数字通信中不同信道类型对通信系统性能影响matlab仿真分析

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数字通信中不同信道类型对通信系统性能影响matlab仿真分析

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来源

https://bbs.huaweicloud.com/blogs/441472

在数字通信系统中，信道是传输信息的媒介。不同的信道类型会对通信系统的性能产生显著的影响。本文将详细介绍AWGN（加性高斯白噪声）信道、BEC（二进制擦除信道）、BSC（二进制对称信道）以及多径信道，并通过MATLAB仿真分析它们对通信系统性能的影响。

1. 算法运行效果图预览

2. 算法理论概述

AWGN信道

AWGN信道是最常见的信道模型之一，它假设噪声是独立于信号的加性高斯白噪声。在AWGN信道中，接收到的信号y可以表示为：

y=x+n

其中，x是发送信号，n是均值为0、方差为 σ2的高斯白噪声。

BEC信道

BEC（二进制擦除信道）是一种简单的信道模型，其中接收到的信号可能是原始信号、擦除符号或错误符号。具体来说，BEC有三个输出状态：

接收到正确的比特（概率为1−p）
擦除比特（概率为pe）
错误比特（概率为p）

BSC信道

BSC（二进制对称信道）是一种简化了的实际物理信道模型，它假设输入为二进制信号，并且在传输过程中可能出现错误的概率是固定的。具体来说，在BSC中，每个比特位独立地以概率p发生反转，即0变成1或1变成0；而正确传输的概率为1-p。这里假定p<0.5，否则可以通过简单的反相操作使情况等价于更小的p值。

多径信道

在无线通信系统中，信号从发射端到接收端的传播过程中可能会遇到多种障碍物，如建筑物、山脉、植被等。这些障碍物会导致信号通过不同的路径到达接收端，这种现象称为多径效应（Multipath Effect）。每一条路径都可能有不同的传播延迟、幅度衰减和相位偏移。当这些不同路径上的信号在接收端叠加时，就形成了一个复杂的复合信号，这就是所谓的多径信道（Multipath Channel）。离散多径信道模型假设存在有限数量的主要路径，每条路径都有其特定的增益hl、延迟τl以及相位偏移ϕl。接收信号y(t)可以表示为：

该模型适用于描述那些具有明显可分辨路径的情况，但在实际应用中往往难以精确估计每条路径的具体参数。

3. MATLAB仿真分析

本节将使用MATLAB对上述四种信道进行仿真分析。仿真代码如下：

% 信道选择：1=AWGN, 2=BEC, 3=BSC, 4=AWGN+多径
Ch_sel = 4;

% 初始化误码计数器
Err_awgn = zeros(1, length(SNRs));
Err_bsc = zeros(1, length(SNRs));
Err_bec = zeros(1, length(SNRs));
Err_DJ = zeros(1, length(SNRs));

% 仿真循环
for i1 = 1:length(SNRs)
    % 生成随机比特序列
    msg = randi([0 1], 1, Lens);
    
    % 根据信道类型添加噪声
    switch Ch_sel
        case 1
            % AWGN信道
            n = sqrt(N0) * randn(1, Lens);
            y = msg + n;
        case 2
            % BEC信道
            pe = 0.1; % 擦除概率
            y = msg;
            y(rand(Lens) < pe) = 2; % 2表示擦除
        case 3
            % BSC信道
            p = 0.1; % 误码概率
            y = msg;
            y(rand(Lens) < p) = 1 - y(rand(Lens) < p);
        case 4
            % AWGN+多径信道
            n = sqrt(N0) * randn(1, Lens);
            y = conv(msg, h) + n;
            y = y(1:Lens);
    end
    
    % 解调
    ydec = y > 0.5;
    
    % 计算误码
    for i0 = Lens + 2:-1:1  % 从后向前遍历比特
        if xor(msg(i0), ydec(i0)) == 1 && Ch_sel == 4 % 计算BSC信道的误码
           Err_DJ(i1)  = Err_DJ(i1) + 1;
        end

        if xor(msg(i0), ydec(i0)) == 1 && Ch_sel == 3 % 计算BSC信道的误码
           Err_bsc(i1) = Err_bsc(i1) + 1;
        end

        if xor(msg(i0), ydec(i0)) == 1 && Ch_sel == 2  % 计算BEC信道的误码
           Err_bec(i1) = Err_bec(i1) + 1;
        end

        if xor(msg(i0), ydec(i0)) == 1 && Ch_sel == 1 % 计算AWGN+多径信道的误码
           Err_awgn(i1) = Err_awgn(i1) + 1;
        end
    end
    
    % 计算误码率
    if Ch_sel == 1 % AWGN信道
       Err_awgn(i1) = Err_awgn(i1) / Lens/ mtkl;  
    end    
    if Ch_sel == 2  % BEC信道
       Err_bec(i1) = Err_bec(i1)/ Lens/ mtkl;  
    end    
    if Ch_sel == 3  % BSC信道
       Err_bsc(i1) = Err_bsc(i1) / Lens/ mtkl;  
    end
    if Ch_sel == 4  % AWGN+多径
       Err_DJ(i1)  = Err_DJ(i1) / Lens/ mtkl;  
    end
end

% 绘制误码率曲线
figure;
semilogy(SNRs, Err_bsc,'-bs',...
    'LineWidth',1,...
    'MarkerSize',6,...
    'MarkerEdgeColor','k',...
    'MarkerFaceColor',[0.9,0.0,0.0]);
hold on;
semilogy(SNRs, Err_awgn,'-mo',...
    'LineWidth',1,...
    'MarkerSize',6,...
    'MarkerEdgeColor','k',...
    'MarkerFaceColor',[0.5,0.9,0.0]);
hold on;
semilogy(SNRs, Err_bec,'-r>',...
    'LineWidth',1,...
    'MarkerSize',6,...
    'MarkerEdgeColor','k',...
    'MarkerFaceColor',[0.9,0.9,0.0]);
semilogy(SNRs, Err_DJ,'-k<',...
    'LineWidth',1,...
    'MarkerSize',6,...
    'MarkerEdgeColor','k',...
    'MarkerFaceColor',[0.9,0.3,0.3]);
axis([0 12 10^-8 1]);
grid on;
legend('BSC信道', '高斯信道', 'BEC信道', '多径信道');
xlabel('SNR（dB）');
ylabel('error');