同频同调制信号的瑞利信道系统仿真设计

彭秋明+谭北海+李卫军+赵龙

摘 要： 为了解决通信系统仿真模型的不完备性，利用Matlab的组件Simulink搭建了一套模拟信号的传输、接收、分离的接收机通信仿真模型。该模型以同频同调制信号为信源，选取多径瑞利衰落信道模拟仿真实际接收机的工作流程，并且包括信源模块、调制解调模块、信道模块、模拟接收模块、采样滤波模块、信号分离模块等。此外，系统测试了瑞利信道的路径增益对信号盲分离的影响，仿真结果表明信道增益越大，信号越集中，分离效果也相对较好。因此，该仿真系统可以与硬件系统原型相结合，为测试信号提供功能验证，为实际接收机系统运行环境提供参考建议。

关键词： Simulink； 瑞利信道； 仿真模型； 盲分离； 系统仿真； 模拟信号

中图分类号： TN914.3?34； TP391.9 文献标识码： A 文章编号： 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

對于通信系统的分析，结合计算机辅助技术，基本上可分为三种研究方法：第一种是基于理论分析的解析方法，如利用计算机对复杂的系统性能评估公式进行数值计算等。这种方法对简单的系统分析还行，对结构复杂的系统则很困难。第二种是结合通信系统硬件原型和测试设备的计算机辅助仿真方法，一般应用于原型系统实现的中后期和原型系统调试中。这种方法成本较高，时间长，必须在原型实现后进行，故不能用于系统方案设计阶段。第三种是基于纯软件的仿真方法，搭建系统模型，利用软件仿真通信系统的各部分性能[1]。这种方法能对所有设计细节进行分层次建模，仿真结果更精细，更接近实际系统运行情况，因此受到业界青睐。

利用Matlab仿真软件，人们可以实现通信系统的仿真测试，得到许多评估数据。然而，以往的研究只是针对通信系统的某个或某几个模块进行建模仿真，并没有完备的一整套仿真流程，达不到整体分析的效果。此外，之前对同频信号分离的仿真，选取的源信号的类型大多是差距较大的信号，没有有效地模拟实际情况。

因此，本文基于Simulink搭建了瑞利信道下的通信系统仿真模型。该模型以伯努利二进制信号作为信源，信道模块选用瑞利多径信道，用2ASK调制方式调制，脉冲采样进行模拟采样滤波，最后用复数盲分离算法分离信号。与以往不同，本文采用同频同调制信号，给出从信源到信号分离的一整套仿真流程。在信道方面，研究测试了多径信道的路径增益对盲分离的影响，并且在各个模块都提供波形、频谱等仿真结果，便于分析评估。

1 系统仿真模型的建立

1.1 信 源

本系统模拟两路同频信号的传输过程，信源选取的是伯努利二进制信号。在Simulink中，选取伯努利二进制信号产生器生成符合伯努利分布的随机信号，即产生的二进制序列中0和1满足伯努利分布[2?3]：

式（1）表示生成0的概率为生成1的概率为。在伯努利二进制信号产生器中，生成0的概率由参数“Probability of a zero”控制，其值介于0～1之间的某个实数。仿真所用的伯努利二进制产生器及设置的参数如图1所示。endprint

1.2 调制解调

调制方式有很多种，本系统使用2ASK调制和相干解调。2ASK调制技术是通过改变载波信号的幅值来表示二进制0或1的。载波根据0，1信息只改变其振幅，而频率和相位保持不变[4?5]。简单地说，就是信源和一个载波信号（一般使用正弦信号）相乘。

解调一般包括包络解调法和相干解调法[6]，本系统使用相干解调。相干解调利用乘法器将相干信号（与调制所用载波信号同频同相）与接收到的信号相乘，然后用低通滤波器滤掉高频信号，再用判决器判决一下即可恢复信号。

1.3 瑞利信道

瑞利衰落信道（Rayleigh Fading Channel）是一种无线电信号传播环境的统计模型，这种模型假设信号通过无线信道后，其信号幅度是随机的，即“衰落”，并且其包络服从瑞利分布。这种信道模型能够描述由电离层和对流层反射的短波信道，以及建筑物密集的城市环境。瑞利衰落只适用于从发射机到接收机不存在直射信号（Line of Sight，LoS）的情况，否则，应使用莱斯衰落信道作为信道模型[7?8]。

