BFSK信號(hào)在不同信道中傳輸性能的比較

胡逸凡

【摘 要】利用MATLAB提供的可視化工具箱Simulink構(gòu)建加性高斯白噪聲、多徑瑞利衰落和倫琴衰落三種信道傳輸系統(tǒng)。通過(guò)仿真給出了三種系統(tǒng)的誤碼率與信噪比的關(guān)系曲線，結(jié)果證明瑞利衰落信道對(duì)系統(tǒng)的誤碼率性能的影響較大，而且倫琴信道傳輸BFSK信號(hào)性能優(yōu)于瑞利衰落信道。

【關(guān)鍵詞】BFSK；誤比特率；信道

【Abstract】Construct the Additive White Gaussian Noise， Multipath Rayleigh Fading Channel and Multipath Rician Fading Channel transmission system with SIMULINK， a visible tool provided by MATLAB. Throng simulation， the curve about three systems bit error rate and SNR were given. The research result prove that Multipath Rayleigh Fading Channel has larger influence on the systems bit error rate， Multipath Rician Fading Channels performance is better than Multipath Rayleigh Fading Channel on transmission BFSK signal.

【Key words】BPSK； Bit Error Rate； Channel

信道是通信系統(tǒng)不可缺少的部分之一。信道是將來(lái)自發(fā)送端的信號(hào)傳送到接收端的物理媒介，可以分為有線信道和無(wú)線信道。信道的傳輸質(zhì)量影響著信號(hào)的接收和解調(diào)，因此，在對(duì)通信系統(tǒng)性能分析過(guò)程中，信道對(duì)傳輸信號(hào)的影響是一個(gè)不可缺少的環(huán)節(jié)，這種影響表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面信號(hào)在實(shí)際信道中傳輸時(shí)，由于信道特不理想會(huì)引起信號(hào)波形的失真；另一方面信道中存在各種噪聲，會(huì)干擾信號(hào)的傳輸。信道通暢可分為加性高斯白噪聲信道、多徑瑞利衰落信道和倫琴衰落信道等。本文主要對(duì)BFSK（二進(jìn)制移頻鍵控）信號(hào)在這三種信道中的傳輸性能仿真來(lái)進(jìn)行對(duì)比和分析。

1 信道

加性高斯白噪聲（Additive White Gaussian Noise，AWGN）是最常見(jiàn)的一種噪聲，它存在于各種傳輸媒介中，包括有線傳輸信道和無(wú)線傳輸信道。加性高斯白噪聲表現(xiàn)為信號(hào)圍繞平均值的一種隨機(jī)波動(dòng)過(guò)程，其均值為0，方差為噪聲功率的大小。一般情況下，噪聲功率越大，信號(hào)的波動(dòng)幅度越大，接收端接收到的信號(hào)的誤碼率就越高。

多徑瑞利衰落信道（Multipath Rayleigh Fading Channel）是無(wú)線通信系統(tǒng)中一種非常重要的衰落信道類型，在很大程度上影響著系通信統(tǒng)的質(zhì)量。在無(wú)線通信信道中，由于信號(hào)進(jìn)行多徑傳播到達(dá)接收點(diǎn)處的場(chǎng)強(qiáng)來(lái)自不同傳播的路徑，各條路徑延遲時(shí)間是不同的，而各個(gè)方向分量波的疊加，又產(chǎn)生了駐波場(chǎng)強(qiáng)，從而形成信號(hào)快衰落稱為瑞利衰落。瑞利分布是一個(gè)均值為0，方差為σ^2的平穩(wěn)窄帶高斯過(guò)程，其包絡(luò)的一維分布是瑞利分布。

在無(wú)線通信同種中，發(fā)送端和接收端都可能處在不停的運(yùn)動(dòng)中，發(fā)送端和接收端的這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)將產(chǎn)生多普勒頻移。頻移的大小與速度和方向密切相關(guān)，可以計(jì)算為：

f=cosθ=cosθ（1）

其中，v是發(fā)送端和接收端相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，θ是運(yùn)動(dòng)方向和發(fā)送端與接收端連線的夾角，f是載波頻率，λ是載波波長(zhǎng)。

瑞利衰落模型適用于描述建筑物密集的城鎮(zhèn)中心地帶的無(wú)線信道。密集的建筑和其他物體使得無(wú)線設(shè)備的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間沒(méi)有直射路徑，而且使得無(wú)線信號(hào)被衰減、反射、折射、衍射。

倫琴衰落信道（Multipath Rician Fading Channel）形成的場(chǎng)合在于發(fā)送端和接收端之間存在一條占優(yōu)勢(shì)的視距傳播路徑，又有多條反射路徑時(shí)，就需要同時(shí)用倫琴衰落信道和多徑瑞利衰落信道。視距傳播路徑的能量與反射路徑的能量之間的比值K影響倫琴衰落的大小。K因子越大，表示發(fā)送端與接收端的視距傳播路徑的能量越強(qiáng)；當(dāng)K等于0時(shí)，發(fā)送端與接收端不存在視距傳播路徑。

