAi(t)cos[ωc(t)+φi(t)](1)式中:Ai(t)為第i條路徑的接收信號振幅;τi(t)為第i條路徑的傳輸時(shí)延。φi(t)=ωcτi(t)經(jīng)大量觀察表明,Ai(t)和φi(t)隨時(shí)間的變化與發(fā)射載波的周期2π/ωc相比,通常要緩慢得多,即Ai(t)和φi(t)可以認(rèn)為是緩慢變化的隨機(jī)過程。因此式(1)可以改寫成:R(t)=∑i=1nAi(t)cosφi(t)cosωct?∑i=1nAi(t)sinφi(t)sinωct(2)R(t)=∑i=1nAi(t)cosφi(t)cosωct-∑i=1nAi(t)sinφi(t)sinωct(2)令XI(t)=∑i=1nAi(t)cosφi(t)(3)XΙ(t)=∑i=1nAi(t)cosφi(t)(3)XQ(t)=∑i=1nAi(t)sinφi(t)(4)XQ(t)=∑i=1nAi(t)sinφi(t)(4)則式(2)變成:R(t)=XI(t)cosωct-XQ(t)sinωct=V(t)cos[ωc(t)+φ(t)](5)式中:V(t)為合成波R(t)的包絡(luò);φ(t)為合成波R(t)的相位。即有:V(t)=X2I(t)+X2Q(t)????????????√(6)V(t)=XΙ2(t)+XQ2(t)(6)φ(t)=arctanXQ(t)XI(t)(7)φ(t)=arctanXQ(t)XΙ(t)(7)由于AI(t)和φi(t)是緩慢變化的,并且是隨機(jī)過程,因而XI(t)、XQ(t)及包絡(luò)V(t)、相位φ(t)也是緩慢變化的,也都是隨機(jī)過程。因此從式(5)可以得出:(1)從波形上看,多徑傳播的結(jié)果使單一載頻信號Acosωct變成了包絡(luò)和相位都變化(實(shí)際上受到調(diào)制)的窄帶信號。(2)從頻譜上看,多徑傳播引起了頻率彌散(色散),即由單個(gè)頻率變成了一個(gè)窄帶頻譜。(3)多徑傳輸會引起選擇性衰落。3.2相位起伏的原因在無線信道中,除了上述影響比較嚴(yán)重的多徑效應(yīng)之外,收發(fā)之間如果存在著相對運(yùn)動時(shí),還會產(chǎn)生多普勒頻移(DopplerShift)效應(yīng)。相位起伏是指相位隨時(shí)間的不規(guī)則變化。引起相位起伏的主要原因是多徑傳播。此外,電離層折射率的隨機(jī)變化及電離層不均勻體的快速運(yùn)動,都會使信號的傳輸路徑長度不斷變化而出現(xiàn)相位的隨機(jī)起伏。信號衰落率越高,信噪比越低,相位起伏越大。在同高速運(yùn)動的目標(biāo)通信時(shí),多普勒頻移也是一個(gè)不可忽視的問題。本文中設(shè)載波頻率fc=900MHz,相對速度v=30km/h,光速c=3.0×108m/s,則多普勒頻移fm=fc×(v/c)=25Hz。4系統(tǒng)中信號的多徑瑞利衰落移動通信系統(tǒng)的信道部分使用的多是高斯白噪聲信道,可以看到隨著信噪比的變化系統(tǒng)的誤碼率也隨之變化。但在實(shí)際的移動通信系統(tǒng)中,信號在傳播的過程中除了受高斯白噪聲的影響外,多徑瑞利衰落也是不可避免的。本文將對BFSK調(diào)制信號分別在高斯白噪聲信道環(huán)境、多徑瑞利衰落信道環(huán)境下和萊斯衰落信道環(huán)境下的傳輸性能做比較研究,從中可以看出各種信道對移動通信系統(tǒng)性能的影響情況,仿真結(jié)果如圖1和圖2所示。5多徑衰落的影響從圖1中可以看出,在誤碼率為1時(shí),加性高斯白噪聲信道的信噪比為12dB,添加萊斯衰落信道的信噪比為16dB,添加多徑瑞利衰落信道的信噪比為19dB。得出在同等誤碼率的情況下,多徑瑞利衰落所需的信噪比要比加性高斯白噪聲和萊斯衰落要高。相同的信噪比下,信號在加性高斯白噪聲及萊斯衰落信道中的誤碼率要小于在多徑瑞利衰落信道中。從圖2中可以看出,當(dāng)信號的信噪比低于0dB時(shí),萊斯信道的誤碼率性能甚至要好于只存在加性高斯白噪聲的信道。相對于加性高斯白噪聲,多徑瑞利衰落信道和萊斯衰落信道的性能都比較差,瑞利衰落信道更為嚴(yán)重。如何消除瑞利衰落的影響是移動通信系統(tǒng)研究的一個(gè)重要課題,文獻(xiàn)介紹采用擴(kuò)頻系統(tǒng)的通信系統(tǒng)可以減少多徑衰落對系統(tǒng)性能的影響。本文采用直接序列擴(kuò)頻DS-SS(DirectSequenceSpreadSpectrum)系統(tǒng)來抗多徑衰落的影響。直接序列擴(kuò)頻是直接利用具有高碼率的擴(kuò)頻碼序列在發(fā)端對發(fā)送信號進(jìn)行編碼,從而將占用頻帶較窄的原始信號擴(kuò)展為占用頻帶較寬的信號;而在收端,用相同的擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行接擴(kuò),把擴(kuò)展寬的擴(kuò)頻信號還原成原始的信息。通過這種方法可以抗多徑衰落,進(jìn)行仿真得出結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出,在信噪比為10dB的情況下,直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的誤碼率保持在1,并且在任意時(shí)刻,無論信噪比達(dá)到多少,其誤碼率都要比衰落信道下的誤碼率低。從而得出在多徑衰落的影響下,直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)具有良好的性能,大大減少了多徑衰落。6信道衰落原因本文詳細(xì)地分析了多徑瑞利衰落信道的誤碼率性能,并與加性高斯