BFSK信号在不同信道中传输性能的比较

胡逸凡

【摘 要】利用MATLAB提供的可视化工具箱Simulink构建加性高斯白噪声、多径瑞利衰落和伦琴衰落三种信道传输系统。通过仿真给出了三种系统的误码率与信噪比的关系曲线，结果证明瑞利衰落信道对系统的误码率性能的影响较大，而且伦琴信道传输BFSK信号性能优于瑞利衰落信道。

【关键词】BFSK；误比特率；信道

【Abstract】Construct the Additive White Gaussian Noise， Multipath Rayleigh Fading Channel and Multipath Rician Fading Channel transmission system with SIMULINK， a visible tool provided by MATLAB. Throng simulation， the curve about three systems bit error rate and SNR were given. The research result prove that Multipath Rayleigh Fading Channel has larger influence on the systems bit error rate， Multipath Rician Fading Channels performance is better than Multipath Rayleigh Fading Channel on transmission BFSK signal.

【Key words】BPSK； Bit Error Rate； Channel

信道是通信系统不可缺少的部分之一。信道是将来自发送端的信号传送到接收端的物理媒介，可以分为有线信道和无线信道。信道的传输质量影响着信号的接收和解调，因此，在对通信系统性能分析过程中，信道对传输信号的影响是一个不可缺少的环节，这种影响表现在两个方面：一方面信号在实际信道中传输时，由于信道特不理想会引起信号波形的失真；另一方面信道中存在各种噪声，会干扰信号的传输。信道通畅可分为加性高斯白噪声信道、多径瑞利衰落信道和伦琴衰落信道等。本文主要对BFSK（二进制移频键控）信号在这三种信道中的传输性能仿真来进行对比和分析。

1 信道

加性高斯白噪声（Additive White Gaussian Noise，AWGN）是最常见的一种噪声，它存在于各种传输媒介中，包括有线传输信道和无线传输信道。加性高斯白噪声表现为信号围绕平均值的一种随机波动过程，其均值为0，方差为噪声功率的大小。一般情况下，噪声功率越大，信号的波动幅度越大，接收端接收到的信号的误码率就越高。

多径瑞利衰落信道（Multipath Rayleigh Fading Channel）是无线通信系统中一种非常重要的衰落信道类型，在很大程度上影响着系通信统的质量。在无线通信信道中，由于信号进行多径传播到达接收点处的场强来自不同传播的路径，各条路径延迟时间是不同的，而各个方向分量波的叠加，又产生了驻波场强，从而形成信号快衰落称为瑞利衰落。瑞利分布是一个均值为0，方差为σ^2的平稳窄带高斯过程，其包络的一维分布是瑞利分布。

在无线通信同种中，发送端和接收端都可能处在不停的运动中，发送端和接收端的这种相对运动将产生多普勒频移。频移的大小与速度和方向密切相关，可以计算为：

f=cosθ=cosθ（1）

其中，v是发送端和接收端相对运动速度，θ是运动方向和发送端与接收端连线的夹角，f是载波频率，λ是载波波长。

瑞利衰落模型适用于描述建筑物密集的城镇中心地带的无线信道。密集的建筑和其他物体使得无线设备的发射机和接收机之间没有直射路径，而且使得无线信号被衰减、反射、折射、衍射。

伦琴衰落信道（Multipath Rician Fading Channel）形成的场合在于发送端和接收端之间存在一条占优势的视距传播路径，又有多条反射路径时，就需要同时用伦琴衰落信道和多径瑞利衰落信道。视距传播路径的能量与反射路径的能量之间的比值K影响伦琴衰落的大小。K因子越大，表示发送端与接收端的视距传播路径的能量越强；当K等于0时，发送端与接收端不存在视距传播路径。

2 BFSK调制原理

设信息源发出的由二进制符号0、1组成的序列，且假定0符号出现的概率为P，1符号出现的概率为1-P，它们彼此独立。BFSK信号是0符号对应于载频w1，而1符号对应于载频w2（与w1不同的另一载频）的已调波形，而且w1和w2的改变是瞬间完成的。根据以上BFSK信号的产生原理，已调信号的数学表示为：

s（t）=ag（t-nT）cos（wt+φ）+g（t-nT）cos（wt+θ）（2）

式中g（t）为单个矩形脉冲，脉宽为Ts，an是0的概率为P，是1的概率为1-P，是an的反码，φ、θ分别是第n个码元的初相位。

3 BFSK信号在不同信道下的仿真模型建立

仿真用MATLAB工具箱中的Simulink通信仿真模块对BFSK信号在不同信道中传输进行建模，图1、图2、图3为仿真模型。

这三个传输模型都是以贝努力二进制序列发生器 （Bernonlli Binary Generator）作为仿真系统的信源，产生二进制随机信号。二进制频移键控基带调制器（BFSK Modulator Baseband）和二进制频移键控基带解调器（BFSK Demodulator Baseband）完成信息的调制与解调。利用加性高斯白噪声信道（AWGN Channel）模块，在输入信号中加入高斯白噪声。利用多径瑞利衰落信道（Multipath Rayleigh Fading Channel）模块，实现基带信号的多径瑞利信道仿真。它的输入信号是标量形式或帧格式的复信号，输入信号被延迟一定时间之后形成多径信号，这些多径信号分别乘以相应的增益，迭加之后就形成了瑞利衰落信号。利用伦琴衰落信道（Rician Fading Channel）模块对基带信号的伦琴衰落信道进行仿真，它的输入信号是标量形式或帧格式的复信号在接收端，解调后的信号通过误码率计算器（Error Rate Calculation）计算信号的误比特率，误码率计算器产生的是一个三维向量，分别表示误码率、误码个数以及信息总数.因此通过一个选择器（Selector）选择相量的第一个元素作为输出信号，将这个输出信号送入工作区（To Workspace）模块，并且保存为变量误比特率（BitErrorRate）。

系统中各模块的主要参数设置如表1、表2、表3、表4和表5所示。

5 系统仿真及分析

BFSK信号在三种不同信道下的仿真图形如图4所示。

从图中可以看出，在三个信道中BFSK调制信号的误比特率随着信噪比的增加而降低。对于相同的信噪比，伦琴信道的误比特率明显优于多径瑞利衰落信道。当信号的信噪比低于10dB时，伦琴信道的误比特率甚至优于只存在加性高斯白噪声的信道。当信噪比等于18dB时，加性高斯白噪声信道的误比特率远远低于此时瑞利衰落信道的误比特率。结果表明瑞利衰落信道对系统的误码率性能的影响较大，这将会严重影响通信系统的性能。但是信道衰落又是不可避免的，因此，需要采取各种措施来提高通信系统的性能。

6 结论

本文利用MATLAB提供的可视化工具箱Simulink构建BFSK信号在不同信道中的传输系统来研究信道对BFSK信号传输性能的影响。在给定仿真条件下，验证了瑞利衰落信道对系统的误码率性能的影响较大，而且伦琴信道传输BFSK信号性能优于瑞利衰落信道。

【参考文献】

[1]刘学勇.详解MATLAB/Simulink通信系统建模与仿真[M].北京：电子工业出版社，2011.

[2]杨丽.基于MATLAB的通信系统仿真研究[D].京信息工程大学，2006.

[3]张清泉，行小帅.BFSK信号在高斯和瑞利信道中传输性能仿真分析[J].山西师范大学学报（自然科学版），2010（3）：64-66.

[责任编辑：杨玉洁]