毕业设计与论文（基于MATLAB分集接收系统设计）.doc
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东北林业大学
毕业设计
设计题目：
基于MATLAB分集接收系统设计
学生：
指导教师：
讲师
学院：
机电工程学院
专业：
通信工程2008级1班
2012年6月
东北林业大学
毕业设计任务书
设计题目基于MATLAB分集接收系统设计
指导教师讲师
专业通信工程2008级1班
学生
2011年12月5日
题目名称：
基于MATLAB分集接收系统设计
任务内容（包括内容、计划、时间安排、完成工作量与水平具体要求）
（1）课题内容：
1、课题的背景及意义。
2、学习MATLAB软件的编程使用。
3、学习分集接收系统理论及相关技术。
4、完成设计说明书。
（2）时间安排：
3月上旬—3月中旬：
查阅相关资料，熟悉本次设计的基本内容；
3月中旬—3月下旬：
学习并掌握本设计所涉及的主要理论知识；
3月下旬—4月上旬：
研究并提出该设计的实现方案；
4月上旬—4月下旬：
学习主要编程程序,编写程序；
4月下旬—5月上旬：
撰写毕业设计说明书；
5月上旬—5月下旬：
准备毕业答辩工作。
（3）工作量：
参考文献篇数：
20篇以上（其中，外文文献3篇以上）
说明书字数：
一万字以上
专业负责人意见
签名：
年月日
基于MATLAB分集接收系统设计
摘要
在移动通信当中，存在着多径效应，本设计首先介绍了随参信道的概念。
其次，介绍了发送分集包括时间分集，空间分集，角度分集和频率分集，接收方式包括最大比合并方式，等增益合并方式以及选择合并方式。
分集接收系统主要应用在随参信道中，作用是抗衰落。
在仿真过程中，利用了MATLAB首先设定少了数据，三种接收方式都能从随参信道中提取正确的信息数据，当改变信噪比时，三种接收方式都出现了不同程度的误码。
当加长数据的长度，改变信噪比范围，我得出这样的结论：
选择方式，等增益合并方式和最大比合并方式都能接收数据，但是性能方面，最大比合并方式优于等增益合并方式，优于选择合并方式。
并画出了MATLAB仿真图。
关键词：
随参信道；分集接收；MATLAB。
DiversityReceptionSimulationBasedMATLAB
Abstract
Inmobilecommunicationsystem,signalhasmorecomplicatedmultipathradiosignal，firstthisarticleintroducesthatwhatiswiththesenatechannel,what’smore,thereareseveralways,includingtimedivision,frequencydivision,spacedivision,ontheotherhand,receivewayshaveequalgaincombiningmethod,maximalratiocombiningmethodandsoon.Diversityreceptionisusedinthewiththesenatechannelandtoantifading.
InthesimulationwesetseveraldatawithMATLABandfindthatthreewayscanreceiverightdata,thenwechangetheSignaltonoiseratio,theycomeoutdifferenterrors.Atlastwemakedatalongerandfindthatmaximalratiocombiningmethodisbetterthanequalgaincombiningmethodandtheselectistheworst.
Keywords：
withthesenatechannel;diversityreception,;MATLAB.
