頻率選擇性瑞利衰落信道中自適應(yīng)均衡和信道估計(jì)的性能分析_圖文

1、收稿日期:2009-05-12作者簡介:劉冬生(1969-,男,江西安福人,講師,碩士,主要從事無線局域網(wǎng)協(xié)議和信號處理研究.0引言近年來,移動(dòng)通信和無線網(wǎng)絡(luò)取得很大的發(fā)展。然而,相對于有線信道的穩(wěn)定性和預(yù)測性而言,無線信道具有很大的隨機(jī)性和時(shí)變性。眾所周知,無線通信信道最明顯的特征是多徑衰落效應(yīng)和時(shí)間變化特性1-2,就是存在一條以上的信號傳播路徑,且信道特性隨時(shí)間變化較快,具有明顯的隨參信道特性。多徑衰落效應(yīng)是由于障礙物的折射,散射或反射等原因造成。不同路徑到達(dá)的信號由于行程不同,信號的幅度和時(shí)間延遲將會(huì)不同。對高速無線通信,多徑效應(yīng)可導(dǎo)致信道的頻率選擇性衰落。另外,發(fā)射機(jī),接收機(jī)或者它們之

2、間物體的運(yùn)動(dòng),使得信道的物理性質(zhì)發(fā)生變化,造成信道參數(shù)隨時(shí)間變化(時(shí)域和接收信號頻譜的多普勒(Doppler 擴(kuò)展(頻域,也即無線通信信道具有時(shí)變(時(shí)間選擇性和頻率選擇衰落特性,無線信道的這些特性對接收信號將產(chǎn)生嚴(yán)重失真3。為了得到較好的系統(tǒng)性能,與有線通信相比,無線通信系統(tǒng)一般采用較復(fù)雜的信道編碼、交織、分集和均衡等技術(shù)。因此,研究信道特性及其仿真實(shí)現(xiàn)方法對通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與性能分析具有重要意義。許多學(xué)者對信道特性及信道建模等問題進(jìn)行了大量的研究,取得了較豐富的成果,其中文獻(xiàn)4對信道特性描述、信道建模和信道分析等問題進(jìn)行了較詳細(xì)的說明,而文獻(xiàn)5對信道仿真的理論和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了全面的介紹。本文主

3、要對其中的一種信道模型即頻率選擇性瑞利衰落信道模型進(jìn)行分析與仿真。1頻率選擇性瑞利衰落信道的性能分析1.1瑞利衰落信道簡介在衰落信道的處理數(shù)字通信系統(tǒng)中,可以使用沖激響應(yīng)幅度的統(tǒng)計(jì)特性描述信道,建立信道模型。常用的信道模型有瑞利(Rayleigh 信道和萊斯(Ricean 信道。當(dāng)存在大量路徑,且無直達(dá)路徑時(shí),則接收信號的幅度是瑞利分布的,信道是瑞利信道,其沖激響應(yīng)的包絡(luò)分布滿足如下概率密度分布函數(shù)(pdf 6:f (r =r exp -r 2220r 0r <0(1式中,r 是接收信號振幅,r 2是瞬時(shí)接收功率,22是多徑信號平均功率。其幅度的累積分布函數(shù)(cdf 為:P (R =1-

4、R 22222(2由式(1可推得信號的瞬時(shí)功率服從如下指數(shù)分布:p (r =1exp -r 222(3假定本文給定的接收比特的幅度獨(dú)立于其它比特,且服從瑞利分布。在此基礎(chǔ)上,本文主要考慮頻率選擇性瑞利衰落信道。我們知道,當(dāng)發(fā)射信號的傳輸帶寬大于信道的相干帶寬時(shí),信號中不同頻率分量通過信道所受的信道影響是不同的,這種信道稱為頻率選擇性衰落信道。特別是,當(dāng)數(shù)字信號傳輸速率較高時(shí),頻率選擇性衰落現(xiàn)象尤為突出,并容易引起嚴(yán)重的符號間干擾(ISI 。為了降低頻率選擇性衰落對信號傳輸質(zhì)量的影響,可使信號的帶寬小頻率選擇性瑞利衰落信道中自適應(yīng)均衡和信道估計(jì)的性能分析劉冬生,郭愷強(qiáng),肖曉朋(井岡山大學(xué)信息科學(xué)

