通信原理課程設計--連續(xù)信道的仿真

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文檔簡介

1、　　通信原理課程設計報告　　設計題目連續(xù)信道的仿真 　　摘要　　本次課程設計介紹了移動通信信道的基本理論，對移動通信中的衰減信道，如線性非時變信道、多徑時變信道和多徑非時變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

2、號的影響。在此基礎上通過MATLAB仿真軟件使信號經(jīng)幅頻失真信道、相頻失真信道和多徑信道后得到輸出的波形和頻譜。通過MATLAB搭建仿真平臺，對線性非時變信道、多徑時變信道和多徑非時變信道的基本方法進行了研究，就幅頻響應和相頻響應的變化為出發(fā)點，對比輸入與輸出信號波形以分析總結。就幅頻響應而言，是否是常數(shù)，輸入信號經(jīng)過信道后，頻率分量衰減如何變化，輸出信號是否有幅度失真。就信道的相頻響應而言，相頻響應是否是，信號經(jīng)過信道后的時延性如何

3、變化，輸出信號是否產(chǎn)生相位失真。　　課程設計的目的與意義　　理解連續(xù)信道建模仿真的原理及實驗流程　　掌握matlab連續(xù)信道建模仿真編程并理解語句含義　　輸出仿真圖像并分析其幅頻響應的變化　　課程設計的內(nèi)容<

4、;/b>　　（一）、線性非時變信道　　1、線性非時變信道的定義　　發(fā)送信號經(jīng)過一個線性非時變系統(tǒng)　　圖1 線性非時變信道模型　?。?）　　信道的

5、頻率響應函數(shù)為　?。?）　　其中是信道的幅頻響應，是相頻響應。　　當幅頻響應不是常數(shù)時，輸入信號經(jīng)過信道后，不同的頻率分量衰減不同，輸出信號有幅度失真。當信道的相頻響應時，信號經(jīng)過信道后的時延不同，信道輸出信號產(chǎn)生相位失真，稱為信道的

6、時延性。　　2、線性非時變信道的建模仿真　　輸入信號：，其中，。　　經(jīng)過的信道：　?。?）　?。?）；</p&

7、gt;　?。?）當時，，當時，。（相位失真信道）；　　（4） 　　3、MATLAB 程序?qū)崿F(xiàn)：　　%信道失真示意　　clear all;

8、 %清除了所有的變量，包括全局變量　　close all; %關閉所有窗口 　　Ts=1; 　　N_sample = 8; %每個碼元的抽樣點數(shù)　　dt = Ts/N_s

9、ample; %抽樣時間間隔　　N = 1000; %碼元數(shù)　　t = 0:dt:(N*N_sample-1)*dt; 　　gt1 = ones(1,N_sample); %NRZ非歸零波形數(shù)組產(chǎn)生1行8列的權1矩陣<

10、;p>　　d = ( sign( randn(1,N) ) +1 )/2;% 產(chǎn)生一行1000個隨機數(shù) 　　data = sigexpand(d,N_sample); %對序列間隔插入N_sample-1個0　　st1 = conv(data,gt1); %卷積后長度為8000+8-1　　xt =

11、 st1; 　　%無失真信道　　[f,xf] = T2F(t,xt); 傅里葉變換　　hf1 = exp(-j*pi*f); 無失真函數(shù)　　yf1 = xf.*hf1;　　[t1,yt

12、1] = F2T(f,yf1);　　%幅頻失真信道　　hf2 = sinc(f).*exp(-j*pi*f);　　yf2 = xf.*hf2;　　[t2,yt2] = F2T(f,yf2);

13、　%相頻失真、群時延無失真信道　　f1 = find(f<0); 　　hf3 = exp( -j*pi*f+j*pi ); 當f》0時的情況　　hf3(f1) = exp( -j*pi*f(f1)-j*pi ); f《0時的函數(shù)　　yf3 = xf.*hf3