在Simulink中，多径瑞利衰落信道模块（Multipath Rayleigh Fading Channel）实现基带信号的多径衰落信道仿真，它的输入信号是标量形式或帧格式的复信号。多径瑞利衰落信道模块及其参数设置对话框如图2所示。

在图2中，输入信号被延迟一定的时间后形成多径信号，这些多径信号分别与相应的增益相乘，叠加之后就形成了瑞利衰落信号[9]。

1.4 信號接收

为了模拟实际天线接收，在仿真中将经过信道后的两路信号乘以不同系数进行叠加，模拟天线接收的两路混合信号，为后续采样滤波仿真提供输入。

1.5 采样滤波

由于瑞利信道出来的信号是复信号，Simulink中的模拟滤波器不能直接对复信号滤波，因此，将复信号分成实部和虚部同时进行一样的滤波和采样处理，结束之后再将它们合成复信号，如图3所示。

在Simulink中，使用脉冲采样模拟实际采样[1，10?11]，通过设置“Pulse Generator”模块的周期来设置采样频率。由图3可知，采样前需要一个低通滤波器，其作用是过滤高频信号，防止频率混淆。采样后的低通滤波器一般设置成与前一个滤波器一样即可，主要是滤除采样过程中产生的扩频、恢复信号。

1.6 信号分离

本系统的信号分离并未将信号完全分离出源信号形式，而是以经过瑞利信道后的两路信号作为输入信号，将混叠后的信号分离出来。因为没有进行盲解卷，只是应用复数盲分离方法，相当于线性混叠分离。

本文中考虑的是两个独立复信号情形，它们有独立的同相和正交分量[12]。根据线性混叠盲分离模型，有：

式中：是混叠矩阵；是源信号；是混合信号。由于只考虑两个信号，式（2）可写成：

本文信号的混合过程在Simulink中完成，设置了4个参数作为混叠矩阵，为了方便，将参数归一化，第一行为1，只设置第二行的两个参数。因为混合信号是复信号，因此式（3）可写为：

式中下标分别表示变量的实部和虚部。经盲分离算法恢复的分离信号表示为：

式中：是分离矩阵，由算法计算而来；是混合信号。对于矩阵的一些要求，可参考Thaiupathump的证明[13]。

2 仿真结果分析

信源信号及调制过程的仿真结果如图4所示，本文的载波信号选用正弦信号，其幅值为1，频率为300 kHz，初始相位为0。载波信号的形式为：

从图4可知，信源已经按照2ASK调制方式正确调制。这里，调制信号用载波信号的形式和0分别表示信源信号的1和0。

如图5所示，模拟了采样定理，采样之后信号频谱出现了周期延拓，只要保证延拓的周期不产生重叠，就可以通过低通滤波器滤除延拓的频谱，无失真地将信号恢复。

最后就是将混叠的同频信号分离出来，因为通过瑞利信道后信号是复信号，所以使用复数盲分离算法将信号分离出来。为了研究瑞利信道的路径增益对信号分离效果的影响，分别对不同增益下的瑞利信道的信号进行分离测试，图6～图8分别对应瑞利信道增益为[0，3]，[0，10]，[0，17]的分离效果图。

3 结 语

本文以两路同类型的同频同调制信号作为信源，基于Simulink搭建了一套完备的通信系统仿真模型，选用瑞利多径衰落信道，在采样滤波等模块模拟实际的通信处理，给出了仿真结果。在复信号的采样滤波过程中，对复信号的实部和虚部分别以同样方式进行采样，然后再合成复信号，仿真结果表明这种方式能模拟实际的采样滤波处理。此外，本文还测试了瑞利信道的路径增益参数对后续信号盲分离的影响，结果表明，瑞利信道增益越大，信号越集中，分离结果也相对较好。因此，可适当提高信道环境的增益以提高抗干扰性。总体来说，本文系统有效地模拟了接收机接收处理信号的流程，在仿真过程中研究瑞利信道参数对信号盲分离的影响，为接收机的实际研究提供了参考，在某种意义上节约了研究成本。

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