5、與傳媒學(xué)院,江西吉安343009摘要在分析頻率選擇性瑞利衰落信道性能的基礎(chǔ)上,對其信道的自適應(yīng)均衡和信道估計(jì)進(jìn)行了仿真測試。仿真結(jié)果表明在分別采用隨機(jī)數(shù)據(jù)和圖片兩種傳輸信號的情況下,結(jié)果均與理論上的分析是一致的,并提出了今后可能改進(jìn)的研究工作。關(guān)鍵詞頻率選擇性衰落信道;自適應(yīng)均衡;信道估計(jì)中圖分類號TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號1673-4718(200906-0046-04第30卷第6期2009年6月井岡山學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)Journal of Jinggangshan University(Science and TechnologyVol.30No.6Jun.2009第30卷第6期于多徑

6、信道的相干帶寬7。1.2頻率選擇性瑞利衰落信道的性能分析為了對頻率選擇性瑞利衰落信道進(jìn)行性能分析,我們首先對其信道沖激響應(yīng)(CIR 進(jìn)行計(jì)算,因?yàn)樵谝粋€(gè)衰落信道中,其有L 個(gè)抽頭的信道沖激響應(yīng)可寫成8:E h軋L 2=i=0L -1E a i 2(4其中,a i 表示沖激響應(yīng)的第i 個(gè)抽頭,在瑞利衰落信道中,有N 個(gè)抽樣本的沖激響應(yīng)h軋的期望值為:E h軋2=N觹E h 2=N (5由文獻(xiàn)1可知,經(jīng)過多普勒擴(kuò)展后,由復(fù)高斯隨機(jī)變量的幅度和多普勒功率譜的方根可得到信號的譜形。令A(yù)軑為頗域中復(fù)高斯隨機(jī)變量的幅度,D 軑為多普勒功率譜的方根。H 軖b 為射頻(RF 信號的譜形。利用對角矩陣,由上述分

7、析可得H 軖b 的表達(dá)式:H 軖b =·D軑(6其中,CN (0,2是一個(gè)對數(shù)矩陣,矩陣中每個(gè)非零元素是一個(gè)復(fù)高斯隨機(jī)變量,且有2=1。故的期望值為:E 2=22I=2I ,I 為單位矩陣。由等式(6,得:E H 軖b 2=E ·D 軑2=22·D 軑2=2D 軑2(7對于h軋b ,可以通過下式來計(jì)算出:h 軋b =F -1H 軖b(8根據(jù)離散傅立葉變換的Parseval 原理,有h 軋N 2=k=0N -1h n2=1N 觹k=0N -1H k 2=1N 觹k=0N -1H 軖N 2,則可得:h軋b 2=1N觹H 軖b 2(9聯(lián)合(7和(9式,得:E h 軋b

8、2=1N 觹E H 軖b 2=2N ·D軑2(10可令h軋=h 軋b ,由等式(5有:E h軋2=E h 軋b 2=2E h 軋b 2=N ,由此得:=N E h軋b 2姨,h 軋=h 軋b =N 姨·h 軋b E h軋b 2姨。最后,由(10式得到:h軋=N 姨·h 軋b2·D 軑2姨(11由于在頻率選擇性衰落信道中故有:E h軋L 2=i=0L -1E a i2=1,且其信道沖激響應(yīng)的每個(gè)抽頭是一個(gè)具有指數(shù)分布的功率時(shí)延圖。因此每個(gè)抽頭的期望值可寫成:E a i 2=·e-i ·T (12其中,T 表示抽樣周期,為時(shí)間常數(shù)。由此得

