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摘 要

21世纪是信息时代，在这个信息爆炸、科学技术不断发展蓬勃壮大的当下，无线通信技术也得到了前所未有的激突猛进。在各行各业的通信需求之下，通信技术被视为21世纪最重要的技术之一。近十年来，我们看到了无线通信技术为我们的生活带来的各种便利，2G、3G、4G乃至即将问世的5G技术给整个世界带来了前所未有的巨大转变，我们的生活越来越离不开移动无线通信。

无线通信随着现代科学技术的不断发展变得愈加高端复杂，对移动无线通信过程的仿真与研究便显得尤为重要，本文重点研究了在无线信道中的小尺度衰落，对小尺度衰落中的平坦衰落模型信道物理特性进行了具体分析，同时介绍了其多径延时、多普勒频移以及多径传播等现象。

由于专业的仿真器过于昂贵，本文通过matlab以及FPGA对无线信道进行设计仿真。该无线信道仿真器使用正弦波叠加法进行仿真，并在Bello的假设下用具有WSSUS特性的平坦衰落信道来构建频率选择性信道。仿真结果与实际情况大致相符，实验取得了良好的成果。

关键词：小尺度衰落；平坦信道信道模型；频率选择性信道模型；FPGA

ABSTRACT

The 21st century is the era of information. With the development of science and technology, wireless communication technology has also made unprecedented progress. Communication technology is regarded as one of the most important technologies in the 21st century. In the past decade, we have seen all kinds of conveniences brought by wireless communication technology to our life. 2G, 3G, 4G and even 5g technology coming out soon have brought unprecedented huge changes to the whole world. Our life is increasingly inseparable from wireless communication technology.

At present, with the development of science and technology, communication technology is very complex, so the simulation and research of wireless communication process is particularly important. This paper focuses on the small-scale fading change of the channel which has the greatest impact on the wireless channel reception, analyzes the physical characteristics of the channel, the time selective fading caused by Doppler frequency shift in the channel and the selective channel caused by multipath Sexual decline.

Because the professional emulator is too expensive, this paper designs and simulates the wireless channel by MATLAB and FPGA. The wireless channel uses the sine wave superposition method for simulation, and uses the flat fading channel with WSSUS characteristics to construct the frequency selective channel under the assumption of Bello. The results are roughly consistent with the actual situation, and the experiment has achieved good results.

Keywords: small scale fading; flat channel model; frequency selective channel model; FPGA

目录

第一章 引言1

1.1课题研究背景1

1.2 国内外研究现状1

1.3 本文主要内容及工作1

第二章 无线信道物理特性及数学模型3

2.1无线信道3

2.2小尺度衰落4

2.3小尺度衰落数学模型5

2.3.1多径传播5

2.3.2多普勒频移6

2.3.3多径时延7

2.4本章小结8

第三章 无线信道仿真模型9

3.1 WSSUS假设9

3.2平坦衰落信道模型9

3.3 Clarke信道模型10

3.4基于正弦波叠加法的信道仿真模型11

3.5 Jakes模型Matlab仿真12

3.5.1 Jakes模型Matlab仿真代码13

3.5.2 Jakes模型Matlab仿真结果17

3.6 本章总结18

第四章 无线通信信道的FPGA仿真19

4.1改进型Jakes模型19

4.2改进型Jakes模型Matlab仿真19

4.2.1改进型Jakes模型Matlab仿真代码19

4.2.2改进型Jakes模型Matlab仿真结果25

第五章 设计工作总结与展望26

参考文献27

致谢28

1. 引言

1.1课题研究背景

无线通信系统的运作，简而言之就是由发送端到接收端的一种数据传输，这种数据传输通过无线电波来完成，在发送端与接收端之间我们可以看作有一条无形的通路，这条通路我们称之为无线信道。现如今，无线通信技术得到了快速发展，对无线信道的研究探讨可谓是极其重要。

目前，对于无线信道的仿真研究，主要基于确定性过程的处理，通过形成有效信道仿真器的基础，来分析各种随机信道模型以及平坦衰落信道抑或是频率选择性信道的各种物理特性，从而开发出更精确、效率更高的无线信道仿真器。

进行无线信道仿真实验时，通常会采用以下两种方式：一是在pc机上进行纯软件仿真，二是通过采购信道仿真仪器进行实物仿真。前者由于纯软件优势较为灵活，可以模拟多种环境下的信道传输效率，但由于其并非专业仿真设备，故其仿真效率低，仿真时间长，许多信道性能也无法进行仿真验证。而专业的信道仿真仪器价格过于昂贵，故在此我们引进了FPGA仿真模块，基于FPGA仿真模块的信道仿真器十分简便且适用于实际仿真。

1.2国内外研究现状

目前的研究将信道模型分为了三类：大尺度衰落模型、中尺度衰落模型以及小尺度衰落模型^[1]。其中小尺度衰落模型的仿真主要用于对接收端设备的性能测试，我们把信道分为平坦衰落信道以及频率选择性信道。其中属于小尺度衰落范畴的Clarke统计模型是在平坦衰落信道的建模中最常用的模型。同时由于频率选择性信道的仿真则比较复杂，我们通常采用具有WSSUS特性的平坦衰落信道来进行频率选择性信道的构建。

我们对平坦衰落信道的仿真通常采用成形滤波法和正弦波叠加法，前者仿真效果较好，但其运算量较大，后者复杂度低从而更适合用于FPGA仿真。当前已有许多种计算仿真模型主要参数的方法。例如莱斯法、等距法和均方误差法等，它们具有相邻离散多普勒频率之间的距离相等的特点^[2]。

1.3本文主要内容及工作

本文主要研究了小尺度衰落的各种信道物理特性以及多径传播、多普勒频移等实际现象，并对平坦衰落信道模型进行了matlab仿真研究与实现，同时导入FPGA仿真模块用于实现频率选择性信道仿真器。

1. 无线信道物理特性及数学模型

本次实现的是平坦衰落信道以及频率选择性信道的仿真，故仅讨论研究小尺度衰落，衰落信道由于多径效应和多普勒频移等因素的干扰，其信道传播特新较为复杂，本章节对无线信道的传播特性进行了介绍说明，并对小尺度衰落的特性与仿真数学模型进行了研究实现。

2.1无线信道

无线信道是对无线通信中发送端与接收端间通路的一种形象比喻，在无线通信过程中，信道的环境则会随着空气环境、地貌环境、地形因素的改变而有所不同。一般来说通信信道的环境随时都在不断地改变，这种环境因素对通信效率的影响相比有线通信更为复杂。而这些环境因素所造成的影响通常分为以下四大类：

①阴影效应：在移动无线通信中，接收方在运动的情况下，从发射方发出的电波会受到周围环境物体的阻挡，从而产生电磁场阴影，同时会导致接收方电磁波场强发生不断地变化，这种变化称之为阴影效应。

②多径效应：在实际无线通信传播中，发送方与接收方所处环境大不相同，不同的发送接收路径、介质也大不一样，无线电波在多变的环境中传播会发生大量的折射反射，这就会导致无线电波从发送方到达接收方的路径以及到达时间会有所不同，不同路径时间的电波则会产生叠加，导致接收到的信号相位幅度都有很大程度的失真甚至产生错误，这就是多径效应。

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