畢業(yè)論文--基于matlab連續(xù)信道建模仿真

1、<p>　　題目 基于MATLAB連續(xù)信道建模仿真 </p><p>　　學院名稱　 電氣工程與自動化學院 </p><p>　　專業(yè)班級　　　 </p><p>　　學生姓名　 　 </p><p>　　導師姓名

2、　 </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要4</b></p><p>　　ABSTRACT4</p><p><b>　　第一章 緒論5</b></p><

3、;p><b>　　1.1選題意義5</b></p><p>　　1.2本論文的主要內容6</p><p><b>　　第二章 信道6</b></p><p>　　2.1信道的分類7</p><p>　　2.2信道數學模型7</p><p>　　2.2.1調制

4、信道模型7</p><p>　　2.2.2 編碼信道模型9</p><p>　　2.3信道中的噪聲9</p><p>　　2.4信道容量10</p><p>　　第三章 連續(xù)信道模型11</p><p>　　3.1連續(xù)信道的定義與分類11</p><p>　　3.2AWGN信道模型

5、11</p><p>　　3.3 線性非時變信道模型12</p><p>　　3.3.1線性非時變信道的定義12</p><p>　　3.3.2恒參信道特性及對傳輸信號的影響13</p><p>　　3.4 多徑時變信道模型15</p><p>　　第四章 連續(xù)信道建模仿真19</p>&l

6、t;p>　　4.1MATLAB介紹19</p><p>　　4.2線性非時變信道建模仿真20</p><p>　　4.3 多徑信道模型仿真22</p><p>　　4.3.1單頻信號經過多徑時變信道22</p><p>　　4.3.2數字信號經過多徑非時變信道25</p><p>　　第五章 結束語

7、27</p><p><b>　　參考文獻29</b></p><p><b>　　致 謝30</b></p><p><b>　　附 錄31</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文

8、介紹了移動通信信道的基本理論，對移動通信中的衰落信道，如AWGN信道和線性非時變信道和多徑信道進行了分析和建模，并討論了隨參信道和恒參信道的傳輸特性以及對傳輸信號的影響。在此基礎上通過使用MATLAB仿真軟件得到信號通過幅頻失真信道、相頻失真信道與多徑信道之后的輸出波形與頻譜。</p><p>　　本文主要通過MATLAB軟件搭建仿真平臺，針對對AWGN信道模型和線性非時變信道模型以及多徑信道模型進行仿真搭建仿真

9、平臺，從信號仿真圖分析比較三者的區(qū)別首先研究了數字通信的研究背景和國內外研究動態(tài)；然后對AWGN信道，線性非時變信道，多徑信道的基本方法進行了研究，從信號波形圖進行理論值分析和比較；最后用MATLAB軟件對AWGN和線性非時變信道以及多徑信道進行了仿真，并將仿真結果和相位理想狀態(tài)下的分析數據進行了對比。</p><p>　　關鍵詞：通信原理 連續(xù)信道 線性非時變信道 多徑信道 仿真</p>

10、<p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　This article describes the mobile communication channel of the basic theory of mobile communication fading channels, such as the AWGN channel and linear time-v

11、arying channel and multi-path channel is analyzed and modeled, and discussed with the reference channel and the constant reference channel transmission characteristics, and the transmission signal. On this basis, through

12、 the use of simulation software MATLAB get the signal through the channel amplitude-frequency distortion, phase and frequ</p><p>　　In this paper, through the MATLAB software to build simulation platform for

13、on AWGN channel model and linear time-varying channel model and the multi-path channel model simulation simulation platform built from the signal analysis and comparison of simulation diagram difference between the three

14、. First studied digital communication research background and research trends; Then AWGN channel, linear time-varying channel, multi-path channel basic methods have been studied from the signal waveform g</p><

15、p>　　Key words：Communication Theory; continuouschannel; linear time-varying channel; multipathchannel; simulation</p><p><b>　　第一章緒論</b></p><p><b>　　1.1選題意義</b></p&g

16、t;<p>　　當今的社會已經成為一個信息化的社會，信息化也成為了世界和社會發(fā)展的重要主題之一，作為信息交互的重要組成，通信越來越被人們所關注。理想的通信目標是在任何時候、在任何地方、與任何人都能及時的進行最小出錯率的溝通聯系、以及信息交流。隨著人們對各種通信業(yè)務的需求迅速增加，正向著小型化、智能化、高速大容量的方向迅速發(fā)展的數字通信的應用已經越來越廣泛。現代通信系統(tǒng)的發(fā)展使通信系統(tǒng)和通信設備日益復雜。為使通信系統(tǒng)在一定條

17、件下具有最佳性能,就必須在設計時了解各種參數對性能的影響以及它們之間復雜的相互依從關系。隨著計算技術的飛速發(fā)展,通信系統(tǒng)仿真已成為今天設計和分析通信系統(tǒng)的主要工具。</p><p>　　連續(xù)信道包括信道加性高斯白噪聲AWGN(AdditiveWhiteGaussionNoise)、線性非時變信道與多徑信道。AWGN是最基本的噪聲與干擾模型。而功率譜密度是均勻分布的，它意味著除了加性高斯白噪聲外，r(t)與s(t)

18、沒有任何失真。即H(f)失真的；線性非時變信道主要對應著恒參信道，主要包括幅頻失真信道、相頻失真信道；多徑信道對應著隨參信道，研究連續(xù)信道即研究恒參信道以及隨參信道的模型。</p><p>　　信道是移動通信的基本環(huán)節(jié)之一，信道的傳輸質量影響著信號的接收和解調。因此，在對移動通信系統(tǒng)性能分析過程中信道對傳輸信號的影響是一個不可缺少的環(huán)節(jié)。目前人們對無線信道的研究和利用基本上還停留在第1代和第2代移動通信系統(tǒng)研究開

