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1、通信系统仿真 第六讲通信信道建模与仿真,通信信道是指发射机与接收机之间的物理介质，包括有线信道和无线信道。有线信道主要包括双绞线、同轴电缆、光纤等。所有实际信道都会引入某些失真、噪声和干扰，需要通过调制、编码和均衡等技术来抵消或部分抵消信道的失真和干扰。因此，在通信系统设计的初始阶段，建立合理的信道模型并进行仿真是必需的。,有线信道建模与仿真,有线信道模型相对简单，往往是非时变和线性的，可基于物理原理分析推导出解析模型。双绞线信道：RLC电路模型建模，也可转换为传递函数模型。同轴电缆信道：电缆制造商提供电缆传输线路模型的阻抗特性，从这些数据中可推导出传递函数模型。,光纤信道,光脉冲沿光纤传播，
2、会逐渐产生损耗和失真。失真主要是色散引起的。光纤色散有四种：多模色散、结构色散（或波导色散）、材料色散和偏振色散。单模光纤没有多模色散，材料色散和波导色散是主要的，制造良好的单模光纤，偏振色散较小，在四项色散中最小。多模光纤的多模色散和材料色散是主要的。损耗主要是光能量的吸收损耗、散射损耗及辐射损耗。吸收损耗和散射损耗是光纤材料固有的，其中，散射损耗与光纤材料及光波导中的结构缺陷、非线性效应有关。辐射损耗则是与光纤几何形状的扰动相联系。,光纤基带传输函数近似表示为：,式中，S()为光源的频谱，是波长的函数；L()为光纤损耗，也是波长的函数；,()为单位长度群时延，l为光纤长度；,为多模色散传输
3、函数，为均方根脉冲展宽，td为光纤时延。,对于单模光纤，没有多模色散效应，则有：,广泛用于光纤通信系统的半导体光源有两种：发光二极管(LED)和激光二极管(LD)。半导体激光包络和LED光谱一般建模为归一化的高斯函数：,式中，s为光谱宽度的均方根值，s为光源的中心波长。,光纤损耗一般建模为：,()为光纤损耗因子，单位为dBm/km,l为用km表示的光纤长度。,色散系数d()为群时延的导数：,石英玻璃光纤色散和群时延可近似表示为：,光放大器噪声模型,无论在海缆还是在陆缆系统中，光放大器都是重要器件，一般每隔一段光纤，都会放置一个光放大器。光放大器在放大信号的同时会把自发发射噪声叠加到光信号上，使
4、被放大光信号的信噪比下降。信号在被放大的同时，这种自发发射光也与信号一起被放大，称为放大的自发发射(ASE)，其频带很宽，可占据整个增益带宽。,ASE噪声的理论模型主要有三种：非对称的chi-square统计模型非对称的高斯模型对称高斯模型,无线信道建模与仿真,移动无线信道是时变和衰落信道，很难精确地进行描述。例如，对于公共无线通信系统，可能会涉及从城市到丘陵各种地形环境，以及各种气候条件。两种方法建模：建立原型系统，并进行野外测试，这种方式非常昂贵，不适合系统设计初期，只适用于运营商在进行建网和参数调整阶段。结合经验模型与物理原理分析建模。,无线信道传播特性,无线电波在自由空间传播时，信道只
5、是简单的衰减信号，不会发生波形失真。现实环境中，无线电波传播的空间环境复杂得多，从简单的视距传输，到各种复杂的地物，如建筑物、山脉和树叶、以及电离层和对流层等。无线电波传播具有很强的随机性，影响的因素主要包括：信号的频率和带宽，移动台的运动速度、天线类型与特性，发射天线与接收天线之间的地形环境（乡村、城市、室内、室外等），以及气候条件（纯净空气、雨、雾灯）。,电磁波传输方式：反射绕射散射大多数蜂窝移动通信系统运营在城市，发射机与接收机之间一般没有直射路径，高层建筑导致严重的绕射损耗。不同物体的多路径反射，经过不同路径传送的信号会有不同的衰减和延时，这些多径成分被接收机向量合并。,两种衰落：路径
6、的长度或几何形状因传输媒质的改变或天线的相对移动而发生了 变化，信号可能会产生很大的波动，这称为小尺度衰落或多径衰落。发射机与接收机之间距离不断增加而引起的电磁波强度衰减，称为阴影衰落或大尺度衰落。阴影衰落是平均信号功率的一种衰减，很容易由发射端和接收端之间突出的地表状态（山脉、建筑物）而引发。可以从路径损耗和平均值的统计变化来描述阴影衰落。由于阴影衰落很慢，因此可以看成静态的。,小尺度衰落,移动台在极小范围内（与波长相当）移动时，可能会引起瞬时场强的快速波动。小尺度衰落效应是由无线信道的多径产生的，入射波具有不同的传播时延，具有随机分布的幅度、相位和入射角度，这些多径成分被接收机向量合并，从
