【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 頻率展寬 )，也反映了由于信道多徑傳播所造成的頻率失真 (時(shí)間展寬 )。而在傳播數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)，這兩項(xiàng)失真對(duì)于系統(tǒng)的誤碼率起著及其重要的影響。如果用時(shí)變線性系統(tǒng)來(lái)模擬短波信道，能夠較好地反映信號(hào)通過(guò)短波變參信道后所造成地信號(hào)衰落和頻率散布。 本章小結(jié) 在本章中，我們討論了通信信道的數(shù)學(xué)特征和傳播特性。其 中我們重點(diǎn)放在短波通信信道的特性上，研究了短波通信信道的數(shù)學(xué)表述和統(tǒng)計(jì)特性以及它的傳播特點(diǎn)，并討論了相應(yīng)的通信信道模型。 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021 屆本 科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 3．短波通信信道仿真的 模擬 下面本章我所要做的就是對(duì)幾種短波信道進(jìn)行仿真研究，如語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)過(guò)多徑時(shí)變信道的仿真、數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)多徑時(shí)變信道仿真 ,短波信道模型的設(shè)計(jì)這幾種工作。 信號(hào)經(jīng)過(guò)多徑信道的仿真 語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)過(guò)多徑時(shí)變信道的仿真 下面示意了一個(gè)幅度為 頻率為 10Hz 的單頻信號(hào)經(jīng)過(guò) 20 條路徑傳輸?shù)玫降牟ㄐ渭捌漕l譜，這 20 條路徑的衰減相同，但時(shí)延的大小是隨時(shí)間變化的，每徑時(shí)延的變化規(guī)律為正弦 型，變化的頻率從 0～ 2Hz 隨機(jī)均勻抽取。 圖 單頻信號(hào)經(jīng)過(guò) 20 徑后的接收信號(hào) 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021 屆本 科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 圖 時(shí)變多徑信道輸出信號(hào)頻譜 從中可以看到，單頻信號(hào)經(jīng)過(guò) 20 徑時(shí)變信道后，輸出信號(hào)的包絡(luò)隨時(shí)間隨機(jī)起伏，輸出信號(hào)的頻譜從沖擊譜變成一個(gè)窄帶頻譜，我們可以通過(guò)改變程序中的時(shí)延變化頻率參數(shù) taof 來(lái)改變衰落的速度，觀察輸出信號(hào)的變化。當(dāng) taof＝ 時(shí)，輸出信號(hào)的波形如同所示，圖 中示意了長(zhǎng)時(shí)觀察和短時(shí)觀察時(shí)輸出信號(hào)的包絡(luò)，（ a） 圖時(shí)間范圍為 0～ 10s，（ b）圖時(shí)間范圍為 0～ 1000s。由于此時(shí)載頻為 10Hz，衰落的時(shí)變頻率最大為 ，因此相對(duì)于輸出信號(hào)而言是慢衰落情況下，接受信號(hào)的包絡(luò)起伏緩慢變化，但由于徑數(shù)足夠長(zhǎng)，因此從時(shí)長(zhǎng)觀察來(lái)看，信號(hào)的包絡(luò)仍呈現(xiàn)隨機(jī)起伏的特點(diǎn)。當(dāng)改變多徑數(shù)為 2，且時(shí)延變化頻率參數(shù) taof＝ 100 時(shí)，此時(shí)相對(duì)于快衰落情況，接收包絡(luò)快速起伏，但由于徑數(shù)不多，接收信號(hào)包絡(luò)起伏具有明顯的周期性 ， 見(jiàn)下圖 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021 屆本 科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 附 Matlab 程序： clear all。 f=10。 %輸入的單頻信號(hào)頻率 dt=。 t=0:dt:1000。 %時(shí)間 N=10/dt。 L=20。 %徑數(shù) taof=*rand(1,20)。 %時(shí)延變化頻率 fai0=rand(1,L)*2*pi。 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021 屆本 科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 st=cos(2*pi*f*t)。 for i=1:L fai(i,:)=sin(2*pi*taof(i)*t)。 s(i,:)=cos(2*pi*f*t+fai(i,:)+fai0(i))。 end rt=sum(s)/sqrt(L)。 figure(1) subplot(211) plot(t,st)。xlabel(39。t39。)。ylabel(39。s(t)39。)。title(39。輸入的單頻信號(hào) 39。)。 axis([0 2 ])。 subplot(212) plot(t,rt)。xlabel(39。t39。)。ylabel(39。s(t)39。)。title(39。經(jīng)過(guò)２０徑后的接收信號(hào) 39。)。 figure(2) [ff sf]=T2F(t,st)。 [ff rf]=T2F(t,rt)。 subplot(211)。 