19、發(fā)時的水平上。【1】因此，對無線信道的進一步研究顯得越來越重要，將是未來移動通信發(fā)展面臨的重大課題?！?】移動通信的傳輸媒介是無線信道，所有的信息都在這個信道中傳輸。信道性能的好壞直接決定著通信的質量，因此要想在比較有限的頻譜上盡可能地高質量、大容量傳輸有用的信息就要求必須十分清楚地了解信道的特性。通常，無線信道的傳播可分為大尺度傳播和小尺度傳播兩種。討論大尺度傳播不僅對分析信道的可用性、選擇載波頻率以及切換有重要意義，而且對于移動無線

20、網絡的規(guī)劃也很重要。</p><p>　　1.2本論文的主要內容</p><p>　　本論文主要研究的是連續(xù)信道的建模仿真。第二章首先簡要介紹了信道的相關內容，然后主要介紹了信道的定義與分類，、信道模型、信道噪聲及信道容量第三章是對具體的連續(xù)信道的分析。主要包括了AWGN信道，線性非時變信道，多徑信道以及信道特性以及信道特性對傳輸信號的影響，隨參信道和恒參信道對信號傳輸的影響。第四章則是利

21、用MATLAB軟件對AWGN信道、線性非時變信道和多徑信道進行仿真，得到各自的信號波形仿真模型，并根據仿真結果分析比較三種模型。此外，由于在仿真的時候需要用MATLAB軟件，因此，在對系統(tǒng)進行仿真之前，對MATLAB進行了簡單的介紹。</p><p><b>　　第二章 信道</b></p><p>　　通信的目的是傳輸信息，通信系統(tǒng)一般模型如圖下圖2-1</

22、p><p>　　圖2-1 通信系統(tǒng)模型</p><p>　　由圖可知信道是通信系統(tǒng)的重要組成部分，信道是一種物理煤質，用來將來自發(fā)送設備的信號傳送到接收端。在無線信道中，信道可以是自由空間；在有線信道中，可以是明線、電纜和光纖。有線信道和無線信道均有多種物理煤質。信道既給信號以通路，也會對信號產生各種干擾和噪聲。信道的固有特性及引入的干擾和噪聲直接關系到通信的質量。</p>&

23、lt;p><b>　　2.1信道的分類</b></p><p>　　信道是以傳輸媒質為基礎的通道。信道連接發(fā)送端和接收端的通信設備，其功能是將信號從發(fā)送端傳送到接收端。是通信系統(tǒng)的重要組成部分，其特性對通信系統(tǒng)的性能有很大影響。按其不同特征有不同的分類方法。</p><p>　　1.按信道的組成劃分，可分為廣義信道和狹義信道。 狹義信道-發(fā)送設備和接收設備之間用

24、以傳輸信號的媒介或通道。廣義信道-除了傳輸媒介外，還包括有關的部件和電路，如調制器、解調器、編碼器、解碼器等。</p><p>　　調制信道（廣義信道）：從調制器的輸出端至解調器的輸入端。調制信道又分為恒參信道和隨參信道。</p><p>　　編碼信道（廣義信道）：從編碼器輸出端至解碼器輸入端。編碼信道又分為無記憶編碼信道和有記憶編碼信道。</p><p>　　廣義

25、信道除了包括傳輸媒質外，還包括與通信系統(tǒng)有關的變換裝置，這些裝置可以是發(fā)送設備、接收設備、饋線與天線、調制器、解調器等等。這相當于在狹義信道的基礎上， 擴大了信道的范圍。廣義信道的引入主要是從研究信息傳輸的角度出發(fā)，使通信系統(tǒng)的一些基本問題研究比較方便。</p><p>　　狹義信道是廣義信道十分重要的組成部分，通信效果的好壞，在很大程度上將依賴于狹義信道的特性。因此，在研究信道的一般特性時，“傳輸媒質”是討論的

26、重點。</p><p>　　2.按傳輸介質劃分，可分為有線信道和無線信道。有線信道-由各種傳輸線路構成的信道。無線信道-電波傳播空間構成的信道。</p><p>　　3.按傳輸信號的特征，可分為模擬信道（連續(xù)信道）和數字信道。模擬信道（連續(xù)信道）-傳輸模擬信號的信道。廣義信道中的調制信道屬于模擬信道。數字信道-傳輸數字信號的信道。</p><p><b>

27、　　2.2信道數學模型</b></p><p>　　信道數學模型用來表征實際物理信道特性，方便通信系統(tǒng)分析和設計。針對調制信道和編碼信道的數學模型分別說明。</p><p>　　2.2.1調制信道模型</p><p>　　為研究調制與解調問題，建立調制信道（廣義信道）。</p><p>　　只關心調制信道輸入信號形式和已調信號通過

28、調制信道后的信號與噪聲特性，不關心調制信道內部變換過程?？捎镁哂幸欢ㄝ斎?、輸出關系的方框表示調制信道。調制信道共性： </p><p>　　(1)有一對（或多對）輸入端和一對（或多對）輸出端；</p><p>　　(2)絕大多數的信道為線性信道， 滿足線性疊加理；</p><p>　　(3)信號通過信道會有一定延遲，還會受到（固定的或時變的）損耗；</p>

29、;<p>　　(4)即使沒有信號輸入， 信道輸出端仍可能有功率輸出（噪聲）。</p><p>　　根據以上幾條性質，調制信道可以用一個二端口(或多端口)線性時變網絡來表示，這個網絡即調制信道模型。</p><p>　　圖2-2 調制信道模型</p><p>　　對于二對端的信道模型， 其輸出與輸入的關系：</p><p>　　

30、eo(t)=f［ei(t)］+n(t) (2.2- 1)</p><p>　　式中：ei(t)為輸入的已調信號； eo(t)為信道總輸出波形；n(t)為加性噪聲， n(t)與si(t)相互獨立，無依賴關系。f［ei(t)］表示已調信號通過網絡所發(fā)生的（時變）線性變換。 </p><p>　　假定能把f［ei(t)］寫為k(t) ei(t)，

31、k(t)依賴于網絡的特性，k(t)×ei(t)反映網絡特性對ei(t)的作用。k(t)的存在，對ei(t)來說是一種干擾，通常稱其為乘性干擾。于是式(2.2-1)可表示為 </p><p>　　eo(t)=k(t) ei(t) +n(t) (2.2–2)</p><p>　　式(2.2–2)即為二對端信道的數學模型。</p>

