基于萊斯無(wú)線衰落信道的教學(xué)演示平臺(tái)設(shè)計(jì)

虞湘賓 劉巖 陳小敏 朱秋明

南京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院 , 江蘇南京 210016

引言

1897年，馬可尼在世界上首次完成了橫跨英吉利海峽的長(zhǎng)距離無(wú)線電通信，直到20世紀(jì)80年代誕生了第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)。移動(dòng)通信是當(dāng)今通信領(lǐng)域最具有活力，最具有發(fā)展前途的一種通信方式[1]。無(wú)線信道是對(duì)無(wú)線通信中從發(fā)送端到接收端信號(hào)傳輸介質(zhì)的一種描述，相比于有線通信，它的代價(jià)是犧牲了全封閉的人造信道的優(yōu)點(diǎn)，換取了無(wú)需采用固體傳輸介質(zhì)的靈活性，但是信道的開放性必然引起信道的時(shí)變性和隨機(jī)性，從而大大降低了通信的容量和質(zhì)量。在無(wú)線信道條件下，信號(hào)要經(jīng)歷多條傳播路徑到達(dá)接收端，多徑效應(yīng)造成不同相位的信號(hào)會(huì)產(chǎn)生疊加，接收信號(hào)受到嚴(yán)重干擾，同時(shí)還有來(lái)自信道環(huán)境的影響，因此，研究無(wú)線衰落信道具有重要的意義。本文主要研究萊斯無(wú)線衰落信道模型及其衰落特點(diǎn)，并利用Matlab及其自帶的圖形用戶界面（GUI）開發(fā)環(huán)境，設(shè)計(jì)制作了一個(gè)友好的人機(jī)界面，使學(xué)生能夠直觀形象地理解無(wú)線衰落信道模型的特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)模型和信道模型

1.1 數(shù)字基帶系統(tǒng)模型

目前，雖然數(shù)字基帶傳輸不如帶通傳輸那樣得到廣泛的應(yīng)用，但是作為通信系統(tǒng)的重要模型之一，對(duì)于基帶系統(tǒng)的研究也有著較好的理論意義。尤其，隨著移動(dòng)通信快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，研究各種無(wú)線衰落信道對(duì)數(shù)字基帶系統(tǒng)的影響，將為移動(dòng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供較好的理論依據(jù)，也將成為研究熱點(diǎn)之一，數(shù)字基帶系統(tǒng)模型如圖1所示。

數(shù)字基帶系統(tǒng)中星座映射環(huán)節(jié)的作用是將發(fā)送端產(chǎn)生的比特流映射成符號(hào)，脈沖成型的功能是產(chǎn)生適合于信道傳輸?shù)幕鶐盘?hào)波形。信道是允許基帶信號(hào)通過(guò)的媒質(zhì)，這里考慮的信道為無(wú)線衰落信道，如萊斯信道，Nakagami衰落信道，瑞利信道等。另外，信道還會(huì)引入加性白高斯噪聲。其中的匹配濾波是用來(lái)接收信號(hào)，并盡可能的濾除信道噪聲和其它干擾，對(duì)信道進(jìn)行均衡，使得輸出的基帶波形有利于抽樣判決。抽樣判決器則是在傳輸特性不理想及噪聲背景下來(lái)恢復(fù)和再生基帶信號(hào)，解映射后便可獲得比特信息。

圖1 數(shù)字基帶系統(tǒng)模型

1.2 萊斯衰落模型

移動(dòng)通信中的信號(hào)傳播一般可歸結(jié)為反射、繞射、散射三種基本的傳播方式，由于無(wú)線信道的復(fù)雜性及時(shí)變性，信號(hào)通過(guò)無(wú)線信道時(shí)會(huì)經(jīng)歷不同形式的衰落[2]。在實(shí)際的通信環(huán)境中，衰落形式包括：瑞利衰落，萊斯衰落，Nakagami衰落等。在無(wú)線信道中，萊斯分布是一種最常見的用于描述接收信號(hào)包絡(luò)統(tǒng)計(jì)時(shí)變特性的分布類型。其中萊斯因子是反應(yīng)信道質(zhì)量的重要參數(shù)，在計(jì)算信道質(zhì)量和鏈路預(yù)算、移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)速度以及測(cè)向性能分析等都發(fā)揮著重要的作用。在信號(hào)的傳輸過(guò)程中由于多徑效應(yīng)和多普勒效應(yīng)[3]的存在，使得接收信號(hào)除了存在直射分量外，還包括多徑分量，信號(hào)的包絡(luò) 服從萊斯分布，萊斯分布的概率密度函數(shù)[4-5]如下：

其中，S2是直射分量的功率，σ2是多徑分量的平均功率，I0(·)為第一類零階修正貝塞爾函數(shù)。我們定義萊斯因子K為直射分量的功率與多徑分量平均功率的比值，即K=S2/(2σ2)。特殊地，當(dāng)K=0時(shí)，表示沒(méi)有直射分量，接收到的信號(hào)的包絡(luò)a(t)由萊斯分布轉(zhuǎn)變?yōu)槿鹄植?，其概率密度函?shù)為：