7、而使接收信号产生衰落失真。多径分为视距路径和非视距路径。视距路径是指接收机与发射机之间的直线路径。非视距路径是指经过反射到达的路径。,多径衰落分为两类：多径信号的路径较少，数量有限，这样信道模型只有有限条路径，称为离散多径信道。（农村的小山、房屋及建筑物的反射产生）多径信号的路径由大量不可分解的反射产生，这种信号由一系列连续的密不可分的多径部分组成，信道模型称为弥散多径信道。（主要发生在山区或人口稠密的城市）实际测量的信道可能既包含离散部分又包含弥散部分，但在具体建模时需要将其离散部分与弥散部分分开。,多径衰落引起的效应：时间选择性衰落。信道冲激响应随观察时间的不同而产生变化，与信号经历的多普
8、勒频移有关，是由于移动台在散射环境中的运动而产生的。频率选择性衰落。信道冲激响应随输入频率的不同而产生变化，与信号经历的时延有关，是由于散射体位置不同而导致路径长度不同而造成的。,多径衰落信道的冲激响应模型,多径信道可建模为一个具有时变冲激响应特性的线性滤波器。假设s(t)为实带通窄带发射信号，则经过多径信道，接收机的输出信号为（不考虑天线效应与大尺度衰落）：,式中，n(t)为第n条多径信号接收的衰减系数，n(t)为相应的传播时延。,将s(t)表示为复包络形式：,则接收机输出的复包络可表示为：,则接收机输出可表示为：,假设多径信道为有限带宽，则可以用一个时变复低通等效冲激响应来描述多径信道：,
9、复低通等效模型滤除了载波带来的高频成分，使信号易于处理和分析。,如果设N(t)为多径分量的个数，每个多径分量经历的不同多径环境决定了第n条多径分量的幅值n(t)、载波相移n(t)、时延n(t)这些参数一般是时变的。信道冲激响应可表示为：,如果接收方采用了阵列天线，则需要考虑多径分量的入射方向，此时，信道冲激响应可表示为向量形式：,式中，a(n)为导引向量，是阵列几何结构和接收信号入射角度的函数：,式中，为相位传播因子，n为入射信号的入射仰角，n为入射信号的入射方位角，(xm,ym,zm)为阵列天线的位置坐标，其中参考天线位于坐标原点。,多径衰落信道包络的统计特性,研究表明，如果接收信号是各路径
10、的大量散射分量之和，根据中心极限定理，c(n(t),t)表示为时间t的复高斯过程，即在任意时刻t，其实部和虚部的概率密度函数服从高斯分布。若c(n(t),t)均值为零，则包络|c(n(t),t)|具有瑞利分布概率密度函数。若c(n(t),t)均值不为零，意味着存在一个大的反射视距分量，信号在瑞利衰落多径上叠加了一个主要的静态信号分量，则包络|c(n(t),t)|具有莱斯分布概率密度函数。虽然概率函数描述了冲激响应瞬时值的分布，但瞬时的变化只能通过恰当的自相关函数或以t为变量的功率谱密度随机过程来建模.,多径信道的WSSUS模型,信道c(n(t),t)的时变特性在数学上可看做以t为变量的广义静态
11、(WSS)随机过程，其自相关函数为：,在大多数多径信道中，可假定衰减与相移是不相关的，这就是非相关散射(US)假设，则有：,上式包含了WSS和US两种假设，称为衰落信道的WSSUS模型。,WSSUS模型信道包络的自相关函数可由下式表示：,以t为变量对自相关函数做傅里叶变换：,上式称为散射函数，是以下两个变量的函数：(延时)和频域变量v(多普勒频移)。,延时功率分布：表示接收信号平均功率，是延时的函数，与散射函数的关系如下：,多普勒功率谱定义如下：,Jakes经典功率谱是常用的一种多普勒功率谱，如下式所示，式中fm为最大多普勒频移，等于v/(v是移动速度，是信号波长)：(多普勒扩展的频谱形状决定
