移动通信原理课程设计-实验报告-

电子科技大学

通信抗干扰技术国家级重点实验室

实验报告

课程名称移动通信原理

实验内容无线信道特性分析；

BPSK/QPSK通信链路搭建与误码性能分析；

SIMO系统性能仿真分析

课程教师胡苏

成员姓名成员学号成员分工

独立完成必做题第二题，参与选做题SIMO仿

真中的最大比值合并模型设计

参与选做题SIMO仿真中的

等增益合并模型设计

独立完成必做题第一题

参与选做题SIMO仿真中的

选择合并模型设计

1，必做题目

1.1无线信道特性分析

1.1.1实验目的

1)了解无线信道各种衰落特性；

2)掌握各种描述无线信道特性参数的物理意义；

3)利用MATLAB中的仿真工具模拟无线信道的衰落特性。

1.1.2实验内容

1)基于simulink搭建一个QPSK发送链路，QPSK调制信号经过了瑞利衰

落信道，观察信号经过衰落前后的星座图，观察信道特性。仿真参数：信源比特速率为500kbps，多径相对时延为[0 4e-06 8e-06 1.2e-05]秒，相对平均功率为[0 -3 -6 -9]dB，最大多普勒频移为200Hz。例如信道设置如下图所示：

1.1.3实验仿真

(1)实验框图

（2）图表及说明

图一：Before Rayleigh Fading1 #上图为QPSK相位图，由图可以看出2比特码元有四种。

图二：After Rayleigh Fading

#从上图可以看出，信号通过瑞利信道后，满足瑞利分布，相位和幅度发生随机变化，所以图三中的相位不是集中在四点，而是在四个点附近随机分布。

图三：Impulse Response

#从冲激响应的图可以看出相位在时间上发生了偏移。

图四：Impulse Response

#从频率响应的图可以看出，信号的频率响应失真比较严重。

（3）实验结论

根据题目中给出的参数，计算瑞利衰落信道的相干带宽和相干时间：

相干带宽 410*2787.421

==τπσc B Hz

相干时间 005.01==m

c f T s

1.2BPSK/QPSK通信链路搭建与误码性能分析

1.2.1实验目的

掌握基于simulink的BPSK、QPSK典型通信系统的链路实现，仿真BPSK/QPSK 信号在AWGN信道、单径瑞利衰落信道下的误码性能。

1.2.2实验作业

1.基于simulink搭建BPSK/QPSK通信链路，经过AWGN信道，接收端相干解

E N为0~10dB时（间隔：1dB）误码调，仿真并绘出BPSK和QPSK信号在0

b

性能曲线。

仿真参数：

a)仿真点数：106

b)信源比特速率：1Mbps。

2.在1的基础上，信号先经过平坦（单径）瑞利衰落，再经过AWGN信道，假设接收端通过理想信道估计获得了信道衰落值（勾选衰落信道模块的“Complex

E N为0~40dB时（间path gain port”）。仿真并绘出BPSK和QPSK信号在0

b

隔：5dB）误码性能曲线。信道仿真参数：最大多普勒频移为100Hz。

1.2.3实验仿真

(1) 实验框图

图一经过AWGN的BPSK/QPSK通信链路

图二经过RAYLEIGH+AWGN的BPSK/QPSK通信链路

(2)图表及说明

图三经过AWGN的BPSK/QPSK通信链路的误比特率

#由上图可知，BPSK与QPSK误比特率表现相一致，且随着Eb/No的dB数增加，

10 ，说误比特率下降速度变快。当Eb/No=10dB时，两者的误比特率已经下降5

明此时已经能够保证较高的数据传输准确度。而从总体上来看，BPSK与QPSK 的误比特率性能曲线与理论是相契合的，说明链路搭建正确，实验现象成功。

图四经过RAYLEIGH+AWGN的BPSK/QPSK通信链路的误码率

#由上图可知，经过瑞利平坦衰落后，BPSK/QPSK的误码特性发生了变化：首先

10 ；其次是误比特是在同等Eb/No的条件下，误比特率显著升高，10dB时为2

曲线呈线性变化，这进一步说明了瑞利平坦衰落信道对信号的影响。

(3)结论

1.BPSK与QPSK的误比特率表现一致，而在误符号率上QPSK是BPSK的两倍；

2.瑞利平坦衰落信道对误比特率有一定程度的线性影响。

3.瑞利信道的多普勒频移越大，则最终的误比特率也会越大。

2，选作题目

2.1SIMO系统性能仿真分析

2.1.1实验目的

1.掌握基于simulink的单发多收（SIMO）16QAM仿真通信链路