14、;　　[t3,yt3]=F2T(f,yf3); 頻域時域轉(zhuǎn)換　　for iii=1:8007 　　if f(iii)>=0　　uu(iii)=f(iii)-1; 　　else if f(iii)<0<

15、;/p>　　uu(iii)=f(iii)+1; 　　end　　end　　end　　%相頻、群時延失真信道&

16、lt;p>　　hf4 = exp(-j*pi*f.*f-j*pi*f+j*pi);　　yf4 = xf.*hf4;　　[t4,yt4]=F2T(f,yf4);　　figure(1)　　subplot(2,2,1)</p&g

17、t;　　plotyy(f,abs(hf1),f,pi*f);ylabel('幅頻、相頻特性');　　%plot(f,abs(hf1));ylabel('幅頻、相頻特性');　　title('線性無失真信道');grid on;　　subplot

18、(2,2,2)　　%plot(f,angle(hf1)/pi);ylabel('幅頻、相頻特性');　　plot(t1,real(yt1) );title('經(jīng)過信道后的輸出信號');　　axis([0,20,-1.2 1.2]);grid on;<p

19、>　　subplot(223)　　plotyy(f,abs(hf2),f,pi*f);ylabel('幅頻、相頻特性');　　title('幅頻失真信道');grid on; xlabel('f')　　subplot(224)<p

20、>　　plot(t2,real(yt2)); 　　axis([0,20,-1.2 1.2]);grid on;xlabel('t');　　figure(2)　　subplot(221);　　plotyy(f,ab

21、s(hf3),f,uu);ylabel('幅頻、相頻特性');　　title('相頻失真、群時延無失真信道');grid on;　　subplot(222);　　plot(t3,real(yt3));title('經(jīng)過信道后的輸出信號');&

22、lt;p>　　axis([0,20,-1.2 1.2]);grid on;　　subplot(223)　　plotyy(f,abs(hf4),f,pi*(f.^2+f-1));ylabel('幅頻、相頻特性');　　title('相頻失真、群時延失真信道');grid on;

23、xlabel('f');　　subplot(224);　　plot(t4,real(yt4));　　axis([0,20,-1.2 1.2]);grid on;xlabel('t');　　4、仿真結果&

24、lt;/p>　　5、仿真結果的分析　　數(shù)字信號無論經(jīng)過幅頻失真還是相頻失真信道，都會對信號的接收產(chǎn)生影響。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(jīng)過信道時的時延，造成接收信號的畸變。　?。ǘ晤l信號經(jīng)過多徑時變信道</p&

25、gt;　　1、多徑時變信道的定義　　發(fā)送單頻信號　?。?）　　經(jīng)過多徑信道，設信道數(shù)為n,則接收信號為：　?。?）

26、　　其中，、是第i徑的幅度、相位隨時間變化而隨機變化，從大量的結果而言，、變化是緩慢的。　?。?）　　（6）　　則

27、　?。?）　　從公式（10）和（11）我們可以看出，一個單頻信號經(jīng)過信道數(shù)為n的多徑信道會變成幅度服從瑞利分布，相位服從均勻分布的信號，且r(t)是一個高斯窄帶信號。　　2、多徑時變信道的建模仿真　　一個幅度為1v、頻率為10Hz的單頻信號經(jīng)過20條路徑傳輸，這20條路徑的衰

28、減是一樣的，但時延的大小是隨機變化的，每徑時延的變化規(guī)律為正弦型，變化的頻率為0-2HZ隨機均勻抽取。　　3、Matlab程序?qū)崿F(xiàn)：　　%多徑時變 djshb.m　　clear all; 　　close all;

29、　　f = 10; %輸入的單頻信號頻率　　dt = 0.01; 　　t = 0:dt:1000; %時間　　L = 20; %徑數(shù) 　　taof =2*rand

30、(1,L); %時延變化頻率變化的頻率為0-2HZ隨機均勻抽取。　　fai0 = rand(1,L)*2*pi; %路徑的初始相位　　st = cos(2*pi*f*t);　　for i=1:L %當1至L間取值進行循環(huán)　　fai