9、:i=0L -1E a i 2=i=0L -1·e-i ·T=·i=0L -1e-i ·T=1(13進(jìn)一步可得到:a=1i=0L -1e -i ·T(14現(xiàn)在可以通過h i 來求a i ,因?yàn)镋 h軋2=N 且h i 是在N 個(gè)樣本矢量h 軋中的每個(gè)樣本,所以有E h 軋i2=1。由等式(12,最后得:a i =·e-i ·Th i 姨(15由以上計(jì)算和分析可知,對于頻率選擇性衰落信道,接收信號會(huì)出現(xiàn)較大的起伏。具體來說,在短時(shí)間內(nèi)信道會(huì)遭受非常深的衰落,這會(huì)導(dǎo)致非常大的誤碼率,實(shí)質(zhì)上影響了系統(tǒng)總體的平均誤碼率。另外,時(shí)延色

10、散也會(huì)導(dǎo)致符號間干擾,這也將嚴(yán)重影響數(shù)字信號的傳輸,而且,即使時(shí)延擴(kuò)展小于碼元持續(xù)時(shí)間,誤碼率性能也將明顯地降低。因此,為了降低系統(tǒng)平均誤碼率,提高系統(tǒng)的性能,一方面在信號發(fā)射接收中利用編碼和分集技術(shù)來使所有收到的信號在同一時(shí)刻受到深衰落的概率大大減小,另一方面在接收機(jī)中對信號進(jìn)行自適應(yīng)均衡和信道估計(jì)來減小或消除符號間干擾。下面主要對頻率選擇性瑞利衰落信道的自適應(yīng)均衡和信道估計(jì)性能進(jìn)行仿真分析。2頻率選擇性瑞利衰落信道的性能仿真為了對頻率選擇性瑞利衰落信道的性能進(jìn)行分析和比較,本文還考慮另外一種信道:加性白高斯噪聲(AWGN 信道。對于AWGN 信道,是為了滿足在某個(gè)特定的信噪比(SNR 下與

11、其它衰落信道相比,而在信號中直接加入一個(gè)白高斯噪聲。其信道特點(diǎn)是,誤碼率(BER 隨著信噪比的增加呈指數(shù)下降,且信噪比為10dB 時(shí),誤碼率在10-4數(shù)量級以下。另外,系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置如下:載波頻率為1.8G ,每個(gè)信道的帶寬為200kHz ,為了消除由多徑引起的符號間干擾(ISI ,系統(tǒng)引人了循環(huán)前綴CP ,其長度取N CP =8。訓(xùn)練序列為8%。用戶的測試移動(dòng)速度為20km /h ,自適用濾波器的遺忘因子取=0.99。仿真時(shí)使用格雷碼(Gray code 且采用QPSK 調(diào)制方劉冬生,郭愷強(qiáng),肖曉朋:頻率選擇性瑞利衰落信道中自適應(yīng)均衡和信道估計(jì)的性能分析47井岡山學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)第30卷

12、第6期圖4兩種信道中接收的圖像質(zhì)量比較圖2兩種信道的BER 性能比較式,所有均衡和信道估計(jì)均針對信道的相位信息來進(jìn)行估計(jì)的。仿真采用兩種數(shù)據(jù)形式傳輸,即隨機(jī)數(shù)據(jù)和圖片。計(jì)算機(jī)仿真使用MATLAB 仿真軟件,其仿真流程圖如圖1所示。3仿真結(jié)果分析本文在上述基礎(chǔ)上,對頻率選擇性衰落信道和AWGN 信道的誤碼性能、星座圖以及傳輸?shù)膱D像質(zhì)量進(jìn)行了仿真比較,現(xiàn)分別對它們進(jìn)行分析。3.1誤碼率BER由圖2可以看出,在AWGN 信道中,仿真出的誤碼率(BER 非常接近理論上的誤碼率,因?yàn)槠湔`碼率是由白高斯噪聲決定且可以通過提高信噪比來降低誤碼率,信道也不會(huì)遭受深的衰落;而在頻率選擇性衰落信道中,仿真出的誤碼