32、<p>　　信道對信號的影響可歸結為兩點：</p><p>　　（1）乘性干擾k(t)，</p><p>　　（2）加性干擾n(t)。</p><p>　　對于信號，如果了解k(t)與n(t)的特性，就能知道信道對信號的具體影響。 通常信道特性k(t)是復雜函數，可能包括各種線性失真、非線性失真、交調失真、衰落等。同時由于信道的遲延特性和損耗特性隨時間作隨

33、機變化，故k(t)往往只能用隨機過程來描述。</p><p>　　實際使用的物理信道中，根據信道傳輸函數k(t)的時變特性的不同可以分為兩大類：</p><p>　?。?）k(t)基本不隨時間變化，即信道對信號的影響是固定的或變化極為緩慢的，這類信道稱為恒定參量信道，簡稱恒參信道；</p><p>　　（2）信道傳輸函數k(t)隨時間隨機快變化， 這類信道稱為隨機參

34、量信道，簡稱隨參信道。</p><p>　　2.2.2 編碼信道模型</p><p>　　編碼信道包括調制信道、調制器和解調器，是數字信道或離散信道（區(qū)別調制信道模型 ）。編碼信道輸入、輸出是離散的時間信號。編碼信道對信號的影響：將輸入數字序列變成另一種輸出數字序列。信道噪聲或其他因素的影響，將導致輸出數字序列發(fā)生錯誤， 因此輸入、輸出數字序列之間的關系用一組轉移概率來表征。

35、 </p><p>　　二進制數字傳輸系統(tǒng)簡單編碼信道模型如圖2-3。</p><p>　　圖2-3 二進制數字傳輸系統(tǒng)簡單編碼信道模型</p><p>　　P(0)和P(1)分別是發(fā)送“0”符號和“1”符號的先驗概率，P(0/0)與P(1/1)是正確轉移的概率，而P(1/0)與P(0/1)是錯誤轉移概率。</p><p>　　信道噪聲越大

36、將導致輸出數字序列發(fā)生錯誤越多，錯誤轉移概率P(1/0)與P(0/1)也就越大；反之，錯誤轉移概率P(1/0)與P(0/1)就越小。輸出的總的錯誤概率為Pe=P(0)P(1/0)+P(1)P(0/1)</p><p>　　若信道噪聲或其他因素影響導致輸出數字序列發(fā)生的錯誤統(tǒng)計獨立，則這種信道為無記憶編碼信道。根據無記憶編碼信道的性質可以得到P(0/0)=1-P(1/0)，P(1/1)=1-P(0/1)。轉移概率完

37、全由編碼信道的特性決定。特定的編碼信道，有確定的轉移概率。由無記憶二進制編碼信道模型，容易推出無記憶多進制的模型。</p><p>　　若編碼信道有記憶，即：信道噪聲或其他因素影響導致輸出數字序列發(fā)生錯誤是不獨立的，則編碼信道模型要復雜得多，信道轉移概率表示式也將變得很復雜。</p><p><b>　　2.3信道中的噪聲</b></p><p&g

38、t;　　恒參信道和隨參信道的各種畸變，屬于乘性干擾，除此之外還存在加性干擾（即加性噪聲）。加性噪聲的來源可以分為三個方面：人為噪聲、自然噪聲、內部噪聲。人為噪聲：來源于其它無關的信號源，如外臺信號、開關接觸噪聲、工業(yè)的點火輻射、熒光燈干擾等。自然噪聲：自然界存在的各種電磁波源，如閃電、大氣中的電暴、銀河系噪聲及其它各種宇宙噪聲等。 內部噪聲：系統(tǒng)設備本身產生的各種噪聲，如導體中自由電子的熱運動（熱噪聲）、電源哼聲等。</p>

39、<p>　　噪聲的種類很多，也有多種分類方式，若根據噪聲的來源進行分類，一般可以分為三類。 (1)人為噪聲。人類活動所產生的對通信造成干擾的各種噪聲。包括工業(yè)噪聲和無線電噪聲(2)自然噪聲。自然界存在的各種電磁波源所產生的噪聲。 如雷電、磁暴、太陽黑子、銀河系噪聲、宇宙射線等。(3)內部噪聲。通信設備本身產生的各種噪聲。來源于通信設備的各種電子器件、傳輸線、天線等。</p><p>　　根據噪聲的性

40、質分類，可以分為單頻噪聲、脈沖噪聲和起伏噪聲。這三種噪聲都是隨機噪聲。</p><p>　　(1) 單頻噪聲。 </p><p>　　單頻噪聲主要是無線電干擾，頻譜特性可能是單一頻率， 也可能是窄帶譜。單頻噪聲的特點：連續(xù)波干擾。</p><p><b>　　(2) 脈沖噪聲</b></p><p>　　在時間上無規(guī)則、

41、突發(fā)脈沖波形。包括工業(yè)干擾中的電火花、汽車點火噪聲、 雷電等。脈沖噪聲的特點：以突發(fā)脈沖形式出現、干擾持續(xù)時間短、脈沖幅度大、周期隨機、相鄰突發(fā)脈沖之間有較長安靜時間。由于脈沖很窄，所以其頻譜很寬。但是隨著頻率的提高，頻譜強度逐漸減弱?？梢酝ㄟ^選擇合適的工作頻率、遠離脈沖源等措施減小和避免脈沖噪聲的干擾。 </p><p><b>　　(3) 起伏噪聲</b></p><

42、p>　　連續(xù)波隨機噪聲，包括熱噪聲、散彈噪聲和宇宙噪聲。采用隨機過程分析方法表征其特性。起伏噪聲的特點：頻帶很寬，并且始終存在，是影響通信系統(tǒng)性能的主要因素。在以后各章分析通信系統(tǒng)抗噪聲性能時，都是以起伏噪聲為重點。</p><p><b>　　熱噪聲</b></p><p>　　傳輸媒質中電子的隨機運動產生熱噪聲， 這種在原子能量級上的隨機運動是物質的普遍特性