31、(i,: ) = sin(2*pi*taof(i)*t);　　s(i, : ) = cos(2*pi*f*t-fai(i,: )+fai0(i));　　end　　rt = sum(s) /L; %將信號經(jīng)過20徑的結果相加<p&

32、gt;　　igure(1)　　subplot(211)　　plot(t, st); xlabel('t'); ylabel('s(t)'); title('輸入單頻信號');　　axis([0 2 -2.5 2.5]);<

33、/p>　　subplot(212)　　plot(t,rt); xlabel('t'); ylabel('s(t)'); title('經(jīng)過20徑后接收信號');　　axis([0 15 -0.5 0.5]);　　figu

34、re(2)　　[ff sf]=T2F(t,st);　　[ff rf]=T2F(t,rt); 　　subplot(211);　　plot(ff,abs( sf ) ); xlabel('f'); ylabel('s(f)'

35、);　　title('輸入單頻信號頻譜');　　axis([-20 20 0 5]);　　subplot(212);　　plot(ff,abs( rf ) ); xlabel('f'); ylabel('r(f)'); &l

36、t;/p>　　axis([-20 20 0 30]);title('多徑信道輸出信號頻譜');　　4、仿真結果　　仿真結果的分析　　通過圖我們可以看到，一個單頻信號經(jīng)過20徑時變路徑后，輸出信號

37、的包絡會隨機發(fā)生變化，但是信號的頻譜會從原來在10HZ的沖擊頻譜變?yōu)樵?0HZ處的窄帶頻譜。　　比較分析　　改變程序中的時延變化頻率參數(shù)taof來改變衰落的速度，觀察輸出信號的變化。　　當taof=0.1時，MATLAB程序如下　　%

38、多徑時變 djshb.m　　clear all;　　close all;　　f = 10; %輸入的單頻信號頻率　　dt = 0.01;　　t = 0:dt:1000; %

39、時間　　L = 20; %徑數(shù)　　taof =0.1*rand(1,L); %時延變化頻率　　fai0 = rand(1,L)*2*pi; %路徑的初始相位　　st = cos(2*pi*f*t);

40、　　for i=1:L　　fai(i,: ) = sin(2*pi*taof(i)*t);　　s(i, : ) = cos(2*pi*f*t-fai(i,: )+fai0(i));　　end&

41、lt;p>　　rt = sum(s) /L; %將信號經(jīng)過20徑的結果相加　　figure(1)　　subplot(221)　　plot(t, st); xlabel('t'); ylabel('s(t)'); titl

42、e('輸入單頻信號');　　axis([0 2 -2.5 2.5]);　　subplot(223)　　plot(t,rt); xlabel('t');ylabel('s(t)');title('經(jīng)過20徑后接收信號');<

43、;p>　　axis([0 6 -0.5 0.5]);　　[ff sf]=T2F(t,st);　　[ff rf]=T2F(t,rt); 　　subplot(222);　　plot(ff,abs( sf ) ); xlabel('f'); ylabel(

44、's(f)');　　title('輸入單頻信號頻譜');　　axis([-20 20 0 5]);　　subplot(224);　　plot(ff,abs( rf ) ); xlabel('f'); ylabel('

45、r(f)'); 　　axis([-20 20 0 30]);title('多徑信道輸出信號頻譜');　　輸出信號的波形　　仿真結果分析　　此時衰落的時變頻率最大為0.1Hz

46、，載頻為10Hz，因此相對于輸入信號而言是慢衰落情況，可以看到，此時接收信號的包絡起伏是緩慢變化，但由于路徑數(shù)夠多，因此從長時間來看信號包絡仍呈隨機起伏的特點；　　當路徑數(shù)為2時，且時延變化頻率taof=100時。MATLAB程序如下：%多徑時變 djshb.m　　clear all;　　close all;