目录
摘要
Abstract
1绪论 1
1.1课题背景 1
1.2无线通信多址接入技术 1
1.3分集技术的发展 2
1.4本文研究内容及章节安排 2
2移动信道简介 3
2.1信道的分类 3
2.2随参信道 3
2.3小结 5
3分集接收机基本原理 6
3.1分集接收机简介 6
3.2分集技术 6
3.2.1时间分集 6
3.2.2空间分集 6
3.2.3角度分集 7
3.2.4极化分集 7
3.2.5频率分集 7
3.2.6协作分集 8
3.3合并技术 8
3.3.1选择合并 8
3.3.2最大比合并 9
3.3.3等增益合并 9
3.4小结 10
4MATLAB使用方法 11
4.1MATLAB语言及特点 11
4.2M文件介绍 11
4.3MATLAB基本绘图方法 11
5分集接收机的仿真 13
5.1分集接收的“分” 13
5.2CDMA分集接收流程规划 13
5.3MATLAB仿真程序 14
5.3.1分集接收少量数据 14
5.3.2分集接收技术误码率仿真 18
5.4结果分析 21
6结论 24
参考文献
致谢
基于MATLAB分集接收系统仿真
1绪论
1.1课题背景
中国移动通信集团总公司总工程师,李默芳,说:
世界移动通信业务在过去20年间（或者30年间）增长了80多倍，而各种移动通信技术,例如2G，3G，WLAN等又以惊人的速度发展着，日新月异的通信技术不断提高人们的生活质量：
从传统大功率的单独的基站系统到蜂窝移动系统，本地覆盖到区域覆盖的转换，到现在的全国覆盖，进一步并实现了国内甚至国际漫游，从提供话音业务到提供包括低速数据综合业务,典型例子就是视频通信,手机WAP网站，从模拟移动通信系统（AM,模拟电视）到数字移动通信系统（2G，3G，TD-LTE）……正在商业化的3G技术和正在研究的下一代移动通信技术（TD-LTE）正在实现,或者已经实现了5W,即任何人在任何地方任何时间与其他任何人进行任何方式的通信。
在这些很多的不能枚举的更新的技术中，尤以分集技术为代表，它的被发明，使得人们的通信质量，尤其是移动通信质量，比如说GSM，3G得到了一个质的飞跃。
抗衰落是分集技术的主要作用。
在移动通信技术中，有很多需要解决的问题，信道的参数不恒定,就不利于人们对信道进行严格的计算,换一句话说,就是很多不确定因素干扰信宿的接收,其中多径传输是不可避免的且难于解决的问题。
要是想增加传输质量，各种技术措施来消除衰落的不利影响是必须的。
这就是各种抗衰落技术，包括分集、扩频／跳频、均衡、交织和纠错编码等。
另外，信号的传输方式，例如调制方式，编码方式，均衡技术，对信道中的衰落也要有一定的适应能力。
模拟无线系统早就用上了实用的抗衰落技术.
现在的数字通信比模拟通信好很多，所以又开发出更多更好的新技术。
数字通信的发展离不开抗衰落技术。
本设计主要研究分集技术的几种接收方法。
1.2无线通信多址接入技术
目前，数字通信中应用的三种多址方式包括：
FDMA（频分多址），TDMA（时分多址），CDMA（码分多址），因为分集接收技术主要应用在CDMA当中，下面就简单介绍CDMA的概念及其优缺点。
CDMA是在扩频通信技术（原始信号用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制）上发展起来的一种崭新的无线通信技术。
接收端用和发送端一样的伪随机码进行解调。
实际应用中，用WALSH矩阵进行扩频和解扩，在第五章的MATLAB仿真中，我也用的WALSH矩阵。
CDMA的特点如下；
（1）系统容量大；
（3）用户数量没有上限；
（4）频率规划简单；
（5）保密性好；
（6）CDMA系统综合采用了各种分集接收方式；
课题来源生产实习
1.3分集技术的发展
说到抗多径衰落的分集技术，不得不提到RAKE接收机，它是运用分集接收技术最成熟，最广泛的技术，RAKE将三种接收技术都综合运用，是分集接收技术的体现。
抗多径衰落的RAKE接收机的概念是由Prcie和Green在二十世纪五十年代提出来的；MLSD（基于信道特性的最大似然序列检测器）由Forney在二十世纪三十年代提出的，这个主要针对单用户的最优接收机，不包括现在的多用户常见的协作分集（第三章讲到）。