43、。通信系統(tǒng)中，電阻器件噪聲、天線噪聲、饋線噪聲以及接收機產生的噪聲均可以等效成熱噪聲。</p><p><b>　　2.4信道容量</b></p><p>　　信道容量是指信道中信息無差錯傳輸的最大速率。在信道模型中定義了兩種廣義信道：調制信道和編碼信道。</p><p>　　調制信道是連續(xù)信道，可以用連續(xù)信道的信道容量來表征；編碼信道是離散信

44、道，可以用離散信道的信道容量來表征。</p><p><b>　　1．香農公式</b></p><p>　　設信道帶寬為B（Hz），信道輸出信號功率為S（W），輸出加性高斯噪聲功率為N（W），則可以證明該信道的信道容量為</p><p><b>　?。?.3-1）</b></p><p>　　由香農

45、公式可得以下結論：</p><p>　?。?）增大信號功率S可以增加信道容量，若信號功率趨于無窮大，則信道容量也趨于無窮大，即</p><p><b>　　（2.3-2）</b></p><p>　?。?）減小噪聲功率N（或減小噪聲功率譜密度n0）可以增加信道容量，若噪聲功率趨于零（或噪聲功率譜密度趨于零），則信道容量趨于無窮大，即</p

46、><p><b>　?。?.3-3）</b></p><p>　?。?）增大信道帶寬B可以增加信道容量，但不能使信道容量無限制增大。信道帶寬B趨于無窮大時，信道容量的極限值為</p><p><b>　　（2.3-4）</b></p><p>　　上式表明，保持S/n0一定，即使信道帶寬B??，信道容量

47、C也是有限的，這是因為信道帶寬B趨于無窮大時，噪聲功率N也趨于無窮大。</p><p>　　第三章 連續(xù)信道模型</p><p>　　本章主要介紹連續(xù)信道的定義與分類，以及三種主要的連續(xù)信道。</p><p>　　3.1連續(xù)信道的定義與分類</p><p>　　連續(xù)信道模型是針對輸入為連續(xù)信號，輸出也為連續(xù)信號的情況。連續(xù)信道包括AWGN信

48、道、線性非時變信道與多徑信道。</p><p>　　3.2AWGN信道模型</p><p>　　AWGN信道的簡稱是加性高斯白噪聲，AWGN信道模型可以用如圖3-1來表示。 </p><p>　　3-1AWGN信道模型</p><p>　　y(t)=x(t)+n(t),其中n(t)是高斯過程，在很寬的頻帶內，可以將n(t)看成是一個白（功率譜

49、密度是常數）的隨機噪聲。通常用AWGN信道模型來等效一些恒參信道，如衛(wèi)星通信信道、光纖信道、同軸電纜信道。在常溫下290K下，n(t)的單邊功率譜密度為N=-174dBm/Hz</p><p>　　3.3 線性非時變信道模型</p><p>　　3.3.1線性非時變信道的定義</p><p>　　發(fā)送信號經過一個線性非時變系統(tǒng)h (t)，如圖3-2所示。</p

50、><p>　　3-2線性非時變信道模型</p><p><b>　?。?.3-1）</b></p><p>　　信道的頻率響應函數為 ，稱|H（f）|為信道的幅頻響應， 稱為信道的相頻響應。</p><p><b>　　1.幅度失真</b></p><p>　　當信道的幅頻響應不

51、是常數時，則輸人信號經過信道后，輸人信號巾的不同頻率分量的衰減不同，信道輸出信號與輸人信號之間有幅度失。</p><p><b>　　2.相位失真</b></p><p>　　當信道的相頻響應抓不是經過原點的直線，即 時，輸人信號經過信道后，不同頻率分量經過信道的時延不同，信道輸出信號產生相位失真，稱為信道的時延特性。 當信道的時延特陣不是常數，但滿足在 ，輸入的窄

52、帶已調信號經過信道后，不同頻率分量經過信道的時延不同，輸出信號產生相位失真，引起信號波形失真，但信號的包絡不失真。稱為信道的群時延。</p><p>　　3.3.2恒參信道特性及對傳輸信號的影響</p><p>　　恒參信道對信號傳輸的影響是確定的或者是變化極其緩慢的。因此，其傳輸特性可以等效為一個線性時不變網絡。 只要知道網絡的傳輸特性，就可以采用信號分析方法，分析信號及其網絡特性。&l

53、t;/p><p>　　線性網絡的傳輸特性可以用幅度頻率特性和相位頻率特性來表征。 現在我們首先討論理想情況下的恒參信道特性。</p><p>　　1. 理想恒參信道特性</p><p>　　理想恒參信道就是理想的無失真?zhèn)鬏斝诺溃?其等效的線性網絡傳輸特為 （3.3-2） </p><p>　　其中 為傳輸系數， 為時間

54、延遲，它們都是與頻率無關的常數。根據信道的等效傳輸函數，可以得到幅頻特性為 |H(ω)|= ， 相頻特性為 。</p><p>　　信道的相頻特性通常還采用群遲延-頻率特性來衡量，所謂的群遲延-頻率特性就是相位-頻率特性的導數， 則群遲延-頻率特性可以表示為 ，理想信道的幅頻特性、 相頻特性和群遲延特性曲線如圖 3-11所示。理想恒參信道的沖激響應為 h(t)= δ(t-td)若輸入信號為s(t)，則理想恒參信道

55、的輸出為r(t)= s(t-td) 。由此可見， 理想恒參信道對信號傳輸的影響是：(1) 對信號在幅度上產生固定的衰減；</p><p>　　(2) 對信號在時間上產生固定的遲延。這種情況也稱信號是無失真?zhèn)鬏敗?lt;/p><p>　　(3)由理想的恒參信道特性可知，在整個頻率范圍，其幅頻特性為常數(或在信號頻帶范圍之內為常數)，其相頻特性為ω的線性函數(或在信號頻帶范圍之內為ω的線性函數)。