47、　　f = 10; %輸入的單頻信號頻率　　dt = 0.01;　　t = 0:dt:1000; %時間　　L = 2; %徑數(shù)　　taof =

48、100*rand(1,L); %時延變化頻率　　fai0 = rand(1,L)*2*pi; %路徑的初始相位　　st = cos(2*pi*f*t);　　for i=1:L　　fai(i,: ) = sin(2

49、*pi*taof(i)*t);　　s(i, : ) = cos(2*pi*f*t-fai(i,: )+fai0(i));　　end　　rt = sum(s) /L; %將信號經(jīng)過20徑的結果相加

50、figure(1)　　subplot(221)　　plot(t, st); xlabel('t'); ylabel('s(t)'); title('輸入單頻信號');　　axis([0 2 -2.5 2.5]);<p

51、>　　subplot(223)　　plot(t,rt);xlabel('t'); ylabel('s(t)');title('經(jīng)過20徑后接收信號');　　axis([0 3 -0.5 0.5]);　　[ff sf]=T2F(t,st);

52、　　[ff rf]=T2F(t,rt); 　　subplot(222);　　plot(ff,abs( sf ) ); xlabel('f'); ylabel('s(f)');　　title('輸入單頻信號頻譜');<

53、p>　　axis([-20 20 0 5]);　　subplot(224);　　plot(ff,abs( rf ) ); xlabel('f'); ylabel('r(f)'); 　　axis([-20 20 0 30]);title('多徑信道輸出信號頻譜'

54、);　　輸出信號的波形　　仿真結果分析　　接收包絡快速起伏，但由于路徑數(shù)不多，接收信號的包絡呈現(xiàn)出周期性。　　數(shù)字信號經(jīng)過多徑非時變信道　　1、多徑非時變

55、信道的定義　　信號輸入一個非單頻信號時，經(jīng)多徑傳輸，輸出信號為　?。?）　　頻域上看 　?。?）　　信道輸入信號的不

56、同頻率分量遭受了不同的衰落，即頻率選擇性。　　2、多徑非時變信道的建模仿真　　三徑信道：。　　輸入信號：，其中。　　3、Matlab程序?qū)崿F(xiàn)：　　%數(shù)字

57、信號經(jīng)過多徑信道　　clear all;　　close all; 　　Ts=1;　　N_sample = 8; %每個碼元的抽樣點數(shù)　　dt = Ts/N_samp

58、le; %抽樣時間間隔　　N = 1000; %碼元數(shù)　　t = 0:dt:(N*N_sample-1)*dt;　　dLen = length(t);　　gt1 = ones(1,N_sample); %N

59、RZ非歸零波形　　d = ( sign( randn(1,N) ) +1 )/2;　　data = sigexpand(d,N_sample); %對序列間隔插入N_sample-1個0　　st1 = conv(data,gt1);　　[f sf1] = T2F(t,st

60、1(1:dLen));　　%3徑信道　　m=[0.5 0.707 0.5]; %衰減　　tao =[ 0 1 2]; %時延　　hf = m(1)*exp(-j*2*pi*f*tao(1)) +m(2)* exp(

61、-j*2*pi*f*tao(2))+...　　m(3)* exp(-j*2*pi*f*tao(3));　　%信號經(jīng)過3徑信道　　yt1 = m(1)*st1(1:dLen)+m(2)*[zeros(1,N_sample), st1(1:dLen-N_sample)]+...&

62、lt;/p>　　m(3)*[zeros(1,2*N_sample), st1(1:dLen-2*N_sample)];　　[f yf1] = T2F(t,yt1);　　figure(1)　　subplot(221)<p

63、>　　plot(t,st1(1:dLen),'LineWidth',2);　　axis([20 40 0 1.2]);title('輸入信號');　　subplot(223)　　plot(t,yt1,'LineWidth',2);<

64、;p>　　axis([20 40 0 2]);title('經(jīng)過信道輸出信號');xlabel('t');　　subplot(222);　　plot(f,abs(sf1),'LineWidth',2);　　axis([-5 5 0 300]);title(&#