12、了时域衰落波形),空间频率相关函数定义如下：,它表示频率分别为f1和f2的窄带信号响应之间的相关性。相关带宽f0定义为所有频率分量的幅度是相关的频率范围。相关带宽f0是最大延时扩展的倒数：,最大延时扩展Tm是指多径能量从初值衰落至低于接收功率门限以下时的时延。另一个更有用的用来描述时延扩展的物理量是均方值延时扩展：,带有均衡接收的系统仿真已经证明，如果均方根延时扩展相同，即使延时功率分布存在很大差异，其比特误码率性能实际上也是相同的。因此，在仿真或开发研究中，一般采用简单分布，如均匀分布或指数分布来描述延时功率分布，且延时功率分布常归一化，使归一化后的总功率为1。根据Tm与码元时间Tc之间的关
13、系，或者f0与信号带宽B之间的关系，可将多径衰落信道分为两类：如果TmTc或f0B，则信道为平坦衰落，此时，码间干扰非常小，但信噪比却降低了。提高信噪比的措施为功率控制或分集。在平坦衰落情况下，发送信号的频谱特性在接收机内仍能保持不变，但强度会随时间变化。,空时相关函数定义为：,表示信道对t1和t2时发送的窄带信号的响应的相关性，t=t1-t2，相干时间T0是两个信号保持相关的持续时间，T0与最大多普勒频移fm具有以下关系：,根据T0与码元周期Tc的关系，可将信道分为快衰落信道和慢衰落信道。如果T0Tc，则信道相干时间比发送的码元持续时间长，称为慢衰落信道。因此可假设在一个或若干个符号周期内，
14、信道均为静态信道。,无线信道仿真模型,自由空间的电波传播模型：用来预测接收机和发射机之间为完全无阻挡的视距路径时的接收信号场强。卫星通信系统和微波视距无线链路是典型的自由空间传播。大尺度衰落模型：经大量测试统计并结合理论而建立起来的经验模型。经验模型依赖于测试数据的曲线解析式拟合。至今为止，已提出多种经典的预测大尺度覆盖的传播模型。在实际预测中，一般都以路径损耗模型为预测模型，结合大量的预测数据，利用计算机进行辅助分析，从而确定出针对当地传播环境的各变量的取值及相关的修正系数。,典型的传播模型：对数距离路径损耗模型对数正态阴影分布Hata模型Hata模型扩展,Clarke信道模型：用于描述小尺
15、度衰落的一种平坦衰落信道模型，即瑞利衰落信道。,无线通信信道仿真实现,根据无线信道的传输特性，无线信道的仿真应考虑一下信道特征参数：最大传输范围总体路径损耗多径延时扩展快衰落统计量慢衰落统计量最大多普勒频移多径角度扩展在实际仿真中，要综合考虑信道环境、通信系统技术和复杂度要求。在很多情况下，一般假定是慢衰落信道。,加性高斯白噪声信道平坦衰落信道仿真：仿真平坦衰落信道实际上就是产生一个复高斯随机过程。Jake仿真器是比较经典的一种平坦衰落信道。通过产生具有给定相关特性(即功率谱密度分布)的高斯随机过程来仿真平坦衰落信道特性。离散多径衰落信道：该信道由多个具有不同时延的平坦衰落信道组成，结构一般是
16、多抽头延时线模型。,MATLAB中 的无线信道仿真函数,在MATLAB的Simulink中，通信子库中有一个多径瑞利衰落信道模块(Multipath Rayleigh Fading Channel Block)和多径莱斯衰落信道模块(Multipath Rician Fading Channel Block)，可完成多径瑞利和莱斯衰落传输信道的基带仿真。MATLAB7.0以上版本提供了多径信道仿真函数Rayleighchan和Ricianchan。,%File_C7:ExamRayCh%本程序将一随机信号通过瑞利信道，产生输出%clearclcTs=0.02%输入信号的抽样时间Nt=2000;fmax=2;%信息码元周期，必须满足Fmax1/(10*Ts),即满足慢衰落条件 c=rayleighchan(Ts,fmax);%c=rayleighchan(Ts,fmax,tau,pdb)频率选择性信道sig=j*ones(Nt,1);%信号y=filter(c,sig);%信号通过信道plot(20*log10(abs(y)%程序结束,2G与3G移动通信标准中建议的移动离散信道参考模型,GSM信道参考模型：基于COST207信道模型UMST信道参考模型：3GPP TR25.943给出的信道模型是COST259模型的简化和典型实现。,