56、在實際中，如果信道傳輸特性偏離了理想信道特性，就會產生失真(或稱為畸變)。如果信道的幅度-頻率特性在信號頻帶范圍之內不是常數，則會使信號產生幅度-頻率失真；如果信道的相位-頻率特性在信號頻帶范圍之內不是ω的線性函數，則會使信號產生相位-頻率失真。</p><p>　　2. 幅度-頻率失真</p><p>　　幅度-頻率失真是由實際信道的幅度頻率特性的不理想所引起的， 這種失真又稱為頻率失真

57、，屬于線性失真。圖 3 - 3(a)所示是典型音頻電話信道的幅度衰減特性。由圖可見， 衰減特性在 300~3000 Hz頻率范圍內比較平坦；300 Hz以下和 3000Hz以上衰耗增加很快，這種衰減特性正好適應人類話音信號傳輸。 CCITT M.1020建議規(guī)定的衰減特性如圖 3-3(b)所示。 </p><p><b>　　圖3-3</b></p><p>　　信

58、道的幅度-頻率特性不理想會使通過它的信號波形產生失真， 若在這種信道中傳輸數字信號，則會引起相鄰數字信號波形之間在時間上的相互重疊，造成碼間干擾。</p><p>　　3. 相位-頻率失真</p><p>　　當信道的相位-頻率特性偏離線性關系時，將會使通過信道的信號產生相位-頻率失真，相位-頻率失真也是屬于線性失真。圖 3- 4給出了一個典型的電話信道的相頻特性和群遲延頻率特性。可以看出

59、，相頻特性和群遲延頻率特性都偏離了理想特性的要求，因此會使信號產生嚴重的相頻失真或群遲延失真。在話音傳輸中，由于人耳對相頻失真不太敏感，因此相頻失真對模擬話音傳輸影響不明顯。</p><p>　　如果傳輸數字信號，相頻失真同樣會引起碼間干擾，特別當傳輸速率較高時，相頻失真會引起嚴重的碼間干擾，使誤碼率性能降低。由于相頻失真也是線性失真，因此同樣可以采用均衡器對相頻特性進行補償，改善信道傳輸條件。</p>

60、;<p><b>　　圖3-4</b></p><p>　　3.4 多徑時變信道模型</p><p>　　3.4.1多徑信道的相關概念</p><p>　　信道時變是指信道參數隨時間變化，它對信號傳輸的影響是使輸人信號的頻率彌散。若輸人信號為單頻信號，經過時變信道后的輸出不再是單頻信號，而是一個窄帶的信號，帶寬大小視時變因素的快慢

61、而定。引起信道參數時變的因素有周圍反射體的移動、接收機的移動、傳輸媒介的隨時間變化等，時變的快慢由多普勒頻移等參數來描述。信道時變造成接收信號的強度隨時問變化的現象，稱為衰落。</p><p>　　多徑信道指信號傳輸的路徑不止一條，接收端同叫收到來自多條傳輸路徑的信號.這些信號可能同相相加或反向相消。由于各徑時延差不同、每徑信號的衰減不同，因此數字信號經過多徑信道后有碼間干擾。通常情況下，如果信號的碼元間隔遠大于

62、多徑間的最大時延差，此時信號經過多徑后不會產牛嚴重的碼間十擾;相反，如果信號碼元間隔與多徑間的時延差可比，則信號經過多徑傳輸后會產生嚴重的碼間1擾，此時接收端需要考慮采用均衡和其他消除碼間干擾的方法才能正確接收信號。信號經過多徑時變信道，會產生碼間干擾和衰落，其中衰落快慢取決于信道隨時間變化的快慢，碼間十擾的嚴重程度取決于碼元間隔與多徑間的時延差的相對關系。通常，當信息速率遠大于信道的衰落速度時，信號經歷慢衰落當信息速率與信道衰落速度可

63、比時，信號經歷快衰落當碼元間隔遠大于多徑間的最大時延差時，由多徑造成的碼間串擾對信號接收影響不嚴重;當多徑間的時延差與信號碼元間隔可比時多徑造成的碼間干擾就不可忽視。</p><p>　　實際信道經常是多徑且時變的，如移動通信信道、短波信道等，信號經過多徑時變信道后的輸出通常是時變的有碼間干擾的信號解決這類信道接收的一種方法是采用自話應均衡器消除時變的碼間干擾。</p><p>　　3.4

64、.2隨參信道特性及其對信號傳輸的影響</p><p>　　由上面分析的陸地移動信道和短波電離層反射信道這兩種典型隨參信道特性知道，隨參信道的傳輸媒質具有以下三個特點：(1) 對信號的衰耗隨時間隨機變化；(2) 信號傳輸的時延隨時間隨機變化；(3) 多徑傳播。</p><p>　　在存在多徑傳播的隨參信道中，就每條路徑的信號而言，它的衰耗和時延都是隨機變化的。因此，多徑傳播后的接收信號將是衰

65、減和時延都將隨時間變化的各路徑的合成。</p><p>　　設發(fā)射波為Acosω0 t，則經過n條路徑傳播后的接收信號R(t)可用下式表述：</p><p><b>　?。?.3-3）</b></p><p>　　式中μi(t)－－第i條路徑的接收信號的振幅；τi(t)－－第i條路徑的傳輸延遲，它隨時間不同而變化 </p><

66、;p>　　經大量觀察表明μi(t)和φi(t)隨時間的變化與發(fā)射載頻的周期相比，通常要緩慢的多，即μi(t)和φi(t)可認為是緩慢變化的隨機過程。因此，式（3.3-3）可改寫成</p><p><b>　?。?.3-4）</b></p><p>　　設則式（3.3-4）變?yōu)?（3.3-5）</p><p>　　式中V(t)－－合成

67、波R(t)的包絡；φ(t)－－合成波R(t)的相位。</p><p><b>　　則有</b></p><p>　　信號的包絡服從瑞利分布率的衰落，通常稱為瑞利型衰落。設瑞利型衰落信號的包絡值記為V，則隨機變量V的一維概率密度函數F(V）可表示成</p><p><b>　?。?.3-6）</b></p>&