2 BFSK調(diào)制原理

設(shè)信息源發(fā)出的由二進(jìn)制符號(hào)0、1組成的序列，且假定0符號(hào)出現(xiàn)的概率為P，1符號(hào)出現(xiàn)的概率為1-P，它們彼此獨(dú)立。BFSK信號(hào)是0符號(hào)對(duì)應(yīng)于載頻w1，而1符號(hào)對(duì)應(yīng)于載頻w2（與w1不同的另一載頻）的已調(diào)波形，而且w1和w2的改變是瞬間完成的。根據(jù)以上BFSK信號(hào)的產(chǎn)生原理，已調(diào)信號(hào)的數(shù)學(xué)表示為：

s（t）=ag（t-nT）cos（wt+φ）+g（t-nT）cos（wt+θ）（2）

式中g(shù)（t）為單個(gè)矩形脈沖，脈寬為T(mén)s，an是0的概率為P，是1的概率為1-P，是an的反碼，φ、θ分別是第n個(gè)碼元的初相位。

3 BFSK信號(hào)在不同信道下的仿真模型建立

仿真用MATLAB工具箱中的Simulink通信仿真模塊對(duì)BFSK信號(hào)在不同信道中傳輸進(jìn)行建模，圖1、圖2、圖3為仿真模型。

這三個(gè)傳輸模型都是以貝努力二進(jìn)制序列發(fā)生器 （Bernonlli Binary Generator）作為仿真系統(tǒng)的信源，產(chǎn)生二進(jìn)制隨機(jī)信號(hào)。二進(jìn)制頻移鍵控基帶調(diào)制器（BFSK Modulator Baseband）和二進(jìn)制頻移鍵控基帶解調(diào)器（BFSK Demodulator Baseband）完成信息的調(diào)制與解調(diào)。利用加性高斯白噪聲信道（AWGN Channel）模塊，在輸入信號(hào)中加入高斯白噪聲。利用多徑瑞利衰落信道（Multipath Rayleigh Fading Channel）模塊，實(shí)現(xiàn)基帶信號(hào)的多徑瑞利信道仿真。它的輸入信號(hào)是標(biāo)量形式或幀格式的復(fù)信號(hào)，輸入信號(hào)被延遲一定時(shí)間之后形成多徑信號(hào)，這些多徑信號(hào)分別乘以相應(yīng)的增益，迭加之后就形成了瑞利衰落信號(hào)。利用倫琴衰落信道（Rician Fading Channel）模塊對(duì)基帶信號(hào)的倫琴衰落信道進(jìn)行仿真，它的輸入信號(hào)是標(biāo)量形式或幀格式的復(fù)信號(hào)在接收端，解調(diào)后的信號(hào)通過(guò)誤碼率計(jì)算器（Error Rate Calculation）計(jì)算信號(hào)的誤比特率，誤碼率計(jì)算器產(chǎn)生的是一個(gè)三維向量，分別表示誤碼率、誤碼個(gè)數(shù)以及信息總數(shù).因此通過(guò)一個(gè)選擇器（Selector）選擇相量的第一個(gè)元素作為輸出信號(hào)，將這個(gè)輸出信號(hào)送入工作區(qū)（To Workspace）模塊，并且保存為變量誤比特率（BitErrorRate）。

系統(tǒng)中各模塊的主要參數(shù)設(shè)置如表1、表2、表3、表4和表5所示。

5 系統(tǒng)仿真及分析

BFSK信號(hào)在三種不同信道下的仿真圖形如圖4所示。

從圖中可以看出，在三個(gè)信道中BFSK調(diào)制信號(hào)的誤比特率隨著信噪比的增加而降低。對(duì)于相同的信噪比，倫琴信道的誤比特率明顯優(yōu)于多徑瑞利衰落信道。當(dāng)信號(hào)的信噪比低于10dB時(shí)，倫琴信道的誤比特率甚至優(yōu)于只存在加性高斯白噪聲的信道。當(dāng)信噪比等于18dB時(shí)，加性高斯白噪聲信道的誤比特率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于此時(shí)瑞利衰落信道的誤比特率。結(jié)果表明瑞利衰落信道對(duì)系統(tǒng)的誤碼率性能的影響較大，這將會(huì)嚴(yán)重影響通信系統(tǒng)的性能。但是信道衰落又是不可避免的，因此，需要采取各種措施來(lái)提高通信系統(tǒng)的性能。

6 結(jié)論

本文利用MATLAB提供的可視化工具箱Simulink構(gòu)建BFSK信號(hào)在不同信道中的傳輸系統(tǒng)來(lái)研究信道對(duì)BFSK信號(hào)傳輸性能的影響。在給定仿真條件下，驗(yàn)證了瑞利衰落信道對(duì)系統(tǒng)的誤碼率性能的影響較大，而且倫琴信道傳輸BFSK信號(hào)性能優(yōu)于瑞利衰落信道。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]