所以，瑞利分布是萊斯分布的一個(gè)特例；萊斯分布是瑞利分布的一個(gè)擴(kuò)展。

2 基于GUI演示平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 總體設(shè)計(jì)方案

首先通過(guò)matlab軟件完成對(duì)萊斯衰落信道的建模仿真，繪制出不同衰落模型的分布圖、星座圖、誤碼率隨信噪比變化的曲線及輸出的I和Q支路的基帶信號(hào)。并通過(guò)GUI開發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)一個(gè)友好的可視化圖形界面，用戶通過(guò)設(shè)置信噪比、陰影衰落等系統(tǒng)參數(shù)，即可觀察到相應(yīng)的輸出波形。具體實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 仿真平臺(tái)系統(tǒng)框圖

該圖是基于2.2節(jié)中提出的萊斯無(wú)線信道模型而設(shè)計(jì)，希望達(dá)到能夠仿真信道自身特性，依據(jù)獲得信道對(duì)傳輸信號(hào)的影響等目的。為此，加入了調(diào)制信號(hào)通過(guò)無(wú)線信道的環(huán)節(jié)，通過(guò)觀察信號(hào)通過(guò)信道前后的變化，可以直觀地了解信道衰落對(duì)信號(hào)的影響。本文采用較為常見的多進(jìn)制相位調(diào)制(MPSK)進(jìn)行性能評(píng)估，而在衰落信道模型上可以展示無(wú)衰落、瑞利衰落、萊斯衰落等多種衰落信道模型，以及在這些衰落信道模型條件下的系統(tǒng)性能。

2.2 界面實(shí)現(xiàn)

基于Matlab仿真，采用其自帶的圖形用戶界面，本文將設(shè)計(jì)一種萊斯信道仿真演示平臺(tái)。利用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，將系統(tǒng)比較復(fù)雜和主要的兩個(gè)部分信道模型及誤碼率函數(shù)封裝成對(duì)象函數(shù)，通過(guò)GUI組件搭建出具有友好人機(jī)界面的無(wú)線衰落信道系統(tǒng)演示平臺(tái)，該平臺(tái)包含理論仿真演示、軟件仿真演示等。

圖3 系統(tǒng)演示界面

所構(gòu)建的仿真平臺(tái)如圖3所示。該仿真平臺(tái)界面友好、直觀、操作簡(jiǎn)單、方便，具有良好的可擴(kuò)展性。

3 仿真結(jié)果

這一節(jié)，我們給出系統(tǒng)在萊斯信道下誤比特性能仿真結(jié)果，如圖4所示。圖4的仿真參數(shù)設(shè)置如下：調(diào)制方式為4PSK，萊斯因子K分別為0，1和2。特殊地，K=0時(shí)對(duì)應(yīng)于瑞利分布。陰影衰落方差為0dB，信噪比范圍為0dB～20dB。從圖4可看出，仿真與理論取得非常好的一致。由于直射路徑的存在，系統(tǒng)在萊斯信道下的性能要好于在瑞利信道下。而且隨著萊斯因子K增大，系統(tǒng)誤比特率性能變得越來(lái)越好。即K=2時(shí)性能要好于K=1時(shí)性能，同樣，K=1時(shí)性能要好于K=0時(shí)性能，這與已有知識(shí)也是一致的。

圖4 系統(tǒng)誤碼率

同時(shí)，結(jié)合圖5的信道分布規(guī)律：當(dāng)萊斯因子時(shí)該分布退化為Rayleigh分布，當(dāng)K=1和2時(shí)，萊斯分布趨向于沖積函數(shù)。由上面的分析，我們可以得出K值越小，信道的衰落程度越嚴(yán)重，K值越大，則信道衰落程度越小。這也解釋了圖4中K值越大，系統(tǒng)性能越好。

圖5 信道分布曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于Matlab仿真及其GUI實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)了一種適用于移動(dòng)通信系統(tǒng)中萊斯無(wú)線信道仿真及其GUI軟件演示平臺(tái)。該平臺(tái)能以交互的方式對(duì)無(wú)線信道進(jìn)行仿真和演示，將結(jié)果以直觀圖形和數(shù)據(jù)的方式展現(xiàn)，使學(xué)生能夠更好地理解無(wú)線衰落信道特性，以及移動(dòng)通信經(jīng)歷衰落信道時(shí)受衰落情況；同時(shí)由于Matlab編程的可擴(kuò)展性，該無(wú)線信道仿真系統(tǒng)還可以不斷完善和擴(kuò)充，與移動(dòng)通信系統(tǒng)其它模塊相鏈接，組成完整的無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)。

[1]J.G. Proakis. Digital Communications [M]. Fourth Edition, New York: McGraw-Hill, 2001.

[2]劉坤, 劉國(guó)芳, 歐陽(yáng)海波. 移動(dòng)通信衰落信道的仿真分析[J]艦船電子工程, 2009(8):108-110.

[3]黃飛. 一種改進(jìn)型的萊斯衰落信道研究[J]. 大眾科技, 2011(140): 1008-1151.

[4]毛智宏. 低萊斯因子信道研究[J]. 硅谷, 2011(5): 1671-7597.

[5]Y.R. Zheng and C. Xiao. Improved models for the gen-eration of multiple uncorrelated Rayleigh fading waveforms [J]. IEEE Commun. Lett., 2002(6): 256-258.