68、lt;p>　　當發(fā)送信號是具有一定頻帶寬度的信號時， 多徑傳播除了會使信號產生瑞利型衰落之外，還會產生頻率選擇性衰落。頻率選擇性衰落是多徑傳播的又一重要特征。為了分析方便，我們假設多徑傳播的路徑只有兩條，信道模型如圖 3-5所示。</p><p>　　現在我們來求模型的傳輸特性。設f(t)的頻率密度函數為F(ω)，即有 f(t)?F(ω)</p>&

69、lt;p>　　圖 3-5 兩條路徑信道模型</p><p>　　于是，當兩徑傳播式，模型的傳播特性為H(ω)為</p><p><b>　?。?.3-7）</b></p><p>　　后一個網絡的模特性（幅度－頻率特性）為</p><p><b>　　（3.3-8）</b></p&

70、gt;<p>　　圖3－6(a)表示了上述關系。</p><p>　　另外，相對時延差τ(t)通常是時變參量，故傳輸特性中零點、極點在頻率軸上的位置也隨時間隨機變化，這使傳輸特性變得更復雜，其特性如圖 3- 6(b)所示。</p><p><b>　　圖3-6</b></p><p>　　對于一般的多徑傳播，信道的傳輸特性將比兩條

71、路徑信道傳輸特性復雜得多，但同樣存在頻率選擇性衰落現象。多徑傳播時的相對時延差通常用最大多徑時延差來表征。設信道最大多徑時延差為τm，則定義多徑傳播信道的相關帶寬為</p><p><b>　?。?.3-9）</b></p><p>　　下面先考察單頻信號經過多徑時變信道時的輸出情況，給出多徑時變信道對信號傳輸的影響的初步理解然后通過數字信號經過多徑信道后碼間十擾的例

72、子說明多徑對信號傳輸的影響。</p><p>　　1.單頻信號經過多徑時變信道</p><p>　　設發(fā)送信號為單頻信號 ,.經過n條路徑傳播后的接收信號為：</p><p><b>　?。?.3-10）</b></p><p>　　其中是第i徑的幅度、相位，隨時間變化而隨機變化。從大量的觀察結果看 的變化相對發(fā)射載頻而

73、言，通常要緩慢的多，即是緩慢變化的隨機過程。 （3.3-11）</p><p>　　令 </p><p>　　則 （3.3-12）</p><p>　　由中心極限定理，當N很大時，是高斯分布，因此，r（t）是一個窄帶高斯過程。它的幅度服從瑞利分布，相位服從均勻分布，因此

74、，可以將單頻信號經過多徑信道時等效成圖3-7所示的等效基帶模型。</p><p>　　3-7不可分時變多徑信道模型</p><p>　　從式(3-7)可以看到.接收信號山一個單頻信號變成一個窄帶隨機過程，大量多徑時變信號疊加的效果使接收信號包絡隨時間隨機起伏.即接收信號隨機性衰落。當二v(t)是瑞利分布時常稱該傳輸信道為瑞利衰落信道，這里衰落是指接收信號的大小隨時間變化的現象。信道時變的參

75、數通常可用多普勒頻移 來描述，信道參數, 的時變特性可以由Jakes、Clarke等模刑來模擬。</p><p>　　第四章 連續(xù)信道建模仿真</p><p>　　本章利用MATLAB軟件編寫程序，利用MATLAB軟件得到信號通過幅頻失真信道、相頻失真信道與多徑信道之后的輸出波形與頻譜。</p><p>　　4.1MATLAB介紹</p><p

76、>　　MATLAB是矩陣實驗室（Matrix Laboratory）的簡稱，是美國Math Works公司出品的商業(yè)數學軟件，用于算法開發(fā)、數據可視化、數據分析以及數值計算的高級技術計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。</p><p>　　20世紀70年代，美國新墨西哥大學計算機科學系主任Cleve Moler為了減輕學生編程的負擔，用FORTRAN編寫的最早的MATLAB

77、。1984年由Math Works公司正式推向市場。到20世紀90年代，MATLAB已經成為國際控制界的標準計算軟件。時至今日，經過Math Works公司的不斷完善，MATLAB已經發(fā)展成為適合多種學科、多種工作平臺的功能強勁的大型軟件。[10]</p><p>　　MATLAB將數值分析、矩陣計算、科學數據可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學研究、工程設計以

78、及必須進行有效數值計算的眾多科學領域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設計語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平?！?</p><p>　　MATLAB和Mathematica、Maple并稱為三大數學軟件。它在數學類科技應用軟件中在數值計算方面首屈一指。MATLAB可以進行矩陣運算、繪制函數和數據、實現算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等

79、，主要應用于工程計算、控制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析等領域。 </p><p>　　MATLAB語言是一種高級的基于矩陣/數組的語言，其最突出的特點就是簡潔，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，給用戶帶來最直觀、最簡潔的程序開發(fā)環(huán)境。以下簡單介紹一下MATLAB的主要特

80、點。</p><p>　　語言簡潔緊湊，使用靈活方便，庫函數極其豐富。MATLAB程序書寫形式自由，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。</p><p>　　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。</p><p>　　MATLA

81、B既具有結構化的控制語句（如for循環(huán)、while循環(huán)、break語句和if語句），又有面向對象編程的特性。</p><p>　　語法限制不嚴格，程序設計自由度大。</p><p>　　程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在各種型號的計算機和操作系統(tǒng)上運行。</p><p>　　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。&

82、lt;/p><p>　　MATLAB的缺點是，他和其他高級程序相比，程序的執(zhí)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(zhí)行文件，程序為解釋執(zhí)行，所以速度較慢。</p><p>　　功能強勁的工具箱是MATLAB的另一重大特色。MATLAB包含兩個部分：核心部分和各種可選工具箱。</p><p>　　源程序的開放性，也是MATLAB最受人歡迎的特點。除

83、內部函數以外，所有MATLAB的核心文件和工具箱文件都是可讀可改的源文件。</p><p>　　4.2線性非時變信道建模仿真</p><p>　　信道響應函數為 ,輸入信號為，其中， ，用MATLAB畫出如下情況時的信道輸出信號。</p><p>　?。?） （無失真信道）</p><p>　?。?） （幅度失真信道）</p>