13、率與AWGN 信道相比誤碼性能下降,這是因?yàn)樵谒ヂ湫诺乐?對于相位信息總存在估計(jì)錯(cuò)誤。從圖還可看出,在低的信噪比時(shí)性能很好,而在高信噪比時(shí)性能下降,這是因?yàn)樵诘托旁氡葧r(shí),是由白高斯噪聲決定誤碼率,而且也可以通過改進(jìn)信噪比來降低誤碼率,但在高信噪比時(shí),是由相位估計(jì)錯(cuò)誤和符號間干擾(ISI 決定誤碼率,而且其也不能簡單的通過改進(jìn)信噪比來降低誤碼率,且估計(jì)錯(cuò)誤會(huì)引起更嚴(yán)重的符號間干擾,由此造成更大的誤碼率。3.2星座圖本文還仿真出在頻率選擇性瑞利衰落信道中的星座圖,并對有信道估計(jì)和均衡與沒有信道估計(jì)和均衡時(shí)作了比較。如圖3所示,畫出了在頻率選擇性衰落信道中信噪比SNR=15dB 時(shí)的星座圖。從圖可以

14、看出,同沒有信道估計(jì)和均衡相比,BER 的性能和星座圖通過信道相位估計(jì)和自適應(yīng)均衡,都得到了很大的提高。3.3接收的圖像質(zhì)量在圖4中,我們仿真出同一圖像在經(jīng)過不同信道時(shí)所接收到的圖像以及與原始圖像質(zhì)量的對比。由圖可知,在AWGN 信道中,接收的圖像在SNR=5dB 時(shí),由于圖像中存在一些隨機(jī)噪聲,影響了圖像的質(zhì)量,但當(dāng)在SNR=10dB 時(shí),接收的圖像質(zhì)量幾乎同原始圖像相當(dāng);在頻率選擇性衰落信道中,畫出了信噪比SNR=15dB 的接收圖像,我們可以看到,在圖像中不但有一些隨機(jī)噪聲和塊噪聲,而且還有圖像的重疊,圖像質(zhì)量嚴(yán)重下降。這是因?yàn)閭鬏斶^程中除了存在白高斯噪聲和在一個(gè)相干時(shí)間內(nèi)存在相位估計(jì)錯(cuò)

15、誤外,在頻率選擇性衰落信道中還存在符號間干擾(ISI 。圖1仿真流程圖圖3頻率選擇性衰落信道的星座圖·隨機(jī)數(shù)據(jù)原始圖像BER 繪圖接收的圖像判決星座圖比較插入導(dǎo)頻格雷編碼數(shù)據(jù)到符號的映射器頻率選擇性衰落信道訓(xùn)練序列均衡器(LMS /RLS 算法··數(shù)據(jù)48第30卷第6期(責(zé)任校對:彭曉冬The Application of Data Mining in the Cigarette CRMOUYANG Xiu-jun 1,LIU Wen 2(1.School of Information Science and Medium ,Jinggangshan Univer

16、sity ,Ji'an 343009,China ;2.Jizhou Audio-visual Equipment Station of Jian ,Jian 343000,China Abstract:The customer information of cigarette marketing is analyzed with the data mining ,and then the potential valuable information can be obtained.Furthermore ,we can improve service level ,continuou

17、siy strive for new customers and help enterprise make correct decision in time.Key words:Data Mining ;Cigarette Marketing ;Customer Relationship Management(上接第42頁4總結(jié)本文對頻率選擇性瑞利衰落信道的性能進(jìn)行了分析,并且通過用隨機(jī)數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)兩種數(shù)據(jù)信號的傳輸來對信道進(jìn)行了仿真測試。從上述分析和仿真可以看出,頻率選擇性瑞利衰落信道由于本身存在符號間干擾,且在進(jìn)行均衡和信道估計(jì)時(shí)存在相位估計(jì)錯(cuò)誤,而且由于相位的估計(jì)錯(cuò)誤會(huì)引起更大的符號間

18、干擾,使得其在誤碼率和傳輸?shù)膱D像受到很大的影響,系統(tǒng)性能下降。這同理論上的分析是一致的。另外本文使用的信道估計(jì)和均衡都是針對信道的相位信息進(jìn)行的,但我們還可以結(jié)合信道的幅度信息來進(jìn)行信道估計(jì)和均衡。所以對于多徑衰落信道,如何更好地進(jìn)行信道的跟蹤和估計(jì),一直是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。參考文獻(xiàn)1Rappaport T S.Wireless Communications :Principles and Practics M.Second Edition.2002.2COST 207Management Committee.COST207:digital land mobileradiocommunicati

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