提到分集接收，就不得不讲讲CDMA（码分多址技术），因为现在的移动通信的分集接收主要应用在CDMA技术当中。
QUALCOMM公司（美国）在80年代研究DS-CDMA技术，并于八十年代末年首次进行了CDMA实验，经过几年的刻苦研究，最终的实验结果说明了DS扩频信号非常适合具有多径效应的信道中出传输，除此之外，RAKE接收机、软切换和功率控制等CDMA关键技术也涉及到。
到后来1996年窄带CDMAIS-95的商用运行也推动了分集接收技术（RAKE接收技术）的长足发展。
现在很多大学也有的很深入的研究分集技术。
例如东南大学，“一种适合于CDMA多径衰落信道的频率自动校正装置”、“RAKE接收机中信道估计平均长度的动态调整及方法”、“CDMA系统低扩频比下的RAKE和SOVA均衡级联接收方法和装置”等11项专利。
甚至我们学校的毕业设计也涉及到分集接收系统。
目前分集接收研究的主要方面包括：
怎样减少RAKE接收机的复杂度；多用户检测的最优算法；分集接收技术如何与其他移动通信技术相结合，其中包括：
智能天线技术、多用户检测、MIMO系统。
1.4本文研究内容及章节安排
第1章大体介绍分集作为CDMA的主要技术的作用，简单介绍CDMA特点，分集技术的发展。
第2章介绍了，分集接收系统应用在什么信道中，即随参信道，它有什么特点，对系统有什么不良影响，为什么要用分集接收系统。
第3章主要讲讲本设计的仿真软件，MATLAB，涉及到的的使用方法，包括MATLAB的特点，M文件，主要绘图函数等。
第4章理论讲述分集接收技术分为哪几种，各自的定义，有什么特点，原理是什么。
第5章讲述MATLAB仿真程序，紧接着在第六章给出本设计的总结，概括。
2移动信道简介
2.1信道的分类
信道根据其特点以及系统的单位冲击响应，将系统分成随参信道，恒参信道和时变信道。
现在讨论随参信道有什么特点以及它对信号传输有什么影响。
时变信道，就是系统的参数是随时间有规律的变化。
恒参信道就是信道参数基本不变，或者变化的很慢，我们基本上可以认为是恒定的，这样在分析起来就特别的方便，但是实际生活中，尤其在移动通信技术当中，这种情况是非常少见的，可以说是不可能出现的，研究恒参信道对于移动通信是没有意义的，所以我们大部分研究的都是随参信道。
2.2随参信道
所谓随参信道，就是信道的特性随机变化,在实际生活中包括依靠天波传播和地波传播的无线电信道，随参信道的最主要特点是变化的，但是这个变化和时变信道的变化不一样，这里的变化时随即变化，服从某种分布律。
例如用天波传播是，电离层的高速度和离子浓度随着时间，天气和年份在不断变化，是信道特性随之变化；用对流层散射传播时，大气层随气候和天气在变化着。
概括来说，各种随参信道具有的共同特性是：
（1）传输信号的传输衰减随时间而变；
（2）信号的传输时延随时间而变；（3）信号经过几条路径到达接收端，而且每条路径的长度和衰减都随时间而变，即存在多径传播现象。
多径传播对信号的影响称为多径效应。
图2-1多径传输示意图
设发射信号为最简单的单音频信号Acos0t，它经过n条传播路径传播到接收端，因为存在这各种不同的延时,则接收信号R（t）可以表示为
R（t）=（2-1）
式中，u（t），都是随机变化的。
利用高中学的三角公式可以将是式子改写成：
R（T）=-（2-2）
通过实际和理论上的推导，加上几十年的实验得出结论：
在多经传播中，和信号角频率，准确地说是模拟角频率w的周期相比，u（t）和（t）随时间变化很缓慢，慢的程度相差了三个数量级以上，所以式中带有的式子基本上可以看成是常数，进而接收信号R（t）可以看成是由相互正交的两个分量组成的，即频率和相位相同的正弦和余弦，也就是常说的同相分量和正交分量。
这两个分量的振幅分别是缓慢随机变化的u（t）cos（t）和u（t）sin（t）。
设
XC（t）=u（t）cos（t）（2-3）
Xs（t=）u（t）sin（t）（2-4）
所以，不难看出接收信号是一个振幅和相位作缓慢变化的余弦波，即接收信号R（t）可以看做是一个包络和相位缓慢变化的窄带信号，因为窄带信号就可以拆解成两个相互正交的分量，相对比可得出此结论。