plot(ff,abs(sf))。xlabel(39。f39。)。ylabel(39。s(f)39。)。title(39。輸入單頻信號(hào)的頻譜 39。)。 axis([20 20 0 5])。 subplot(212)。 plot(ff,abs(rf))。xlabel(39。f39。)。ylabel(39。r(f)39。)。title(39。多徑信道輸出信號(hào)的頻譜 39。)。 axis([20 20 0 5])。title(39。多徑信道輸出信號(hào)的頻譜 39。)。 數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)多徑信道的仿真 當(dāng)輸入信號(hào)并非一個(gè)單頻信號(hào)時(shí)，經(jīng)過(guò)多徑信道后，輸出信號(hào)為 從頻域觀點(diǎn)看 信道輸入信號(hào)的不同頻率分量遭受不同的衰落，即信道的頻率選擇性。 設(shè)三徑信道 （ 1）用 Matlab 畫出信道的幅頻響應(yīng)特性和相頻響應(yīng)特性： （ 2）設(shè)信道輸入信號(hào)為 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021 屆本 科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 其中 畫出輸出信號(hào)波形： （ 3）同 (2)相同形式的輸入信號(hào)，但 T、＝ 8，畫出輸出信號(hào)波形。 圖 單極性 NRZ 信號(hào)（ Ts＝ 8）經(jīng)過(guò)三徑信道后的輸出與幅度譜示意圖 如圖 三徑信道的頻率選擇性 如上圖所示，由于多徑，信道幅頻特性不為常數(shù)，對(duì)某些頻率產(chǎn) 生較大的衰減，天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021 屆本 科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 對(duì)某些頻率的衰減小，即信道具有頻率選擇性。當(dāng)輸入信號(hào)的帶寬遠(yuǎn)小于信道帶寬時(shí)（第一個(gè)零點(diǎn)帶寬），則信道對(duì)數(shù)如信號(hào)的所有頻率分量的衰減幾乎相同，這樣情況下，信號(hào)經(jīng)歷平坦性衰減 ，如圖 5 示。 輸入信號(hào)的帶寬域信道帶寬可比時(shí)，此時(shí)信號(hào)個(gè)頻率分量經(jīng)過(guò)信道的衰減不同，即信號(hào)經(jīng)過(guò)了頻率選擇性衰減 ，如圖 6 示。通?？捎眯诺赖臅r(shí)延擴(kuò)展 來(lái)表示信道的多徑擴(kuò)展情況，多徑時(shí)延擴(kuò)展的倒數(shù)稱為信道的相干帶寬 ,設(shè)輸入信號(hào)的碼元間隔為 Ts，當(dāng) BTs》 1 時(shí)，信號(hào)的衰減時(shí)平坦的；反之，信號(hào)的衰減是頻率選擇性的（需要強(qiáng)調(diào)：多徑非時(shí)變信道 是恒參信道，在輸出端不存在衰減現(xiàn)象）。 附 Matlab 程序： clear all。 close all。 Ts=1。 N_sample=8。 %每個(gè)碼元的抽樣點(diǎn)數(shù) dt=Ts/N_sample。 N=1000。 t=0:dt:(N*N_sample1)*dt。 dLen=length(t)。 gt1=ones(1,N_sample)。 %NRZ 非歸零波形 d=(sign(randn(1,N))+1)/2。 data=sigexpand(d,N_sample)。 %對(duì)序列間隔插入 N_sample1 個(gè)０ st1=conv(data,gt1)。 [f sf1]=T2F(t,st1(1:dLen))。 %3 徑信道 m=[ ]。 tao=[0 1 2]。 hf=m(1)*exp(j*2*pi*f*tao(1))+m(2)*exp(j*2*pi*f*tao(2))+m(3)*exp(j*2*pi*f*tao(3))。 %信號(hào)經(jīng)過(guò)３徑信道 yt1=m(1)*st1(1:dLen)+m(2)*[zeros(1,N_sample),st1(1:dLenN_sample)]+m(3)*[zeros(1,2*N_sample),st1(1:dLen2*N_sample)]。 [f yf1]=T2F(t,yt1)。 figure(1) 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021 屆本 科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 subplot(221)。 plot(t,st1(1:dLen),39。LineWidth39。,2)。 axis([20 40 0 ])。title(39。輸入信號(hào) 39。)。 subplot(223) plot(t,yt1,39。LineWidth39。,2)。 axis([20 40 0 2])。title(39。經(jīng)過(guò)信道輸出的信號(hào) 39。)。xlabel(39。t39。)。 subplot(222) plot(f,abs(sf1),39。LineWidth39。,2)。 axis([2 2 0 60])。title(39。輸入信號(hào)幅度譜 39。)。 subplot(224)。 plot(f,abs(yf1),39。LineWidth39。,2)。 axis([2 2 0 60])。title(39。輸出信號(hào)幅度譜 39。)。xlabel(39。f39。)。 figure(2) subplot(211)。 plot(f,abs(hf),39。LineWidth39。,2)。 axis([2 2 0 2])。title(39。