基于萊斯無線衰落信道的教學演示平臺設計

虞湘賓 劉巖 陳小敏 朱秋明

南京航空航天大學電子信息工程學院 , 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距離無線電通信，直到20世紀80年代誕生了第一代移動通信系統。移動通信是當今通信領域最具有活力，最具有發展前途的一種通信方式[1]。無線信道是對無線通信中從發送端到接收端信號傳輸介質的一種描述，相比于有線通信，它的代價是犧牲了全封閉的人造信道的優點，換取了無需采用固體傳輸介質的靈活性，但是信道的開放性必然引起信道的時變性和隨機性，從而大大降低了通信的容量和質量。在無線信道條件下，信號要經歷多條傳播路徑到達接收端，多徑效應造成不同相位的信號會產生疊加，接收信號受到嚴重干擾，同時還有來自信道環境的影響，因此，研究無線衰落信道具有重要的意義。本文主要研究萊斯無線衰落信道模型及其衰落特點，并利用Matlab及其自帶的圖形用戶界面（GUI）開發環境，設計制作了一個友好的人機界面，使學生能夠直觀形象地理解無線衰落信道模型的特點。

1 系統模型和信道模型

1.1 數字基帶系統模型

目前，雖然數字基帶傳輸不如帶通傳輸那樣得到廣泛的應用，但是作為通信系統的重要模型之一，對于基帶系統的研究也有著較好的理論意義。尤其，隨著移動通信快速發展和廣泛應用，研究各種無線衰落信道對數字基帶系統的影響，將為移動通信系統設計提供較好的理論依據，也將成為研究熱點之一，數字基帶系統模型如圖1所示。

數字基帶系統中星座映射環節的作用是將發送端產生的比特流映射成符號，脈沖成型的功能是產生適合于信道傳輸的基帶信號波形。信道是允許基帶信號通過的媒質，這里考慮的信道為無線衰落信道，如萊斯信道，Nakagami衰落信道，瑞利信道等。另外，信道還會引入加性白高斯噪聲。其中的匹配濾波是用來接收信號，并盡可能的濾除信道噪聲和其它干擾，對信道進行均衡，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恢復和再生基帶信號，解映射后便可獲得比特信息。

圖1 數字基帶系統模型

1.2 萊斯衰落模型

移動通信中的信號傳播一般可歸結為反射、繞射、散射三種基本的傳播方式，由于無線信道的復雜性及時變性，信號通過無線信道時會經歷不同形式的衰落[2]。在實際的通信環境中，衰落形式包括：瑞利衰落，萊斯衰落，Nakagami衰落等。在無線信道中，萊斯分布是一種最常見的用于描述接收信號包絡統計時變特性的分布類型。其中萊斯因子是反應信道質量的重要參數，在計算信道質量和鏈路預算、移動臺移動速度以及測向性能分析等都發揮著重要的作用。在信號的傳輸過程中由于多徑效應和多普勒效應[3]的存在，使得接收信號除了存在直射分量外，還包括多徑分量，信號的包絡 服從萊斯分布，萊斯分布的概率密度函數[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。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K=0時，表示沒有直射分量，接收到的信號的包絡a(t)由萊斯分布轉變為瑞利分布，其概率密度函數為：

所以，瑞利分布是萊斯分布的一個特例；萊斯分布是瑞利分布的一個擴展。

2 基于GUI演示平臺的設計與實現

2.1 總體設計方案

首先通過matlab軟件完成對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。并通過GUI開發環境設計一個友好的可視化圖形界面，用戶通過設置信噪比、陰影衰落等系統參數，即可觀察到相應的輸出波形。具體實現的系統框圖如圖2所示。

圖2 仿真平臺系統框圖

該圖是基于2.2節中提出的萊斯無線信道模型而設計，希望達到能夠仿真信道自身特性，依據獲得信道對傳輸信號的影響等目的。為此，加入了調制信號通過無線信道的環節，通過觀察信號通過信道前后的變化，可以直觀地了解信道衰落對信號的影響。本文采用較為常見的多進制相位調制(MPSK)進行性能評估，而在衰落信道模型上可以展示無衰落、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性能。

2.2 界面實現

基于Matlab仿真，采用其自帶的圖形用戶界面，本文將設計一種萊斯信道仿真演示平臺。利用面向對象技術，將系統比較復雜和主要的兩個部分信道模型及誤碼率函數封裝成對象函數，通過GUI組件搭建出具有友好人機界面的無線衰落信道系統演示平臺，該平臺包含理論仿真演示、軟件仿真演示等。

圖3 系統演示界面

所構建的仿真平臺如圖3所示。該仿真平臺界面友好、直觀、操作簡單、方便，具有良好的可擴展性。

3 仿真結果

這一節，我們給出系統在萊斯信道下誤比特性能仿真結果，如圖4所示。圖4的仿真參數設置如下：調制方式為4PSK，萊斯因子K分別為0，1和2。特殊地，K=0時對應于瑞利分布。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，系統誤比特率性能變得越來越好。即K=2時性能要好于K=1時性能，同樣，K=1時性能要好于K=0時性能，這與已有知識也是一致的。

圖4 系統誤碼率

同時，結合圖5的信道分布規律：當萊斯因子時該分布退化為Rayleigh分布，當K=1和2時，萊斯分布趨向于沖積函數。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，系統性能越好。

圖5 信道分布曲線

5 結束語

本文基于Matlab仿真及其GUI實現，設計了一種適用于移動通信系統中萊斯無線信道仿真及其GUI軟件演示平臺。該平臺能以交互的方式對無線信道進行仿真和演示，將結果以直觀圖形和數據的方式展現，使學生能夠更好地理解無線衰落信道特性，以及移動通信經歷衰落信道時受衰落情況；同時由于Matlab編程的可擴展性，該無線信道仿真系統還可以不斷完善和擴充，與移動通信系統其它模塊相鏈接，組成完整的無線移動通信系統。

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

[2]劉坤, 劉國芳, 歐陽海波. 移動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.