这种信号包络因传播有了起伏的现象称为衰落。
衰落分为快衰落和慢衰落。
所谓快衰落，就是信号幅度起伏太快了，也就是频率很大，它起伏的频率甚至可以和数字信号的一个码元周期相比较，这种衰落叫做快衰落，本设计相关的多径效应属于快衰落。
有的衰落的起伏周期可能比较长，几小时，几天，甚至是几年，则称这样的衰落叫做慢衰落，这里我们不研究。
为了方便分析，设多径传播的路径只有两条，多条路径只是传输的复杂，原理不曾改变，并且这两条路径具有相同的衰减，但是时延不同；假设发射信号为f（t），他经过两条路径传播后到达接收端分别是Af（t-1）和Af（t-1-0）。
其中A是信道对信号的加权，大部分是衰减因子，因为信号在不加人为条件下基本上不会自己增强。
1是第一个信号相对原始的信号f（t）的延时，0是接收端接收的两个信号之间的延时。
由《信号与系统》的傅里叶变换一章的内容我们可以得到以下结论：
f（t）←→F（w）（2-5）
Af（t-1）←→AF（w）e-jw0（2-6）
Af（t-1-0）←→AF（w）e-jw（0+）（2-7）
Af（t-1）+Af（t-1-0）←→AF（w）e-jw0（1+e-jw）（2-8）
而我们知道一个信号的福利叶变换F（w）可以写成|F（w）|·ej的形式，即膜值和相位形式，通过上个式子，我们可以得到：
|1+e-jw|=2|cos|（2-9）
通过MATLAB仿真（2-9）幅频响应图：
图2-2幅频响应A|cos|的幅度特性
我们可以通过MATLAB的显示图以及（2-9）式子的绝对值清楚的看到，整个系统的幅频响应有的频率是可以通过的，只不过可能有的加强，有的减弱，但总是通过的，有的频率处例如2的整数倍却衰减到零，这就是多径效应的不良影响，即频率选择性衰落这就限制了信号的频率不能超过整个系统频率响应的相关带宽。
多径效应还有一个影响，就是信道是时变的，最终引起频率弥散现象。
2.3小结
这一章，主要讲了信道的概念，重点介绍了随参信道。
这一章对于分集接收来说是很重要的，分集接收的出现，就是为了抗衰落，抗多径效应，所以我们单独的拿出一章来说说信道。
通过这一章，我们认识到了随参信道的不足，从而为我们更好地利用分集接收提供了使用条件。
3分集接收机基本原理
3.1分集接收技术简介
无线信道中的衰落根据产生原因和特性大体上分为两类：
大尺度衰落和小尺度衰落。
什么是大尺度衰落，主要是由于建筑物啊,大山啊,各种阻碍物体对信号的阻挡造成的，形成了有的地方信号到达不了,形成阴影,因此也叫作阴影衰落，一般情况下服从正态分布，实际中，人们常用宏分集技术（两个或者两个以上的基站或者扇区接收同一个移动终端的信号,CDMA软切换属于宏分集）克服这种情况。
而小尺度衰落，也就是上面提到的多径衰落，很好理解，上一章已经提到，一般情况下服从瑞利分布，比较常用的方法就是微分集技术或者宏分集技术。
分集技术大体上可以分成两类，即显分集和隐分集。
其中，显分集又包括：
空间分集，时间分集，频率分集，极化分集，角度分集，以及最近比较热门的协作分集。
所谓隐分集，从名字就能看出，他比较隐蔽，它把分集作用隐蔽于传输信号之中，所以不需要接收好几路信号在进行合并，而是只接收一路信号就行了，因此用一副天线接收一路信号就行了，常用的隐分集技术有交织编码技术，调频技术和直接序列扩频技术等。
分集接收技术的核心思想是:
将接收到的多径信号（信息都是一样的，那么他们肯定是相关的）分离成不相关的多路信号,他们之间可以说是独立，不相关的，没什么关系，或者说传输的根本上是不同的信号，然后将这些信号按照一定的算法合并成一个强信号,使系统的误码率最小（主要指的是数字信号）。
3.2分集技术
由上一节中，我们知道了，宏分集主要包括：
空间分集，时间分集，极化分集，角度分集，频率分集和协作分集。
下面，就他们各自的定义，特点逐一介绍。
3.2.1时间分集
时间分集发送端隔一段时间发一次，隔一段时间再发一次，只要各次发送的时间间隔大于信道中一个码片的长度，通过前面的介绍我们知道在接收端就可以获得衰落特性相互独立的几个信号。
我感觉这种分集技术只有在系统仿真时会特意强调，因为在实际生活中，即使不使用时间分集，多径传输后的信号经过建筑物的多次复杂的反弹也会具有一定的时间间隔，可以说任何分集中在时域上都存在时间分集。
