衰落信道的无线通信系统的分析与仿真

摘要为了更好的了解和掌握衰落信道中无线通信系统的性能，提出了基于MATLAB的无线衰落信道仿真模型，采用64QAM调制方式，信道编码用了（7,4）线性分组码，利用MATLAB中SIMULINK通信系统仿真模型库进行（7,4）线性分组码建模仿真，并调用通信系统功能函数进行绘制频谱及误码率与信噪比关系曲线图。在完成衰落信道的性能分析之后，并与高斯信道下的性能进行对比。关键字：SIMULINK64QAM无线衰落高斯信道仿真目录前言................................................................3164QAM设计原理及衰落信道.........................................41.164QAM通信系统基本模型.....................................41.2无线衰落信道...............................................41.364QAM调制技术.............................................51.464QAM调制的主要技术指标...................................62线性分组码基本原理...............................................72.1线性分组码.................................................72.2编码原理...................................................72.3纠错原理...................................................93SIMULINK概述...................................................113.1Simulink的模块操作.......................................113.1.1主要模块的简介......................................123.2Simulink的功能...........................................124衰落信道的性能分析与仿真........................................144.1SIMULINK中模块仿真.......................................144.1.1信号源及模块参数.....................................154.1.2线性分组码（7，4）..................................154.1.3主要模块参数设置....................................164.264QAM通信系统仿真.......................................174.3性能分析.................................................19总结...............................................................20参考文献...........................................................21致谢.............................................................22前言在卫星移动通信系统、陆地移动通信系统中其电波传播方式主要以视距传播为主。由于多径和接收端运动等因素的影响，使得无线信道对接收信号在时间、频率和角度上造成了色散，这种色散表现在接收信号幅度上就是所谓的信号衰落，因此，多径效应对通信质量有着至关重要的影响。正交幅度调制QAM是数字通信系统中一种常用的调制技术。尤其是多进制QAM，比如64QAM有着非常高的频谱利用率。它的调制效率高，对传输途径的信噪比要求高，具有带宽利用率高，抗噪声强等特点，适合有线电视电缆传输；我国有线电视网中广泛应用的DVB-C调制即QAM调制方式。QAM是幅度和相位联合调制的技术，它同时利用了载波的幅度和相位来传递信息比特，不同的幅度和相位代表不同的编码符号。因此，在最小距离相同的条件下，QAM星座图中可以容纳更多的星座点即可实现更高的频带利用率。线性分组码具有编译码简单，封闭性好等特点，采用差错控制编码技术是提高数字通信可靠性的有效方法，是目前较为流行的差错控制编码技术。分组码是一组固定长度的码组，可表示为（n,k），通常它用于前向纠错。在分组码中，监督位被加到信息位之后，形成新的码。在编码时，k个信息位被编为n位码组长度，而n-k个监督位的作用就是实现检错与纠错。4164QAM设计原理及衰落信道1.164QAM通信系统基本模型64QAM通信系统基本模型如图1.1所示。噪声图1.164QAM通信系统基本模型在本次无线通信系统中用到随机信号发生器，进制数设为64，选择了（7,4）线性分组码，由于课设要求则采用64QAM调制解调方式，信号经过调制以后，通过了信道，信道选择高斯加性白噪声信道、瑞利衰落信道。设置不同的信道信噪比，对系统进行仿真，分析不同信噪比情况下的系统性能。根据信道编码方式，选择对应的信道解码方式。信号经过调制、信道、解调过程。在接收端，将得到的数据与原始信号源数据比较，得到在特定信噪比下的误码率。改变系统信噪比，从而得到系统的误码率曲线图，并给出各关健点信号眼图及星座图以及功率谱图。