2.仿真SIMO 16QAM信号在单径瑞利衰落信道下，不同接收分集数、不同合并方式下的误比特率性能。

2.1.2实验内容

1.掌握单发多收（SIMO）的原理，利用分集技术，搭建单发多收通信系统框图。

2.利用MATLAB中simulink所包含的通信系统模块搭建基于各种分集技术类型的单发多收通信链路。

3.改变各个方式的分集数，搭建新的通信系统链路。

4.比较上述各链路的误比特率，记录并分析。

2.1.3实验原理

移动信道的多径传播引起的瑞利衰落、时延扩展以及伴随接收机移动过程产生的多普勒频移使接收信道受到严重的衰落；阴影效应会使接受的信号过弱而造成通信的中断；信道存在的噪声和干扰，也会使接收信号失真而造成误码。因此，在移动通信系统中需要采取一些信号处理技术来改善接收信号的质量。其中，多天线分集接收技术就是一个非常重要且常见的方法。

分集接收的基本思想就是把接收到的多个衰落独立的信号加以处理，合理地利用这些信号的能量来改善接收信号的质量。

分集技术总体来说分为两类，针对阴影衰落的宏观分集和针对微观衰落的微观分集。本实验主要注重微观分集。分集技术对信号的处理包含两个过程，首先是要获得M个相互独立的多径信号分量，然后对它们进行处理以获得信噪比的改善，这就是合并技术。合并方式共分为三种，选择合并、等增益合并和最大比值合并。

选择合并是最简单的一种，在所接收的多路信号中，合并器选择信噪比最高的一路输出。最大比值合并会将所有路信号的能量和信息都利用上，会明显改善合并器输出的信噪比。基于这样的考虑，最大比值合并把各支路信号加权后合并。各路信号权值用数学方法得出。等增益合并性能上不及最大比值合并，但是

却容易实现得多，其主要思想是将各路信号赋予相同权值相加。

2.1.4实验仿真

总体框图

选择合并，M=2

选择合并，M=3

#在选择合并时，将两路独立信号的幅度作对比，以此作为功率判决来决定选取哪一路信号

等增益合并，M=2

等增益合并，M=3

#在等增益合并当中，由于调制解调与信号的幅度有关，所以对信号赋予相同的权值要使最后信号的幅度归一，故增益都为1/M。

最大比值合并，

M=3 #最大比值合并现实中不太容易实现，但在仿真情况下，却可以将每路信号幅度提取出来作为权值的参照，由于噪声功率都一样，所以只需权值与相应信号幅度成正比。此外，同样也要进行归一化处理。

产生独立信号

#由于合并技术要求得到多个衰落独立的信号，故选取不同高斯信道并对瑞丽信道设置不同的initial seed 来使信号的衰落独立。

2.1.5 性能分析

选择合并性噪比：

其中ξ是无分集平均性噪比，)(s p ξ是s ξ的概率密度函数，M 是分集数。 最大比值合并信噪比： ∑?=∞==M

k s s s s k d p 10

1)(ξξξξξξ

ξξM M

k k mr ==∑=1

其中，k ξ是每一路信号平均性噪比，ξ是无分集平均性噪比，M 是分集数。

等增益合并信噪比：

其中，b 与信号幅度和瑞利分布相关，ξ是无分集平均性噪比，M 是分集数。 基于上述分集信噪比改善，实验的误码率也从侧面予以印证：

#从

#图中可以看到，通过选择合并方式能够显著的减小误码率，并且随着Eb/N0的增加而更好的显示出性能优越；相对比不同的分集数可看出，分集数的增加能有效地减小误码率。 ]4)1(1[]2)1(2[2122πξπξ-+=-+=M b M M Mb MN eq

#由图可看到，三种合并方式都能显著地减小误码率，在分集数为二的情况下，效果最好的是最大比值合并，等增益次之，都优于选择合并；而与上图相比，可以看出二重分集下的最大比值合并性能甚至优于三重分集的选择合并。

误码率分析：在这两张反应误码率的曲线图中，很好的符合了理论公式中由信噪比的改善所带来的误码率的降低，也反应了分集数的增加对系统性能的改善。

2.1.6实验结论

移动信道的多径传播引起的瑞利衰落、时延扩展以及伴随接收机移动过程产生的多普勒频移使接收信道受到严重的衰落，所以必须采取相应的抗衰落的措施来提高系统性能。在本次课程设计中，我们小组学习研究了对三种不同分集合并技术在改善系统性能方面的效果的课题实验。通过仿真实验得出的不同分集的误码率，分集技术能有效地减小误码率从而提高系统性能；而通过对误码率曲线的分析，可以看出：对于三种分集合并技术，等分集前提下，最大比值合并优于等增益合并优于选择合并；而对于同一合并技术，增加分集数能优化其性能。

