通信系统仿真CH6-通信信道建模与仿真

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1、通信系统仿真第六讲通信信道建模与仿真通信信道是指发射机与接收机之间的物理介质，包括有线信道和无线信道。有线信道主要包括双绞线、同轴电缆、光纤等。所有实际信道都会引入某些失真、噪声和干扰，需要通过调制、编码和均衡等技术来抵消或部分抵消信道的失真和干扰。因此，在通信系统设计的初始阶段，建立合理的信道模型并进行仿真是必需的。有线信道建模与仿真有线信道模型相对简单，往往是非时变和线性的，可基于物理原理分析推导出解析模型。双绞线信道：RLC电路模型建模，也可转换为传递函数模型。同轴电缆信道：电缆制造商提供电缆传输线路模型的阻抗特性，从这些

2、数据中可推导出传递函数模型。光纤信道光脉冲沿光纤传播，会逐渐产生损耗和失真。失真主要是色散引起的。光纤色散有四种：多模色散、结构色散（或波导色散）、材料色散和偏振色散。单模光纤没有多模色散，材料色散和波导色散是主要的，制造良好的单模光纤，偏振色散较小，在四项色散中最小。多模光纤的多模色散和材料色散是主要的。损耗主要是光能量的吸收损耗、散射损耗及辐射损耗。吸收损耗和散射损耗是光纤材料固有的，其中，散射损耗与光纤材料及光波导中的结构缺陷、非线性效应有关。辐射损耗则是与光纤几何形状的扰动相联系。光纤基带传输函数近似表示为：式中，S(λ)

3、为光源的频谱，是波长的函数；L(λ)为光纤损耗，也是波长的函数；τ(λ)为单位长度群时延，l为光纤长度；为多模色散传输函数，σ为均方根脉冲展宽，td为光纤时延。对于单模光纤，没有多模色散效应，则有：广泛用于光纤通信系统的半导体光源有两种：发光二极管(LED)和激光二极管(LD)。半导体激光包络和LED光谱一般建模为归一化的高斯函数：式中，σs为光谱宽度的均方根值，λs为光源的中心波长。光纤损耗一般建模为：α(λ)为光纤损耗因子，单位为dBm/km,l为用km表示的光纤长度。色散系数d(λ)为群时延的导数：石英玻璃光纤色散和群时延可

4、近似表示为：光放大器噪声模型无论在海缆还是在陆缆系统中，光放大器都是重要器件，一般每隔一段光纤，都会放置一个光放大器。光放大器在放大信号的同时会把自发发射噪声叠加到光信号上，使被放大光信号的信噪比下降。信号在被放大的同时，这种自发发射光也与信号一起被放大，称为放大的自发发射(ASE)，其频带很宽，可占据整个增益带宽。ASE噪声的理论模型主要有三种：非对称的chi-square统计模型非对称的高斯模型对称高斯模型无线信道建模与仿真移动无线信道是时变和衰落信道，很难精确地进行描述。例如，对于公共无线通信系统，可能会涉及从城市到丘陵各种

5、地形环境，以及各种气候条件。两种方法建模：建立原型系统，并进行野外测试，这种方式非常昂贵，不适合系统设计初期，只适用于运营商在进行建网和参数调整阶段。结合经验模型与物理原理分析建模。无线信道传播特性无线电波在自由空间传播时，信道只是简单的衰减信号，不会发生波形失真。现实环境中，无线电波传播的空间环境复杂得多，从简单的视距传输，到各种复杂的地物，如建筑物、山脉和树叶、以及电离层和对流层等。无线电波传播具有很强的随机性，影响的因素主要包括：信号的频率和带宽，移动台的运动速度、天线类型与特性，发射天线与接收天线之间的地形环境（乡村、城市

6、、室内、室外等），以及气候条件（纯净空气、雨、雾灯）。电磁波传输方式：反射绕射散射大多数蜂窝移动通信系统运营在城市，发射机与接收机之间一般没有直射路径，高层建筑导致严重的绕射损耗。不同物体的多路径反射，经过不同路径传送的信号会有不同的衰减和延时，这些多径成分被接收机向量合并。两种衰落：路径的长度或几何形状因传输媒质的改变或天线的相对移动而发生了变化，信号可能会产生很大的波动，这称为小尺度衰落或多径衰落。发射机与接收机之间距离不断增加而引起的电磁波强度衰减，称为阴影衰落或大尺度衰落。阴影衰落是平均信号功率的一种衰减，很容易由发射端和

7、接收端之间突出的地表状态（山脉、建筑物）而引发。可以从路径损耗和平均值的统计变化来描述阴影衰落。由于阴影衰落很慢，因此可以看成静态的。小尺度衰落移动台在极小范围内（与波长相当）移动时，可能会引起瞬时场强的快速波动。小尺度衰落效应是由无线信道的多径产生的，入射波具有不同的传播时延，具有随机分布的幅度、相位和入射角度，这些多径成分被接收机向量合并，从而使接收信号产生衰落失真。多径分为视距路径和非视距路径。视距路径是指接收机与发射机之间的直线路径。非视距路径是指经过反射到达的路径。多径衰落分为两类：多径信号的路径较少，数量有限，这样信道

8、模型只有有限条路径，称为离散多径信道。（农村的小山、房屋及建筑物的反射产生）多径信号的路径由大量不可分解的反射产生，这种信号由一系列连续的密不可分的多径部分组成，信道模型称为弥散多径信道。（主要发生在山区或人口稠密的城市）实际测量的信道可能既包含离