而且发送端发送同一个信号要发送很多遍，这样效率就低了，而且功率浪费太大，何不利用自然的反射进行时间分集呢？
3.2.2空间分集
比较常用的是空间分集，和事件分级相比，不同点是采用好几个接收天线来接收信号，然后进行合并，所以又称它叫做天线分集。
为保证接收信号的不相关性，就要使接收到的多径信号的衰落特性不同，这就要求接收天线之间的距离足够大，也符合了它的名字，空间分集。
每个天线之间有规定的距离，它们同时接收同一个发射天线的微波信号，然后通过一些方法合成或选择其中一个强的，好的信号，称为空间分集接收。
理论上，如果接收端天线之间的距离至少是波长的一半，就完全可以保证接收天线接收的信号的衰落特性是相互独立的。
图（3-1）空间分集
例如，当某一副接收天线的接收信号很低时，我们根本不能用它，但是其他接收天线的接收则不一定在这这时也出现情况不好的现象，经一定的合并电路从中选出信号幅度较大、信噪比最佳的一路，获得了好的信号。
这样我们就看到了我们想要的结果，即降低了随参信道信道衰落的影响，改善了传输的可靠性。
现在看来，我们的频率资源越来越少，这个技术的优点是在较少信号带宽和保证传输速率的同时增益很高,因而得到了广泛的应用。
基站设计中也常常使用天线分集的概念。
在每个蜂窝小区的中心,为了进行分集接收,装备了多个基站接收天线，这个有点像前面提到的宏分集。
但是,移动台接近与地面的原因使得它容易产生严重的信号散射现象,因而在基站处的分集天线之间必须隔得相当远才能实现信号的非相关。
空间分集即可被利用于移动台,也可被利用与基站,还可被同时用于两者.
空间分集接收又分成：
角度分集和极化分集。
空间分集的优点是分集增益高，缺点是还需另外单独的接收天线。
3.2.3角度分集
角度分集，移动信号都是用电磁波传播的，多径传输后的电磁波以不同角度到达天线，而接收端利用多个方向性尖锐的接收天线分离出不同方向来的信号，由于这些分量具有相互独立的衰落，因而实现角度分集。
3.2.4极化分集
极化分为左旋极化，和右旋极化，他们各自的接收天线也有相应极化方式，右旋天线只能接收优选极化的电磁波，左旋天线只能接收左旋极化的电磁波。
通过极化，发送端虽然发送着相同的信号，但是极化形式不同，方便接收端提取信号。
这就是极化分集，主要是从微波技术中的防止越站干扰技术中得出。
3.2.5频率分集
频率分集是在发送端将同一个信号分别放在两个频率段发射,并且为了减少他们之间的相关性,两个频率相距比较远，在收信端同时接收这两个射频信号后，将高频信号再搬移到低频，合并成一个强信号，这有点类似于频分复用技术,《通信原理》中提到的阿姆斯特朗法，就是这个原理，需要有导频信号。
频率分集对频率选择性衰落（前面提到过）特别有效，而且对于特殊业务，高昂的花费也是值得的。
但很大的频带发送同一个信息，所以降低了频谱利用率,即有效性。
3.2.6协作分集
协作分集，是现在比较流行的一种分集方式，概括一句话，就是几个移动终端组成一个块，其中每个终端都利用其他终端发送，接收信号，同时每个终端都帮着其他终端接收，发送信号。
这样虽然自己的资源被其他的终端所占据，但是同时又利用其它的终端的资源，总体上是提升了本身的性能。
3.3合并技术
既然发送端使用了分集技术，发送了不止一个路径的信号，那么接收端是如何利用这些均含有信息的信号来提升整个系统的可靠性的呢？
合并技术大体上分成三种，即选择方式合并，等增益合并和最大比增益合并，下面逐一进行合并技术的介绍。
3.3.1选择方式合并
假设在每个接收机有M个独立的瑞利衰落信道，每一个信道被称作是分集支路，再假设每一个支路有相同的信噪比是
SNR=2（3-11）
如果每一个支路有瞬时信噪比SNR=，然后得到
P（）=exp（）>0（3-12）
设是每一个支路的平均信噪比，那么单独的一个信道的信噪比少于某个门限值的概率是
Pr[i<]==（3-13）
现在，所有M个独立的分集支路接收机信号同时少于某个特定的门限值的概
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