1.2无线衰落信道移动通信信道中，经过反散射后无线电波的某些基本特性发生强烈变化，特别是相位与幅度。由于每条具体路径到达终端时的相位与幅度不同，在终端中它们彼此部分抵消或加强，造成信号强度快速起伏，这就是所说的快衰落。对于衰落的研究可以用统计理论来描述确定环境中衰落事件的特性。传统理论认为，移动终端所接收信号的快衰落部分遵循瑞利统计分布，移动环境则称为瑞利环境．理论模型使用来自不同方向(即N个信号路径)反散射信号的叠加来表示移动信号发生器信道编码调制信道道道解调译码性能分析5终端的接收信号。瑞利衰落信道可以通过实部和虚部都服从独立的高斯分布变量来仿真生成。不过，在一般情况下，人们只对幅度的波动感兴趣。针对这种情况，大体上有两类方法可以仿真产生瑞利衰落信道。一类方法是Jakes模型来实现瑞利衰落信道，另一类方法是利用高斯白噪声通过滤波器的方法对瑞利衰落信道进行建模。本文提出一种新的采用高斯白噪声通过滤波器的方法仿真瑞利衰落信道。高斯白噪声过程通过谱成形滤波器后，各样本过程之间就引入了一定数量的相关性。在移动通信系统中瑞利衰落的产生是由于接收端的移动所致，所以谱成形滤波器采用具有最大多普勒频移的多普勒滤波器。1.364QAM调制技术64QAM调制是基于DVB-C的有线数字电视的核心技术，所谓QAM是用两个独立的基带信号对两个相互正交的同频载波进行抑制载波的双边带调制。在mQAM中m叫状态数，通常取值为16、32、64、128和256，状态越低（意味着星座点之间的空间距离远）抗干扰能力强，但调制效率较低（携带的消息量少），反之状态数越大（意味着星座点之间的空间距离近）抗干扰能力弱，但调制效率较高（携带的消息量大，同时要求信道质量也越高，即要求优质的光缆电缆和各种有源无源器件直至优质的施工质量）。有线数字电视DVB-C标准中规定使用的是64QAM，需要特别注意的是64QAM的名称虽为正交幅度调制，但实际上却是所谓的振幅-相位联合键控，这是一个有线数字电视中非常重要的概念，正因为QAM相位调制（依靠不同的相位携带不同的消息），才导致了有线数字电视对HFC传输网络质量的要求高于模拟电视。64QAM中的64个状态（星座点）上的每个星座点的解调要靠幅度和相位共同决定，64QAM中采用的是8进制（或8电平，提高效率），每个星座点有6比特（6位二进制组成，从000000~111111），所有的信息（视频码流、音频码流、和辅助数据码流）都在每一个星座点中的6比特中。所谓mQAM是用两个独立的基带信号对两个相互正交的同频载波进行抑制载波的双边带载波。设ml(t)和mQ(t)是两个独立的基带信号，cosωct和sinωct是相互正交的载波，则发送端形成的正交振幅调制信号为：twtmtwtmtecQcIsin)(cos)()(06其中：cosωct为同相信号或I信号，sinωct是正交信号或Q信号。以64QAM为例，经2~8电平转换后可得到-1、-3、-5、-7、+1、+3、+5和+7共8个电平，则调制器I（正交）输出的8个信号为+7sinωct、+5sinωct、+3sinωct、+1sinωct、-1sinωct、-3sinωct、-5sinωct、-7sinωct；调制器Ⅱ（同相）输出的8个信号为：+7cosωct、+5cosωct、+3cosωct、+1cosωct、-1cosωct、-3cosωct、-5cosωct和-7cosωct。两路己调信号相加共有64个不同的组合，这样便形成64QAM的星座图。1.464QAM调制的主要技术指标64QAM调制器中最重要的一个技术指标是调制误差率（MER）。调制误差率国标的定义是理想矢量的幅度的平方与误差矢量幅度平方之比。显然调制误差率与反射损耗一样越大越好，国标规定64QAM的MER要大于32dB，256QAM的MER要大于30dB。64QAM通信系统性能指标：传输速率、误码率、适应性、使用维修性、经济性、标准化程度和通信建立时间等。64QAM可以充分利用带宽，并且抗噪声能力强。72线性分组码基本原理2.1线性分组码线性分组码是一组固定长度的码组，可表示为（n,k），通常它用于前向纠错。在分组码中，监督位被加到信息位之后，形成新的码。在编码时，k个信息位被编为n位码组长度，而n-k个监督位的作用就是实现检错与纠错。当分组码的信息码元与监督码元之间的关系为线性关系时，这种分组码就称为。对于长度为n的二进制线性分组码，它有种可能的码组，从种码组中，可以选择M=个码组（kn）组成一种码。这样，一个k比特信息的线性分组码可以映射到一个长度为n码组上，该码组是从M=个码组构成的码集中选出来的，这样剩下的码组就可以对这个分组码进行检错或纠错。2.2编码原理一般来说，若汉明码长为n，信息位数为k，则监督位数r=n-k。若希望用r个监督位构造出r个监督关系式来指示一位错码的n种可能位置，则要求21rn或211rkr（2.1）下面以（7，4）汉明码为例说明原理：设汉明码（n,k）中k=4，为了纠正一位错码，由式（1）可知，要求监督位数r≥3。若取r=3,则n=k+r=7。我们用6543210aaaaaaa来表示这7个码元，用123sss的值表示3个监督关系式中的校正子，则123sss的值与错误码元位置的对应关系可以规定如表1所列。表2.1校正子和错码位置的关系123sss错码位置123sss错码位置0010a1014a0101a1105a1002a1116a0113a000无错码8则由表2.1可得监督关系式：16542saaaa（2.2）26531saaaa（2.3）36430saaaa（2.4）在发送端编码时，信息位6543aaaa的值决定于输入信号，因此它们是随机的。监督位2a、1a、0a应根据信息位的取值按监督关系来确定，即监督位应使式（2.2)~式（2.4）中1s、2s、3s的值为0（表示编成的码组中应无错码）654265316430000aaaaaaaaaaaa(2.5)式（2.5）经过移项运算，接触监督位26541