彭秋明+譚北海+李衛(wèi)軍+趙龍

摘 要： 為了解決通信系統(tǒng)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(hào)的傳輸、接收、分離的接收機(jī)通信仿真模型。該模型以同頻同調(diào)制信號(hào)為信源，選取多徑瑞利衰落信道模擬仿真實(shí)際接收機(jī)的工作流程，并且包括信源模塊、調(diào)制解調(diào)模塊、信道模塊、模擬接收模塊、采樣濾波模塊、信號(hào)分離模塊等。此外，系統(tǒng)測(cè)試了瑞利信道的路徑增益對(duì)信號(hào)盲分離的影響，仿真結(jié)果表明信道增益越大，信號(hào)越集中，分離效果也相對(duì)較好。因此，該仿真系統(tǒng)可以與硬件系統(tǒng)原型相結(jié)合，為測(cè)試信號(hào)提供功能驗(yàn)證，為實(shí)際接收機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境提供參考建議。

關(guān)鍵詞： Simulink； 瑞利信道； 仿真模型； 盲分離； 系統(tǒng)仿真； 模擬信號(hào)

中圖分類號(hào)： TN914.3?34； TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(duì)于通信系統(tǒng)的分析，結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，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(jì)算機(jī)對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)性能評(píng)估公式進(jìn)行數(shù)值計(jì)算等。這種方法對(duì)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)分析還行，對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)則很困難。第二種是結(jié)合通信系統(tǒng)硬件原型和測(cè)試設(shè)備的計(jì)算機(jī)輔助仿真方法，一般應(yīng)用于原型系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的中后期和原型系統(tǒng)調(diào)試中。這種方法成本較高，時(shí)間長(zhǎng)，必須在原型實(shí)現(xiàn)后進(jìn)行，故不能用于系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)階段。第三種是基于純軟件的仿真方法，搭建系統(tǒng)模型，利用軟件仿真通信系統(tǒng)的各部分性能[1]。這種方法能對(duì)所有設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)進(jìn)行分層次建模，仿真結(jié)果更精細(xì)，更接近實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行情況，因此受到業(yè)界青睞。

利用Matlab仿真軟件，人們可以實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的仿真測(cè)試，得到許多評(píng)估數(shù)據(jù)。然而，以往的研究只是針對(duì)通信系統(tǒng)的某個(gè)或某幾個(gè)模塊進(jìn)行建模仿真，并沒(méi)有完備的一整套仿真流程，達(dá)不到整體分析的效果。此外，之前對(duì)同頻信號(hào)分離的仿真，選取的源信號(hào)的類型大多是差距較大的信號(hào)，沒(méi)有有效地模擬實(shí)際情況。

因此，本文基于Simulink搭建了瑞利信道下的通信系統(tǒng)仿真模型。該模型以伯努利二進(jìn)制信號(hào)作為信源，信道模塊選用瑞利多徑信道，用2ASK調(diào)制方式調(diào)制，脈沖采樣進(jìn)行模擬采樣濾波，最后用復(fù)數(shù)盲分離算法分離信號(hào)。與以往不同，本文采用同頻同調(diào)制信號(hào)，給出從信源到信號(hào)分離的一整套仿真流程。在信道方面，研究測(cè)試了多徑信道的路徑增益對(duì)盲分離的影響，并且在各個(gè)模塊都提供波形、頻譜等仿真結(jié)果，便于分析評(píng)估。

1 系統(tǒng)仿真模型的建立

1.1 信 源

本系統(tǒng)模擬兩路同頻信號(hào)的傳輸過(guò)程，信源選取的是伯努利二進(jìn)制信號(hào)。在Simulink中，選取伯努利二進(jìn)制信號(hào)產(chǎn)生器生成符合伯努利分布的隨機(jī)信號(hào)，即產(chǎn)生的二進(jìn)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(jìn)制信號(hào)產(chǎn)生器中，生成0的概率由參數(shù)“Probability of a zero”控制，其值介于0～1之間的某個(gè)實(shí)數(shù)。仿真所用的伯努利二進(jìn)制產(chǎn)生器及設(shè)置的參數(shù)如圖1所示。endprint

1.2 調(diào)制解調(diào)

調(diào)制方式有很多種，本系統(tǒng)使用2ASK調(diào)制和相干解調(diào)。2ASK調(diào)制技術(shù)是通過(guò)改變載波信號(hào)的幅值來(lái)表示二進(jìn)制0或1的。載波根據(jù)0，1信息只改變其振幅，而頻率和相位保持不變[4?5]。簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是信源和一個(gè)載波信號(hào)（一般使用正弦信號(hào)）相乘。

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

1.3 瑞利信道

瑞利衰落信道（Rayleigh Fading Channel）是一種無(wú)線電信號(hào)傳播環(huán)境的統(tǒng)計(jì)模型，這種模型假設(shè)信號(hào)通過(guò)無(wú)線信道后，其信號(hào)幅度是隨機(jī)的，即“衰落”，并且其包絡(luò)服從瑞利分布。這種信道模型能夠描述由電離層和對(duì)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(jī)到接收機(jī)不存在直射信號(hào)（Line of Sight，LoS）的情況，否則，應(yīng)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(shí)現(xiàn)基帶信號(hào)的多徑衰落信道仿真，它的輸入信號(hào)是標(biāo)量形式或幀格式的復(fù)信號(hào)。多徑瑞利衰落信道模塊及其參數(shù)設(shè)置對(duì)話框如圖2所示。