84、<p>　?。?）（相位失真信道）</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　編寫主程序，在MATLAB窗口中生成m文件，運行程序得到數字信號經過不同失真信道時的輸出信號畸變情況，如圖4-1所示。</p><p>　　4-1 NRZ信號經過不同失真信道后的輸出</p><p>　　圖中左

85、邊是信道的幅頻特性和相頻特性，其中相頻特性的縱軸一π為單位。可以看到，數字信號無論經過幅頻失真還是相頻失真的信道時，對信號接收都有影響。幅頻失真影響信號中不同頻率分量的接收幅度，造成接收信號幅度的畸變；相頻失真影響信號中不同頻率分量經過信道時的時延，在數字信號中這種失真會嚴重影響數字信號的接收，造成接收信號的畸變。</p><p>　　4.3 多徑信道模型仿真</p><p>　　4.3

86、.1單頻信號經過多徑時變信道</p><p>　　以下示意了一個幅度為1、頻率為10HZ的單頻信號經過20條路徑傳輸得到的波形及其頻譜，這20條路徑的衰減相同，但時延的大小是隨時間變化的，每徑時延的變化規(guī)律為正弦型，變化的頻率從0~2Hz隨機均勻抽取。</p><p>　　編寫主程序，在MATLAB窗口中生成m文件，運行程序得到數字信號經過不同路徑的波形圖，如圖4-2所示。</p&g

87、t;<p>　　4-2 時變多徑信道輸出信號頻譜</p><p>　　從圖中可以看到，單頻信號經過20徑時變信道后，輸出信號的包絡隨時間隨機起伏，輸出信號的頻譜從沖激譜變成一個窄帶頻譜。</p><p>　　我們可以通過改變程序中的時延變化頻率參數taof來改變衰落的速度，觀察輸出信號的變化。當taof=0.1時，輸出信號額波形圖如圖4-3所示，圖中示意了長時觀察和短時觀察

88、時輸出信號的包絡，（a）圖時間范圍為0~10s，（b）圖時間范圍為0~1000s。由于此時載頻為10Hz，衰落的時變頻率最大為0.1Hz，因此相對于輸入信號而言是慢衰落的情況，可以看到慢衰落情況下，接收信號的包絡起伏緩慢變化，但由于徑數呈現隨機起伏的特點。當改變多徑數為2，且時延變化頻率參數taof=100時，此時相對于快衰落情況，接收包絡快速起伏，但由于徑數不多，接收信號包絡起伏具有明顯的周期性，見下圖4-4。</p>

89、<p><b>　　（a）短時觀察</b></p><p><b>　?。╞）長時觀察</b></p><p>　　圖4-3 20徑慢衰落信道下的輸出信號（taof=0.1）</p><p>　　圖4-4 2徑快衰落信道時輸入、輸出信號對比（taof=100）</p><p>　　

90、4.3.2數字信號經過多徑非時變信道</p><p>　　設三徑信道=0.5， =0.707， =0.5， =0，=1s，=2s。</p><p>　?。?）用MATLAB畫出信道的幅頻響應特性和相頻響應特性；</p><p>　?。?）設信道輸入信號為 ，其中 ，=1，畫出輸出信號波形；</p><p>　?。?）同（2）相同形式的輸入信

91、號，但 =8，畫出輸出信號波形。</p><p>　　編寫主程序，在MATLAB窗口中生成m文件，運行程序得到數字信號經過不同碼元間隔的波形圖，圖4-5是=1，L=3時單極性NRZ信號經過三徑信號的輸出與幅度譜示意圖，圖4-6是=8，L=3時單極性NRZ信號經過三徑信道后的輸出與幅度譜示意圖，</p><p>　　圖4-5 單極性NRZ信號（ =1）經過三徑信道后的輸出與幅度譜示圖<

92、;/p><p>　　圖4-6 單極性NRZ信號（=8）經過三徑信道后的輸出與幅度譜示意圖</p><p>　　圖4-7 三徑信道的頻率選擇性</p><p>　　如圖4-5、圖4-6、圖4-7所示，由于多徑，信道幅頻特性不為常數，對某些頻率產生較大的衰減，對某些頻率的衰減小，即信道具有頻率選擇性。當輸入信號的帶寬遠小于信道帶寬時（第一個零點帶寬），則信道對輸入信號的

93、所有頻率分量的衰減幾乎相同，這種情況下，信號經歷平坦性衰減，如圖4-6所示。當輸入信號的帶寬與信道帶寬可比時，此時信號各頻率分量經過信道的衰減不同，即信號經過了頻率選擇性的衰減，如圖4-5所示。通?？捎眯诺赖臅r延擴展 來表示信道的多徑擴展情況，多徑時延擴展的倒數稱為信道的相干帶寬，設輸入信號的碼元間隔為 ，當B 》1時，信號的衰減是平坦的；反之，信號的衰減是頻率選擇性的（需要強調：多徑非時變信道時恒參信道，在輸出端不存在衰落現象）。&l

94、t;/p><p><b>　　第五章 結束語</b></p><p>　　本文主要介紹了連續(xù)信道的數學模型及其仿真，首先從信道開始，信道是通信系統(tǒng)的重要組成部分，有著巨大的作用，然后逐一介紹連續(xù)信道的相關內容，主要包括AWGN信道，線性非時變信道，多徑信道等。然后再次逐個進行講解討論，通過MATLAB仿真，對連續(xù)信道的模型有了更加清楚地了解和認識。</p>

95、<p>　　本次畢業(yè)設計課題內容涉及的AWGN，恒參信道，隨參信道等都是通信原理專業(yè)課的基礎知識，要想對其進行進一步深入的模擬仿真，就不僅僅局限于課本上的簡單介紹的理論知識了。經過一系列前期準備，在搜集了更多相關知識之后，結合所學利用MATLAB軟件編程仿真得到仿真圖。仿真的過程大致上分為設計仿真思路、編程調試、得到仿真結果并分析三大步。在實際的仿真過程當中，第一次得到的結果往往與理論值有很大的誤差，經過多次更改程序可以縮小

