同頻同調制信號的瑞利信道系統仿真設計

彭秋明+譚北海+李衛(wèi)軍+趙龍

摘 要： 為了解決通信系統仿真模型的不完備性，利用Matlab的組件Simulink搭建了一套模擬信號的傳輸、接收、分離的接收機通信仿真模型。該模型以同頻同調制信號為信源，選取多徑瑞利衰落信道模擬仿真實際接收機的工作流程，并且包括信源模塊、調制解調模塊、信道模塊、模擬接收模塊、采樣濾波模塊、信號分離模塊等。此外，系統測試了瑞利信道的路徑增益對信號盲分離的影響，仿真結果表明信道增益越大，信號越集中，分離效果也相對較好。因此，該仿真系統可以與硬件系統原型相結合，為測試信號提供功能驗證，為實際接收機系統運行環(huán)境提供參考建議。

關鍵詞： Simulink； 瑞利信道； 仿真模型； 盲分離； 系統仿真； 模擬信號

中圖分類號： TN914.3?34； TP391.9 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）05?0010?04

Abstract： To eliminate the incompleteness of the communication simulation model， the Simulink of Matlab software is used to establish a receiver communication simulation model for signal transmission， receiving and separation. Taking the signals with same carrier frequency and modulation as the signal source of the model， the multipath Rayleigh fading channel is selected to simulate the actual working process of the receiver. The model includes signal source module， modem module， channel module， simulation receiving module， sampling filtering module and signal separation module. The influence of Rayleigh channel′s path gain on signal blind separation was tested in the system. The simulation results show that the separation effect is relatively better with the increase of the channel gain and concentration of the signal. Therefore， the combination of the simulation system and hardware system prototype can provide the functional verification for testing signals and a reference for the operating environment of the actual receiver system.

Keywords： Simulink； Rayleigh channel； simulation model； blind separation； system simulation； analog signal

0 引 言

對于通信系統的分析，結合計算機輔助技術，基本上可分為三種研究方法：第一種是基于理論分析的解析方法，如利用計算機對復雜的系統性能評估公式進行數值計算等。這種方法對簡單的系統分析還行，對結構復雜的系統則很困難。第二種是結合通信系統硬件原型和測試設備的計算機輔助仿真方法，一般應用于原型系統實現的中后期和原型系統調試中。這種方法成本較高，時間長，必須在原型實現后進行，故不能用于系統方案設計階段。第三種是基于純軟件的仿真方法，搭建系統模型，利用軟件仿真通信系統的各部分性能[1]。這種方法能對所有設計細節(jié)進行分層次建模，仿真結果更精細，更接近實際系統運行情況，因此受到業(yè)界青睞。

利用Matlab仿真軟件，人們可以實現通信系統的仿真測試，得到許多評估數據。然而，以往的研究只是針對通信系統的某個或某幾個模塊進行建模仿真，并沒有完備的一整套仿真流程，達不到整體分析的效果。此外，之前對同頻信號分離的仿真，選取的源信號的類型大多是差距較大的信號，沒有有效地模擬實際情況。

因此，本文基于Simulink搭建了瑞利信道下的通信系統仿真模型。該模型以伯努利二進制信號作為信源，信道模塊選用瑞利多徑信道，用2ASK調制方式調制，脈沖采樣進行模擬采樣濾波，最后用復數盲分離算法分離信號。與以往不同，本文采用同頻同調制信號，給出從信源到信號分離的一整套仿真流程。在信道方面，研究測試了多徑信道的路徑增益對盲分離的影響，并且在各個模塊都提供波形、頻譜等仿真結果，便于分析評估。

1 系統仿真模型的建立

1.1 信 源

本系統模擬兩路同頻信號的傳輸過程，信源選取的是伯努利二進制信號。在Simulink中，選取伯努利二進制信號產生器生成符合伯努利分布的隨機信號，即產生的二進制序列中0和1滿足伯努利分布[2?3]：

式（1）表示生成0的概率為生成1的概率為。在伯努利二進制信號產生器中，生成0的概率由參數“Probability of a zero”控制，其值介于0～1之間的某個實數。仿真所用的伯努利二進制產生器及設置的參數如圖1所示。endprint

1.2 調制解調

調制方式有很多種，本系統使用2ASK調制和相干解調。2ASK調制技術是通過改變載波信號的幅值來表示二進制0或1的。載波根據0，1信息只改變其振幅，而頻率和相位保持不變[4?5]。簡單地說，就是信源和一個載波信號（一般使用正弦信號）相乘。

解調一般包括包絡解調法和相干解調法[6]，本系統使用相干解調。相干解調利用乘法器將相干信號（與調制所用載波信號同頻同相）與接收到的信號相乘，然后用低通濾波器濾掉高頻信號，再用判決器判決一下即可恢復信號。