65、39;輸入信號幅度譜');　　subplot(224);　　plot(f,abs(yf1),'LineWidth',2);　　axis([-5 5 0 300]);title('輸出信號幅度譜');xlabel('f');<p&

66、gt;　　figure(2)　　subplot(211)　　plot(f,abs(hf),'LineWidth',2);　　axis([-2 2 0 2]);title('信道幅頻特性');xlabel('f');</p&

67、gt;　　subplot(212)　　plot(f,angle(hf)/pi);title('信道相頻特性');xlabel('f');　　axis([-2 2 -1 1]);　　4、仿真結果<

68、;p>　　5、仿真結果的分析　　我們可以得出，由于是多徑信道，信道幅頻特性不是常數(shù)，在某些頻率處會產(chǎn)生較大的衰落，但是對某些頻率會產(chǎn)生較小的衰落，由此我們得出信道具有頻率選擇性。　　三、課程設計小結　　本次課程設計的目的在于使我們學

69、以致用，在學習了通信原理理論課程的基礎上，結合以往的matlab編程知識，理解原程序，繼而得到仿真結果。　　一次成功的課程設計源于對仿真系統(tǒng)原理的認識，因此，僅僅在課堂上聽過見過是不夠的，查閱資料是本次課程設計中不可或缺的一環(huán)。我們應該選擇合適的多本資料，比較相同原理的不同解釋從而達到理解并應用的目的。在理解原理的基礎上，對照既有的主程序和程序框圖，我們應該將各個成分的作用在腦海里回憶梳理，深化

70、對連續(xù)信道建模仿真運作過程的了解，為接下來的編碼做鋪墊。在編碼過程中，遇到錯誤先檢查是否是拼寫錯誤，再檢查是否是函數(shù)選擇錯誤以及是否有沒有定義的參數(shù)，最后檢查主程序和加入程序間的關系。在這個過程中，原本學習matlab時的微薄經(jīng)驗簡直微不足道，很多函數(shù)的用法都是臨時搜索才知道的。　　本次課程設計并非同以往一樣僅僅只是照書編程，而是面對幾個不熟悉的題目，一開始就要做出選擇，一周的時間從查資料到梳理

71、出自己的思路，制定計劃。最難的就是編程和修改，在時限內(nèi)完成編程，實現(xiàn)仿真。有些時候，即使仿真能夠進行，也不能確定程序是否按照原先的構想完成了執(zhí)行。最后，我能交上一份答卷，著實不易。這次課程設計的經(jīng)驗為最終的畢業(yè)設計做了一次模擬。　　經(jīng)過這次的小試煉，相信在面對今后的挑戰(zhàn)時，我能多一分從容，少一分忐忑；多一分冷靜，少一分焦躁；多一分熟練，少一分生澀。　　附

72、：程序中用得到的子函數(shù)　　%將輸入的序列擴展成間隔為M-1個0的序列　　function [out]=sigexpand(d,M)　　N = length(d);　　out = zeros(M,N);　　out(1,:) = d;

73、　　out = reshape(out,1,M*N);　　function [f,sf]= T2F(t,st)　　%This is a function using the FFT function to calculate a signal's Fourier Translation

74、　　%Input is the time and the signal vectors,the length of time must greater than 2　　%Output is the frequency and the signal spectrum　　dt = t(2)-t(1);<p&

75、gt;　　T=t(end);　　df = 1/T;　　N = length(st);　　f=-N/2*df:df:N/2*df-df;　　sf = fft(st);<

76、p>　　sf = T/N*fftshift(sf);　　function [t st]=F2T(f,sf)　　%This function calculate the time signal using ifft function for the input signal's spectrum　　d

77、f = f(2)-f(1);　　Fmx = ( f(end)-f(1) +df);　　dt = 1/Fmx;　　N = length(sf);　　T = dt*N;　　t = 0:dt:T-d

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