3 实验总结与体会

经过本次课程设计，小组成员都得到了不小的收获：第一，熟悉了simulink

模块并初步掌握了如何构建仿真系统；第二，通过对无线信道以及BPSK、QPSK 典型通信系统的链路的仿真，了解了无线信道各种衰落特性，掌握了各种描述无线信道特性参数的物理意义，通过仿真数据以及计算得到了BPSK/QPSK信号在AWGN信道、单径瑞利衰落信道下的误码性能；第三，通过仿真SIMO 16QAM信号在单径瑞利衰落信道下，不同接收分集数、不同合并方式下的误比特率性能的实验系统，进一步了解到分集技术是一种有效的抗信道衰落技术,本此仿真对simo 系统采用的3种常见的分集合并技术选择合并,等增益合并和最大比值合并进行分析研究,对系统采用162QAM 调制、平坦瑞利衰落信道的情况下,仿真结果表明3种分集合并方式对改善系统性能都有很大贡献，具体来说：分集数越多系统性能越好；且在等分集下最大比值效果最优，选择合并效果较差，但三种合并技术的算法复杂度正好相反，经过反复分析比较，等增益合并是一种复杂度与性能折中较好的一种分集合并方式。

附录：SIMO系统仿真模块详解

（1）无分集模型：

#其中瑞利信道参数如下所示：

#设置成100Hz多普勒频移以便于后期对误码率的观察更为容易，题目中要求此瑞利衰落为平坦衰落，故选择Flat多普勒频谱类型，将Initial seed设置成19或者也可以为其他任意值。

在通过高斯信道后有一个增益补偿的过程，这是因为瑞利信道主要是对信号幅度的衰落，如果不进行补偿则会造成极高的误码率，使实验无法正常运行。

#其中高斯信道参数如下所示：

#其中符号周期取2倍码元周期，Initial seed设为随机值以保证噪声随机性

（2）接收分集模型：

#其中，有三个独立的瑞利平坦衰落信道，并分别加入高斯白噪声和进行增益补偿，最后输出三路独立的衰落信号，受到的主要影响是多普勒频移。三路瑞利平坦衰落的参数为：

#这样就可以保证瑞利衰落相互独立，高斯信道同理，只需将Inital seed设为不同值即可。

#值得注意的是，瑞利信道输出的Gain值（增益/衰落值）经过了一个幅度平方模块，这是为了在之后的选择合并与最大合并中作为重要参考元素而如此使用。三个Display模块在本模型中没有特殊的含义，只是为了辅助观察每一路瑞利衰落信道幅度平方值大小。

（3）等增益合并模型（以二重等增益合并为例）：

#其中，两路独立衰落的信号被赋予1:1的权重相加，解调输出。需要注意的是，每一路信号增益为1/2而非1是因为调制解调使用的是16QAM模块，幅度是代表了信号信息的，所以不能将信号单纯地乘1相加。

#三重等增益原理与二重等增益相同，只是三路信号分别乘上1/3的权重再相加，解调输出。（4）选择合并模型（以二重选择合并为例）：

#选择合并这一模型的核心理念是选择信噪比最高的一路输出，然而在simulink中去实现纯信噪比的计算并不容易，所以本模型中采用的方案是用瑞利衰落输出Gain幅度平方值代替信噪比，所以就变成：选择Gain值最大（即误码率最小）的一路输出。接下来介绍其中每一个重要的模块的作用。

#Add模块和Switch模块共同组成了信号判决输出器，其中，Add负责将两路独立衰落的信号Gain幅度平方值相减，将结果输入到Switch模块的中间一路输入，如果结果大于0（即第一路信号Gain较大），就输出第一路信号，反之输出第二路信号。

#Switch1模块在本模型中并非必需的，它为了使三重选择合并的实现更为简捷，主要作用是输出较高一路的Gain平方值，作为Bigger Abs（BA），BS代表Bigger Signal。

#三重选择合并即在此基础上多引入一路信号的Gain平方值作比较，选择输出，可不赘述。（5）最大比值合并模型（以二重最大比值合并为例）：

#最大比值合并的核心理念是利用每一路信号的信息，按照某种特定的算法给每路信号分配适当的权重，再将各路信号加权合并，以改善合并器输出的信噪比。在本模型中，采用的方法是利用Add模块将两路信号的Gain平方值相加得到一个值（设为S），再将每一路信号Gain平方值除以S，得到权重值（设分别为Q1、Q2），这一过程由P1、P2模块完成。接下来用计算出的权重值分别乘上相应信号，相加后解调输出。

#三重最大比值合并只是多引入了一路信号，对三路信号权重进行分配，可如法炮制。