96、誤差使得仿真結果更貼近理論值。</p><p>　　本次畢業(yè)設計讓我收獲頗多，不僅加深了對連續(xù)信道模型相關知識的理解，鞏固了自己的專業(yè)知識，還鍛煉了綜合運用所學的知識來解決面臨的實際問題的能力；同時也反映出自己在專業(yè)知識的儲備方面還十分的欠缺。希望經過這次設計，自己能夠取長補短，為以后的學習和工作積累寶貴的經驗。</p><p><b>　　參考文獻</b></

97、p><p>　　[1] A. Goldsmith, Wirele communications, 1th ed. England: Cambridge University Pre , 2005.；</p><p>　　[2] 樊昌信、曹麗娜，通信原理（第6版），國防工業(yè)出版社，2009年1月；</p><p>　　[3] 郭文彬、桑林，通信原理－基于MATLA

98、B的計算機仿真，北京郵電大學出版社，2006年6月；</p><p>　　[4] William H. Tranter等著，肖明波、楊光松等譯，通信系統(tǒng)仿真原理與無線應用，機械工業(yè)出版社，2005年6月。</p><p>　　[5] 鄧華.MATLAB通信仿真及應用實例詳解.北京：人民郵電出版社，2003.9:294~318</p><p>　　[6] And

99、rea Goldsmith、Stanford University. WIRELESS COMMUNICATIONS. Cambridge University Press.2005</p><p>　　[7] D.Divsalar, M.K.Simon. Multiple-Symbol Differential Detection of MPSK[J].IEEETransactions on Communic

100、ations.1990:300～308.</p><p>　　[8] 曹志剛、錢亞生.現代通信原理.北京：清華大學出版社，1992</p><p>　　[9] 求是科技.MATLAB 7.0從入門到精通.人民郵電出版社.2006</p><p>　　[10] 郭文斌、桑林《通信原理：基于MATLAB的計算機仿真》，北京郵電大學出版社，2006.6。</p

101、><p>　　[11] 約翰.G.普羅克斯、馬蘇德.薩勒赫.現代通信系統(tǒng)——使用MATLAB.劉樹棠譯.西安：西安交通大學出版社，2001.11:268~278</p><p>　　[12] 陳懷琛、吳大正、高西全.MATLAB及在電子信息課程中的應用.3版.北京：電子工業(yè)出版社，2006.3</p><p><b>　　致 謝</b><

102、;/p><p>　　本研究以及學位論文是在**老師的悉心指導下完成的，從選題、前期準備、研究到論文的構思、寫作和修改，無不凝結了老師的心血。在論文完成之際，首先衷心感謝*老師對我的深切關懷和諄諄教導。*老師淵博的學識、嚴謹的治學態(tài)度、謙和的為人、忘我的科研精神深深地感染了我，使我在學術品質與治學態(tài)度上受益匪淺，在此謹向*老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。 </p><p>　　最后衷心感謝電氣學

103、院的所有給予我指導和幫助的領導、老師和同學，衷心的感謝你們！</p><p><b>　　附 錄</b></p><p><b>　　主程序：</b></p><p><b>　　%信道失真示意</b></p><p>　　clear all;</p><

104、p>　　close all;</p><p><b>　　Ts=1;</b></p><p>　　N_sample = 8; %每個碼元的抽樣點數</p><p>　　dt = Ts/N_sample; %抽樣時間間隔</p><p>　　N = 1000; %碼元數</p><p>　　t

105、 = 0:dt:(N*N_sample-1)*dt;</p><p>　　gt1 = ones(1,N_sample); %NRZ非歸零波形</p><p>　　gt2 = ones(1,N_sample/2); %RZ歸零波形</p><p>　　gt2 = [gt2 zeros(1,N_sample/2)];</p><p>　　mt3

106、= sinc((t-5)/Ts); % sin(pi*t/Ts)/(pi*t/Ts)波形，截段取10個碼元</p><p>　　gt3 = mt3(1:10*N_sample);</p><p>　　d = ( sign( randn(1,N) ) +1 )/2;</p><p>　　data = sigexpand(d,N_sample); %對序列間隔插入N_s

107、ample-1個0</p><p>　　st1 = conv(data,gt1);</p><p>　　st2 = conv(data,gt2);</p><p>　　d = 2*d-1; %變成雙極性序列</p><p>　　data= sigexpand(d,N_sample);</p><p>　　st3 = c

108、onv(data,gt3);</p><p><b>　　xt = st1;</b></p><p><b>　　%無失真信道</b></p><p>　　[f,xf] = T2F(t,xt);</p><p>　　hf1 = exp(-j*pi*f);</p><p>　　

109、yf1 = xf.*hf1;</p><p>　　[t1,yt1] = F2T(f,yf1);</p><p><b>　　%幅頻失真信道</b></p><p>　　hf2 = sinc(f).*exp(-j*pi*f);</p><p>　　yf2 = xf.*hf2;</p><p>　　[

110、t2,yt2] = F2T(f,yf2);</p><p>　　%相頻失真、群時延無失真信道</p><p>　　%hf3 = exp(j*pi*f+j*0.1*pi);</p><p>　　f1 = find(f<0);</p><p>　　hf3 = exp( -j*pi*f+j*pi );</p><p>

111、　　hf3(f1) = exp( -j*pi*f(f1)-j*pi );</p><p>　　yf3 = xf.*hf3;</p><p>　　[t3,yt3]=F2T(f,yf3);</p><p>　　%相頻、群時延失真信道</p><p>　　hf4 = exp(-j*pi*f.*f-j*pi*f+j*pi);</p>&

112、lt;p>　　yf4 = xf.*hf4;</p><p>　　[t4,yt4]=F2T(f,yf4);</p><p><b>　　figure(1)</b></p><p>　　subplot(221)</p><p>　　plotyy(f,abs(hf1),f,angle(hf1)/pi);ylabel(&#

113、39;幅頻、相頻特性');</p><p>　　title('線性無失真信道');grid on;</p><p>　　subplot(222)</p><p>　　plot(t1,real(yt1) );title('經過信道后的輸出信號');</p><p>　　axis([0,20,-1.2 1.