信道幅頻特性 39。)。xlabel(39。f39。)。 subplot(212)。 plot(f,angle(hf)/pi)。title(39。信道相頻特性 39。)。xlabel(39。f39。)。 axis([2 2 1 1])。 短波信道設(shè)計(jì) 短波信道 模型 無(wú)線信號(hào) 通過(guò)短波電離層反射后要產(chǎn)生幅度，相位，頻率上得變化，產(chǎn)生衰落，多徑，頻率偏移等現(xiàn)象，其在信道中發(fā)生的變化過(guò)程可用圖 沃特森信道模型加以描述 圖 沃特森信道模型 在這個(gè)模型中 ,有 n個(gè)抽頭延時(shí)線 ,相當(dāng)于 n個(gè)路徑 , 每個(gè)抽頭延時(shí)線不僅都 有獨(dú)天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021 屆本 科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 立的時(shí)延 ,而且還有一個(gè)路徑增益函數(shù) ,它與第 i 徑上已延時(shí)但未失真的發(fā)射信號(hào)相乘 , 這樣發(fā)射信號(hào)被 進(jìn)行了幅度和相位的調(diào)制。 是相互獨(dú)立的 , 且是固定的復(fù)基帶函數(shù) , 它也同時(shí)提供了頻率擴(kuò)散失真 , 其中包括多普勒頻移和衰落。 其中 為復(fù)衰減高斯擴(kuò)散分量 ,服從瑞利幅度分布和均勻相位分布。 為復(fù)非衰減鏡射分量；指數(shù)部分包含多普勒頻移 。 模擬設(shè)計(jì) 在短波通信系統(tǒng)中 , 影響通話質(zhì)量的主要因素是衰落 , 因此衰落是研究話音信道的主要矛盾。實(shí)踐 已經(jīng)證明 , 幾赫 茲到幾十赫茲的多普勒頻移以及隨機(jī)的相位變化 , 對(duì)人耳的話音聽(tīng)覺(jué)可懂度幾乎沒(méi)有什么影響 , 因此 , 在討論話音短波信道時(shí) , 可僅考慮衰落。 設(shè)已調(diào)發(fā)射信號(hào)為 , 調(diào)制載波頻率為 經(jīng)信道傳輸產(chǎn)生衰落并疊加高斯噪聲后的接收信號(hào)為 S(t) : 式中： 話音短波信道模型可簡(jiǎn)化為圖 所示 圖 音短波信道模型 N(t)的獲得 ， 令 ： 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021 屆本 科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 此時(shí)，對(duì)于： 因此 , 只要能獲得滿足上述三個(gè)條件的 和 , 即可獲得 。 用偽隨機(jī)碼產(chǎn)生器加有限長(zhǎng)單位沖擊脈沖響應(yīng)濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)幅度為準(zhǔn)高斯分布、功率譜為準(zhǔn)高斯型的噪聲調(diào)制器 , 即可得到所需 和 。 的產(chǎn)生與 完全相同 。 高斯調(diào)制器數(shù)字化模型如圖 所示 。 圖 高斯調(diào)制器得數(shù)字化模型 圖中 為序列延時(shí)單元 。 中心極限定理保證了輸出信號(hào)幅度為高斯分布 , 的任意選擇可以使 輸出信號(hào)的功率譜為準(zhǔn)高斯型。 PN 碼產(chǎn)生器可 以采用 序列產(chǎn)生器 , 由時(shí)鐘控制隨機(jī)碼流 的比特率來(lái)調(diào)整衰落速度 用圖 所示的瑞利衰落模型來(lái)得到 V(t) 和 N(t) 。 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021 屆本 科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 為了保證 和 從不相關(guān) ,對(duì) m 序列 1 和 m 序列 2 除了要求它們有良好的自相關(guān)特性外 ,還要求它們之間有良好的互相關(guān)特性 ,因而要選擇互相關(guān)峰值最小的 序列對(duì)。 衰落深度可通過(guò)改變 N(t)的大小來(lái)調(diào)整 。 圖 瑞利衰落分布 在數(shù)字傳輸系統(tǒng)中 , 不僅要考慮衰落對(duì)誤碼率的影響還要考慮多普勒頻移及多徑延遲的影響 , 圖 所示的單音雙路徑信道模型特別適合于串行數(shù)字傳輸?shù)那闆r。 設(shè)輸人信號(hào) 在某一碼元時(shí)間內(nèi) 為 ，經(jīng)信道傳輸后的輸出為： 式中 為固定衰減 本仿真器 模型考慮 了短波信道 的固定衰減 、瑞利衰落、高斯功率譜分布、隨機(jī)相位 、多普勒頻移，多徑延遲和加性白高斯噪聲。這里同樣要求 m 序列 m序列 m 序列 m 序列 4 要有良好的自相關(guān)特性和互相關(guān)峰值最小的互相關(guān)特天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021 屆本 科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 性。其中大部分 電路形式與話音信道仿真器的電路形式完全相同 ,增加了一個(gè)時(shí)延網(wǎng)絡(luò)和一個(gè)頻移網(wǎng)絡(luò)。 圖 單音雙路徑數(shù)字模型 本章小結(jié) 本文中的模型和數(shù)學(xué)公式經(jīng)計(jì)算機(jī)軟件模擬 ,結(jié)果基本滿足短波信道的特性要求。仿真器的硬件設(shè)計(jì)中 ,采用可編程器件 ,由單片機(jī)來(lái)控制有關(guān)器件 ,改變衰落深度、衰落速度 、延時(shí)值、多普勒頻移等參數(shù)值。本