典型多径衰落及无人机信道仿真分析系统

资 源 简 介

本项目系统地开发了一套用于评估无线通信链路性能的仿真平台，涵盖了四种在现代通信研究中至关重要的多径衰落信道模型。首先包含适用于典型非视距城市环境的瑞利衰落信道，通过复高斯过程产生信号包络。其次是适用于包含强视距分量卫星或微波链路的莱斯衰落信道，允许用户自定义直射分量比例。第三种是模型更为通用且灵活的仲上衰落信道，通过调整m参数可以模拟从严重衰落到平坦衰落的多种情境。最重要的部分是集成了无人机空对地多径信道模型，该模型专门针对无人机在不同飞行高度、速度及俯仰角下的传播特性进行优化，考虑了地表反射、树丛遮挡以

详 情 说 明

基于MATLAB的四种典型多径衰落信道及无人机信道仿真分析系统

项目介绍

本项目是一个专为无线通信研究设计的仿真平台，旨在通过MATLAB环境深入分析和对比四种典型多径衰落信道对通信质量的影响。系统重点模拟了瑞利（Rayleigh）、莱斯（Rician）、仲上（Nakagami-m）以及无人机（UAV）空对地（A2G）等复杂通信环境。通过高度参数化的设计，用户可以研究在不同移动速度、多径延迟和俯仰角条件下，信号经由衰落信道后的误码率表现、统计分布特性及频谱变化。该项目为无人机通信、城市无线网络优化以及先进信号处理算法的验证提供了可靠的仿真基础。

功能特性

1. 多模型综合仿真：系统集成了瑞利分布（突发性衰落）、莱斯分布（强视距分量）、仲上分布（通用衰落模型）以及无人机特定的几何信道模型。
2. 物理层参数可调：支持自定义采样率、载频（如2.4GHz）、移动速度（最高可达120km/h）、多径路径数量、QPSK调制级别及信噪比（SNR）范围。
3. 动态UAV信道模拟：利用几何模型计算视距（LOS）概率，并根据无人机的飞行角度、方位角和速度计算精确的多普勒频移。
4. 全方位可视化分析：提供误码率（BER）随SNR变化的曲线对比、信道包络概率密度函数（PDF）、功率延迟谱（PDP）、接收信号星座图、信道幅频响应以及Jakes多普勒功率谱密度图谱。

使用方法

1. 环境准备：启动MATLAB，确保已安装通信工具箱（Communications Toolbox）和信号处理工具箱（Signal Processing Toolbox）。
2. 参数配置：在主程序脚本的参数设置区，根据实际研究需求修改速度（v_kmh）、俯仰角（theta_deg）、莱斯因子（K_factor）或仲上参数（m_param）。
3. 运行仿真：执行仿真主程序，系统将依次进行QPSK调制信号通过四种信道的蒙特卡洛仿真。
4. 结果观察：仿真完成后，系统会自动生成一个包含6个子图的分析窗口，直观展示各项性能指标。

系统要求

• 软件环境：MATLAB R2018b 或更高版本。
• 硬件要求：建议 8GB RAM 以上，以流畅处理大规模蒙特卡洛比特流计算。

实现逻辑分析

系统将仿真过程分为信号生成、信道经过、解调与统计三个核心环节：

1. 信号生成与调制

系统首先生成随机二进制比特流，随后利用QPSK调制将比特流映射至复数星座平面。为了保证仿真准确性，信号经过了归一化平均功率处理。

1. 多径环境模拟逻辑

* 瑞利信道：通过二阶巴特沃斯低通滤波器模拟多普勒功率谱对高斯随机过程的限制，产生具有时间相关性的快衰落复增益。 * 莱斯信道：在瑞利散射分量的基础上，根据设置的K因子引入一个具有确定多普勒频移相位的直射路径分量。 * 仲上衰落：基于伽马分布（Gamma Distribution）直接变换生成信号包络，通过M参数精细控制衰落的深度，反映了非视距波簇的聚合效应。 * 无人机空对地信道：这是系统的核心创新点。逻辑上首先根据S型函数模型（a=9.6, b=0.28）计算不同俯仰角下的LOS概率。若判定为LOS，则计算由运动产生的多普勒偏置并叠加地面反射分量；若判定为NLOS，则退化为多径瑞利衰落模型。

1. 统计与绘图分析算法

* 误码率计算：通过逐个SNR点执行加性高斯白噪声（AWGN）处理与最大似然解调，利用位错误统计函数对比原始比特与接收比特。 * PDF统计：自定义实现了直方图归一化算法，将信道系数的幅值转换为概率密度分布，用于验证理论分布的契合度。 * 频谱分析：利用快速傅里叶变换（FFT）捕获信道系数的快衰落切片，展示信道的选择性衰落特性。 * 多普勒谱模型：基于Jakes谱理论公式，计算并绘制了典型的U形功率谱密度曲线。

关键函数与算法细节

• 快速衰落生成算法：采用滤波法模拟多普勒展宽，利用 butter 函数设计滤波器，对合成的高斯白噪声进行塑形，在保持计算效率的同时模拟了真实的多普勒频谱形状。
• 功率延迟谱处理：系统采用了经典的指数下降模型作为功率延迟谱（PDP），并对多径时延进行了随机化与排序处理，能够模拟0~1微秒范围内的微蜂窝多径环境。
• UAV几何建模：核心在于 fd * cosd(theta) * cosd(phi) 的多普勒频移计算公式，这准确捕捉了三维空间中无人机移动矢量对载波频率的动态挤压和拉伸效果。