1.3 瑞利信道

瑞利衰落信道（Rayleigh Fading Channel）是一種無線電信號傳播環(huán)境的統計模型，這種模型假設信號通過無線信道后，其信號幅度是隨機的，即“衰落”，并且其包絡服從瑞利分布。這種信道模型能夠描述由電離層和對流層反射的短波信道，以及建筑物密集的城市環(huán)境。瑞利衰落只適用于從發(fā)射機到接收機不存在直射信號（Line of Sight，LoS）的情況，否則，應使用萊斯衰落信道作為信道模型[7?8]。

在Simulink中，多徑瑞利衰落信道模塊（Multipath Rayleigh Fading Channel）實現基帶信號的多徑衰落信道仿真，它的輸入信號是標量形式或幀格式的復信號。多徑瑞利衰落信道模塊及其參數設置對話框如圖2所示。

在圖2中，輸入信號被延遲一定的時間后形成多徑信號，這些多徑信號分別與相應的增益相乘，疊加之后就形成了瑞利衰落信號[9]。

1.4 信號接收

為了模擬實際天線接收，在仿真中將經過信道后的兩路信號乘以不同系數進行疊加，模擬天線接收的兩路混合信號，為后續(xù)采樣濾波仿真提供輸入。

1.5 采樣濾波

由于瑞利信道出來的信號是復信號，Simulink中的模擬濾波器不能直接對復信號濾波，因此，將復信號分成實部和虛部同時進行一樣的濾波和采樣處理，結束之后再將它們合成復信號，如圖3所示。

在Simulink中，使用脈沖采樣模擬實際采樣[1，10?11]，通過設置“Pulse Generator”模塊的周期來設置采樣頻率。由圖3可知，采樣前需要一個低通濾波器，其作用是過濾高頻信號，防止頻率混淆。采樣后的低通濾波器一般設置成與前一個濾波器一樣即可，主要是濾除采樣過程中產生的擴頻、恢復信號。

1.6 信號分離

本系統的信號分離并未將信號完全分離出源信號形式，而是以經過瑞利信道后的兩路信號作為輸入信號，將混疊后的信號分離出來。因為沒有進行盲解卷，只是應用復數盲分離方法，相當于線性混疊分離。

本文中考慮的是兩個獨立復信號情形，它們有獨立的同相和正交分量[12]。根據線性混疊盲分離模型，有：

式中：是混疊矩陣；是源信號；是混合信號。由于只考慮兩個信號，式（2）可寫成：

本文信號的混合過程在Simulink中完成，設置了4個參數作為混疊矩陣，為了方便，將參數歸一化，第一行為1，只設置第二行的兩個參數。因為混合信號是復信號，因此式（3）可寫為：

式中下標分別表示變量的實部和虛部。經盲分離算法恢復的分離信號表示為：

式中：是分離矩陣，由算法計算而來；是混合信號。對于矩陣的一些要求，可參考Thaiupathump的證明[13]。

2 仿真結果分析

信源信號及調制過程的仿真結果如圖4所示，本文的載波信號選用正弦信號，其幅值為1，頻率為300 kHz，初始相位為0。載波信號的形式為：

從圖4可知，信源已經按照2ASK調制方式正確調制。這里，調制信號用載波信號的形式和0分別表示信源信號的1和0。

如圖5所示，模擬了采樣定理，采樣之后信號頻譜出現了周期延拓，只要保證延拓的周期不產生重疊，就可以通過低通濾波器濾除延拓的頻譜，無失真地將信號恢復。

最后就是將混疊的同頻信號分離出來，因為通過瑞利信道后信號是復信號，所以使用復數盲分離算法將信號分離出來。為了研究瑞利信道的路徑增益對信號分離效果的影響，分別對不同增益下的瑞利信道的信號進行分離測試，圖6～圖8分別對應瑞利信道增益為[0，3]，[0，10]，[0，17]的分離效果圖。

3 結 語

本文以兩路同類型的同頻同調制信號作為信源，基于Simulink搭建了一套完備的通信系統仿真模型，選用瑞利多徑衰落信道，在采樣濾波等模塊模擬實際的通信處理，給出了仿真結果。在復信號的采樣濾波過程中，對復信號的實部和虛部分別以同樣方式進行采樣，然后再合成復信號，仿真結果表明這種方式能模擬實際的采樣濾波處理。此外，本文還測試了瑞利信道的路徑增益參數對后續(xù)信號盲分離的影響，結果表明，瑞利信道增益越大，信號越集中，分離結果也相對較好。因此，可適當提高信道環(huán)境的增益以提高抗干擾性?？傮w來說，本文系統有效地模擬了接收機接收處理信號的流程，在仿真過程中研究瑞利信道參數對信號盲分離的影響，為接收機的實際研究提供了參考，在某種意義上節(jié)約了研究成本。

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