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

1.4 信號(hào)接收

為了模擬實(shí)際天線接收，在仿真中將經(jīng)過(guò)信道后的兩路信號(hào)乘以不同系數(shù)進(jìn)行疊加，模擬天線接收的兩路混合信號(hào)，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(lái)的信號(hào)是復(fù)信號(hào)，Simulink中的模擬濾波器不能直接對(duì)復(fù)信號(hào)濾波，因此，將復(fù)信號(hào)分成實(shí)部和虛部同時(shí)進(jìn)行一樣的濾波和采樣處理，結(jié)束之后再將它們合成復(fù)信號(hào)，如圖3所示。

在Simulink中，使用脈沖采樣模擬實(shí)際采樣[1，10?11]，通過(guò)設(shè)置“Pulse Generator”模塊的周期來(lái)設(shè)置采樣頻率。由圖3可知，采樣前需要一個(gè)低通濾波器，其作用是過(guò)濾高頻信號(hào)，防止頻率混淆。采樣后的低通濾波器一般設(shè)置成與前一個(gè)濾波器一樣即可，主要是濾除采樣過(guò)程中產(chǎn)生的擴(kuò)頻、恢復(fù)信號(hào)。

1.6 信號(hào)分離

本系統(tǒng)的信號(hào)分離并未將信號(hào)完全分離出源信號(hào)形式，而是以經(jīng)過(guò)瑞利信道后的兩路信號(hào)作為輸入信號(hào)，將混疊后的信號(hào)分離出來(lái)。因?yàn)闆](méi)有進(jìn)行盲解卷，只是應(yīng)用復(fù)數(shù)盲分離方法，相當(dāng)于線性混疊分離。

本文中考慮的是兩個(gè)獨(dú)立復(fù)信號(hào)情形，它們有獨(dú)立的同相和正交分量[12]。根據(jù)線性混疊盲分離模型，有：

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

本文信號(hào)的混合過(guò)程在Simulink中完成，設(shè)置了4個(gè)參數(shù)作為混疊矩陣，為了方便，將參數(shù)歸一化，第一行為1，只設(shè)置第二行的兩個(gè)參數(shù)。因?yàn)榛旌闲盘?hào)是復(fù)信號(hào)，因此式（3）可寫為：

式中下標(biāo)分別表示變量的實(shí)部和虛部。經(jīng)盲分離算法恢復(fù)的分離信號(hào)表示為：

式中：是分離矩陣，由算法計(jì)算而來(lái)；是混合信號(hào)。對(duì)于矩陣的一些要求，可參考Thaiupathump的證明[13]。

2 仿真結(jié)果分析

信源信號(hào)及調(diào)制過(guò)程的仿真結(jié)果如圖4所示，本文的載波信號(hào)選用正弦信號(hào)，其幅值為1，頻率為300 kHz，初始相位為0。載波信號(hào)的形式為：

從圖4可知，信源已經(jīng)按照2ASK調(diào)制方式正確調(diào)制。這里，調(diào)制信號(hào)用載波信號(hào)的形式和0分別表示信源信號(hào)的1和0。

如圖5所示，模擬了采樣定理，采樣之后信號(hào)頻譜出現(xiàn)了周期延拓，只要保證延拓的周期不產(chǎn)生重疊，就可以通過(guò)低通濾波器濾除延拓的頻譜，無(wú)失真地將信號(hào)恢復(fù)。

最后就是將混疊的同頻信號(hào)分離出來(lái)，因?yàn)橥ㄟ^(guò)瑞利信道后信號(hào)是復(fù)信號(hào)，所以使用復(fù)數(shù)盲分離算法將信號(hào)分離出來(lái)。為了研究瑞利信道的路徑增益對(duì)信號(hào)分離效果的影響，分別對(duì)不同增益下的瑞利信道的信號(hào)進(jìn)行分離測(cè)試，圖6～圖8分別對(duì)應(yīng)瑞利信道增益為[0，3]，[0，10]，[0，17]的分離效果圖。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文以兩路同類型的同頻同調(diào)制信號(hào)作為信源，基于Simulink搭建了一套完備的通信系統(tǒng)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(shí)際的通信處理，給出了仿真結(jié)果。在復(fù)信號(hào)的采樣濾波過(guò)程中，對(duì)復(fù)信號(hào)的實(shí)部和虛部分別以同樣方式進(jìn)行采樣，然后再合成復(fù)信號(hào)，仿真結(jié)果表明這種方式能模擬實(shí)際的采樣濾波處理。此外，本文還測(cè)試了瑞利信道的路徑增益參數(shù)對(duì)后續(xù)信號(hào)盲分離的影響，結(jié)果表明，瑞利信道增益越大，信號(hào)越集中，分離結(jié)果也相對(duì)較好。因此，可適當(dāng)提高信道環(huán)境的增益以提高抗干擾性。總體來(lái)說(shuō)，本文系統(tǒng)有效地模擬了接收機(jī)接收處理信號(hào)的流程，在仿真過(guò)程中研究瑞利信道參數(shù)對(duì)信號(hào)盲分離的影響，為接收機(jī)的實(shí)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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